一种复合型垂直轴风力机实验研究.pdf

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1、2010年10月沈阳航空工业学院学报第27卷第5期JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineefingOct．2010V01．27No．5文章编号：1007—1385(2010)05—0029—05一种复合型垂直轴风力机实验研究张国臣徐志晖张岩王建明申振华(沈阳航空航天大学动力与能源工程学院，辽宁沈阳1z0036)摘要：提出了一种升阻复合型垂直轴风力机，并对该风力机进行了实验研究。首先通过改变叶片安装角，对不同风速下风力机的性能进行实验研究。其次对叶片进行正装和反装对比实验。实验结果表明，当叶片反装时，在同一风速

2、下安装角为一60时功率最大，此外对安装角为一6。时的多个风速进行实验研究，发现随着风速的增大，每个风速下的最大功率增大。关键词：垂直轴风力机；复合型；反装；实验研究中图分类号：TK83文献标识码：Bdoi：10．3969／j．issn．1007—1385．2010．05．007近年来，风力机研制发展迅速，目前风力机主要有垂直轴和水平轴两种，水平轴风力机的研究比较成熟，而且商品化的风力机中水平轴风力机占主导地位，在此基础上再进一步显著提高风力机的性能是十分困难的。近年来，由于垂直轴风力机(VAWT)本身相对于水平轴的诸多优势，人们开始对其进行较深入的研究。垂直轴风

3、力机的风轮可以吸收来自任何方向风的能量，不需要调向机构，而且，齿轮箱和发电机可以安装在地面上，结构简单，维护方便，但是垂直轴风力机的最大风轮系数较低，而且只能在低尖速比下运行，且不能自行启动。垂直轴风力机可分为两个主要类型，一类是利用空气动力的阻力做功，叫做阻力型风力机，典型的结构是S型风轮，它由两个轴线错开的半圆形或弧形垂直叶片组成，其优点是起动转矩较大，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。对于较大型的风力机，由于受偏转与极限应力的限制，采用这种结构形式是比较困难的。另一类是利用翼型的升力做功，叫做升力型风力机，基本上是直叶片和弯叶片两种

4、，直叶片主要采用横梁或拉索作支撑，以防止引起很大的弯曲应力，以H型风轮为主，弯叶片主要是使叶片只承受纯张力，不承受离心力载荷，但其几何形状固定不变，不能采用变桨矩方法来控制转速，叶片制造成本比直叶片高，以①型风收稿日期：2010—09—04作者简介：张国臣(1984一)，男，河南周口人，在读硕士，主要研究方向：航空发动机气动热力学及应用。E一眦d：hngchzh@yahoo．哪·∞o轮最为典型【lJ。垂直轴风力机在结构简单性、叶片制造复杂性和维护保养等方面具有明显的优势，使得其加工和维护成本明显低于水平轴风力机。正是如此，近年来，越来越多的研究人员开始关注垂直轴

5、风力机，特别是西欧和美国，主要是安装在建筑物上；而所谓劣势，即垂直轴风力机的气动性能(以功率系数衡量)比水平轴的低10％一15％左右以及自启动能力差⋯。目前已有大量的研究证明，许多技术措施可以弥补这些缺点。为了改善自启动和提高效率，本文提出了一种S型风轮和H型风轮相结合的复合型垂直轴风力机方案，并且通过实验对其性能进行了验证。1实验装置与方案本实验是在某大学风洞实验室进行的。该风洞是一座低速、低紊流度回流式风洞，其实验段长3m，宽lm，高1．2m，风速范围3m／s一55m／s。实验模型如图1所示。阻力型部分直径为0．183m，由两个半径为0．05m的半圆形垂直叶

6、片组成，高度为0．1m，如图2所示。升力型部分旋转半径为0．3m，高度为0．5m。升力型叶片采用的是某大学风洞实验室自行设计的一种大弯度非对称直叶片(如图3)。该叶片压力面弯度的增加可以提高风力机功率系数，而吸力面却沿用传统的叶型用以防止叶背的气流分离哺j。升力型部分的叶片数目为3片，弦长为36mm，叶片长度为500ram。阻力型叶轮与升力型叶轮的夹角是360，这样可以保证较低的启动风速。沈阳航宅工业学院学报第27卷风力机的每一个工作状态取决于叶片安装角和风速。对应于一个叶片安装角，在每一个风速时，用AKC一215动态扭矩传感器测量风轮的转速、扭矩和功率，并通过

7、码一5F智能数字测试仪将采集到的数据显示出来。数据采集是通过将髑一5F智能测试仪通过串口与计算机相连，再用串口大师软件将扭矩、转速和功率信息实时采集下来，并进行存储，为减小系统误差，本实验每次采集700余组数据，大约采集1rain，并求其平均值。图1复合型垂直轴风力机模型a．阻力型风轮俯视图b．三维图图2阻力型风轮2实验结果及分析2．1理论依据在二维流动中，当气流流经翼型时，由于流动图3叶片安装图产生的反作用力可以分解为垂直于无穷远来流的升力和平行于无穷远来流方向的阻力旧J。由于一定范围内气流对叶片的反作用力随攻角的增大而增大，因此存在一个最佳攻角，即最佳安装角

8、，在本实验中风力机状态的