导流式涡轮型垂直轴风力机流场分析_张生龙.pdf

第 39 卷第 4 期电站系统工程Vol.39 No.42023 年 7 月PowerSystemEngineering6文章编号：1005-006X(2023)04-0006-03导流式涡轮型垂直轴风力机流场分析张生龙1郭馨2（1.中国船舶集团有限公司工程管理中心，2.黑龙江省节能监测中心）摘要：导流式涡轮型垂直轴风力机结构特点和气动性能倍受关注。利用 Fluent 软件进行数值模拟，提出结合当地风玫瑰图设计设置导流叶片的思路。数值模拟证明合理设置的导流叶片不仅可以有效降低或消除逆风区来流对叶片的直接冲击而造成的阻力转矩，而且还有助于增强顺风区来流对叶片的有效冲击。透彻研究导流式涡轮型垂直轴风力机复杂流场的气动特性，有助于垂直轴风力机性能的跨越式发展。关键词：垂直轴风力机；导流叶片；数值模拟；气动性能中图分类号：TK14文献标识码：AFlow Field Analysis of a Diversion Turbine VerticalAxis Wind TurbineZHANG Sheng-long1,GUO Xing2(1.Engineering Management Center of CSSC,2.Heilongjiang Energy Conservation Monitoring Center)Abstract：The structural characteristics and aerodynamic performance of a diversion turbine type vertical axis windturbine have attracted great attention.Using Fluent software for numerical simulation,the idea of designing and installingguide vanes in combination with local wind rose charts is proposed.Numerical simulation has shown that a reasonablyset guide vane can not only effectively reduce or eliminate the drag torque caused by the direct impact of upstream flowon the blade,but also help to enhance the effective impact of downstream flow on the blade.A thorough study of theaerodynamic characteristics of the complex flow field in a guided turbine type vertical axis wind turbine is helpful for theleapfrog development of vertical axis wind turbine performance.Key words:vertical axis wind turbine;guide vanes;CFD;aerodynamic performance能源是人类社会发展进步的动力和保障。随着科技的飞速发展和人类生活水平的日益提高，能源消耗与日俱增，致使传统能源日趋枯竭，而且环境污染也日渐加剧恶化。解决能源和污染是生产、生活面临的最紧迫问题。风能是取之不竭、用之不尽的清洁的可再生绿色能源，风力发电是风能利用的重要形式12，也是目前可再生能源中技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。利用风能是有效缓解能源、环保问题的重要途径。风力发电技术已经非常成熟，装机容量已达可喜的成果。目前主要采用水平轴螺旋桨式风力发电机组，但存在以下难以克服的不利因素：为适应风向的变化，需配备偏航系统以使风轮扫掠面始终垂直于主风向，该系统包含有风向检测、角位移发送、角位移跟踪、闭环电力拖动等，系统复杂、成本高；变桨矩液压系统，水平轴叶片翼展各处的圆周速度和相对于风速的迎角不同，叶片需扭转和变截面，加工难度大。液压系统调节叶片桨矩、阻尼、停机、刹车等，冬季要有防冻措施，以防失灵；水平轴风力发电机叶片结构相似悬臂梁，叶片上受到正面风载荷力和离心力，对叶根部弯矩应收稿日期：2022-09-15张生龙(1981-)，男，高级工程师。北京，100000力要求苛刻，旋转时受惯性力和重力的综合作用，惯性力周期性变化，重力方向始终向下，交变载荷产生的交变应力对材料疲劳寿命影响大，对材料强度、刚度性能要求高；水平轴风机的机舱放置在近百米的塔顶，而且是一个可旋转 360 度的活动联接机构，重达几十吨，重心高、不稳定，且维护不便；兆瓦级风力发电机叶片长度已达 50 m 以上，加大扫风面积依靠加长叶片，进一步增加功率受限。垂直轴风力发电机以其独特的优点日益受青睐37：不需结构复杂、成本高的偏航系统；发电机、齿轮箱放在底部，重心低、稳定性好、维护方便；叶片结构简单、无扭转、易设计、易制造，叶片两端固定，叶片载荷恒定、疲劳寿命长，组合结构简单可靠，造价低，目前垂直轴风力机型主要有达里厄、莎渥纽斯、涡轮型。垂直轴风力发电系统力学性能好、结构简单、成本低，具有竞争优势。但是，垂直轴风力发电技术在理论上和应用实践方面仍处于试验研究的初级阶段。还不具备确认“垂直轴风力发电机才是未来风电的发展方向”的条件8。在气动性能、总体结构等方面亟待深入研究、探讨。1导流式涡轮型风力机第 4 期张生龙等：导流式涡轮型垂直轴风力机流场分析7任何物体在流动空气中都会受到阻力和升力，涡轮型风力机风轮旋转主要靠叶片受到的阻力来驱动，升力辅之，因此属于阻力型。阻力型风轮的迎风面分顺风区和逆风区，在逆风区会产生与旋转方向相反的负力矩，减小整个风轮的力矩。其特点是气流或部分气流两次流经风机叶轮。气流沿径向流入的气流在顺风区做功、在逆风区做负功，流入的气流如无轴向流出设计，又沿径向流出，流动情况和做功情况复杂，不仅有负功现象，甚至对流场形成阻塞效应。进气和排气方向处于同一平面，流场流动情况复杂，进排气情况分析难度大，尤其是还没有研究出合适的理论计算功率输出情况和风能利用系数。叶尖速比概念不如水平轴风力机明确清晰，在整个转动平面上对每一个叶尖始终是变量。阻力型垂直轴风力机主要是利用顺风区叶片推力较逆风区阻力大的原理旋转，因此降低逆风区阻力是提高风力机效率的有效方法。通过导流叶片可以有效降低阻力、增加流量，提高输出功率910。见图 1，文献811阐述了导流式涡轮型风力机的导流叶片形状、安装方式、叶片数量、涡轮叶片形式及实度等因素对风力机性能的影响。图 1涡轮型风力机结构图2导流式涡轮型风力机流场数值模拟2.1风力机模型、计算区域和网格划分在现有文献1215研究基础上，按图 2 所示采用NACA 翼型的导流式涡轮风力机，仅在迎风面布置导流叶片，以减少导流叶片对流场的干扰影响。大部分地区只有两个主导风向，接受任意方向来风的设想并不切合客观实际情况，只是一种理想状态。按照当地风玫瑰图仅在主导风向设置导流叶片更利于气流流动、简化结构，避免在气流流出区域导流叶片导致的能量损失。在顺风区尽可能少布置导流叶片，并且需考虑如何增加气流量。为简化便于分析，图 2 只在一个风向布置导流叶片。为了便于研究内部流场流动情况，适当设置多涡轮叶片。图 2 可见导流式涡轮型风力机结构形式。涡轮叶片 16 片、转动外径 1.2 m、内径 1.0 m。涡轮叶片安装角度以 A 点处叶片计算，按涡轮转速 30r/min 设计。a、b、c、d 为风力机框架结构件。风力机的计算区域为 1020 m，风力机位于矩形计算区域的四分之三位置，保证来流均匀稳定。利用 Gambit 软件采用三角形非结构网格进行网格划分，叶片区域网格分布较细密。2.2数学模型及边界条件控制方程为二维不可压缩 Navier-Stokes 方程16：(1)(2)式中：密度；V速度矢量；P流体微元体上的压力；黏性应力张量；F外部体积力。采用标准-模型，湍流动能方程和湍动耗散率方程分别为：(3)(4)式中：ui平均速度；湍动黏度；Gk速度梯度而产生的湍流动能产生项；Gb是由浮力产生的湍流动能产生项；YM由于在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动；C1，C2，C3是常量；k和e分别是两个方程的湍流 Prandtl 数；Sk和 Se是经验常数。利用 Fluent 软件进行数值模拟，压力耦合方程采用 SIMPLE 算法，动量、湍动能及湍动耗散率均使用二阶迎风离散格式。进口为速度入口，风速为10 m/s。风向垂直于 BAD 圆弧于 A 点。出口为压力出口。3计算结果分析由图 2 可见，顺风区 AB 段为做功区，除靠近B 点外，升力和阻力同时做功。在逆风区 AD 段为阻力矩区，如无导流叶片，只能产生负功。利用导流叶片可避免或减小负功现象，图 2 中流场气流流速变化说明基本消除负功现象，并且除靠近 D 点区pFVVVt)()0Vt 8电站系统工程2023 年第 39 卷域外，导流叶片使气流方向发生变化并可能做功，由此可提高风能利用系数。在背风区 BC 段，流道中气流流动方向发生变化，叶片尾翼附件产生多个旋涡，在背风区 CD 段，流出流量比 BC 段多。图 2流场速度图图 1 中导流叶片的布置，可以有效降低由于来流对逆风区叶片吸力面直接冲击造成的阻力扭矩，但不能完全避免这种冲击。图 2 导流叶片的设置可以彻底消除逆风区 AD 段叶片负功作用。导流叶片改变气流方向，消除负力矩，不同程度地使气流对动叶片做功，这是提高垂直轴风力机风能利用率的关键。从图 2 流场情况可见，气流从 BAD 圆弧段叶片通道流进涡轮，又从 BCD 圆弧段叶片通道流出涡轮。对每一个叶片通道，在圆周运动中，气流流动方向、速度大小均周期性变化，流动状况非常复杂。涡轮叶片的叶尖速比在圆周上的每一点都各不相同。在 AB 段布置导流叶片可起增加进入涡轮风量的聚能作用，在 AD 段合理布置导流叶片可消除负功现象。在 AD 段偏近 A 点区域设置的导流叶片，不仅能消除负功现象，而且能够使气流在动叶中做功。当气流在 BCD 圆弧段流出时产生阻力矩，消耗有用功。尤其在 CD 圆弧，气流流出的阻力矩较大。做功气流对叶片的冲击阻力非常明显。如果引导部分气流轴向排出减少叶片通道气流流出量，可减少功率损失。风力机框架结构件对流场有影响，设计时应从空气动力学角度给予充分考虑。图 2 从颜色变化清晰可见风力机来流影响区域和风力机截面阻力而使来流流量扩散分流，这种现象减少进入涡轮风力机气流流量，因此导致风能利用系数减小。图 1 中风力机的设计，在理论上可接受任意风向来流，但很难提高风能利用系数。只有按照当地风玫瑰图合理设置导流叶片，才能有效提高涡轮型风力机气动性能、获取较大的风能利用系数。即使来流偏离主导风向，由于导流叶片的作用，可保证风力机气动性能不受影响。导流叶片、涡轮叶片的数量、安装角度等总体气动性能需进一步深入研究。4结论通过导流式涡轮型风力机流场计算分析、比较，采用翼型导流叶片可以降低流动损失，结合当地风玫瑰图设计合理布置导流叶片，是保证涡轮内流场良好气动性能、提高风力机功率输出的最佳途径。导流叶片在风轮迎风面阻力区具有明显的导流减阻作用，同时在迎风面有效做功区具有聚能增效作用。风力发电是一项综合技术，它涉及多个学科和多种技术领域，首先应在空气动力、转子轴承、总体结构几个方面进一步改善导流式涡轮型风力机工作性能。参考文献1王家新,苏世革.大力发展风力发电J.山东电力技术,2006,(6)：2227.2苏明军.风力发电-中国重要的后续能源J.能源环境保护,2005,(6):1214.3杨益飞,潘伟,朱熀秋.垂直轴风力发电机技术综述及研究进展J.中国机械工程,2013,(3):703709.4张国铭译.论制造兆瓦级垂直轴风力发电机的合理性J.风力发电,2001,(4):5561.5田海娇,王铁龙,王颖.垂直轴风力发电机发展概述J.应用能源技术,2005,(11):2227.6严强.垂直轴风力发电机的现在和未来R.产业,2012,(5):5053.7莫晓聃,李涛.垂直轴风力机概述及发展优势剖析J.节源技术,2010,(9):450453.8戴庚,徐璋,皇甫凯林,等.垂直轴风力机研究进展J.流体机械,2010,(10):3943.9周万里,黄典贵,徐建中.新型聚能遮蔽升力型立轴风力机J.工程热物理学报,2010,(10):3943.10原红红,赵振宙,郑源,等.导叶对涡轮型垂直轴风力机气动性能的影响J.河海大学学报(自然科学版),2013,(11):560564.11张立勋,梁迎彬,李二肖,等.实度对直叶片垂直轴风力机风轮气动性能的影响分析J.农业机械学报,2013,(5):169174.12王鑫,童正明,王企鲲.导流型垂直轴风力机内部流场计算方法的比较与研究J.热能动力工程,2010,(7):455458.13王企鲲.具有组合式叶片的导流型垂直轴风力机气动性能的数值研究J.机械工程学报,2011,(12):126132.14POPE K，RODRIGUES V，DOYLEA R Effects of stator vanes onpower coefficients of a zephyr vertical axis wind turbine J.Renewable Energy,2010,35:1043105115POPE K，NATERER G F，DINCER L，et al.Power correlation forvertical axis wind turbines with varying geometries J.EnergyResearch,2010,35:42343516中国科技大学.计算流体和传热传质讲义M.编辑：迎利