具有阻力風杯結(jié)構的垂直軸風力機啟動特性試驗研究

白悅荻,佟國強,姜 禹,李 巖,2,*,馮 放,趙 斌

(1.東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院,哈爾濱 150030;2.寒地農(nóng)業(yè)可再生資源利用技術與裝備黑龍江省重點實驗室,哈爾濱 150030;3.風能太陽能利用技術教育部重點實驗室(內(nèi)蒙古工業(yè)大學),呼和浩特 010051;4.東北農(nóng)業(yè)大學 文理學院,哈爾濱 150030;5.西藏自治區(qū)能源研究示范中心,拉薩 850000)

0 引 言

風力機是將風能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，當前被廣泛應用于清潔能源的開發(fā)和利用中。其中，直線翼垂直軸風力機(SB-VAWT)具有無需對風偏航機構，結(jié)構簡單，葉片便于加工，易于維護等優(yōu)點，一直備受世界各國學者的關注和青睞[1-2]。SB-VAWT主要適用于小型發(fā)電、離網(wǎng)式發(fā)電領域，發(fā)展前景十分廣闊，但還存在制約其自身發(fā)展的重要因素，如低風速下啟動特性不理想等問題[3]。多年來，很多研究者對此問題進行了研究和探索。廖書學[4]、孫曉晶[5]等通過數(shù)值計算對不同相對厚度的NACA系列翼型進行比較，認為選用NACA0018翼型的SB-VAWT，其啟動特性與功率特性較為理想。李巖等[6-7]通過在外部添加聚風裝置、內(nèi)部采用偏心結(jié)構等方法改進了SB-VAWT，從而改善了其啟動性能，取得了明顯效果。曲建俊等[8]設計了一種可以適應風速改變升阻特性的葉片裝置改善了SB-VAWT啟動性能。馮放等[9]制作了一種三段式組合型垂直軸風力機，并開展了數(shù)值模擬和試驗研究，結(jié)果表明SB-VAWT的啟動特性也得到了顯著改善。不同改進方法的研究成果表明SB-VAWT啟動特性的改進是可行的，為進一步的研究工作提供了很好的參考。但以上研究工作尚未清晰闡釋SB-VAWT啟動特性改善的原因和氣流流動機理，需進行更深入的探索。本文開展了利用阻力風杯結(jié)構改善SB-VAWT啟動特性的研究工作，對氣流流動機理進行了探索，并利用風洞試驗和PIV流場可視化方法對具有阻力風杯結(jié)構的垂直軸風力機進行了研究。

1 模型設計及制作

1.1 模型設計

如圖1所示，試驗模型為內(nèi)置風杯結(jié)構的兩葉片SB-VAWT(下文中記為DS-VAWT)，其外側(cè)的升力葉片翼型為NACA0018[10]，內(nèi)置的風杯結(jié)構由2個半橢圓弧面構成[11]。風力機逆時針轉(zhuǎn)動，定義升力葉片翼弦與來流風速平行時風力機旋轉(zhuǎn)方位角為0°。

1.2 模型制作

圖2為風洞試驗模型實物圖。模型材料為復合樹脂材料，旋轉(zhuǎn)半徑為400 mm，外側(cè)的升力葉片弦長為125 mm，葉片高為500 mm；內(nèi)置阻力型風杯結(jié)構采用輪廓曲率為1.6的半橢圓弧面，其旋轉(zhuǎn)半徑為280 mm，開口寬度為150 mm，葉片高度300 mm。

圖1 風力機示意圖Fig.1 Wind turbine model diagram

圖2 風洞試驗模型Fig.2 Wind tunnel test model

圖3所示為PIV可視化試驗模型，其外側(cè)的升力葉片旋轉(zhuǎn)半徑為95 mm，弦長為30 mm，葉片高為100 mm；內(nèi)置阻力型風杯結(jié)構旋轉(zhuǎn)半徑為65 mm，開口寬度為35 mm，葉片高度100 mm。為保證透光度，材料為高透光石英片。

圖3 PIV試驗模型Fig.3 PIV test model

2 研究方法

2.1 轉(zhuǎn)矩測量試驗

本試驗在東北農(nóng)業(yè)大學風能實驗室的風洞中進行。試驗風洞如圖4所示。試驗系統(tǒng)由低速風洞、試驗模型、扭矩傳感器、三相電機、計算機等組成。低速風洞長9.1 m、寬2.3 m、出口大小為1 m×1 m，可提供1～20 m/s的均勻風速。試驗中采用風速傳感器監(jiān)測實時風速。風力機中心與風洞出口中心高度一致。風力機由三相電機驅(qū)動，轉(zhuǎn)矩由扭矩傳感器檢測，原始數(shù)據(jù)采樣間隔為0.1 s。試驗測量設備參數(shù)及精度如表1所示。

圖4 試驗風洞Fig.4 Wind tunnel

表1 設備參數(shù)Table 1 Equipment parameters

2.2 PIV可視化試驗

PIV可視化試驗是目前較先進的流場可視化研究手段。其結(jié)合了激光技術、跨幀CCD技術以及數(shù)字圖像處理等技術，能夠同時獲得一個流場平面中多點的速度。

近年來，隨著計算機技術的快速發(fā)展，PIV被更廣泛地應用于流體機械試驗中。相比水平軸風力機[12-13]，垂直軸風力機可以簡化為二維模型，更適合PIV流場可視化這一研究手段[14]。圖5為PIV可視化成像原理圖[15]。PIV可視化試驗系統(tǒng)如圖6所示，系統(tǒng)設備包括直流式低速風洞、美國TSI公司PIV測試系統(tǒng)、自行設計的試驗臺等。風洞長6.7 m，氣流出口為0.4 m×0.4 m。風速范圍1～15 m/s，氣流不均勻度<0.2 m/s，湍紊流度≤0.5%，氣流偏角≤0.5°。PIV測試系統(tǒng)主要包括激光器、激光脈沖同步器、CCD相機和示蹤粒子發(fā)生器，試驗設備參數(shù)及精度如表2所示。為保證試驗段的示蹤粒子分布均勻，PIV試驗所用的示蹤粒子從風洞入口段加入。

圖5 片光源內(nèi)粒子記錄平面上的成像圖[15]Fig.5 Image of particle recording plane in light source[15]

圖6 PIV試驗系統(tǒng)Fig.6 PIV test system

表2 PIV試驗系統(tǒng)參數(shù)Table 2 PIV test system parameters

2.3 可靠性分析

一般來說，進行風力機特性測試的風洞要求滿足以下參數(shù)[16]：風速范圍1～50 m/s，氣流不均勻度<0.5 m/s，湍流度≤1%，氣流偏角≤1°。在4 m/s風速下試驗風洞的標定結(jié)果如圖7所示，其氣流不均勻度<0.5 m/s，湍流度≤ 0.5%，氣流偏角≤0.5°，符合試驗需求。

對風洞試驗系統(tǒng)來說，其試驗段面積與葉片掃掠面積接近；但從風速云圖可以看出，風力機模型所在區(qū)域風速較為穩(wěn)定，可以滿足試驗需求。本研究中測量了轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、風速等參數(shù)，力矩系數(shù)Cts的誤差傳遞公式如下[17]：

(1)

式中，M為轉(zhuǎn)矩,ΔM為轉(zhuǎn)矩測量誤差,U為風速，ΔU為風速測量誤差。

根據(jù)式(1)取表1最大測量誤差，力矩系數(shù)測量誤差Cts=±0.45%。

3 結(jié)果與分析

3.1 轉(zhuǎn)矩試驗

本試驗中，風洞出口風速設定為10 m/s ，靜力矩測試間隔為10°。

圖8所示為10 m/s風速下，2種風力機靜態(tài)啟動力矩系數(shù)(Cts)變化曲線。可以看出，SB-VAWT旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的靜力矩整體波動不大，其最大值出現(xiàn)在70°，為0.051；最小值出現(xiàn)在160°，為-0.011;周期平均力矩為0.028，最大值為平均力矩的178.99%。整個周期內(nèi)在150°～160°出現(xiàn)了負力矩，即風力機無法正常啟動，為風力機的死點，說明該工況下SB-VAWT的啟動性能較差。

圖7 風洞風速云圖Fig.7 Wind tunnel speed contour

圖8 轉(zhuǎn)矩試驗結(jié)果Fig.8 Wind tunnel test result

與SB-VAWT相比，DS-VAWT的靜力矩系數(shù)整體提升較為明顯，呈現(xiàn)出較大的波動變化，其周期平均力矩為0.196，是SB-VAWT的7倍，啟動性能改善明顯。該工況下，DS-VAWT靜力矩系數(shù)出現(xiàn)了3次峰值，分別在40°，50°和140°。90°～110°附近的靜力矩系數(shù)為負值，且低于SB-VAWT，即更難啟動，在100°出現(xiàn)了力矩系數(shù)的谷值。

總體而言，在一個旋轉(zhuǎn)周期中，由于阻力風杯結(jié)構的存在，產(chǎn)生了作用于葉片轉(zhuǎn)軸的扭矩，因此DS-VAWT啟動力矩整體要大于SB-VAWT，更易于啟動，僅在100°附近時略小。

3.2 PIV可視化試驗

為減小粒子跟隨性導致的PIV試驗誤差，試驗風速設定為4 m/s，流場拍攝間隔為20°。由風洞試驗的結(jié)果可以看出，在方位角為40°和140°工況下，風杯結(jié)構對SB-VAWT啟動力矩的改善較為理想；方位角為100°工況下，風杯結(jié)構對SB-VAWT的啟動產(chǎn)生了負面影響。下面主要對這3種工況下的流場進行對比分析。

圖9所示為方位角40°下2種風力機葉片周圍流場，此時SB-VAWT所受的力矩很小。由圖9(a)和(b)可以看出，上葉片尾流的流動分離現(xiàn)象明顯，氣流方向雜亂無序。其迎風面氣流沿著葉片表面流動，流速較大；而背風面氣體所需克服的逆壓強度較大，故流動開始分離，氣流流速經(jīng)過前緣后明顯減小。下葉片的尾流流動分離現(xiàn)象相對較弱，氣流經(jīng)過尾緣后流速明顯減小，前緣處流速變化不明顯。其前緣處產(chǎn)生了圓形的附著渦，葉片腹部產(chǎn)生了橢圓形的脫體渦。2個旋渦的匯集使得下部葉片的尾流方向雜亂，流動能量也受損。由圖9(c)和(d)可以看出，由于風杯結(jié)構的導流作用，DS-VAWT上部升力葉片的流動分離現(xiàn)象幾乎消失，上部風杯結(jié)構凸面迎風，氣流流經(jīng)壁面后向著兩側(cè)展開，其尾流氣流速度較小。下部風杯結(jié)構凹面迎風，隨著氣流流向風杯壁面，其速度明顯減小的同時，壁面壓力也增大。凹凸面的流速變化引起的壓力差所提供的氣動力是該方位角下DS-VAWT啟動力矩產(chǎn)生的主要來源。同時，其改變了下部升力葉片附近的壓力分布，使得間隙處的流體速度降低，與尾流之間的速度差也降低，剪切流動減弱，導致升力葉片尾流處的旋渦基本消失，能量耗散現(xiàn)象得到了改善。

圖9 2種風力機葉片周圍流場(θ=40°) Fig.9 The flow field around two wind turbines (θ=40°)

總體而言，該方位角下的風杯結(jié)構改善了升力葉片的流動分離現(xiàn)象，降低了風力機內(nèi)部流體的速度，產(chǎn)生了較大的扭矩，為DS-VAWT提供了較大的啟動力矩。

圖10所示為方位角140°下2種風力機葉片周圍流場。可以看出，SB-VAWT的2個葉片吸力面均有流動分離現(xiàn)象產(chǎn)生，但不十分明顯。上葉片壓力面流速仍然較大，其吸力面上部區(qū)域流速也較大，尾緣處有較小的旋渦產(chǎn)生。下葉片的壓力面流速低于來流速度，前緣處有回流產(chǎn)生，但由于發(fā)展不完全，沒有形成旋渦。雖然此時風力機流場較平緩，但由于2個葉片受到的氣動力合力相互抵消，該工況下SB-VAWT的靜力矩系數(shù)較低。

由于風杯結(jié)構的導流作用，DS-VAWT的升力葉片尾流的流動分離現(xiàn)象基本消失。上部風杯結(jié)構的后部尾流部分有擾動，但由于相對外部流場的流速差不大，剪切流動較弱，故無明顯旋渦產(chǎn)生。下部升力葉片尾流上部的氣流流速降低，向風杯結(jié)構的凹面流動，剪切流動的減弱使得升力葉片尾流處的回流與分離現(xiàn)象基本消失。同時，下部風杯凹面迎風，流速變化帶來了壓力差，其提供的氣動力是該方位角下DS-VAWT啟動力矩產(chǎn)生的主要來源；由于迎風角度的改變，逆壓分布逐漸向風力機中心移動，氣流流動需要克服的逆壓增大，流動分離現(xiàn)象產(chǎn)生；尾流處低速區(qū)域較大，能量耗散也相對明顯。

圖10 2種風力機葉片周圍流場(θ=140°)Fig.10 The flow field around two wind turbines (θ=140°)

總體而言，該方位角下，風杯結(jié)構改善了升力葉片的流動分離現(xiàn)象，將來流的動能轉(zhuǎn)化為風力機的啟動力，但由于該方位角下風杯結(jié)構總體的流動分離現(xiàn)象較強，其總啟動力矩要比40°時略低。

圖11所示為方位角100°下2種風力機葉片周圍流場，此時SB-VAWT的2個葉片幾乎都與來流垂直。氣流流過左側(cè)葉片后向兩側(cè)發(fā)展，尾流的流動分離現(xiàn)象更加明顯，下尾流的低速區(qū)被來流的高速區(qū)所包裹，其邊緣處有旋渦產(chǎn)生，剪切流動明顯；上尾流邊緣也有2個旋渦產(chǎn)生，其距離較近。風力機中心部分的流速較大但矢量稀疏，這可能是由于旋渦太多，粒子跟隨性受到影響。

圖11 2種風力機葉片周圍流場(θ=100°)Fig.11 The flow field around two wind turbines (θ=100°)

該方位角下，來流在DS-VAWT風杯結(jié)構壁面上的作用較小。左側(cè)風杯被升力葉片的尾流包裹，處于流速較低的逆流區(qū)域，其凹面也幾乎垂直于來流，使得沒有足夠的氣流動能供其轉(zhuǎn)化為啟動力矩；但是左側(cè)風杯的存在改善了葉片附近的逆壓分布，使得風力機下部的氣流流速更大。右側(cè)風杯的一部分則超出了SB-VAWT的尾流范圍，將來流方向的部分氣流引向風力機內(nèi)部，這使得左側(cè)風杯的尾流流道變小，與右側(cè)風杯的尾流分開；但是這部分來流與壁面作用所產(chǎn)生壓力的方向與風力機的轉(zhuǎn)動方向不同，故其無法產(chǎn)生促進風力機旋轉(zhuǎn)的力矩。

總體而言，該方位角下DS-VAWT內(nèi)部的有效流動沒有增加，風杯結(jié)構凹凸面流速差也較小，風杯結(jié)構沒有發(fā)揮作用，并且試驗過程中由于其模型質(zhì)量更大，機械結(jié)構較SB-VAWT更加復雜，轉(zhuǎn)動需克服的傳動阻力也更大，故啟動性能較差。

4 結(jié) 論

基于SB-VAWT加裝了風杯結(jié)構獲得了DS-VAWT，并對二者進行了啟動轉(zhuǎn)矩試驗與可視化試驗。本研究條件下獲得的主要結(jié)論如下：

(1) 在一個旋轉(zhuǎn)周期中，風杯結(jié)構的存在產(chǎn)生了作用于風輪轉(zhuǎn)軸的扭矩，有效改善了SB-VAWT的靜態(tài)啟動性能，在忽略測量誤差的前提下，DS-VAWT周期平均力矩為SB-VAWT的7倍，僅在90°～110°方位角區(qū)間對原風力機啟動特性改善效果不佳；

(2) 風杯結(jié)構對SB-VAWT升力葉片尾部的流動分離現(xiàn)象有著明顯改善，在其影響下，旋渦尺度也變小；

(3) 風杯結(jié)構使氣流流動時進入SB-VAWT的內(nèi)部流體增加，其迎風面的壓力變化增加了風力機正向推動力，這是DS-VAWT啟動特性得到改善的主要原因。