新型组合式垂直轴风机的优化设计与性能研究

徐　璋,霍玉雷,陈　勇,杨洪伟,谈宏飞

(浙江工业大学 能源与动力工程研究所，浙江 杭州 310014)

新型组合式垂直轴风机的优化设计与性能研究

徐璋,霍玉雷,陈勇,杨洪伟,谈宏飞

(浙江工业大学 能源与动力工程研究所，浙江 杭州 310014)

摘要：对于垂直轴风机，升力型风能转化效率高,但是其在低风速下不能自启动；阻力型可以在低风速下自启动，但其转速低，而且其风能利用率低.为了充分发挥二者性能，我们设计制作了一种新型组合式垂直轴风力机，通过采用超越离合器作为连接件将Darrieus风力机和Savonius风力机组合而成，并对其进行了三维数值模拟和吹风实验.通过对比有无加装S型风机时风机启动风速和输出功率的模拟结果与实验数据，发现该新型组合式垂直轴风机启动风速明显降低，风能利用率仅略有下降，很好地实现了互补.

关键词：CFD;垂直轴风力机;升力型;阻力型;超越离合器;吹风实验

Optimum design and study on the properties of a new combined

type vertical axis wind turbine

XU Zhang, HUO Yulei, CHEN Yong, YANG Hongwei, TAN Hongfei

(Institute of Energy and Power Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:For vertical axis wind turbines(VAWT)，the lift type has a high conversion efficiency but it cannot start itself at low wind speed；the resistance type can start itself at low wind speed， but it also has a low fan speed and a low wind power utilization coefficient． In order to fully take advantage of their merits， a new-type VAWT, which joined a Savonius wind turbine and a Darrieus wind turbine by an overrunning clutch, was proposed. 3-d numerical simulation and experimental wind tunnel tests were carried out．By comparing the power output and start-up wind speed between the units with and without S-type wind turbine，it shows that the start-up wind speed of this new type VAWT decreases significantly, while the wind power utilization coefficient only reduces slightly, which combines the advantages of two types of wind turbines.

Keywords:CFD; VAWT; lift type; resistance type; overrunning clutch; wind tunnel tests

随着能源与环境之间的矛盾日益加剧，作为可再生能源的风能，已受到世界各国的欢迎和重视[1].但风力发电在实际应用推广中遇到了入网难、弃风率高、性能不稳定等诸多问题[2]，正因如此，分布式能源作为一种解决方案应运而生，各种新型的风力发电机，尤其是垂直轴风机层出不穷.

分别作为垂直轴风力机升力型和阻力型最典型代表形式的萨窝纽斯型(Savonius type)和达里厄型(Darrieus type)风力发电机组，有着各自的优缺点.为使Darrieus风力机能在低风速下启动，采用加装Savonius风力机的方法[3].当把S型风力机串加在D型风力机上后,D型风力机由S型风力机低速转动下产生的较大力矩带动从而进行旋转，启动后，风能利用率高的D型风机起主要风能转化作用，保证其整体性能.根据以上原理，本研究设计出Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力机模型，以实现S型叶片和D型叶片的优势互补.同时，针对此类组合式垂直轴风力机传统设计中存在的高速运行时S型与D型相互影响的问题，进行了新型组合式垂直轴风机的优化设计，并对其气动性能和风能转换效率进行数值模拟与吹风实验，目的是研究及验证其可行性.

1新型组合式垂直轴风力机的优化和结构设计

查阅了相关的一些文献[4-8]后，通过进行优化和尺寸计算，确定了此组合式垂直轴风力机中的的具体设计参数，分别如表1，2所示.

表1　S型风机具体设计参数

表2　D型风机具体设计参数

S型风轮制作的主要材料为白铁皮，为了最大化采集利用各个方向上的风能，设计制作两个相同规格的半圆形S型风轮以上下90°方位差叠加布置.D型风轮的叶片选择玻璃钢材质，形式为结构简单，风阻较小的NACA0015对称翼型，叶片和支撑杆通过螺母螺栓与磁悬浮发电机顶盖相连.S型风机整体安装于D型风机之上，防止S型与D型风力机之间迎风面积相互影响.在此设计条件下，S型风机在低风速下便可以启动，继而带动D型风力机工作.

另外，组合式风力机平稳运行之后，在气动性能方面，低速旋转的S型会对高速旋转的D型产生较大的消极影响.本设计拟采用带轴承的CKZ型号的超越离合器，主动轴与S型风力机联接，从动轴与D型风力机联接.最终使得上下两部分风机在D型风力机被S型风力机顺利带动后及时断开，既保证了D型风力机的启动，又不使得D型的气动性能受S型的影响.安装好的风力机具体形式如图1所示.

图1　组合式垂直轴风力机Fig.1　Combined type vertical axis wind turbine

2新型组合式垂直轴风力机的数值模拟

针对前述设计制作的风力机模型，在有无S型风机的情况下，分别建立模型，确定计算区域，在给定工况下，利用ANSYS Fluent软件对模型进行三维非定常数值模拟，得到风机的模拟输出转矩和输出功率,以及风能利用系数等气动参数，从而对比得出结论.

2.1网格划分与边界条件的确定

风轮转动过程的非定常数值模拟均采用滑移网格模型，有S型风机的总体网格数240万，无S型风机的三维网格数为110万.出于忽略体积力和外部热源的考虑，在模拟过程中均以非定常不可压缩Navier-Stokes方程作为控制方程.然后依次设定如下参数：

均匀来流风速为V0=8 m/s，D型、S型风轮规格参考表1，2；设置速度入口边界和压力出口边界；有S型风机时选取壁面在两部分风机叶片以及封盖上，无S型风机时在D型风机叶片上，且均设置无滑移壁面边界条件；在外流场与两类型风力机各自的旋转区域的交界面处，均设置Interface边界条件；由于整机的三维数值模拟应用滑移网格技术，因此将叶片旋转区域及其附近区域分别设定为不同的流体区域：D型叶片区域和S型叶片区域的旋转速度分别为180 r/min和120 r/min；湍流模型采用标准k—ε湍流模型；计算方法采用SIMPLE算法，离散方法均采用二阶迎风格式[9].

2.2三维CFD非定常数值模拟结果

2.2.1风力机的转矩模拟

根据模拟结果，分析其气动性能[10]可得：无S型风机的情况下，平均转矩系数大约为0.2；在180 r/min的转速下，叶片受到周期性转矩矩范围内叶片的平均转矩为6.2 Nm.而有S型风机的情况下，平均转矩系数在0.3左右.同理可以得到，在D型180 r/min和S型120 r/min的条件下，叶片的平均转矩为9.5 Nm.对比可以发现，加装S型以后风力机输出的转矩系数均高于相同条件下的无S型，说明加装S型的风机在低风速下比没有加装S型的更加容易启动.

2.2.2风力机的风能利用率模拟

通过风力机叶轮旋转面的风能，并不能全部被叶轮吸收利用，其利用量与总风能量的比值，即风能利用率，代表了风力机将风能转化为机械能的能力，是在忽略转换装置效率的情况下，评价风力机整个叶轮系统其气动性能最为直观的指标，且一台风力机的风能利用率随尖速比变化，存在一个最佳尖速比.在不同的尖速比下，对有无S型风机的情分别进行三维非稳态数值模拟，计算过程中对叶片所受到的转矩系数进行监测，依据风能利用系数与转矩系数的计算关系，对模拟结果进行处理，可以得到有无S型风机的情况下整机风能利用系数变化关系曲线的对比结果，如图2所示.

图2　有无S型风机情况下整机风能利用系数变化曲线Fig.2　Curve of wind power utilization coefficient of the wind turbine with and without S-type

由图2可见：有无S型情况下的风能利用系数随尖速比的变化趋势基本一致，且均在尖速比3左右时风能利用系数达到最大.加装S型后整机的风能利用系数均高于相应尖速比下的无S型的情况，加装S型的最高风能利用率为0.27，平均风能利用率为0.25；无S型的最佳风能利用系数为0.29，平均风能利用系数为0.25.从模拟的结果中可以看出：有S型的情况下风能利用系数低于无S型的情况.其差异的主要原因是组合式垂直轴风力机中加装的两个S型风力机，其属于阻力型的风机，风能利用系数较D型风力机有一定程度的差距；且由于超越离合器本身主动轴和从动轴之间的相对转动存在较低程度的摩擦，风力机的性能会受到一定影响，导致加装S型后风能利用系数有所降低.同样是由于超越离合器的存在，在D型工作后使S型和D型断开，各自旋转，D型起主要的风能转化作用，从而使得风能利用系数只是略有降低，并未造成实质性的影响.同时，根据上节的结果来看，该组合式风机能在低风速下获得更好的启动性能，所以总体来说利大于弊，符合实验目的.

3吹风实验及其结果分析

在实际应用中，由于风力机的组装、制造过程中的误差以及工作时的各部件摩擦损耗，会使得风力机的实际气动性能较模拟结果有一定程度的下降.为了对该组合式风力机的实际气动性能进行研究验证，制造1∶1模型并进行了吹风实验：在不同风速下，利用控制器远程管理软件实时测量和记录特定风速下风力机的转速和输出的电压、电流、功率.为了能够更加直观地对比有无S型情况下风机的性能，对测量数据进行可视化处理，得到了有无S型情况下各参数之间的变化关系曲线图.图3为两种情况下风速与转速变化关系曲线，图4为两种情况下转速与输出功率的变化关系曲线.

图3　有无S型风机情况下风速与转速变化关系曲线图Fig.3　Curve of wind speed and the fan speed of the wind turbine with and without S-type

图4　有无S型风机情况下转数与输出功率变化关系曲线图Fig.4　Curve of fan speed and Output power of the wind turbine with and without S-type

对比图3的两条曲线并结合测量结果可以看出：有S型的情况下风力机的启动风速为0.782 m/s，远低于无S的情况下风力机的启动速度1.768 m/s.在风速达到2.5 m/s前，有S型的情况下转速增加较为缓慢，这是因为S型转速大于D型转速，两者尚未脱离，S型风机转速的上升速度较D型慢，会对整机的造成一定的阻碍.但是在风速达到2.5 m/s后，D型转速开始大于S型，由于超越离合器的存在，S型脱离，变化关系曲线趋于一致.

对比图4的两条曲线可以看出：两种情况下风机的输出功率随转速具有相似的变化，只是在S型风力机经超越离合器脱离前，有S型的情况在数值上略微低于无S型的情况，这种差距在脱离后基本消失.

根据以上的测量结果，可进一步得到转数与风能利用系数的关系，如图5所示.

图5　有无S型风机情况下转数与风能利用率变化关系曲线图Fig.5　Curve of fan speed and wind power utilization coefficient of the wind turbine with and without S-type

由图5可见：在200 r/min的转速以内，加装S型风机前后，风机的风能利用系数伴随着转速具有相似的变化规律，临界转速都在160 r/min附近，超过160 r/min后，风能利用系数逐渐降低.在数值上无S型的风机整体偏低，有S型的情况下最高风能利用率在0.25左右，高于无S型情况下的0.27，且都略低于模拟得到的最高风能利用系数.由于模拟时的三维模型经过简化，忽略了中心转轴及支撑杆的风阻，因此其结果与预期是一致的.

4结论

对设计的新型组合式垂直轴风力机进行的CFD数值模拟实验表明了加装Savonius风力机后，组合式风力机整体的启动风速相对于单独的Darrieus风力机确有很大减小，虽然与此同时，风机的输出功率，风能利用率略有降低，但总体来看，利大于弊.吹风实验由于考虑了各处的实际风阻，同样转数下测得的风能利用率比模拟的要小，启动风速要比模拟的大，但其趋势和模拟结果相同，很好地验证了模拟得出的结论.这一切都得益于创新性地提出使用超越离合器作为连接件，把影响降到了最低.但大多数部件经由手工制作，还达不到实际应用的水平，在性能上还有提升的空间，相信会得到更加广阔的应用和发展.

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(责任编辑：刘岩)

中图分类号：TK83

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2015)03-0261-04

作者简介：徐璋(1973—)，男，江苏海门人，副教授，研究方向为煤燃烧污染物排放控制及新能源开发，E-mail:xzzyn@zjut.edu.cn.

收稿日期：2015-01-12