关于h型风轮气动载荷的计算研究

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1、万方数据H型风轮气动载荷的计算研究口沈寿林口葛俊旭口粱鹏口蒋春祥华电电力科学研究院杭州310030摘要：针对H型垂直轴风力机叶片及风轮的气动裁荷计算。提出用于叶片旋转过程中相对风速与弦线攻角计算的“矢量一圃”图解方法．并在此基础上重点研究了H型风轮的非线性理论模型。该模型适用于使用直叶片的H型风轮工作过程中单个叶片或是整个风轮切向、径向风栽以厦风轮扭矩的计算分析。结合采用NACA0018翼型的H型风轮实例，分析结果与J．Templin经验公式基本一致．验证了实例模型的准确性和计算方法的有效性。关键词：垂直轴风力机

2、数值解法空气动力学矢量一圆图解法翼型中图分类号：TK83文献标识码：A文章编号：1000—4998(2011)01—0013一04风力机又称风车。是一种将风能转换成机械能、电能或是热能的能量转换装置[1]。风力机从结构上可以分为两类：一是水平轴风力机(HorizontalAxisWindTurbines，HAW田，叶片安装在水平轴上，叶片接受风能转动去驱动所要驱动的机械【21；二为垂直轴风力机(VerticalAxisWindTurbines，VAW盯，风轮轴是垂直布置的。叶片带动风轮轴转动再驱动所要驱动的机械[

3、2】。就气动性能而畜，HAWT的最大风能利用系数一般要比VAWT高．但现场测试与风洞试验的数据有所不同。因为现场风向经常变化，HAWT的迎风面不可能总对着风向。这就引起了“对风损失”；而VAWT的优点是不需设置对风装置．可吸收任意方向的风能，在考虑到对风损失后，VAWT性能并不一定低于HAWT；加上质量大的部件都可以放在下部或地面上。VAWT不仅结构简单、造价低，而且便于维修；同时，由于VAWT的叶片不受交变的自重应力作用，其风轮叶片的疲劳寿命相对较长【3】。VAWT可分为两个主要类型：一类是利用空气动力的阻力做

4、功。典型的结构是S型风轮。它由两个轴线错开的半圆柱形组成。其优点是启动转矩较大，缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流。从而对它产生侧向推力【41：另一类是利用翼型的升力做功，最典型的是达里厄_型(Darrieus)风力机。达里厄风力机有多种形式，中型、H型、Y型和菱形，基本上是直叶片和弯叶片两种，以巾型和H型风轮为典型[41。H型VA可汀的风轮基本上采用对称翼型。普通翼型的升力系数不能用近似的解析式子表示。必须采用数值解法【5】。笔者应用非线性理论对H型VAWT建立了理论模型，提出了适用于各翼型攻角计算的图解法——

5、“矢量一圆”法，研究了不同条件下NACA0018对称翼型风轮的扭矩输出、横向和径向风载计算模型：通过实例分析，该模型的分析结果与J腾普林经验公式值口】基本一致。收稿日期：2010年8月盛机械制造49卷第557期1H型VAWT的结构H型VAWT主要由风轮装置、发电机、刹车装置、控制器和塔架等部件组成[6】。如图1。H型VAWT的风轮装置是把风能转换为机械能的重要部件．风轮装置主要由主轴组件、支持翼、叶片等零部件组成。主轴组件为整个VAWT重要的承力构件，承受横向风荷．并通过主轴外的套筒传递扭矩至发电机。发电机是VA

6、WT能量转换装置的重要组成部分。对H型VAWT建模时。采用的是带增速箱的异步发电机。刹车装置是风力发电机必须配备的安全控制机构，停机控制使风力发电机在需要进行维修、发生不正常运转或预计发生破坏性强风时，使风力发电机停止运转【6】。控制器通过控制发电机为负载或者蓄能装置提供稳定的电能输出。塔架是VAWT的支撑部件，保证风轮安全、稳定。2对称翼型的气动性能系数翼型的气动性能直接与翼型外形有关[鲥。在仅有重力作用的二维气体流场中．流体的压力R与速度间∥。的伯努利方程为【7】：C=匕斗研12。，2(1)式中tP为流体密度

7、：C为P是常数时的可压缩流体定型流伯努利积分结果。2011／I回万方数据H型Darrieus风轮常用对称翼型。其升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数分别表示为[5】：C1--2L／(细护。)．(2)Cv=2D／(1p伊。)(3)CM=2M／([zptP。)(4)式中：L、D、M分别为翼型的升力、阻力和俯仰力矩；Z为翼型弦长。考虑到伯努利方程应用在空气上的限度。即：在标准大气压下，当流体相对速度口o≤102m／s时，将空气视为不可压缩性流体与将其视为可压缩性流体的动压计算相对误差为2．25％t引。因此，当H型风轮叶片转

8、动过程中，流体的相对速度小于口。时，忽略空气的可压缩性后得到对称翼型的Lilienthal空气动力学系数为：·fC,=CLsinot—Cvcosot，，、【G=CLcosa+CDsi孵⋯7式中：tlt为风轮旋转过程中的叶片气动攻角。翼剖面上升力特性可用升力系数CL随攻角n变化的曲线即升力特性曲线来表示㈨；同样，翼剖面阻力特性可用阻力系数C。随攻角n变化的曲线即阻力特性曲线