直线翼垂直轴风力机气动特性研究综述
2017-07-03郑玉芳赵守阳李建业王农祥白荣彬
李 岩, 郑玉芳, 赵守阳, 冯 放, 李建业, 王农祥, 白荣彬
(1.东北农业大学 工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150030;2.寒地农业可再生资源利用技术与装备黑龙江省重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150030;3.东北农业大学 理学院, 黑龙江 哈尔滨 150030)
直线翼垂直轴风力机气动特性研究综述
李 岩1,2,*, 郑玉芳1, 赵守阳1, 冯 放3,2, 李建业1, 王农祥1, 白荣彬1
(1.东北农业大学 工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150030;2.寒地农业可再生资源利用技术与装备黑龙江省重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150030;3.东北农业大学 理学院, 黑龙江 哈尔滨 150030)
直线翼垂直轴风力机是当前升力型垂直轴风力机的典型代表，凭借着无需对风、结构简单、造型独特等优点在中小型风能利用领域受到越来越多的关注。但由于其气动特性复杂，且研究时间相对较短，尚有许多问题需要研究，还有很广阔的发展空间。本文以直线翼垂直轴风力机的气动特性研究为对象，介绍了风力机气动特性研究历程、研究现状、主要工作原理，及气动特性分析理论、常用的研究方法，尤其是对如何改善直线翼垂直轴风力机在低风速下的起动特性问题和高转速下的气动特性发挥问题的国内外研究进展进行了分析和总结，并对今后的研究趋势进行了展望。
直线翼垂直轴风力机；气动特性；研究方法；叶片翼型；风轮结构；研究进展
0 引 言
近年来，随着全球生态环境恶化与能源紧缺问题日益突出，清洁可再生能源的开发利用得到了世界各国的广泛关注，风能、太阳能等行业快速发展，尤其是风力发电已成为全球商业化利用最好的可再生能源之一[1]。可以预见，在未来10～20年的时间里，全球风能利用仍将保持高速增长态势。为了实现风力发电在能源结构中的高比例，当前风力发电领域的主要趋势仍然是朝着大型化与大规模化并网发电方向发展[2]。大型化是指风力发电机组的单机容量越来越大，各国的开发目标已经朝着7 M～10 M努力；大规模化是指风电场的规模越来越大，海上大规模风电场已成为新兴发展领域[3]，这些都是当前国际风力发电技术研究的主要热点和前沿问题。然而，与此相对的是，针对离网型和分布式发电的中小型风能利用系统也是风能开发与利用中的重要且不可或缺的组成部分[4-5]。在大型风电快速发展的大背景下，中小型风电行业也在悄然发展和壮大，应用领域不断扩展，例如，在不适合采用大型并网发电的偏远地区、农牧区、海岛、极地等地区有着越来越多的应用和推广，更重要的是，分布式和离网型发电不存在大型风力发电目前所面临的弃风和限电问题，可以实现能量的最大化利用[6-7]。因此，针对中小容量离网型和分布式风能利用的新型风力机的研发也成为了当前国际风能领域的研究热点问题[8]。而在这一领域，与当前的主流螺旋桨式水平轴风力机相比，风力机的另一大主要类型——垂直轴风力机得到了世界各国研究者的青睐和关注，尤其是对作为升力型垂直轴风力机代表的直线翼垂直轴风力机的研究最受瞩目，已成为当前中小型风力机市场上水平轴风力机的主要竞争对手[9]。相对于水平轴风力机，直线翼垂直轴风力机具有叶片形状和风轮结构简单、无需对风偏航机构、造型独特等主要优势[10]，但由于且其被研究的时间相对较短、风轮内部流动情况复杂，气动特性分析较难，尽管各国研究者进行了大量的探索和努力，取得了一定的进展，仍有一些问题需要研究和解决，还有非常广阔的发展空间[11]。
为此，本文以直线翼垂直轴风力机气动特性研究为对象，首先回顾了垂直轴风力机的主要发展历程，然后介绍了直线翼垂直轴风力机的基本工作原理与气动分析理论、常用研究方法，重点分析了直线翼垂直轴风力机在气动特性研究方面存在的主要问题，尤其针对如何改善其在低风速下的起动特性问题和高转速下的气动特性发挥问题的国内外研究进展进行了分析，并对今后的研究趋势进行了展望。
1 垂直轴风力机分类及发展历程
1.1 风力机及其主要分类
风力机是一种将风的动能转换为机械能，再把机械能转换为电能或热能等的能量转换装置。风力机分类方法有很多，最主要的有两种：按照风力机风轮转轴与地面的位置分为水平轴风力机(HAWT)和垂直轴风力机(VAWT)；按照风力机叶片的工作原理分为升力型风力机(Lift Type)和阻力型风力机(Drag Type)[12]。
水平轴风力机主要代表有螺旋桨型、美式多翼型、荷兰型和风帆翼型等；垂直轴风力机主要有达里厄型、直线翼垂直轴型、萨渥纽斯型、马达拉斯型和涡轮型等[12]。图1给出了风力机主要分类及代表机型示意图。
图1 风力机的主要分类及其典型机型[12]Fig.1 The classification of the wind turbine and typical models[12]
1.2 垂直轴风力机发展历程
风能利用历史可以追溯到公元前。公元1300年左右，波斯记载了具有多枚翼板的垂直轴风力机。19世纪末，丹麦首先推出了风力发电机，开创了风力发电先河。之后借助飞机机翼理论，水平轴风力机得到快速发展，逐渐成为了现代大型商业风力机的主流。相比之下，垂直轴风力机研究起步较晚，研究水平相对滞后。归纳起来，历史上曾经出现过三次发展高峰期[12-13]。 第一个高峰期出现在20世纪20～30年代，这期间出现了多种类型的垂直轴风力机，主要有萨渥纽斯型、马达拉斯型和达里厄型。1929年，芬兰工程师S J Savonius发明了后来以其名字命名的萨渥纽斯型风力机[13](见图1)。马达拉斯型风力机是美国的Julius D Madaras利用马格纳斯效应而提出的一种垂直轴风力发电装置[13]。达里厄风力机是由法国工程师George Jeans Mary Darrieus在1931年提出的，后来以其名字命名(见图1)。达里厄当时提出的风力机叶片包括两种形式：曲线形和直线形。通常所说的达里厄风力机是专指曲线翼型叶片的。而具有直线形叶片的达里厄风力机被称为“直线翼型达里厄风力机”，如图2(a)所示。由于对它的研究越来越多，近年来被直接称为“直线翼垂直轴风力机”，它便是本文的研究对象。另外，根据直线翼垂直轴风力机的外形特点，有人将其称为H型风力机(H Type Rotor)，在我国也多被这么称呼。然而在国际上，H型垂直轴风力机也是一种类型的风力机，通常特指英国在20世纪70～80年代研发的仅具有2枚直线型叶片的垂直轴风力机，结构外形像英文字母H。由于二者十分类似，故有时将它们统称为H型风力机。在本文中，为保持与国际一致，采用直线翼垂直轴风力机的叫法[14]。
(a) 直线翼垂直轴风力 (b)H型图2 直线翼型与H型垂直风力机[12]Fig.2 Straight-bladed VAWT and type H[12]
第二次发展高峰出现在20世纪70～90年代，这是达里厄风力机的黄金时期。20世纪90年代，随着水平轴螺旋桨式风力机成为大型商业风力发电场的主流机型，以达里厄风力机为代表的大型垂直轴风力机逐渐淡出了人们的视野。然而，在中小型风力机市场上，垂直轴风力机还占有一定的市场，对直线翼垂直轴风力机的研究仍在继续。
2000年以来，垂直轴风力机迎来了第三次快速发展期，以直线翼垂直轴风力机为代表的新型垂直轴风力机的研究重新获得了欧美和日本等国的关注，许多形状各异的中小型垂直轴风力机被成功投入市场，垂直轴风力机正迎来新的发展机遇。
2 基本理论与研究方法
以达里厄风力机和直线翼垂直轴风力机为代表的升力型垂直轴风力机虽然形状相对简单，但由于其旋转起来形成了一个空间，风轮内部流动情况非常复杂，因此气动特性分析与计算相对较难。在其发展过程中出现了许多方法和理论，图3给出了一些常见的升力型垂直轴风力机气动计算和设计相关理论[15]，主要包括两大类：模型法和数值计算法。模型法利用流体力学(含空气动力学)的相关理论，借助水平轴风力机的分析方法，通过提出假定，建立模型的方法来计算，是研究较多、应用较广的方法，主要有三种理论模型：动量模型、涡流模型和叶栅模型，其中前两种较为常用[15]。数值计算法虽然是近年来才开始出现的，但发展很快，现已成为一种主要设计方法。
图3 升力型垂直轴风力机基本理论[15]Fig.3 Basic theory of lift type VAWT [15]
2.1 常用基本理论
本节仅介绍最常用的湍流模型、叶素动量模复合型和流管模型三种理论。
2.1.1 涡流模型
涡流模型是垂直轴风力机气动特性计算的主要方法。具有代表性的是由Strickland[16]等提出的考虑动态失速效应的三维涡流模型。根据涡流理论可将风力机单枚叶片看作是沿着翼展方向的一系列要素的集合，叶素可以用束缚涡丝或者升力线来代替，如图4所示。 根据Helmholtz涡量理论，束缚涡旋的强度等于翼端的涡旋强度。根据凯尔文定理，沿翼展方向放出的涡旋等于束缚涡旋的强度变化。脱落涡旋系以当地流速自由对流，这些涡丝能够拉伸、平移及旋转，随时间变化，被称为自由涡旋。 所有由涡丝产生的诱导速度与未扰动风速叠加便得到流场中任意一点的流动速度，如图 5所示。
图4 单叶素的涡丝结构示意图Fig.4 Diagram of vortex structure for a blade element
图5 单叶素的涡丝系统示意图Fig.5 Diagram of vortex system for a blade element
根据Biot-Savart公式，当涡丝长度为l， 强度为Γ时，流场中某一点P处的感应速度 Vp的计算式如式(1)所示：
(1)
式中：e是 (r×l)方向的单位向量。
采用翼型数据或者升力面的表示方法，可用诱导速度确定作用于每段叶片上的升力和阻力。利用Kutta-Joukowski定理可得到束缚涡旋强度ΓB与作用于叶素翼展方向单位长度L上的升力的关系，升力也可根据翼型截面升力系数CL表示。采用这两种升力的表示方法，可确定特定叶片片段上附着涡强度与诱导速度的关系，如式2所示。
(2)
式中，c为叶片弦长，Vr为翼型截面的当地相对流速。
2.1.2 叶素动量复合理论
叶素动量复合理论是将叶素理论与动量理论结合起来，通过叶素附近流动来分析垂直轴风力机叶片的气动特性。
如图6(a)所示，与水平轴风力机叶片叶素理论一样，可将叶片垂直沿展方向分成若干个微段，每个微段称为一个叶素。假设每个叶素之间的受力相互独立，作用于每个叶素上的力只由叶素的翼型升阻特性决定。水平轴风力机的叶素沿展向是不断变化的，而垂直轴风力机沿展向无变化，因此叶素可以看成一个二维翼型。通过对作用在每个微段上的载荷分析并对其进行沿叶片展向求和，即可得到作用于风轮上
(a) 叶片叶素
(b) 叶片受力
图6 叶素上的气动力
Fig.6 Aerodynamic force on the blade element
的推力和转矩。定义风轮叶片是在半径R处的一个基本单元，其长度为dz，分析其上的受力情况，如图6(b)所示，图6中各参数的定义如表1。
表1 参数表Table 1 Parameters
根据图中所示的速度三角形可以得出叶素的法向速度Wn和切向速度Wt分别为：
(3)
(4)
叶素的合速度W为
(5)
叶片的入流角φ满足
(6)
根据二维翼型的气动特性，叶素上的气动升力dFL和气动阻力dFD可分别表示为：
(7)
(8)
根据图6(a)所示的几何关系，可将叶素上的气动升力dFL和气动阻力dFD可分别沿轴心方向(法向)和叶素旋转方向(切向)进行分解，然后分别求解作用在叶素上的法向力dFn和切向力dFt。
dFn=δFLcosφ+δFDsinφ
(9)
dFt=δFLsinφ-δFDcosφ
(10)
式中Cn、Ct分别为法向气动力系数和切向气动力系数，其表达式为：
(11)
(12)
2.1.3 流管理论
流管理论是建立在叶素动量复合理论的基础上的。对于垂直轴风力机来说，风轮旋转面与来流平行，也就是说风要流入风轮旋转体内部，因此，除了要考虑叶片处的气动特性外，还要考虑风速在风轮内部的变化情况，这就是升力型垂直轴风力机气动特性较为复杂的主要原因。研究风穿过垂直轴风力机时流场的主要理论就是流管理论，主要包括单流管模型、多流管模型和双多流管模型。
2.1.3.1 单流管模型[17]
如图7所示，该模型假定风力机整体被包含在一个单一流管之中，通过计算风力机在流管内的能量收支来获得风力机的气动特性。该理论考虑到了翼型失速、叶片几何形状、风轮实度及高径比等的影响。单流管模型的出现对升力型垂直轴风力机的性能分析和计算具有非常重大的意义，为后续各种流管模型的提出奠定了基础。
图7 单流管模型Fig.7 Single streamtube model
2.1.3.2 多流管模型
Wilson和Lissaman[18]提出了多流管模型，如图8所示。在该模型中，风轮旋转形成的回转体被分割成一系列相互连接的、气动特性相互独立的连续平行流管。再在每一个流管中应用叶素动量理论来分析叶片的气动特性。
图8 多流管模型Fig.8 Multiple streamtube model
2.1.3.3 双多流管模型
双多流管模型是由著名的达里厄垂直轴风力机研究专家、加拿大蒙特利尔工科大学的Ion Paraschivoiu教授在1981年提出的一种理论模型[19]，如图9所示。该模型在多流管理论的基础上，又将风轮旋转形成的回转体沿着来流方向分为两个半圆，每个半圆中的流管分别称为上流管和下流管。相比前两种模型，双多流管模型的计算结果更接近于试验，同时对于动态失速的模拟也有很大改善。但该模型对于具有较大实度的风力机以及在高尖速比情况下的精度有待于提高。
图9 双多流管模型Fig.9 Double-multiple streamtube model
2.2 研究方法
对于垂直轴风力机气动特性的研究手段，除了理论模型分析外，主要还有两种方式：风洞试验和数值模拟[20]。风洞试验又包括气动特性和可视化试验。风洞气动特性试验主要用于测试风力机的升阻力特性、扭矩和功率特性等。可视化试验主要用于获得风轮内部及周围流场，分析流动和运转机理。利用数值模拟既可以计算风力机的气动特性，又能给出速度、压力和涡旋等参数，同时还具有速度较快、成本低等特点，是当前研究垂直轴风力机气动特性的重要手段。
2.2.1 风洞试验
获取风力机气动特性最直接、最主要的方法就是风洞试验。通过获取在不同风况条件下的垂直轴风力机的各项气动特性参数，为风力机的设计、改进和检验提供依据。
2.2.1.1 风洞
适用于风力机气动特性的低速风洞的种类很多，主要包括回流式和直流式两种。鉴于风力机工作在野外，开口直流式更接近于风力机实际工作状态。如果采用回流式，则要充分考虑风轮在试验段的阻塞效应，风轮扫掠面积与试验段截面积的比要控制在30%以内，否则要对风速分布进行严格的修正。风洞的试验段截面有圆形和矩形的。圆形试验段较适合于水平轴风力机和达里厄风力机，而对于直线翼垂直轴风力机则矩形试验段更为适合，如图10所示。
2.2.1.2 气动特性测试风洞系统
图11所示为常用直线翼垂直轴风力机气动特性测试风洞系统组成示意图。通常，要将设计好的直线翼垂直轴风力机进行缩比后制作风轮模型，然后将模型放置于沿风洞出口中心位置下游方向适当位置处。由于垂直轴风力机叶片旋转会产生较大的离心力，有可能会在某一转速下与试验台产生共振，因此一定要对风力机模型、试验台和地面三者进行牢固连接。测试人员需要在安全区域进行操作，防止叶片连接不牢飞出发生事故。
图10 矩形开口直流风洞举例Fig.10 Wind tunnel with square section
图11 垂直轴风力机气动特性测试风洞系统Fig.11 Wind tunnel experimental system for VAWT
如果要测试叶片的升阻力，需要用测力天平。如果要测试风轮的扭矩，可按图11所示，将风轮转轴与扭矩仪(带有转速仪)和带有制动器的电机连接，测试在不同转速下的风轮扭矩。再利用功率、扭矩和转速之间的对应关系算出风轮的功率。另外，如果要单纯测量功率的话，还可直接将风轮与发电机和负载回路连接，通过改变负载获得功率曲线。
2.2.1.3 可视化试验
直线翼垂直轴风力机风轮周围流场十分复杂，如果能够获得清晰的流动状态，对揭示风轮工作原理、优化设计风轮结构具有重要意义，而可视化风洞技术便可实现这一目的。在风洞中安装流动显示设备可以进行可视化，获得风力机周围流场的直观显示[21]。常用的可视化方法包括：壁面显示法、丝线法、示踪法和光学法等。以往常用的是烟线法，通过设置在风力机上方的高速照相机可以拍摄到烟线绕过风力机时的状态，烟线即可代表来流的流迹线。图12所示为利用烟线法得到的直线翼垂直轴风力机周围流场照片[22]。
图12 基于烟线法的直线翼垂直轴风力机周围流场[22]Fig.12 Flow field around SB-VAWT by smoke wire method [22]
近年来，得益于计算机图像处理技术的快速发展，出现了粒子图像测速法(PIV，Particle Image Velocimetry)和粒子跟踪测速法(PTV, Particle Tracking Velocimetry)等可视化方法。PIV结合了激光技术、跨帧CCD技术以及数字图像处理等技术，能够同时获得流场中一个面上多点的速度，使得流动测量取得了突破性的进展, 是目前研究风力机流场的较先进可视化手段。由于生产厂家不同，PIV系统的特点和优势不同，但大体上PIV系统主要由四个部分构成(如图13所示)，即：1.光源(脉冲激光器)；2.摄像头(专用跨帧CCD 相机)；3.同步控制系统；4.图象采集和矢量计算(处理软件)。
图14所示为利用PIV来测试直线翼垂直轴风力机风轮或叶片周围的流场的系统举例。在流场中注入示踪粒子，在相隔很短的时间间隔内，测量示踪粒子的位移，通过计算机图像识别技术，计算出粒子的速度矢量，得到流场中的速度场分布。再通过后续处理可以获得其他物理量，如压力、涡度等，分析风力机的运行原理。
图13 PIV构成系统示意图Fig.13 Diagram of PIV system
图14 直线翼垂直轴叶片PIV可视化系统示意图Fig.14 Diagram of PIV experimental system for SB-VAWT
2.2.2 数值模拟计算
近年来，得益于计算机技术的飞速进步，计算流体力学(CFD)发展快速，计算速度和精度大大提高，计算成本大幅降低。因此，数值模拟已经成为风力机性能研究和设计的主要手段之一[23-24]。利用数值模拟来分析风力机的论文非常多，因此本文不再过多介绍数值模拟的基本原理和理论，仅就计算直线翼垂直轴风力机气动特性的特点进行说明。
用CFD软件对直线翼垂直轴风力机进行数值模拟的过程主要可以分为以下几个步骤：方案制定、计算模型建立、网格划分、求解设置以及后处理。在制定方案时，首先要确定是用二维还是三维进行计算。由于直线翼垂直轴风力机的叶片是直线翼型，沿着翼展方向的截面都是相同的，所以一般情况下可以考虑用二维计算。当需要考虑叶片端面的流动效应的时候，则要用三维计算。另外，对于改进的风轮结构，如添加了阻力风轮，安装了导流装置，改变了叶片形状时，也需要考虑用三维计算。然而，三维计算较二维计算工作量大幅提高，而且网格的设置也变得相对复杂，因此，在精度要求不高时应尽量选择二维计算。
几何模型的建立主要是指为计算模型建立合适的计算域，计算域过小会导致流体发展不充分，壁面对风轮周边流域产生过多干涉，计算精度降低，计算结果误差较大；若计算域过大则会导致网格数量增加，计算量加大，计算周期变长，造成时间和计算机资源的浪费[25]。对于2D和3D计算域的设置如图15和图16所示，合适规模的计算域既可以保证计算精度，又能够有效降低计算量。
图15 2D计算域[26]Fig.15 2D computational domain [26]
图16 3D计算域[27]Fig.16 3D computational domain [27]
网格划分时要综合考虑各种影响数值计算精度的因素，给定单元类型和网格类型等参数，注意不同网格单元与不同网格类型相匹配[28]。对于复杂问题，网格划分不容易一次成功，即使成功，计算结果也可能有偏差，所以在做仿真之前，需要进行网格无关性验证[26]。图17和图18给出了直线翼垂直轴风力机二维以及三维网格示意图。
在利用数值计算得到结果后必须要进行认真的对比分析。比较简单的是与其他研究者的成果进行对比，有条件的话可以自己进行风洞验证。无论哪种验证方法，都需要分析误差来源，做好计算调整，保证数值模拟的精度。
图17 2D网格示意图[26]Fig.17 2D mesh discretization [26]
图18 3D网格示意图[27]Fig.18 3D mesh discretization [27]
3 直线翼垂直轴风力机气动特性研究
3.1 概述
图19所示为一台典型的直线翼垂直轴风力机发电系统的基本结构和组成示意图。通常，风力机的叶片太少会影响风力机的功率输出，叶片太多会使各叶片之间产生干涉，也会影响叶片气动特性。根据以往的研究结果，直线翼垂直轴风力机的叶片数在2～6枚最为适合。
图19 直线翼垂直轴风力机示意图Fig.19 Diagram of structure of SB-VAWT
在风力作用下，叶片上产生气动力，通过横梁与转轴的连接，形成对转轴的扭矩，使风轮旋转。因此，叶片是直线翼垂直轴风力机的最主要组成部分，对它的研究也最多，其基本参数包括叶片形状、叶片翼型、叶片弦长、叶片高度、叶片个数、叶片安装角、与转轴连接方式等。与之相关的主要参数还有风轮实度(所有叶片总弦长与风轮周长或半径之比)、风轮高径比(叶片高度与风轮直径之比)等。这些参数只要有一个发生变化，就会对风力机的气动特性产生影响，其根源还是参数变化导致了风轮周围和内部流场的变化。图20所示为直线翼垂直轴风力机在某转速下的流场计算结果。可以看到流经风轮的流场是很复杂的，而且是随着旋转角、转速(尖速比)的改变而变化。当叶片处于大攻角时会出现分离、涡旋，伴随着能量的损失；当达到一定尖速比时就会产生动态失速，严重影响气动特性。另外，相比水平轴风力机而言，对于同一股来流，水平轴风力机风轮叶片只切割一次来流产生气动力。而直线翼垂直轴风力机则不同，当转速很快时，叶片要多次与来流作用，因此其工作原理和运动分析相对来说较水平轴风力机复杂，这是其发展相对滞后的主要根源，也是如前所述出现较多分析理论和模型的原因。
但经过多年的努力，已经基本掌握了该种风力机的一般特性和一些参数对其气动特性的影响规律[29-34]。图21给出了一例实度对其输出功率影响的计算结果。可以看到，实度对风力机气动特性影响很大，实度越小的风力机可以获得越快的转速，但实度太小或太大都会使功率系数降低。并且我们可以从图中可以发现两个关于直线翼垂直轴风力机气动特性的重要特征。一是目前来看直线翼垂直轴风力机的最大功率系数相比水平轴风力机来说还相对较低，对于大型直线翼垂直风力机，计算结果显示其最大功率系数可达到0.4～0.5，但结果显示通常在0.4以内。对于中小型风力机，由于风轮扫掠面积小，风能利用系数一般在0.25～0.4之间。各国的研究者给出的结果差别很大，其原因主要是小型风力机非常容易受到机械、机电、控制等因素影响，而计算往往忽略掉了这些。二是在尖速比在0～1之间，直线翼垂直轴风力机的功率系数非常小，几乎为0。第一个特征说明该种风力机在高尖速比下的输出特性有待进一步提高才能与水平轴风力机竞争。而第二个特征则说明该种风力机的起动特性不够理想，在尖速比1以下很难维持有效的转动，随时都可能停机。因此，绝大多数的研究都是围绕解决这两个问题而进行的。归纳一下，我们认为研究主要从两个方面开展——叶片翼型优化与风轮结构改进。下面主要介绍这两个方向的研究进展。
图20 叶片周围流场Fig.20 Flow field around rotor
3.2 直线翼垂直轴风力机叶片翼型研究
在研究的初期，没有专门针对直线翼垂直轴风力机的叶片翼型，而是直接在已有的水平轴风力机叶片翼型族中挑选使用。最常用的，同时也是被证明最有效的翼型之一是NACA的4位数系列对称翼型，如NACA0015和NACA0018，至今这两个翼型仍然是许多研究者的首选。应用这些翼型能够使直线翼垂直轴风力机获得较高的输出功率系数，但起动特性并非十分理想。后来一些非对称翼型也被应用到该种风力机叶片上，如NACA的5位数系列非对称翼型，水平轴风力机常用的S809翼型、 FX系列翼型等，但严格来说这些翼型都不是专门针对直线翼垂直轴风力机而开发的。真正用于直线翼垂直轴风力机翼型的代表是由原日本东海大学的Seki教授历经30多年开发的TWT系列翼型[14, 35]，如图22所示为其中的一例代表。采用这些翼型的直线翼垂直轴风力机产品具有较高的输出功率特性，被大量安装在日本各地，对该种风力机的推广和发展起到了重要的推动作用。
(a) TWT翼型[14]
(b) 采用TWT翼型风力机性能举例[35]图22 日本东海大学开发的TWT翼型及性能[35]Fig.22 TWT airfoil and its power performance by Tokai University of Japan [35]
另外,还有一些研究者以NACA系列翼型等为基础，应用一些变换理论，对这些翼型进行变形处理，使之更适合于直线翼垂直轴风力机。2011年，曲建俊等基于复合形法进行了直线翼垂直轴风力机翼型优化设计，获得了一些较好的翼型[36]。在2010和2013年，陈进等[37-38]提出了基于多目标遗传算法优化得到的风力机专用翼型 WT180。优化改进后的新翼型在升力系数、升阻比、粗糙度敏感性等方面有明显优于原翼型；新翼型对前缘粗糙条件不敏感，同时还具有良好的失速特性。计算分析表明该翼型在设计及非设计工况都具有良好的气动性能。2014年，Carlos Simão[39]等利用遗传优化算法，对厚翼型的气动特性进行优化，使风轮的转动质量有所减少，在不影响气动性的情况下，起到了优化风力机结构的效果。
可以说，大多数专用翼型研究开发的主要目的是提高风力机的输出功率特性，也就是功率系数，使之能达到水平轴风力机的水平。然而，近年来出现了一些翼型改进是为了提高风力机的起动特性的，这些研究主要是对翼型进行大幅度的变形，使之具备一定的阻力外形，从而增加低风速和低转速下的起动性能。例如，2007 年野口常夫[40]研究了在高升力型翼型后缘切成缺部，利用切缺部产生阻力从而起动风力机，如图 23所示。但利用这种方式形成的风阻部体积太小，所能产生的转矩也有限，对自起动性能提升的效果并不十分显著。同年，横井正[41]研究了在叶片上安装受弹簧控制的受风板，形成阻力型风力机， 提高了升力型风力机的起动特性。增大风力机的逆向转矩。如图 24所示。
图23 带有切缺部的高升力翼型[40]Fig.23 Airfoil with cutting portion [40]
图24 带有受弹簧控制受风板的翼型[41]Fig.24 Airfoil with wind screen controlled by spring [41]
2008年崔美娟等[42]研究在翼型前缘侧面加工凹进挡风部，通过阻力获得转动力矩改进翼型起动特性，如图25所示。2010年，曲建俊等[43]提出了在直线翼垂直轴风力机叶片上加装襟翼(如图26所示)的方案，在一定程度上增大了翼型的雷诺数和升力，同时也增大了翼型的弯度，改善了流体流过翼型表面的压力差，在一定程度上提高了风力机的起动性能。同年，曲建俊等[44]等研究了一种基于活固叶片的升阻复合型垂直轴风力机(VAWT-SWS)，特征在于每个叶片都由活动叶片和固定叶片组成。图27为3叶片VAWT-SWS与3 叶片 Darrieus 风力机的静态自起动性能比较，改善后的风力机性能较原始的Darrieus 风力机有显著提高。
图25 带有挡风部的翼型[42]Fig.25 Airfoil with windshield department [42]
图26 垂直轴风力机叶片襟翼[43]Fig.26 The blade with flap wing of straight-bladed vertical axis wind turbine [43]
图27 VAWT-SWS风力机与达里厄风力机静态转矩系数Fig.27 Static torque coefficient of VAWT-SWS and Darrieus rotor
近几年，又出现了一种改进直线翼垂直轴风力机气动特性的新思路。这种方法不是直接对翼型和叶片本体进行改变，而是在叶片翼型周围，主要是前缘和尾缘附近添加一些诸如圆柱、小翼等，用来改变叶片的入流方式和尾流流动，从而改善翼型的气动特性。例如，2015年，陈珺等[45]在直线翼垂直轴风力机叶片的前缘加装微小圆柱(如图28)。其主要原理是通过抑制翼型上的流动分离的方式，使升力型垂直轴风力机的风能利用率在低尖速比下有一定提高。图29为在不同尖速比下前缘设置微小圆柱与未设置微小圆柱的功率系数变化示意图。
2016年，赵振宙等[46]进行了基于扰流技术的直线翼垂直轴风轮叶片性能改善数值模拟研究，提出了采用扰流方法来解决因局部方位角的叶片攻角极小而导致整体风轮性能较低的问题。如图30研究结果所示，适当增大0°和180°处的扰流角可以提高风轮性能，扰流角增加相同幅度，上盘面的转矩的提高幅度更大。
图28 叶片前缘前设置微小圆柱示意图Fig.28 Schematic of micro-cylinder in front of blade leading edge
图29 加装小圆柱前后风力机CpFig.29 Cp of VAWT with and without micro-cylinder
同年，李岩等[47]在叶片后部加设了辅助小翼用来改善叶片尾流流场，利用数值计算研究了小翼的主要参数对风力机起动性能和输出功率特性的影响，如图31所示，适当的小翼会对风力机气动特性改善有一定的效果。然而，这种方法与思路目前仍在探索中，需要深入系统地研究来完善。
(a) 具有辅助小翼的风力机
(b) 具有辅助小翼的风力机功率系数图31 叶片后加小翼风力机Fig.31 Wind turbine with auxiliary blade
3.3 直线翼垂直轴风机风轮结构改进研究
在研究初期，直线翼垂直轴风力机的风轮分为定桨距和变桨距两种。变桨距风轮叶片桨距可随着转动角度变化而变化，虽对风力机的起动性能和功率输出有一定的改善，但并不显著，同时使整机结构变得过于复杂，因此近年来的研究主要集中在定桨距类型上。
除了上述利用叶片与翼型优化来提高气动特性外，近年来研究最多的便是利用在风轮内、外添加一些辅助机构来改善直线翼垂直轴风力机的性能。辅助机构主要有两类：一类是能够起到聚风、导流、增速等作用的装置；另一类是具有阻力型垂直轴风机特征的阻力风轮结构。这两类辅助装置有些主要是用来提高起动性能的，有些主要是增加输出功率的。通过参数优化，有些辅助装置对风力机的整体气动特性都会起到一定的改善作用。因此，当前对新型辅助装置的研究成为了改善直线翼垂直轴风机气动特性的重要内容之一，而且相对新型翼型的开发来说要相对容易开展研究和达到技术实现。
将直线翼垂直轴风力机与具有很好起动性能的阻力型风力机—Savonius风轮结合起来提高其起动性能是最典型、也是被研究最多的风轮结构改进手段。这种方法最早被应用到达里厄风力机起动性的提高上。如图32所示，2005年，日本学者Wakui Tetsuya等[48]利用仿真模拟的方法讨论了Savonius风力机与达里厄风力机的组合结构，采用了两种类型的结构，类型 A 将 Savonius 风力机安装在 Darrieus 风力机内部，类型 B 将 Savonius 风力机安装在 Darrieus风力机外部。这两种方式都对达里厄风力机的起动性有很好的改善作用。
(a) 类型A (b)类型B图32 两种类型的Savonius-Darrieus型风力机[48]Fig.32 General view of the types of hybrid configurations [48]
同样，将这种方法可以直接应用到直线翼垂直轴风力机上，无疑对其起动性的改善会有很好效果。然而，这种组合方式存在一个最主要的问题，如果结合参数不佳，会严重降低直线翼垂直轴风力机的输出功率系数。因为，Savonius风力机是阻力型，转速很低。二者结合后，虽然在起动阶段Savonius风力机发挥了作用，但当转速逐渐提高到一定程度后，Savonius风轮便会阻碍直线翼垂直轴风力机的气动特性发挥。也就是说，Savonius风力机从某种意义上成为了直线翼垂直轴风力机的一个负载，而且负载量随着转速增大而不断增大。因此，这一问题成为了该种结合方法发展的一个最大障碍。2011年，寇薇等[49]提出了一种方法，如图33所示，在直线翼垂直轴风力机与Savonius风轮之间安装了一个超越离合器，在起动和低速转动阶段，超越离合器连接，发挥Savonius风轮的作用。当转速提高到一定值后，超越离合器分开，使直线翼垂直轴风力机自行运转，发挥其好的气动特性。这无疑是一个非常巧妙的办法，但我们并没有找到后续的研究。主要原因是由于自然界风速变化很大，超越离合器与之相应而要频繁地动作，这在实际应用中是很难实现的。
图33 带有超越离合器的组合型风力机[49]Fig.33 Combined wind turbine with overrunning clutch [49]
为此，研究二者结合的结构参数是关键问题。2013 年李岩等[50]通过风洞试验研究了二者结合的一些主要参数如结合角度、直径比等， 获得了一定的规律，为组合法垂直轴风力机的后续发展提供了研究基础。
除此之外，李岩等在2015年设计了一种双层柔性可伸缩式直线翼垂直轴风力机[51]，如图34所示。在起动阶段，柔性辅助叶片展开，增加起动力矩，风力机在进入高转速后，柔性辅助叶片在离心力的作用下缩回副叶片内部使风力机转变成为具有双层叶片的直线翼垂直轴风力机。该种方法与使用超越离合器的方法属于同一个思路，即通过一些机构使阻力风轮在高尖速比下失去作用来确保直线翼垂直轴风力机的气动特性优势得以发挥。然而，这种方法与结构还需要更进一步的研究。
(a) 低转速下 (b)高转速下 (c)样机照片图34 风力机三维结构图[51]Fig.34 Wind turbine three-dimensional structure [51]
在直线翼垂直轴风力机的周围安装导流和聚风装置也是一种很早就被应用的方法，研究得也较多、较广泛。这种方法最初是用在阻力型垂直轴风力机上的，用来提高其输出功率特性。其实，在水平轴风力机上也有采用这种方法的，如日本九州大学的大屋教授[52]提出了如图35所示结构，有很好的聚风效果，这种风力机在日本也得到了产业化发展。
2012年，姬俊峰等[53]提出了一种遮蔽-增速升力型垂直轴风力机，如图36所示，沿着来流方向在直线翼垂直轴风力机风轮的外围设置了导流板，具有导流和增加风速的作用。结果表明，通过设置导流板的确提高了风力机的效率和起动性。
2013年，W T Chong[54]提出了一种全方向导叶式风力机，如图37所示，结果显示风力机的整体风能利用效率有一定改善。
同年，赵振宙[55]等也提出了一种导叶式直线翼垂直轴风力机，如图38所示，沿着来流方向在直线翼垂直轴风力机风轮周围设置了具有导流和增速作用的导流板，研究结果表明这些导叶对风力机的起动性有一定的改善。
图35 聚风装置原理图[52]Fig.35 Schematic of device gathering wind [52]
(a) 遮蔽-增速升力型垂直轴风力机
(b) 直线翼垂直轴风力机
(c) 有遮蔽增速直线翼垂直轴风力机图36 遮蔽-增速升力型垂直轴风力机功率模拟[53]Fig.36 Power simulation for VAWT with and without wind shield-growth patterns [53]
图37 全方向集风升力型风力机[54]Fig.37 Novel omni-direction-guide-vane lift wind turbine[54]
(a) 导叶式直线翼垂直轴风力机
(b) 两种风力机转矩[55]图38 导叶式直线翼垂直轴风力机Fig.38 SB-VAWT with guide vanes [55]
上述几项研究提出的导流和聚风装置有一个共同特点就是，它们都是沿着来流方向安装在直线翼垂直轴风力机风轮的周围。2016年，李岩[56]等提出了另外一种圆台型聚风装置，如图39所示，是将其安装在风轮的上下。计算结果验证了该装置的有效性，起动力矩有了很大的改善，低风速下的功率特性也得到了提升，但聚风装置的最优结构参数，如最佳的圆台外形曲线等，仍需进一步研究。
3.4 其它
随着风能利用越来越受到重视，对直线翼垂直轴风机的研究越来越多，改善其气动特性的新方法和新技术也不断出现。但鉴于有些方法还正处于探索阶段，本文不做详细介绍。同时，随着直线翼垂直轴风力机的应用范围越来越广，针对一些特殊用途的研究也受到了关注。如应用在寒冷地区时，低温、积雪和结冰问题尤为突出，因此研究应用于风机的结冰预警、防/除冰技术受到了关注[57]。对于安装在干旱和沙漠地区时，风沙侵蚀则变成了主要问题，风轮与机舱的防风沙问题研究随之而来。随着海上风电的日益兴起，欧洲一些国家开始尝试建立采用直线翼垂直轴风力机的海上风电场，提出了一些新型的机型与结构，使之更适合于海上的风况条件。而在广大农牧区，直线翼垂直轴风力机可以作为当地的主要能源供给设施，组成风光互补系统、风光柴综合利用系统，以及“风-光-沼”可再生能源综合利用系统，不仅可以用来发电，还可以进行制热供暖、提水灌溉、农产品干燥、渔业养殖、有机废弃物处理、海水淡化制水等。这些新技术、新方式、新用途的出现，为直线翼垂直轴风力机的发展提供了前所未有的广阔空间。
(a) 具有圆台型聚风装置的垂直轴风力机
(b) 有无聚风罩风力机起动力矩图39 圆台型聚风型垂直轴风力机[56]Fig.39 SB-VAWT with truncated cone-shaped wind guide device [56]
4 总结与展望
当前，直线翼垂直轴风力机仍处于发展阶段，气动特性的改善仍是研究的核心问题。归纳起来：
1) 用于直线翼垂直轴风力机气动分析的理论框架已基本建立，能够较好地进行风力机气动设计与分析，但熟练掌握这些理论需要坚实的理论功底，对研究者要求较高。
2) 采用数值模拟的方法可以在一定程度上计算和分析直线翼垂直轴风力机的气动特性，具有相对简单、成本低、时间短的特点，是当前的重要研究手段。可用此方法进行风力机的初步设计，如多参数优化，探寻趋势研究。但一定要做好对比验证研究。
3) 风洞试验仍是直线翼垂直轴风机的重要研究手段，可通过气动测量与可视化观测获取风力机的重要气动特性和流动机理。但该方法成本较高、设计制作周期长、对研究者技能要求高。可考虑用与数值模拟相结合的方法，互补研究。
4) 低风速下起动性与高转速下输出特性仍是当前直线翼垂直轴风力机气动特性的两个主要问题。虽然各国研究者进行了大量的工作和探索，仍需要进一步完善解决。叶片翼型优化与风轮结构改进是两个主要研究方向。随着研究的不断深入，叶片翼型优化更趋向于对叶片周围流动的控制，而风轮结构改进则更朝着起动性与输出特性同时提高的目标进行，风力机结构参数优化与细化并行推进，同时新结构也不断出现。
展望未来几年，随着研究的不断深入与应用的快速推进，满足特殊需求与用途的直线翼垂直轴风力机会有很大的市场。大型化发展是直线翼垂直轴风力机应用的一个突破目标，兆瓦级别风力机的结构优化设计，风轮振动控制与强度提高将成为研究重点。同时，适用于海上风电的新型垂直轴风力机及其系统，面向特殊地区和特殊用途的基于直线翼垂直轴风力机的多能综合利用系统的研究将是具有广阔前景的发展方向。
最后，限于作者水平，资料搜集并不全面，文中亦会存在不妥与未完善之处，某些观点也仅为依据作者视角而出。发文目的旨在抛砖引玉，促进直线翼垂直轴风力机研究，助力我国风能事业发展！
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A review on aerodynamic characteristics of straight-bladed vertical axis wind turbine
LI Yan1,2,*, ZHENG Yufang1, ZHAO Shouyang1, FENG Fang3,2,LI Jianye1, WANG Nongxiang1, BAI Rongbin1
(1.EngineeringCollege,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China;2.HeilongjiangProvincialKeyLaboratoryofTechnologyandEquipmentforUtilizationofAgriculturalRenewableResourcesinColdRegion,Harbin150030,China;3.CollegeofScience,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)
Straight-bladed vertical axis wind turbine (SB-VAWT) is typical representative of lift type vertical axis wind turbine at present.It has been received more and more attentions in small and medium scale wind energy utilization field due to the advantages of wind direction independence, simple structure, and unique shape.However, there are still some problems need to be studied because of its complex aerodynamic characteristics and relatively short studied time.The SB-VAWT has a broad development space.In this paper, the researches on aerodynamic characteristics of the SB-VAWT were discussed.Firstly, the brief history of the VAWT and its research status were reviewed.Then, we introduced the main principle, aerodynamic characteristics analysis theory, and common research methods.Especially, the research progress was analysed and summarized on how to improve its starting performance at low wind speed and aerodynamic output characteristics at high rotational speed.The future research trend was also prospected.
straight-bladed vertical axis wind turbine; aerodynamic characteristics; research methods; blade airfoil; rotor structure; research progress
0258-1825(2017)03-0368-16
2016-12-18;
2017-02-17
国家自然科学基金(51576037); 黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12541012)
李岩*(1972-),男,黑龙江宾县人,教授,研究方向:风能及可再生能源综合利用.E-mail:liyanneau@163.com
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10.7638/kqdlxxb-2016.0189 LI Y, ZHENG Y F, ZHAO S Y, et al.A review on aerodynamic characteristics of straight-bladed vertical axis wind turbine[J].Acta Aerodynamica Sinica, 2017, 35(3): 368-382, 398.
TM315
A doi: 10.7638/kqdlxxb-2016.0189
