第三章 垂直轴风力机静态启动性能分析
第三章 垂直轴风力机静态启动性能分析
垂直轴风力机分为阻力型和升力型风力机。阻力型风机通常启动转矩较大，但相对于升力型风机其风能利用系数较低，很少被用于发电。作为升力型垂直轴风力机的代表，Darrieus风力机风能利用系数可达0.4以上，在风力发电国家具有一定市场，是水平轴风力机的主要竞争对手[44]。但Darrieus风力机因静止转矩为零，因此不能自行启动，需要靠外力将风力机提升到一定转速后，或在较高的风速下才能启动[45]。为改善Darrieus风力机的性能，降低成本，近年来具有直线型叶片的Darrieus风力机，即H型风力机越来越受到国际风能领域的关注，并且欧美、加拿大和日本等国都在积极研究和推广该种风力机[46]。
3.1 静态启动性能仿真计算模型
计算模拟的垂直轴风机原型如图3-1所示，该模型为本课题组发明专利[47]设计。在CFD前处理中忽略风力机中支撑杆的气动阻力作用，考虑叶片尾部和转轴对风力机整体气动性能的影响，简化后模型如图3-2。
图3-1 垂直轴风力机基本结构 图3-2 简化后风力机
风力机叶片采用的叶片翼型为DU91_W_250，叶片详细设计参数如表3-1所示。风力机三维模型由UG NX绘制而成，并导入有限元前处理软件ICEM中进行进一步网格划分。
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河海大学硕士论文 垂直轴风力机仿真与应用研究
表3-1叶片设计参数(DU91_W_250)
弦长 c(mm)
400
25
1500
4
3000
5
75
相对厚度(%)
旋转半径 (mm)
叶片数N
叶片长度 (mm)
设定攻角ɑ(°)
塔筒半径 (mm)
运用ICEM CFD软件对全尺寸叶片和转轴以及整个计算域按结构所在位置―分块‖并采用六面体单元进行网格划分(图3-3)。为了体现边界层粘性流动特征，对附面层网格进行了加密处理，选取的第一层网格的厚度大约为0.2mm，叶片截面周边四边形网格如图3-4。整个计算域网格节点数约124万个。
图3-3 计算域网格划分 图3-4叶片周边网格划分
3.2 计算方法
将垂直轴风力机完整流场网格导入CFD计算软件CFX中。进行边界条件设定如下：
(1)入口：圆头边界为入口，在该处设定进口总温、入流方向和湍流强度。 (2)出口：计算域右边平面为出口，该处设定为平均静压，相对静压强为0。 (3)对称面：计算域上下表面为对称界面，对称面相对于叶片高出1 m。 (4)壁面：叶片和主轴表面为壁面，并设定为无滑移壁面，即壁面切向速度与法向速度都为0。
这里研究垂直轴风力机启动转矩，叶片被设定为静止状态下入流风速对其转矩的影响。该风力机有四个叶片，计算工况为在一个转动周期内，每个叶片在90°圆周角内每隔10°的气动转矩计算，计算工况如表3-2所示：
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表3-2 计算工况
工况
1
2 100
0
3 20
4 30
5 40
6 50
7 60
8 70
9 8
入流角(°)
3.3计算结果及分析
监测叶片各工况中转矩变化，直至收敛。图3-5为10°入流角下流场风速分布图。其中，1号叶片的静止状态下牵引力最大，为48.30N；3号叶片牵引力最小，为4.24N；2号和4号叶片牵引力分别为7.57、7.56N。迎风叶片背后存在较强的湍流区，处于湍流区的叶片不能发挥最佳气动特性。
图3-5 流场风速分布图
图3-6(a)为叶片尾流结构分布，由图可见上游迎风叶片叶尖处有漩涡生成并向叶片中部转移。漩涡在中部膨胀，与下游叶片交织在一起。尾流结构改变了下游叶片迎风角和迎风速度等特性。该特性变化可由图3-6(b)叶片周围流线分布看出，图中叶片梢部和主轴的存在都影响气流流线的变化。因此包含全尺寸叶片的三维CFD计算必将成为垂直轴风力机叶片气动设计与校核的有效手段。
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河海大学硕士论文 垂直轴风力机仿真与应用研究
(a)正视图 (b)俯视图
图3-6 叶片周边流线分布
图3-7为风力机在不同入流角下静转矩变化曲线，由图可见，叶片启动转矩随入流角即叶片初始方位角变化而变化，当入流角为30°左右时风力机启动转矩最大，为142.98N·m。即每个叶片都不处于上游叶片尾流区内时，风力机可产生最大的启动转矩。同时，在下一节各个参数影响性能分析中，将各个设计方案中各个叶片都设置在类似方位角下进行气动计算，进而进行综合评价。
140启动转矩（N·m）1201008060020406080入流角（°）
图3-7 叶片启动转矩与入流角关系
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