折疊式H型垂直軸風力機設計與分析

戴成軍，許波峰，汪亞洲，王海良，林世發，蔡 新

（1.河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京210000；2.河海大學 江蘇省風電機組結構工程研究中心，江蘇南京 210000；3.新興際華科技發展有限公司，北京 100070）

0 引言

風能是一種潔凈無污染、具有大規模發展潛力的可再生能源。按照發電機主軸方向進行分類，風力機可分為水平軸和垂直軸兩種。與水平軸風力機相比，垂直軸風力機具有無需對風偏航、噪聲低、制造和維護成本低等優點，是該領域的主要研究方向。垂直軸風力機分為升力型和阻力型兩種，與阻力型垂直軸風力機相比，升力型垂直軸風力機主要是利用翼型產生的升力做功，其啟動力矩較小、風能利用系數較大、安裝簡單、結構穩定[1]，主要有Φ型和H型等。

目前，針對小型便攜式垂直軸風力機的研究較少，但其適用于長期駐扎野外環境的居民和工作者，所以仍然具有較大的需求。相比于其他升力型風力機，H型風力機更適合進行便攜式設計，因為H型直葉片在風力機收縮過程中不會破壞葉片的結構形式[2]。一些學者提出了H型可收縮式垂直軸風力機的結構，用離心力帶動彈簧機構、曲柄滑塊機構實現葉片的收縮[3]，[4]，從而減少大量空間，使其便于攜帶，但其結構的合理性仍需研究。H型垂直軸風力機主要采用了NACA系列翼型[5]～[7]，通過氣動性能分析，發現翼型形狀、葉片實度等對風功率均有一定的影響，對比中發現采用NACA0018翼型時，垂直軸風力機葉片的氣動性能更優[8]。氣動性能和載荷計算主要采用雙致動盤多流管模型、自由渦尾跡和CFD數值模擬方法[9]，與其他方法相比，雙致動盤多流管模型計算簡單快捷，誤差較小[10]。

隨著人們對野外活動及生存的要求越來越高，便攜式電源的重要性越來越凸顯，但目前對于適用于野外環境的垂直軸風力機的研究較少。基于此，本文提出了一種便攜折疊式H型垂直軸風力機。首先，對風輪整體參數和葉片收縮機構進行了設計；其次，采用雙致動盤多流管模型分析采用不同翼型時的葉片氣動性能，并選擇氣動性能更優的翼型；然后，根據極限載荷計算不同材料的葉片重量，找出更適合野外便攜垂直軸風力機的葉片材料；最后，分析折疊機構連接桿的靜力學特性。

1 折疊式H型垂直軸風力機的結構設計

與普通風力機相比，便攜折疊式H型垂直軸風力機易于攜帶，并且能夠在野外復雜環境下作為應急保障設備，但其折疊機構的結構往往對風力機獲取風能有一定的影響。本文考慮折疊機能夠可靠、安全折疊，風輪氣動性能較好，葉片抗折損、輕質、環境適應性強，并且在野外環境下能夠快速完成單件風力機運行等要求。本文對便攜折疊式H型風力機的折疊結構進行了優化設計與運動分析，對葉片的翼型和材料進行選型，最終保證其能夠高效率、穩定地運行。

折疊機構在設計上參考伸縮式雨傘的收合原理（圖1）[11]，采用曲柄機構來完成桿件的運動，從而帶動葉片的收合以實現折疊功能。其工作原理為滑塊a，b沿支撐軸8上下運動，從而帶動支撐桿3，5，使1，2桿和6，7桿由鉸鏈B，F旋轉來實現垂直軸風力機的折疊。

圖1 折疊機構示意圖Fig.1 Schematic diagram of foldingmechanism

翼型NACA0018，NACA4418在垂直軸風力機葉片中應用較為普遍且氣動性能較好[12]，故采用這兩種翼型對便攜折疊式H型垂直軸風力機葉片進行建模、氣動性能分析和載荷計算。風力機的基本參數如表1所示。考慮到葉片輕質、抗折損等條件需要，葉片的材料選擇PEEK、鋁合金和玻璃纖維等高強度耐候材料。便攜折疊式H型垂直軸風力機的三維模型如圖2所示（圖中葉片的翼型為NACA0018），圖2（a）為風力機處于完全張開的工作狀態，圖2（b）為風力機遇到極端風況或停機時利用折疊機構實現風輪的折疊。

表1 風力機幾何參數Table 1 Basic parameters ofwind turbine

圖2 折疊式H型垂直軸風力機Fig.2 Folding H-shaped vertical axiswind turbine

2 氣動性能計算與分析

2.1 模型驗證

由于單流管模型的假設過于簡單和理想，與多流管模型相比，其計算精確度較低，所以本文選用了雙致動盤多流管模型[13]。基于葉素動量理論和流管理論求得切向力FN、法向力FT、扭矩Ts和風能利用系數Cp分別為

式中：H為風輪的高度；S為風輪沿風向的投影面積；c為葉片的弦長；CN為法向力系數；CT為切向力系數；r為風輪旋轉半徑；ω為風輪的角速度；ρ為空氣密度；δ為葉素與水平面的夾角；vR為葉片葉素的合成入流速度；ve為平衡速度區域內誘導風速；v為來流風速。

考慮到H型垂直風力機氣動性能的可靠試驗數據較少，本文選取美國Sandia實驗室提供的Φ型垂直風力機的試驗數據[14]以驗證算法的可靠性，葉片翼型為NACA0012，轉子半徑為2m，葉片弦長為0.09m，葉片數目為2，葉片高度為2m，來流風速為9m/s。運用雙致動盤多流管模型算法計算試驗模型在不同葉尖速比下的氣動性能，結果如圖3所示。

圖3 試驗值與多流管模型計算值對比Fig.3 Comparison of test values and calculated values of multi-flow tubemodel

由圖3可知：在低葉尖速比下，雙致動盤多流管模型的計算值與試驗值基本一致；在高葉尖速比下，雙致動盤多流管模型的計算值略低于試驗值，最大誤差為7.3%，其主要原因為試驗環境復雜，導致實際雷諾數低于理論計算的雷諾數。這表明依據雙致動盤多流管理論建立的算法可以較準確地計算垂直軸風力機的氣動性能。

2.2 氣動計算與結果分析

為了使所設計的風力機能夠獲得最大的風能，本文采用雙致動盤多流管模型對NACA0018，NACA4418兩種翼型建立的H型垂直軸風力機進行氣動性能計算和對比。圖4為計算出的Cp隨葉尖速比的變化曲線。

圖4 C p隨葉尖速比的變化曲線Fig.4 Blade tip speed ratio change relative to wind energy utilization coefficient

由圖4可知：兩種翼型的垂直軸風力機的Cp均隨著葉尖速比的增大而先增大后減小，當葉尖速比為4.5左右時，Cp達到最大值，且采用NACA0018翼型稍高一些；當葉尖速比較低時，NACA4418翼型的風力機Cp大于NACA0018翼型；當葉尖速比較高時，NACA0018翼型的風力機Cp更大，并且下降的趨勢更緩慢。

圖5為風力機葉尖速比達到4.5時計算的兩種風輪的扭矩系數CQ隨方位角的變化曲線。

圖5 不同翼型的扭矩系數Fig.5 Torque coefficient diagram of differentairfoils

由圖5可知：NACA0018和NACA4418翼型的風力機CQ變化趨勢基本一致，其中方位角在0～180°為上風向區域，方位角在180～360°為下風向區域；在上風向區域，隨方位角變化CQ呈拋物線狀，最大扭矩發生在方位角為90°時；在上風向區域，NACA0018翼型的CQ高于NACA4418翼型的CQ；在下風向區域，CQ明顯小于上方向區域的CQ。綜合來看，當葉尖速比為4.5時，NACA0018翼型的氣動性能優于NACA4418翼型，這與圖4中呈現的結果相一致。根據Cp和氣動性能對比分析結果，最終本文設計的H型垂直軸風力機葉片采用NACA0018翼型。

3 折疊式H型垂直軸風力機的靜力學分析

由于氣動載荷對葉片的影響遠大于其它載荷對葉片的影響，本文考慮葉片在氣動載荷作用下的力學特性，依據雙致動盤多流管模型算法計算便攜折疊式H型垂直軸風力機 （翼型為NACA0018）在極端風況下的氣動載荷，當方位角為90°時，扭矩、法向力和切向力都達到最大，這與文獻[8]中所提到的氣動載荷結果相同，因此在此方位角下采用ANSYSWorkbench對葉片的靜力學進行分析。根據風輪結構及載荷對稱的特點，將模型簡化成單個葉片和連接桿結構，連接桿結構在風力機運行時鉸鏈被固定。故邊界條件及載荷施加如下：在連接桿末端施加固定約束，法向力和扭矩分別作用于葉片表面上；對葉片劃分網格，并完成3種葉片材料的網格無關性分析。不同材料的屬性如表2所示。

表2 不同材料的屬性Table 2 Properties of differentmaterials

圖6為網格數量與應力之間的關系曲線。由圖6可知，隨著網格密度的增加，不同材料葉片的應力逐漸減少且逐步趨于平穩，最終網格數量取145 623較為合理。

圖6 網格數量與應力之間的關系Fig.6 Relationship between grid numbers and stress

為得出葉片在不同材料許用應力下的厚度，將葉片的初始厚度設置為1mm，每次迭代計算增加0.2mm步長，多次迭代得出不同材料葉片厚度對應力的敏感度如圖7所示。

圖7 不同材料葉片的厚度對應力的敏感度Fig.7 The sensitivity of differentmaterial blade thickness to stress

由圖7可知，隨著葉片厚度的不斷增加，等效應力在不斷減小，當應力減少到接近許用應力時，PEEK ST45CA30、玻璃纖維E型和鋁合金5083-H112 3種材料的葉片對應的許用厚度分別為2.4，1.6mm和2.2mm。

圖8 不同材料葉片的臨界應力Fig.8 Critical stresses of blades of differentmaterials

圖8為不同材料葉片在許用應力附近的分析云圖。云圖中應力最大的點出現在折疊機構與葉片連接位置，這與實際情況相符。根據表2中材料的密度計算出PEEK ST45CA30、玻璃纖維E型和鋁合金5083-H112 3種材料葉片的重量分別為0.513，0.638 kg和0.907 kg，PEEK ST45CA30材料的葉片重量最小，從而離心力也最小，故本文將PEEK ST45CA30作為折疊式H型垂直軸風力機葉片的材料。

由圖1折疊機構可知，連接桿分為兩段，通過鉸鏈連接，其截面均為正方形，材料采用結構鋼，對其進行網格無關性分析和結構優化，得出優化尺寸為30mm×30mm，24mm×24mm，厚度為3mm的回字形截面，優化結構的應力值為220.24MPa，變形量為0.642 71mm，危險點出現在桿件連接位置。考慮到便攜折疊式H型垂直軸風力機在運行中受到極端風況的影響，從而導致連接桿變形量和強度等條件限制折疊機構正常工作，故在極端風速為17.5m/s時，對垂直軸風力機施加葉片的重力、離心力和極端氣動載荷進行連接桿的靜力學分析。分析結果如圖9，10所示。分析結果表明，應力值小于許用應力235MPa，變形量也滿足設計要求，故在遇到極端風況時折疊結構能夠安全運行。

圖9 連接桿等效應力Fig.9 Equivalent stress of connecting rod

圖10 連接桿變形量Fig.10 Deformation of supporting rod

4 結論

本文設計了一種便攜折疊式H型垂直軸風力機，基于雙致動盤多流管模型對該風機進行了氣動性能和載荷計算，并在極限載荷下對葉片和折疊機構連接桿進行了靜力學分析，得到以下結論。

①在最佳葉尖速比下：NACA0018翼型風力機的Cp大于NACA4418翼型風力機，在上風向區，NACA0018翼型風力機的CQ大于NACA4418翼型風力機；在下風向區，NACA4418翼型風力機的CQ大于NACA0018翼型風力機。綜合來看，在最佳葉尖速比下，NACA0018翼型的氣動性能更優。

②在極限載荷作用下，垂直軸風力機葉片選擇PEEK ST45CA30材料時重力和離心力最小，折疊機構的連接桿結構強度和變形量均符合設計要求，故折疊機構能夠正常工作。