圆台型聚风罩对垂直轴风力机起动性的影响

李　岩，唐　静，田川公太朗，冯　放（.东北农业大学工程学院，哈尔滨　5000；.日本鸟取大学地域学部，日本　鸟取　680855；.东北农业大学理学院，哈尔滨 5000）

圆台型聚风罩对垂直轴风力机起动性的影响

李岩1，唐静1，田川公太朗2，冯放3
（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨150030；2.日本鸟取大学地域学部，日本鸟取6808552；3.东北农业大学理学院，哈尔滨 150030）

为提高直线翼垂直轴风力机自起动性能，设计可安装在风轮上下两端圆台型聚风罩，收集更大面积来流提高来流风速。针对聚风罩高度、倾角及距风轮距离等主要结构参数作二次正交旋转组合设计，利用三维数值模拟方法计算不同聚风罩结构参数条件下风力机起动力矩，对比分析优化聚风罩结构参数，可有效提升风力机起动力矩。通过分析聚风罩与风轮间流场变化，揭示聚风罩对风力机起动力矩影响机理。

垂直轴风力机；聚风罩；圆台型；起动性；数值计算

李岩,唐静,田川公太朗,等.圆台型聚风罩对垂直轴风力机起动性的影响[J].东北农业大学学报,2016,47(4):95-101.

Li Yan,Tang Jing,Tagawa Kotaro,et al.Effect of frustum-shaped wind collection pattern to starting performance of VAWT [J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(4):95-101.(in Chinese with English abstract)

网络出版时间2016-4-22 10:01:25[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20160422.1001.028.html

近年来，大型并网风力发电成为全球商业化利用可再生能源形式之一[1-2]。离网型中小容量风能系统也得到广泛应用，如农场用风力提水系统、农牧区离网型风力供电系统、偏远地区分布式供电系统、寒冷地区离网型风力供暖系统等。因此，针对中小型风能市场的高效新型风力机研发成为研究热点。直线翼垂直轴风力机与水平轴风力机相比，低风速下起动性较差等问题亟待解决[3-8]。曲建俊等基于活固叶片升阻复合型垂直轴风力机，探讨叶片数对自适应风速垂直轴风力机自起动性影响[9-10]。李岩等将Savonius风轮与直线翼垂直轴风力机组合，通过风洞实验验证起动性[11]。姬俊峰等设计遮蔽-增速升力型风力机[12]、黄娟等设计导叶式风力机[13]，两者主要特点是沿来流方向在直线翼垂直轴风力机风轮周围设置具有导流和增速作用导流板，改善风力机起动性。Altan、Chong等分别以阻力型和升力型风轮为中心增加导风板，提高流入风轮风速[14-15]。

本研究提出一种新型聚风导流辅助装置，聚风装置安装于风轮上下，既可收集更大面积来流、提高入口风速，又可降低因抵抗沿来流风阻对聚风罩结构的较高要求。由于聚风罩形状、结构及与风轮相对位置参数较多，本文在前期研究基础上[16]，针对圆台型聚风罩主要结构参数，利用数值模拟计算手段，采用二次正交旋转组合设计方法，计算不同结构参数组合下风力机起动力矩，探明聚风罩对风力机起动性影响规律，得到聚风罩结构参数优化组合，为提高聚风装置性能提供理论参考。

1　垂直轴风力机及聚风罩

本研究设计直线翼垂直轴风力机及圆台型聚风罩如图1a所示。聚风罩安装于风轮上下两端，主要结构参数包括聚风罩高度H、倾角α及距风轮距离ΔL。风力机选用4叶片结构。为便于风洞中验证试验结果，考虑实验室风洞实验段尺寸（1m× 1m），模型风轮直径定为d=600mm，高度h= 500mm。叶片采用NACA0018翼型，翼型弦长为c= 125mm，材质为玻璃钢。由于直线翼垂直轴风力机起动力矩与风轮旋转角密切相关[17]，本文风轮旋转角θ定义如图1b。

图1　聚风罩与垂直轴风力机Fig.1　Wind collection pattern and vertical axis wind turbine

2　数值模拟计算模型与方法

采用三维数值模拟计算方法，计算域为10D× 5D×5D长方体风场，将模型放置于长方体流体域前1/3位置处，并对模型采用非结构化网格划分，网格数为120万个。为提高流场模拟精度，对风轮附近及聚风罩型线位置局部加密处理。网格划分如图2所示。计算基于N-S方程，采用三维定常kε湍流模型求解，压力和速度采用SIMPLE耦合算法，湍动能、湍流耗散率均采用较高精度二阶迎风格式。为提高计算速度和质量，简化对计算结果影响不大的风力机构件，如横梁，中心轴等。定义边界条件如下：进口为速度入口边界，风速U= 10m·s-1，出口边界为压力出口。

图2　网格划分Fig.2　Mesh generation

3　聚风罩主要结构参数优化设计

3.1计算因素与指标选取

本文选取聚风罩高度H、倾角α和距风轮距离ΔL为计算因素，并分别对其进行单因素编码，合理控制因素编码[16]。通过采用二次正交旋转组合计算方法确定聚风罩优化参数组合，计算因素水平编码见表1。

表1　因素水平编码Table 1　Experimental variables and levels

在各种参数组合条件下，计算风力机在静止状态下起动力矩，其随风力机旋转角而变化。由于所选风力机为4叶片，故仅计算旋转角在0°～90°内起动力矩即可。本研究计算在0°～90°内每间隔15°，7个旋转角处起动力矩，计算平均值获得平均起动力矩，评价聚风罩对起动性影响。

3.2数值计算结果

以平均起动力矩为性能指标的二次正交旋转组合设计计算结果如表2所示。

表2　风力机平均起动力矩计算结果Table 2　Result of average starting torque of wind turbine

3.3回归方程及方差分析

将回归模型中不显著项去掉，获得平均起动力矩与计算因素回归方程如下：

式中，x1-聚风罩倾角（α）；x2-聚风罩高度（H）；x3-聚风罩距风轮距离（ΔL）。

对回归方程进行方差分析，如表3所示。模型拟合效果好，回归方程显著。

表3　方差分析Table 3　Variance analysis

3.4交互项对平均起动力矩影响分析

根据拟合模型绘制倾角和距风轮距离三维响应曲面，如图3所示。

图3　交互项对平均起动力矩影响Fig.3　Interaction effects on average starting torque

由图3可知，当距风轮距离较小（0～20mm）时，倾角增大使得平均起动力矩呈现先快速上升后逐渐平稳趋势，当距风轮距离较大（20～40mm）时，平均起动力矩随倾角增大呈先平缓上升后迅速下降趋势，倾角为（40°～50°）水平区间达到峰值。当倾角处于较低水平（20°～40°）时，平均起动力矩随距风轮距离增大逐渐增大，当倾角处于较高水平（40°～60°）时，平均起动力矩随距风轮距离增大逐渐减小。由此可知，聚风罩倾角过小或者过大均影响聚风效果。

3.5优化分析

通过上述回归分析，以平均起动力矩较大为主要目标并考虑其他因素对指标影响，得到优化参数组合为：聚风罩倾角46°，高度299mm，距风轮距离36mm，此时风力机平均起动力矩0.397 N·m，平均起动力矩最大，风力机自起动性改善最佳。

4　聚风罩对风力机起动性影响数值计算

4.1对起动力矩特性影响

有、无聚风罩风力机起动力矩与旋转角关系曲线见图4。由图4可知，两条曲线整体趋势一致，除旋转角为45°外，聚风型垂直轴风力机起动性能均优于普通垂直轴风力机，说明聚风罩有效性，尤其是在15°旋转角时，聚风型风力机起动力矩提升30%。

图4　有无聚风罩垂直轴风力机起动力矩Fig.4 Starting torque of vertical axis wind turbine with or without wind collection pattern

4.2对流场影响

图5～6为15°和45°旋转角有无聚风罩风力机周围流线图。由图5a和图6a可知，在不同旋转角下，无聚风罩风力机周围流场差别较大，这是叶片迎风位置及叶片间相对位置不同导致。风流经风轮内部和离开风轮后存在较大涡旋，是流体产生能量损失及影响风力机效率主要因素之一。对比在相同旋转角下带有聚风罩风力机流线变化，如图5b和图6b所示，加装聚风罩后，流经风轮内部涡旋均得到不同程度改善，减少能量损失；虽然风轮后尾流涡旋较大，但由于聚风罩扩压作用，大量流体向外向后形成涡旋，逐渐打散，因此对流经风轮主流影响不大。对比15°和45°旋转角流线图可知，旋转角为15°时，加入聚风罩后流场相对规则，内部涡旋减少，而风轮后尾流部分涡旋较对称，因此风力机起动力矩改善明显；而在45°旋转角时，内部和尾流区涡旋未改善，起动力矩较小，因此聚风罩对该角度下起动性改善不显著。对比分析旋转角为15°和45°时聚风罩对风轮流场影响，在风轮不同高度平面内沿来流方向计算风轮中心线上速度。

图5　风力机流线（θ=15°）Fig.5　Streamline of wind turbine（θ=15°）

图6　风力机流线（θ=45°）Fig.6　Streamline of wind turbine（θ=45°）

计算位置见图7，AB为风轮中心水平面上中心线位置，AB=1.2m，为2倍风轮直径。h1～h6表示所截取位置距中心线AB距离，分别为h1=0m，h2= 0.08m，h3=0.16m，h4=0.24m，h5=0.25m，h6= 0.268m。其中，h1是风轮中心线位置，h6是从中心线到风轮与聚风罩间隙一半位置高度，h5是从中心线到叶片边缘位置高度，h4是从中心线到距叶片边缘10mm位置高度。

旋转角为15°和45°时在不同高度处有无聚风罩风力机速度分布见图8。

图7　位置示意图Fig.7　Schematic diagram of location

图8　各计算高度处速度分布Fig.8　Velocity distribution of different heights

由图8可知，在旋转角为15°时，安装聚风罩风力机在不同位置风速变化趋势呈“M”型。来流速度在风轮入口附近先降后升，在h6高度处最大提升至15.8m·s-1，增速达36.7%。但在流入风轮内部后迅速减速，在接近风轮中心部时各高度处风速变化趋势较小，在各高度处来流速度差较小。可知，聚风罩使风轮内部流速分布均匀，为处在下游处叶片接受较好风况提供保证，起整流效果。在接近风轮出口处，各高度处速度快速提升，随后急速下降，是由于在此旋转角度下有一叶片位于中心线附近而产生来流阻碍，也是图5a中风轮尾流处有较大涡旋产生的主要原因。因涡旋主要在风轮外部，对风力机力矩影响不大。相比之下，在旋转角为45°时速度分布不同。在h1、h2、h3高度处速度变化一致，原因是在此角度时风轮中心线附近基本上无叶片阻挡，因此来流可维持较高增速直至流出风轮而无减速。但增速来流并未作用到叶片上，即在此角度下风力机起动力矩无增加。而在另外三个高度处流速变化差异显著，可见在风轮边缘及与聚风罩间，速度变化剧烈，也是图6b中所示风轮后流线出现较大涡旋主要原因。

5　结论

a.利用三维数值模拟方法计算带有圆台型聚风罩直线翼垂直轴风力机起动力矩特性，验证聚风罩导流增速作用，为在直线翼垂直轴风力机上安装聚风装置以提高其起动性提供依据。

b.以最大平均起动力矩为目标，采用二次正交旋转组合设计方法，得到优化圆台型聚风装置结构参数组合，即聚风罩倾角为46°，高度为299mm，距风轮距离为36mm，此时风力机平均起动力矩最高可提升30%。通过风轮流场分析聚风原理，可为聚风装置优化设计提供基础。

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Effect of frustum-shaped wind collection pattern to starting perfor⁃mance of VAWT

LI Yan1,TANG Jing1,TAGAWA Kotaro2,FENG Fang3(1.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.Faculty of Regional Sciences,Tottori University,Tottori 6808552,Japan;3.School of Science,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

This study was committed to design a straight-bladed vertical axis wind turbine(SB-VAWT) with frustum-shaped wind collection pattern installed upper and lower ends of it,the purpose of which was to improve the starting torque of SB-VAWT,and to collect a larger area wind and to improve the wind speed inflow.The rotational quadratic orthogonal calculations was applied,which tookmain structural parameters as influence factors,including height,angle,and distance from wind turbine to wind collection pattern,and the three-dimensional numerical simulationmethod was used to simulate the wind turbine starting torque characteristics under different structural parameters of wind collection pattern.By comparison and analysis,a set of structural parameters of wind collection pattern was optimized which could improve the starting torque of wind turbine effectively.Meanwhile,influencemechanism of wind collection pattern to starting torque of wind turbine was revealed by analyzing the flow field variation between wind collection pattern and wind rotor.

vertical axis wind turbine(VAWT);wind collection pattern;frustum-shaped;starting performance;numerical simulation

TM315

A

1005-9369（2016）04-0095-07

2015-08-06

黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12541012）；东北农业大学研究生科技创新基金（yjscx14022）

李岩（1972-），教授，博士，博士生导师，研究方向为风能研究和可再生能源综合利用。E-mail:liyanneau@163.com