一種新型的垂直軸風力機聚風裝置

蔡洪濤，肖波齊

1. 武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205；2. 化工裝備強化與本質安全湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430205

小型垂直軸風力機具有可靠性高、維修保養方便、風能利用率較高、氣動噪音小等優點［1-2］。因此垂直軸風力機的研究與應用一致受到很多研究人員的重視，各種結構的垂直軸風力機不斷涌現［3-4］。為了提高垂直軸風力機的風能利用率，不少研究將重點放在葉片結構的改進上，其研究途徑之一就是將升力型與阻力型葉片結合，如顧榮蓉等［5］提出了一種新型升阻互補型垂直軸風力機，采用CFD 法分析了利用該翼型制成的端部封閉和不封閉的兩種垂直軸風力機的氣動特性；曲建俊等［6］提出了一種基于活固葉片的新型升阻復合型垂直軸風力機，其功率系數曲線具有阻力型垂直軸風力機和升力型垂直軸風力機的雙重特點。蔡新等［7］考慮S 型與H 型垂直軸風力機的特點，設計了一種新型升阻混合型垂直軸風力機。為了更好地發揮升阻風力各自的特點，近年來“自適應風速垂直軸風力機”成為研究熱點［8-11］。研究途徑之二是改變風的流場，增加所謂的聚能裝置。如擋風墻聚能風力機裝置，通過在大型風力機外側建造兩堵墻體，形成一個類似于擴散放大器的裝置，能夠有效地提高風輪平面的過風速度，達到增加風力機輸出功率的目的［12］。周萬里等［13］應用環境風洞，對幾種不同的聚能-遮蔽模式及幾種不同的風輪模型進行了吹風實驗，獲得了低風速條件下該類風力機風能利用特性的系列實驗數據。唐靜等［14-15］研究了一種圓臺型聚風罩對垂直軸風力機性能的影響。本文提出了一種能將任意方向水平風改變為逆時針旋轉流動風的新型風力機結構，并計算了其風能利用率，設計了功率為300 W 的風力機的基本尺寸。

1 垂直軸風力機聚風裝置結構及其流場

1.1 垂直軸風力機聚風裝置結構

圖1 風力機：（a）結構簡圖，（b）對風速的加速作用Fig.1 Wind turbine：（a）structural diagram，（b）acceleration effect on wind speed

本風力機結構如圖1（a）所示，主體是一個直徑較大的環形管，管的截面為矩形。環形管外壁沿圓周均勻設置了12 個矩形截面的進風口1 到12；內壁也沿圓周均勻設置了3 個矩形截面的出風口；整個環形管被分成不相通的3 段，如圖1（b）所示。直線L1到L12分別表示12 個風的方向，如L1表示水平向右的風，L4表示垂直向下的風向。則從進風口2、3、4 進的風主要在第二象限的環形管內流動，從進風口5、6、7 進的風主要在第一象限的環形管內流動等等。風從環形管外壁沿切向進入環形管內，沿著環形管流動，從環形管內壁出口沿切線方向進入環形管內側。不同風向對應的進口及環形管段見表1。所謂主進風口就是與風的方向完全一致的進風口，一般進風口的方向與風的方向夾角為30°，而次進風口的方向與風方向的夾角為60°。

設主風口的風力值為1，一般進風口的風力值為0.866，次進風口的風力值為0.5，則得到表1 中各個方向的風對應的風力大小。

從表1 可以看出，無論風從哪一個方向進入環形管，都有5 個進風口進風，風在兩個環形管段流動，可同時推動兩個葉片旋轉。但是在不同風向時兩個環形管段內風力分配是不均勻的，其中風向3、4、7、8、11 和12 分布均勻性較差，在一個環形管段里只對應一個次進風口，而在另一個環形管段里對應一個主進風口、兩個一般進風口和一個次進風口。

表1 風向與進風口對應關系Tab.1 Correspondence between wind direction and air inlet

水平方向風流向環形管道，總的迎風面積A為：

式中，D 為管道環的外徑，h 為管子截面的高度。而有效進風面積為

式中，α 和β 如圖1 所示。α 為矩形進風口對應的圓心角，單位為弧度；β 為該矩形起始邊與坐標軸對應的夾角。α<30o，β ≈17o。有效進風面積系數為：

當 α=10° 時 ，η = 0.12；當 α=30° 時 ，

ηmax≈0.52。

考慮水平環管對風速的加速作用。如圖2 所示，設自然水平風速為υ0，經過AB 處截面后流體路徑漸漸縮小，則風速會變大。根據流體連續性原理，CD 處截面的風速υ1為：

式（3）表明，該水平環管對風速有明顯的加速作用。因此，該裝置能有效降低風力機的啟動風速。

1.2 垂直軸風力機聚風裝置的環形流場

以風向1 為例。當風從1 風向過來，風從主進口4，次進口2、3、5、6 流進環形流道，其他進風口因為處于背風側，不能進風。從進風口2、3、4 進入的風在第二象限內流動，從進風口4 對應的內壁風口出來，進入環形通道內側，與進風口5、6 進來的風交匯后，繼續順時針流動，對葉輪做功后，從位于第三象限的內側風口出去，進入環形通道，并從背風口11、12 流出環形通道。因為這兩個風口有較大的抽吸作用。由此可見，在任意風向，環形通道內環壁的3 個矩形口，始終有兩個是進風的，另外一個則是出風口。做功前，環形通道內風速較大，壓力較小，但是做功后的風速度較小，壓力后有所增加。因此風能從環形通道外流進通道內，再流出通道，形成流場。

2 功率系數的計算

2.1 半圓柱形葉片的風輪

如圖2（a）所示，半圓柱形迎風面的風阻系數CW=2.3。經過類似的推導可知：

式中，r=R3-R3cosθ+R0。該力做功為：

則功率為：

此時風力機的功率系數CP為：

式 中，A = υ0- ωR3- ωR0，B=R3+R0。 令，a=R0/(2R3+R0)，λ=(2R3+R0)ω/υ0得到

1.3.3 患兒治療依從性評價 由于哮喘患兒是特殊群體，其對于治療的依從性是針對于家屬，臨床藥師對實驗組患兒家屬在1年時間內，每個月評估其治療的依從性，以能夠穩定持續用藥為較好，以分值5分表示；以雖未能持續穩定進行藥物治療，但對于疾病控制仍存在相應的重視及治療為一般，以分值3-4分表示；對于用藥治療頻率較低，完全不能按照療程進行治療為較差，以分值1-2分表示。

當a 增 大 時，CP是 減 小 的。當a=0.1 時，式（6）變成：

CP=CW(0.272λ3-0.666λ2+0.495λ)

當λ=0.57 時，CPmax=0.267 1。考 慮3 個 葉 片的旋轉情況，風輪的功率系數為35.6%。

圖2 風輪：（a）半圓柱形葉片，（b）對稱翼型Fig.2 Wind wheels：（a）semi-cylindrical blade，（b）symmetric airfoil

2.2 H 型風力機風輪的功率系數

如圖3 所示，采用對稱型翼型，葉片的弦長為c，葉片的合力作用點在0.25c 處。葉片的安裝角為θ。按慣例，葉片的速度取風力合理作用點處的切向速度U，因為風在環形流道內順時針流動，風的自然速度取A 點處的法向速度ν/，其與水平方向的夾角為β。考慮誘導作用后，風的速度ν 只是把V/逆時針旋轉了1 個角度β0。風相對于葉輪的速度就是風速與葉片的速度差，即W。W 與翼弦的夾角為α。顯然，不同于傳統的H 型風力機，此處，α 是定值，不會隨著葉片的旋轉發生改變，因而極大地改善傳統H 型風力機的啟動性能。

式中，R 葉片旋轉半徑為，c 為葉片的弦長。相比安裝角θ，葉片旋轉半徑與弦長的比值對β 的影響更大。推動葉片旋轉的圓周切向力為：

Ft=Ft1-Ft2=FLsin(α-θ)-FDcos(α-θ)

切向力Ft的功率（假設該力作用了2/3 圈，有2個葉片做功）為：

設環形流道風速值和來流風速值都為υ，得到功率系數：

式中，s1、s2分別是葉片的掃掠面積和葉片的面積，

則

圖3 變化曲線：（a）功率系數隨尖速比，（b）攻角隨尖速比，（c）H 型葉片功率系數隨尖速比Fig.3 Variation curves：（a）power coefficient with wind speed ratio，（b）attack angle with tip speed ratio，（c）power coefficient with tip speed ratio

3 結 論

1）本聚風裝置確實能適應任意風向，能有效聚風，并降低啟動風速。

2）本裝置能顯著提高阻力型垂直軸風力機的功率系數。用于H 風力機能有較好的啟動性能。當采用對稱翼型NACA0012，功率系數能達到41.5%。

3）垂直軸風力機的軸轂半徑應取較小值，有利于功率系數的提高。阻力型風輪最佳的尖速比在0.5～0.6 之間。