螺旋型垂直軸風力機的氣動性能研究及結構參數優化

謝 典，顧煜炯，楊宏宇，孫 旺，耿 直，王兵兵

螺旋型垂直軸風力機的氣動性能研究及結構參數優化

謝 典，顧煜炯，楊宏宇，孫 旺，耿 直，王兵兵

（華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206）

在H型垂直軸風力機的研究基礎上，針對其啟動性能較差、風能利用系數低等問題，提出了一種螺旋型垂直軸風輪。首先基于流管模型通過MATLAB編程對其性能開展了粗略分析，然后通過Fluent軟件對螺旋型風輪進行了數值模擬，研究了風輪結構參數對其氣動性能和啟動性能的影響規律，并將優化的螺旋型風輪與同掃掠面積的H型風輪進行了對比。結果表明螺旋型風輪在旋轉一周過程中，力矩系數波動幅度不超過40%，且力矩系數均為正值，利于其啟動；此外，螺旋型風輪的風能利用系數也較H型風輪高2%～3%，尤其是在葉尖速比較低的情況。該文提出的螺旋型風力機較之H型風力機，在旋轉過程中力矩系數變化小，在4 m/s風速即可啟動，拓寬了可利用的風能范圍，在低風速區域更適用，且整體風能利用系數也能有所提升。

風力機；優化；風能；垂直軸；螺旋型；數值模擬；對比分析

0 引 言

垂直軸風力機有升力型、阻力型以及升阻力結合型等幾種形式，升力型風輪具有較高的葉尖速比、風能利用系數等優點，受到更多的關注。對于升力型風輪，最常見的主要有Ф型和H型結構2種，其中H型風輪由于結構較為簡單，成為當下研究的熱點之一[1-2]，近年來，國內外許多學者對其進行了研究，主要集中于翼型的設計和機組整體氣動性能方面[3-11]。Li等[12]研究直葉片垂直軸風力機性能時采用了RANS和LES模型對比的方法，張建新等[13]借助CFD軟件分析了葉片半徑、弦長、葉片數等參數對H型垂直軸風力機性能的影響，楊從新等[14-15]結合Matlab和Fluent模擬研究了垂直軸風力機的啟動性能及其在低風速下的特性。

H型風力機是十分具有應用前景的一種，但在運行過程中其攻角不斷變化，機組的扭矩輸出變化非常大，產生交變載荷，且在啟動過程中存在死角，即力矩系數會有負值，通常出現在0°和180°方位角的時候，因此啟動較為困難。因此研究垂直軸風力機起動性有著極其重要的意義[16]。由于Savonius 風輪通常具有較好的自啟動性能[17-20]，因此國內外的一些學者將Savonius風輪與達里厄型風力機進行組合，進行一些研究。Menet設計了一種兩段式的Savonius 風輪，并將其與典型的達里厄型風力機進行組合，起到了輔助起動的作用[21]；寇薇等設計出一種用超越離合器將直線翼垂直軸風力機與Savonius 風輪組合在一起的風力機[22]；Feng等利用數值模擬的方法對組合型風力機進行了研究，結果表明加裝Savonius 風力機可以在一定程度上提高直線垂直軸風力機的起動特性[23]。此外，還有許多學者提出了導流的改進方案，比如Takao等[24]提出了裝導向葉片的H型風力機并進行了性能分析，還包括單獨在方位角為0°和180°的位置加裝導葉以避免力矩為負的情況[25]。但以上這些方法都使得風輪結構更加復雜，且部件增多也會增加擾流，加之風向不定，所定義的方位角在實際中是不確定的值，因此這些方法未能獲得實際應用。

更進一步，一些學者提出了將葉片扭轉一定角度的方式獲得新型結構的風輪，Kamoji等[26]在傳統Savonius風輪基礎上，改進葉片為螺旋型，提高了風能利用系數；王蔚峰等[27]對螺旋型葉片周圍的湍流特征進行了分析；王瑩等[28]對螺旋型風輪的氣動性能進行了相關研究；Andrea Alaimo等[29]在H型風輪的基礎上，將葉片分別扭轉30°、60°、90°并與直葉片對比分析了各自在旋轉一周過程中的力矩系數、葉尖渦產生情況，螺旋型風輪具有更平穩的力矩特性和較少的渦發生。

盡管螺旋型風輪的優越性得到了一些學者認可，但對其的研究較少，且缺乏與其他風輪的直觀對比。因此，本文擬繼續對該種風輪的性能開展深入研究，以一臺由3個互成一定角度的螺旋葉片構成的垂直軸風輪為研究對象，開展數值模擬研究，最后得出了優化后的螺旋型風輪設計參數，并與本文作者在以前開展的H型垂直軸風力機的試驗研究數據進行了對比驗證。螺旋型垂直軸風輪結構如圖1所示。

圖1 螺旋型垂直軸風輪

1 風輪性能的基本分析

1.1 風輪受力分析

且推力與切向力系數和法向力系數有如下關系

式中為方位角，(°)。

單個葉片流經一個流管時的推力為

將式（1）、式（6）、式（7）結合可得到求解誘導因子的迭代方程，具體方法是先初始化2個不同的，再分別利用式（1）、式（6）和式（7）計算風輪的推力，然后進行迭代，最終當通過式（1）、式（6）和式（7）計算的推力相等，并且2個值相差小于0.001時，這時就近似認為2個值相等，迭代結束。求出誘導因子后便可進一步求解相對速度、切向力系數等參數[32]，風能利用系數也可根據式（3）得出。

基于上述的雙致動盤多流管模型可進行MATLAB編程以迭代計算風輪受力，盡管該種方法計算結果誤差較大，但其計算簡單快速，作為定性分析仍具有一定適用價值。

1.2 螺旋型風輪與H型風輪的受力分析

利用上節所述的迭代方法計算風輪升力系數，取了4種風輪作為研究對象（葉片數均為3），分別為H型風輪、葉片旋轉角度分別為60°、90°和120°的螺旋型風輪，4種風輪的切向力系數如圖2所示。從圖中可以發現，H型風輪葉片的切向力系數C隨風輪轉動呈現周期性變化，且C值在旋轉過程中變化較大，特別是當方位角為0、180°和360°時C甚至出現了負值，表明在這些位置葉片不但不做功，還會對整個風輪形成阻力，因此H型風輪在啟動過程中會存在死角；整體來說螺旋型風輪的C值變化比H型風輪小，且不存在負值的情況，從理論上說螺旋型風輪在啟動過程中不存在死角，啟動性能要優于直葉片風輪，由于其運行相對平穩，此機組的振動及疲勞載荷也比H型風輪小。在4種風輪中，葉片旋轉角度為120°的風輪運行最為平穩，因此本文選擇它作為進一步優化的對象。

圖2 兩種風輪的切向力系數對比

2 仿真模型

2.1 網格劃分

本文采用Fluent軟件來開展數值模擬研究。在Gambit里構造風輪模型時，將風輪進行了一些必要的簡化：1）數值模擬的葉片實際上只是在風輪柱形壁面上運動，對柱面周圍的氣流影響較大，但對其他區域的氣流影響不大，所以可以省去葉片的葉臂；2）為了減少網格數量，降低模型的復雜程度，同時不至于影響網格質量，可將風輪的中心塔柱省略，節省更多的計算時間。

以風輪的中心點為坐標原點來定義風輪流場的整個計算域，為避免回流，計算域的上下邊界及前后邊界距風輪中心皆為風輪半徑的6倍。由于風經過風輪后的區域是數值分析的重點，應盡量加大風輪的后部流場，使風力機葉輪到入口面的距離遠小于其到出口面的距離；另一方面，入口邊界對風輪的影響也不可忽視，因此左側邊界島風輪中心的距離也要適當加大，最終確定左側邊界到風輪中心距離為風輪半徑的10倍，右側邊界距離風輪中心為風輪半徑的20倍。

圖3 螺旋型風輪流場計算域圖

為了實現網格從小到大均勻的變化，采用Gambit中的尺寸函數size function來實現局部加密這一功能。基于穩態不可壓縮流動三維定常雷諾時均N-S方程（RANS）進行數值模擬，選用在近壁面區有較好精度及穩定性的SST-湍流模型[33]。入口邊界、出口邊界分別設為均勻速度和自由出流，同時考慮滑移邊界，在風輪和靜止的氣流流場之間的網格交接面設置為interface。采用SIMPLE算法，欠松弛因子的設置為：壓力0.3，密度1.0，體積力1.0，動量0.7，修正湍流黏度0.8，其他動量以及修正湍流黏度都設定為二階迎風離散格式，以減少數值耗散造成的影響，而且可以得到比較好的計算精度[34]。

2.2 網格無關性驗證

為驗證網格無關性，通過加密葉片附近網格節點分布，使網格總數分別約為200萬、230萬和250萬來計算風輪的力矩系數，圖4顯示了在葉尖速比為2的情況下采用不同網格計算得到的1個周期內的風輪力矩系數。從圖4可以看到，網格數約為230萬和250萬的計算結果差別不超過1%，為節省計算時間，將總體網格數設為約230萬（其中滑移面以內的網格數約200萬）。

圖4 網格無關性驗證

3 仿真結果與分析

垂直軸風輪的攻角隨著方位角的變化而呈現正負交替變化，通常選用對稱翼型，最常用的為NACA系列翼型，本文選用NACA0018作為測試翼型，開展相關仿真研究。

3.1 風速對螺旋形垂直軸風力機性能的影響

來流風速一方面能影響風力機的功率，另一方面能通過影響攻角的大小而影響機組的風能利用率。本文通過FLUENT模擬風速和葉尖速比對風力機的風能利用系數的影響情況，暫取風輪參數為：葉片數為3，弦長300 mm，風輪直徑4 m、高6 m，結果如圖5所示。

圖5 不同風速下風能利用率隨葉尖速比的變化曲線圖

從圖5中可知，風能利用系數C隨著風速增大而增大；風速從5 m/s變化到8 m/s時，風能利用系數提升較大；當風速從8 m/s變化到10 m/s時，風能利用系數C繼續提升，但提升幅度變小了；此外，風速越大，可達到高風能利用系數的葉尖速比范圍也更寬。風速一定時，風能利用系數隨著葉尖速比的增大而先增大后減小，存在一個最佳值；風速在5 m/s時，最佳葉尖速比為1.8，而風速為10 m/s時，最佳葉尖速比為2，可見不同風速的最佳葉尖速比值相差并不大。

3.2 風力機結構參數對其性能的影響

3.2.1 葉片數的影響分析

注：風輪高6 m，直徑4 m，弦長0.3 m。

3.2.2 弦長的影響分析

注：風輪高6 m，直徑4 m，葉片數為3。

3.2.3 高徑比的影響分析

選取葉片尖速比為2，葉片弦長為320 mm，葉片數為3，保持掃風面積一定，高徑比變化范圍為1～2.6，得到風能利用系數和啟動風速隨高徑比變化曲線如圖8所示。高徑比/增大，風能利用系數出現了先增大后減小的趨勢，在1.4～1.9的高徑比范圍內C值均較大，/=1.6時達到最大值；而風輪的啟動風速則隨著高徑比增大逐漸減小，在/=1.6時，啟動風速約為3.8 m/s；因此綜合考慮啟動性能和風能利用率，最佳高徑比可選為1.6，較佳的高徑比可認為在1.4～1.9區間。

注：葉片尖速比為2，葉片數為3，弦長為320 mm。

3.3 螺旋型風輪與H型風輪的性能對比

對于風力機的性能而言，主要包括其運行效率與啟動特性兩方面，而啟動性能很大程度取決于其產生的力矩情況，因此對螺旋型風輪與H型風輪（掃掠面積相等）在同等工況下的風能利用系數與力矩系數進行對比。

3.3.1 仿真對比

設定風輪葉片數為3、弦長320 mm、風輪高6 m、直徑4 m，風速取7 m/s，通過數值模擬求解不同葉尖速比下2種風輪的風能利用系數，以及旋轉一周過程中2種風輪的力矩系數變化情況，網格劃分、湍流模型選擇及邊界參數設置參考第2節，計算結果如圖9所示。

圖9 螺旋型風輪與H型風輪的風能利用系數及力矩系數對比圖

由圖9可知，在低葉尖速比時，螺旋型風輪的風能利用系數高于H型風輪，在較高葉尖速比時，二者較為接近，且達到最大風能利用系數時的葉尖速比均接近于2。整體來看，螺旋型風輪的風能利用系數隨著葉尖速比的變化幅度更小，曲線更平滑，因此整體氣動性能更好。

關于力矩系數，螺旋型垂直軸風輪旋轉一周過程中，力矩系數并沒有出現為負的情況，且波動相對較小，具有良好的氣動性能，而H型風輪力矩系數波動較大，且有為負值的時段，表明其旋轉過程中存在“運動死區”，且風輪所受載荷波動較大，對其壽命也有損害。

3.3.2 試驗驗證

本文作者基于國家海洋局海洋可再生能源專項資金項目（GHME2011BL01）的開展，建立了一個高6 m、直徑4 m（各項尺寸與3.3.1節中仿真分析的H型風輪一致）的H型垂直軸風力機，并開展了海上試驗[35]。

圖10為根據某一段試驗數據繪制的風速曲線及風輪的輸出功率曲線，其中風輪的功率是根據扭矩轉速傳感器測得的風輪主軸的轉矩和轉速相乘所得的軸功。根據風能利用系數的計算公式，可計算出該測試時段內，H型風輪的平均風能利用系數約0.24，該時段平均風速為7 m/s，對比圖10的曲線，可知該試驗值略低于其仿真值（為0.256），較為接近；而在該風速下，根據仿真結果，螺旋型風輪的風能利用系數略大于H型風輪，其值可達0.27。

圖10 某時間段內的風速與風輪輸出功率曲線

螺旋型風力機由于在目前國內外的研究中，仍主要以數值模擬為主，雖然有少量的實際使用案例，但相關具體試驗參數并未公布，因此暫無法得到驗證。本文作者根據數值模擬優化結果，建立了螺旋型風輪樣機，尚在調試中（如圖11所示），具體結果有待進一步分析。

圖11 螺旋型風輪樣機

4 結 論

本文首先對垂直軸風輪的氣動性能進行了分析，基于雙致動盤多流管模型比較分析了H型風輪和螺旋型風輪的切向力系數變化特點，初步確定了螺旋型風輪的結構；然后利用fluent仿真軟件研究螺旋型風輪的結構參數對其氣動性能的影響規律，將優化的螺旋型風輪與同掃掠面積的H型風輪的仿真結果進行對比分析；最后對一臺已經開展了運行試驗的H型風力機樣機的試驗數據進行了分析，佐證了仿真結論。本文得出的結論如下：

1）相對于H型風輪，螺旋型風輪力矩系數波動較小，波動不超過±40%（以平均值為參考），平均力矩系數也較大，整體性能較佳。

2）實度是除翼型外對風輪性能的又一重要影響參數，其主要取決于葉片數量、弦長和高徑比，風機功率系數隨著實度增大而先增大后減小，因此，合理的實度設計能使得風輪性能較優，本文所研究的螺旋型風輪（直徑4 m、高6 m）在葉片數為3，弦長320 mm時性能最優。

3）通過Fluent仿真結果，可知本文提出的螺旋型風力機較之H型風力機，在旋轉過程中力矩系數變化小，在4 m/s風速即可啟動，拓寬了可利用的風能范圍，在低風速區域更適用，且整體風能利用系數也能有所提升，尤其是在葉尖速比較低時。

本文對于螺旋型風輪僅采用了仿真分析的手段，目前已按照所設計參數搭建了試驗樣機，更深入的研究將在進一步的工作中展開。

[1] Islam M, Ting D S K, Fartaj A. Aerodynamic models for darrieus-type straight-bladed vertical axis wind turbines[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2008, 12(4): 1087－1109.

[2] 金浩，胡以懷，馮是全. 垂直軸風力機在風力發電中的應用現狀及展望[J]. 環境工程，2015，33：1033－1038.

Jin Hao, Hu Yihuai, Feng Shiquan. Current situation and prospect on vertical axis wind turbine in wind power generation[J]. Environmental Engineering, 2015, 33: 1033－1038. (in Chinese with English abstract)

[3] Islam M, Ting D S K, Fartaj A. Desirable airfoil features for small-capacity straight-bladed VAWT[J]. Wind Engineering, 2007, 31(3): 165－196.

[4] Schuble P J, Crossley R J. Wind turbine blade design[J]. Energies, 2012, 5(9): 3425－3449.

[5] Li Qing’an, Takao Maeda, Yasunari Kamada, et al. Effect of solidity on aerodynamic forces around straight-bladed vertical axis wind turbine by wind tunnel experiments: Depending on number of blades[J]. Renewable Energy, 2016(96): 928－939.

[6] Cheng Zhengshun, Madsen H A, Gao Zhen, et al. Effect of the number of blades on the dynamics of floating straight-bladed vertical axis wind turbines[J]. Renewable Energy, 2017, 101: 1285－1298.

[7] Lin Sanyih, Lin Yangyou, Bai Chijeng, et al. Performance analysis of vertical-axis-wind-turbine blade with modified trailing edge through computational fluid dynamics[J]. Renewable Energy, 2016, 99: 654－662.

[8] Chen Jian, Chen Liu, Xu Hongtao, et al. Performance improvement of a vertical axis wind turbine by comprehensive assessment of an airfoil family[J]. Energy, 2016, 114: 318－331.

[9] Mahdi Torabi Asr, Erfan Zal Nezhad, Faizal Mustapha, et al. Study on start-up characteristics of H-Darrieus vertical axis wind turbines comprising NACA 4-digit series blade airfoils[J]. Energy, 2016, 112: 528－537.

[10] Li Qing’an, Maeda Takao, Kamada Yasunari, et al. The influence of flow field and aerodynamic forces on a straight bladed vertical axis wind turbine[J]. Energy, 2016, 111: 260－271.

[11] Mahdi Zamani, Saeed Nazari, Sajad A Moshizi, et al. Three dimensional simulation of J-shaped Darrieus vertical axis wind turbine[J]. Energy, 2016, 116: 1243－1255.

[12] Li Chao, Zhu Songye, Xu Youlin, et al. 2.5 D large eddy simulation of vertical axis wind turbine in consideration of high angle of attack flow[J]. Renewable Energy, 2013, 51: 317－330.

[13] 張建新，蔡新，潘盼. H型垂直軸風力機啟動性能分析[J]. 水電能源科學，2013，31(5)：243－246.

Zhang Jianxin, Cai Xin, Pan Pan. Analysis of start-up performance on h-shaped vertical-axis wind turbine[J]. Water Resources and Power, 2013, 31(5): 243－246. (in Chinese with English abstract)

[14] 楊從新，巫發明，張玉良. 基于滑移網格的垂直軸風力機非定常數值模擬[J]. 農業機械學報，2009，40(6)：98－102.

Yang Congxin, Wu Faming, Zhang Yuliang. Numerical simulation on unsteady rotated flow of a vertical axis wind turbine based on moving meshes[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 40(6): 98－102. (in Chinese with English abstract)

[15] 楊從新，李壽圖，王秀勇. 低風速下H型垂直軸風力機氣動性能[J]. 排灌機械工程學報，2014，32(10)：888－893.

Yang Congxin, Li Shoutu, Wang Xiuyong. Aerodynamic performance of H type vertical axis wind turbine under condition of low wind speed[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2014, 32(10): 888－893. (in Chinese with English abstract)

[16] Paraschivoiu I. Wind turbine Design with Emphasis on Darrieus Concept[M]. Montreal: Ecole Polytechnique de Montreal, 2002.

[17] 李巖，原豐，林農. Savonius 風輪葉片重疊比的風洞試驗研究[J]. 太陽能學報，2009，30(2)：226－231.

Li Yan, Yutaka Hara, Tsutomu Hayashi. A wind tunnel experimental study on the overlap ratio of Savonius rotors[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2009, 30(2): 226－231. (in Chinese with English abstract)

[18] 趙振宙，鄭源，徐小韻，等. 基于部分結構參數的螺旋形Savonius 風輪性能優化[J]. 太陽能學報，2010，31(11)：1480－1484.

Zhao Zhenzhou, Zheng Yuan, Xu Xiaoyun, et al. Performance optimization of helix Savonius rotor based on part configuration parameters[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2010, 31(11): 1480－1484. (in Chinese with English abstract)

[19] Rabah K V O, Osawa B M. Design and field testing of Savonius wind pump in east Africa[J]. International Journal of Ambient Energy, 1996, 17(2): 89－94.

[20] Hayashi T, Li Y, Hara Y. Wind tunnel tests on different phase three-stage Savonius rotor[J]. JSME International Journal Series B, 2005, 48(1): 9－16.

[21] Menet J L. A double-step Savonius rotor for local production of electricity: a design study[J]. Renewable Energy, 2004, 29(11): 1843－1862.

[22] 寇薇，苑賓，李琦，等. 一種組合型垂直軸風力發電機的結構設計[J]. 電力科學與工程，2011，27(5)：25－28.

Kou Wei, Yuan Bin, Li Qi, et al, Combined vertical axis wind turbine design[J]. Electric Power Science and Engineering, 2011, 27(5): 25－28. (in Chinese with English abstract)

[23] Feng Fang, Li Shengmao, Li Yan, et al, Torque characteristics simulation on small scale combined type vertical axis[J]. Physics Procedia, 2012, 24A: 781－786.

[24] Takao M, Kuma H, Maeda T, et al. A straight-bladed vertical axis wind turbine with a directed guide vane row: Effect of guide vane geometry on the performance[J]. Journal of Thermal Science, 2009, 18(1): 54－57.

[25] 趙振宙，王同光，陳景茹，等. 干擾氣流對Darrieus 風輪氣動性能影響研究[J]. 太陽能學報，2016，37(7)：1719－1725.

Zhao Zhenzhou, Wang Tongguang, Chen Jingru, et al. Research on effect of interfere air on performance of darrieus wind turbine[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2016, 37(7): 1719－1725. (in Chinese with English abstract)

[26] Komoji M A, Kedare S B, Prabhu S V. Performance tests on helical Savonius rotors[J]. Renewable Energy, 2009, 34(3): 521－529.

[27] 王蔚峰，康燦，楊敏官. 新型垂直軸螺旋型風力葉輪的研究[J]. 太陽能學報，2013，34(8)：1421－1426.

Wang Weifeng, Kang Can, Yang Minguan. Research of A novel spiral vertical-axis wind turbine rotor[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2013, 34(8): 1421－1426. (in Chinese with English abstract)

[28] 王瑩，張海杰，曹陽，等. 螺旋型垂直軸風力機的氣動與啟動性能研究[J]. 工程熱物理學報，2014，35(8)：1530－1533.

Wang Ying, Zhang Haijie, Cao Yang, et al. Aerodynamic and starting performance investigation of the spiral vertical axis wind turbine[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2014, 35(8): 1530－1533. (in Chinese with English abstract)

[29] Andrea Alaimo, Antonio Esposito, Antonio Messineo, et al. 3D CFD analysis of a vertical axis wind turbine[J]. Energies, 2015, 8: 3013－3033.

[30] 賀德馨. 風工程與工業空氣動力學[M]. 北京：機械工業出版社，1987：35－40.

[31] 原鯤，王希麟. 風能概論[M]. 北京：化學工業出版社，2010：160－173.

[32] 王兵兵. 液壓傳動型垂直軸風力機的仿真與實驗研究[D]. 北京：華北電力大學，2016.

Wang Bingbing. Simulation and Experimental Research on Hydraulic Driven Vertical Axis Wind Turbine[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[33] Li Qing’an, Maeda Takao, Kamada Yasunari, et al. Effect of solidity on aerodynamic forces around straight-bladed vertical axis wind turbine by wind tunnel experiments: Depending on number of blades[J]. Renewable Energy, 2016(96): 928－939.

[34] Suzuki M. An experimental vertical-axis wind turbine system with Bellshion blades[J]. Wind Energy, 2008, 40: 31－35. (in Chinese with English abstract)

[35] 韓立. 垂直軸風力機翼型優化及數值模擬[D]. 北京：華北電力大學，2015.

Han Li. Airfoil Optimization and Numerical Simulation of Vertical Axis Wind Turbine[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2015. (in Chinese with English abstract)

謝 典，顧煜炯，楊宏宇，孫 旺，耿 直，王兵兵.螺旋型垂直軸風力機的氣動性能研究及結構參數優化[J]. 農業工程學報，2017，33(22)：262－268. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.034 http://www.tcsae.org

Xie Dian, Gu Yujiong, Yang Hongyu, Sun Wang, Geng Zhi, Wang Bingbing. Aerodynamic performance research and structural parameter optimization of helical vertical axis wind turbine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(22): 262－268. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.034 http://www.tcsae.org

Aerodynamic performance research and structural parameter optimization of helical vertical axis wind turbine

Xie Dian, Gu Yujiong, Yang Hongyu, Sun Wang, Geng Zhi, Wang Bingbing

(102206,)

Vertical axis wind turbine (VAWT) has the advantages of good adaptability to wind direction, low noise, simple structure, and so on. It has a good application value in the field of small and medium-sized wind turbines. Among all kinds of VAWTs, H type VAWT is used more widely and has better performance. However, it still has some drawbacks, such as poor starting performance, low utilization coefficient of wind energy, large torque fluctuation in the process of rotation, alternating load and fatigue of the wind wheel. In this paper, a scheme for forming a helical VAWT by rotating a straight blade of an H type wind turbine to a certain angle is presented. The performance analysis and parameter optimization of this kind of wind turbine are carried out. First of all, the working principle and force situation of the helical wind turbine are analyzed, and a rough analysis of its performance is carried out based on the flow pipe model through MATLAB programming. In this process, the influence law of blade rotation angle on tangential force coefficient of wind turbine is studied. Hence, a preliminary physical model of helical wind turbine is obtained, which is a rotor consisting of 3 blades with 120° rotation. Then, the helical wind turbine is simulated by Fluent software. In the process of numerical simulation, we choose the torque coefficient as the validation parameter to carry out the grid independent verification analysis at first. Secondly, the influence of wind speed on the aerodynamic performance of wind turbine is studied. Thirdly, the effects of a few key parameters on the wind turbine’s aerodynamic performance and starting performance are researched. They are blade number, chord length, and ratio of height to diameter of the wind turbine. With the power coefficient as the evaluation index, the power coefficient of the wind turbine at different tip speed ratio is calculated by changing a parameter value of the wind turbine every time. Consequently, a set of optimized wind turbine structural parameters are obtained: Blade number is 3, chord length is 320 mm, and ratio of height to diameter is 1.6. At last, the wind energy utilization coefficients and torque coefficients of the optimized helical type wind turbine and an H type wind turbine with the same swept area are calculated by Fluent software, and the results are compared and analyzed. The results show that the torque coefficient of the helical wheel fluctuates less than 40% during its one-week rotation, and the torque coefficient is always positive, which is beneficial to start up. The torque coefficient of the H type wind turbine is negative at the azimuthal angle of 0 and 180°, showing poor starting performance. In addition, the overall coefficient of wind energy utilization of the helical wind turbine is also higher 2%-3% than that of the H type wind turbine, and especially in the case of low tip speed ratio, the gap is more obvious. These experimental results support the conclusion that a helical wind turbine has better aerodynamic performance and start-up performance.

wind turbines; optimization; wind energy; vertical axis; helical type; numerical simulation; comparative analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.034

TK89

A

1002-6819(2017)-22-0262-07

2017-06-20

2017-10-11

海洋可再生能源專項資金項目（GHME2011BL01）

謝 典，男，漢，四川資陽人，博士生，研究方向為海上風能及波浪能發電技術的研究。Email：xiedian1990@163.com