壓氣噴氣式自啟動垂直軸風力機設計與氣動性能研究

邢林春，馮成德

壓氣噴氣式自啟動垂直軸風力機設計與氣動性能研究

邢林春，馮成德

（四川大學 機械工程學院，四川 成都 610065）

本文主要致力于改進升力型垂直軸風力機的自啟動問題，同時保持較高的風能利用率。常見的升力型垂直軸風力機啟動方法主要是用阻力型葉片帶動升力型葉片轉動，但是升力型的葉輪啟動后高速轉動時，阻力型葉輪對升力型葉輪的旋轉會產生干擾，降低整體風力機對風能的利用效率。本文研究了一種壓氣噴氣式升阻組合型垂直軸風力機啟動裝置，同時對風力機的葉輪進行了優化，在改進垂直軸風力發電機葉輪自啟動方式的同時提高了風能利用率。

噴氣式；垂直軸風力機；仿真

隨著社會的快速發展和人們環保意識的提高，人類對清潔能源的需求越來越大，常見的清潔能源有水力、風力、太陽能等。我國對太陽能和水力的應用技術逐漸的成熟，對風力的應用技術還有待繼續完善。常見的風力發電應用設備有水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機，二者各有優缺點。水平軸風力發電機對風能的利用效率高，啟動方便，但需要風向調節裝置；垂直軸風力發電機，不需要風向調節裝置，阻力型垂直軸風力機可以自啟動，但風能利用效率低，升力型垂直軸風力機風能利用效率高[1]，但無法自啟動。

升力型葉片垂直軸風力機的風能利用率明顯高于阻力型葉片垂直軸風力機。目前主流升力型葉片垂直軸風力機有兩種類型：一種是升力型垂直軸風力機，無法自啟動，需配置電機輔助啟動，要額外消耗電能；另一種是升阻復合型自啟動風力機，通過阻力型葉片帶動升力型葉片轉動，但啟動后阻力型葉片會成為升力型葉片高速旋轉時的阻力源[2]。常見的升力型垂直軸風力機啟動方法主要是用阻力型葉片帶動升力型葉片轉動，但升力型葉輪啟動后高速轉動時，阻力型葉輪對升力型葉輪的旋轉會產生干擾，降低整體風力機對風能的利用效率[3]。本文研究的壓氣噴氣式垂直軸風力機能夠自啟動，升力型葉片高速推動風力機時，輔助啟動裝置不會成為阻力源，而且對風力機的旋轉有助推作用。

本文主要研究了噴氣式自啟動垂直軸風力機的結構和基于Fluent軟件進行了風力機葉輪的流場仿真分析。目前垂直軸風力機中應用較廣泛的葉片翼型為美國的NACA的四位數系列對稱翼型[4]，本文在對稱翼基礎上在葉片尾部開設噴氣孔，通過壓氣機在噴氣孔形成主動噴射氣流，在克服了垂直軸風力機無法自啟動問題的同時，提高了風力機的風能利用率。

1 原理與結構

1.1 風力機的原理

本文設計的壓氣噴氣式自啟動垂直軸風力機，與常見的利用阻力型小葉輪旋轉帶動升力型大葉輪旋轉的自啟動升阻復合型垂直軸風力機的設計方式不同，它的主要原理是通過小葉輪的旋轉產生壓縮氣流，壓縮氣流以較高的壓強從大葉輪的葉片尾部噴出來推動大葉輪葉片的旋轉，主要優點是可以克服升力型大葉輪葉片無法自啟動的缺點，并且當大葉輪葉片的旋轉速度相較風速高很多時，小葉輪不會成為升力型大葉輪旋轉的阻力源，造成風力機功率損耗，而且風速的利用范圍更大。

1.2 風機結構

壓氣噴氣式自啟動垂直軸風力機的結構包括風杯小葉輪、壓氣機、高壓罐、輸氣管、大葉輪、傳動軸、風力機支架等，如圖1所示，大葉輪葉片為升力型葉片、風杯小葉輪為阻力型葉片。風力機啟動時，首先利用小葉輪的旋轉帶動壓氣機進行空氣壓縮，然后把壓縮空氣壓入高壓罐中儲存。高壓罐中的高壓氣體通過輸氣管輸入大葉輪葉片內的管道中，然后從葉片的尾部噴氣孔中噴射出來，推動大葉輪旋轉。大葉輪通過軸承安裝在風力機支架上，可以做旋轉運動。傳動軸上端與大葉輪安裝在一起，下端與發電機通過斜齒輪連接在一起，主要作用是給發電機傳遞大葉輪產生的動力。風杯小葉輪與壓氣機內部的壓氣葉片是一個整體，通過軸承安裝在傳動軸上。大葉輪葉片旋轉時，壓氣機腔體、高壓罐體會與大葉輪一起旋轉，風杯小葉輪與壓氣機內壓氣葉片是通過軸承與傳動軸連接在一起，二者可以相對轉動，所以大葉輪轉動與風杯小葉輪轉動不會相互影響。

圖1中的剪頭是葉片氣體流動方向示意。風杯小葉輪帶動壓氣葉輪轉動，這時氣流就會吸入壓氣機，壓氣機頂端裝有單向溢流閥，通過單向溢流閥的高壓氣體會進入高壓罐。單向溢流閥有兩個作用，一是只允許氣流單向通過，二是由于單向閥門開啟要具備一定壓力，所以只允許高壓氣體通過。高壓罐是一個環形密閉體，中間的通孔便于風力機主軸穿過。高壓罐的作用是儲存高壓氣體，其內部的高壓氣體會通過高壓罐頂端的另外的單向溢流閥進入輸氣管。輸氣管由一個主罐體和三個分支管道組成，它的主要作用是把來自高壓罐的高壓氣體輸入到風力機葉片。高壓氣體會先進入主罐體，然后通過主罐體進入三個分支管道，管道的末端與風力機葉片相連接。風力機葉片內部有一個輸氣管道，葉片尾部有三個噴氣管道，高壓氣體會從噴氣管道噴出來推動風機葉輪的轉動。

圖1 葉片氣體流動示意圖

噴氣式自啟動垂直軸風力機的主軸有內層、中層和外層共三層。內層為風機支架的垂直軸，是整個風機的承重軸，與風機葉輪通過軸承相連接，風機葉輪可以以它為軸做旋轉運動。中層為空心軸，是傳動軸，上端與風機葉輪連接在一起，下端與變速器、發電機連接在一起，主要作用是將風機葉輪產生的動力傳遞給發電機，進而產生電能。外層為風杯小葉輪和壓氣葉輪的連接軸，是空心軸，與中層軸通過軸承連接在一起，二者可以相對轉動。

當氣流吹過來時，風杯小葉輪先行轉動，然后帶動壓氣機壓氣葉輪轉動產生高壓氣體。高壓氣體會通過單向溢流閥進入高壓罐，高壓罐中的高壓氣體緩沖后通過單向溢流閥進入輸氣管道，高壓氣體通過輸氣管道進入風力機葉片內部管道中，最后通過葉片尾部的噴氣口噴射出來推動風力機葉輪轉動。風力機大葉輪轉動時會將動能傳遞給發電機，進而產生電能。

1.3 風力機功率分析

本文選擇小型風力發電機作為研究對象，風力機的最佳使用狀態為風速3～25 m/s，其他參數有空氣流速、整機啟動所需功率、噴氣功率、單個葉片的噴氣速度、噴氣氣體流量、噴氣孔所開位置等。下面對葉片噴氣孔的開口位置、孔的直徑、孔的數量進行設定，并且與不開孔的風力機葉片作比較，找出二者的優缺點。

1.4 大葉輪結構

垂直軸風力發電機一般分為阻力型和升力型兩類。阻力型垂直軸風力機主要是利用空氣流過葉片產生的阻力作為驅動力，而升力型則是利用空氣流過葉片產生的升力作為驅動力。升力型葉片在旋轉過程中，隨著轉速的增加升力增大，所以升力型的垂直軸風力發電機的效率要比阻力型的高很多。本文采用的大葉片為升力型葉片，為了克服難以自啟的缺點，采用了噴氣式結構設計。風力機的葉輪上均勻分布有三個葉片，每個葉片尾端都可以噴出高壓氣體推動大葉輪旋轉，當葉輪的轉速達到一定速度時，就可以依靠自身產生的升力提供動力。風力機整體高度1200 mm，葉輪直徑800 mm，風力機底部裝有發電機及其相關的裝置。

2 實驗與討論

2.1 葉片結構與參數

本文用Fluent軟件對大葉輪的效率、流場分布，壓力分布進行仿真研究。主要方法是通過對有噴氣管道的噴氣式葉片和沒有噴氣管道的普通葉片做對比分析，從而得到噴氣式葉片氣動性能的優點和不足之處。兩種葉片翼型大小一致，網格劃分一致，模擬條件相同。本文大葉輪葉片采用的翼型均為NACA0012，在弦長相等的條件下，葉片的厚度比較薄，在做負功的區域中可以起到減少空氣阻力的作用，提高風輪的旋轉速度，具有很好的空氣動力學性能[5]，葉片翼型截面形狀如圖2所示。

圖2 翼型截面示意圖

噴氣式葉片的結構如圖3所示，內部有一個主輸氣管道和三個均勻分布的噴氣口，高壓氣流通過主輸氣管道進入三個分噴氣管道中，然后通過三個噴氣口噴出。噴氣管通過壓氣機供應高壓氣體。氣源的工作壓力應比氣動系統中的最高工作壓力高20%左右，因為要考慮供氣管道的沿程損失和局部損失。假定壓氣機的排氣壓力為1 MPa，當風機外流場的風速為10 m/s，取葉片進氣口的空氣流速為15 m/s。主輸氣管道的直徑為15 mm，三個分噴氣管道直徑為10 mm。普通葉片的結構如圖4所示。

圖3 噴氣式葉片示意圖

圖4 普通葉片示意圖

2.2 大葉輪流體仿真

本文利用Creo軟件對風力機大葉輪葉片進行幾何建模，利用Cambit軟件對葉片進行網格劃分。風力機大葉輪葉片數＝3，葉片安裝角為0°，翼型弦長＝0.3 m，葉輪旋轉半徑＝0.4 m。風輪直徑＝0.8 m，葉片高度0.36 m。采用三維計算域進行分析，計算域長4.8 m、寬2.4 m、高1.5 m，計算域分為旋轉域和靜止域，旋轉域位于靜止域中心，兩者單獨進行網格劃分[6]，如圖5所示。靜止域與旋轉域之間的交界面設為滑移網格界面，滑移界面環向圓柱面的直徑為1.10，環向圓柱面的高度為0.4 m。旋轉域的內部與外部都采用非結構網格劃分，靠近葉輪處和進氣管處進行了網格加密處理。噴氣式風力機葉輪在計算域中的結構如圖6（a）所示，考慮到噴氣式風力機葉片內部有氣體流入，故對風力機葉片的入氣口做適當的加長處理，風力機的噴氣管道如圖6（b）所示。普通風力機葉輪在計算域中的結構如圖7所示。葉片靜止域大約有2000000個單元，旋轉域共計300000個單元。

圖5 計算域和旋轉域示意圖

圖6 噴氣式風力機葉輪在計算域中的機構

圖7 普通風力機葉輪在計算域中的機構

利用Fluent軟件進行數值模擬；計算域左邊設為入口邊界，速度＝10 m/s；計算域右側設為壓力出口邊界，壓力等于大氣壓；計算域的前后上下四面設為對稱無滑移壁面邊界；風力機葉輪表面設為無滑移壁面邊界，跟隨旋轉域一起旋轉。噴氣式風力機葉片入氣口的氣體來自于壓氣機傳送出的高壓氣體，葉片進氣口的氣體流速設為15 m/s，普通風力機葉片沒有噴氣管道。選用k-omega SST湍流模型，采用壓力基隱式求解器，速度取絕對速度，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法[7]。

2.3 參數求解

垂直軸風力機工作原理為利用空氣流過葉片產生的升力與阻力的共同作用下引起轉子旋轉，假設風輪輸出功率為；單位時間內風力機所獲得的能量與來流風能之比為風能利用系數（功率系數）C[8]，用來評定風力機氣動性能的優劣；功率系數能反映風力機效率的大小，是關系到發電量的一個重要指標。葉片的葉尖圓周速度與風速之比為葉尖速比[9]，用來表示風力機風輪旋轉速度的快慢。

式中：為氣流對葉片的扭矩，N·m；為旋轉角度，rad/s；為風輪轉速，r/min；為空氣密度，kg/m；為風輪的掃略面積，m；為來流風速，m/s；為風輪半徑，m。

2.4 計算結果與分析

Fluent的殘差曲線表明，當迭代步數1000時達到穩定狀態，因此下面選取1000步時的數據進行分析計算[10]。通過對數據的計算和處理得到不同轉速和翼型下風輪的氣動性能。

圖8為不同葉尖速比下普通風力機葉輪和噴氣式風力機葉片的風能利用系數的C-曲線，可以看出，噴氣式葉片的風能利用系數明顯高于普通葉片的風能利用系數，這與葉片尾部制造出的主動噴射氣流有關。

流場域風速10 m/s、葉片噴氣口速度15 m/s、尖速比＝1.0時的速度場分布圖、流線與壓力分布圖如圖9、圖10所示。由圖9可以明顯看出，噴氣式葉輪內部和葉片尾部為高流速區域，葉輪外部為低速流區域，普通葉輪恰恰相反。因為流速與壓強成反比，所以噴氣式葉輪內部壓強較小，外部壓強較大，這有助于提高風機的效率。從圖10中，可以看到噴氣式葉輪內部區域壓力較小葉輪外部區域壓力較大形成了一定的壓差，而普通葉輪內部區域與外部區域壓力分布較為均勻沒有明顯的壓差。從圖10（a）中可以看出，噴氣式葉輪內部區域與靠近葉輪的區域，流線分布成環形且方向為逆時針，這表明了氣流分布較為均勻，沒有明顯的回流現象。從圖10（b）可以看出，普通葉輪湍流和回流現象較為明顯。

圖8 風力機風能利用系數

圖11只表示了噴氣式葉輪從葉片噴氣口噴出的氣流軌跡。可以看出葉片尾部噴出的高速氣流，會有一部分進入葉輪內部區域，結合圖10（a）中葉輪內部的環形流線可以得知，氣流會在葉輪內部做環形流動，流動方向與葉輪轉動方向相反，有助于提高風機效率。

圖9 速度場分布

圖10 流線與壓力分布圖

圖11 噴氣式葉輪流線圖

3 結論與展望

本文研究的噴氣式自啟動垂直軸風力發電機克服了升力型垂直軸風力發電機難以自啟的缺點，設計出了一種行之有效的升力型風力機自啟動結構，對風能的利用率高、啟動速度快、體積小巧具備很好的應用前景。

通過對風力機葉輪的仿真分析和計算可以得到以下結論：

（1）基于垂直軸風力機的基本翼型，在葉片尾部引入主動噴射氣流，風力機的C的工作范圍有了明顯擴寬，由于葉片尾部引入主動射流，在工作范圍內風能利用系數也有提升。本文假定的葉片進氣口速度為15 m/s，噴氣管道有三個，直徑為10 mm，在葉片尾部均勻分布。

（2）噴氣式垂直軸風力機，在一定程度上改變了葉片周圍的壓力分布;葉片周圍的壓力分布有利于葉片的旋轉，進而增加了風力機的風能利用系數。

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Study on Design and Aerodynamic Performance of Pneumatic Self-Starting Vertical Axis Wind Turbine

XING Linchun，FENG Chengde

(School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

This paper mainly focuses on improving the self-starting performance of lift-type vertical axis wind turbine while maintaining a high wind energy utilization rate. The common starting method of a lift-type vertical axis wind turbine is mainly to drive the lift-type blades to rotate with drag-type blades. However, when the lift-type blade rotates at a high speed after starting, the drag-type blade will interfere with the rotation of the lift-type blade, which will reduce the overall wind turbine's utilization efficiency of wind energy. In this paper, a kind of pneumatic jet lift-drag combined vertical axis wind turbine starting device is studied, and the blade of the wind turbine is optimized, which improves both the self-starting performance of lift-type vertical axis wind turbine and the utilization rate of wind energy.

jet；vertical axis wind turbine；simulation

TK83

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.02.003

1006－0316 (2021) 02－0017－07

2020－08－27

四川省科技計劃項目（2020YFN0010）

邢林春（1995－），內蒙古呼和浩特人，碩士，主要研究方向為垂直軸風力發電機，E-mail：1741619549@qq.com。