旋风风能提水系统的研究

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1、旋风风能提水系统的研究摘要：旋风风能提水系统由扩压旋风塔和气压差提水装置组成。气流进入旋风塔后产生强涡，在底部形成低压区域，气压差提水装置利用此低压实现提水。本文报道了这种新型风力提水系统的模型实验结果，指出了进一步的研究方向。关键词：风能；旋风塔；气压差提水装置0、前言扩压旋风风能提水系统不同于常规的水平轴式和竖轴式风力机，它不需要风力透平和通常意义上的水车。该系统由扩压旋风塔和气压差提水装置组成。旋风塔的功能是在塔底造成低压区，气压差提水装置的功能则是利用低压条件实现提水。图1为该系统的示意图。图1旋风风能提水系统示意图Fi

2、g.1Sketchmapoftornado-typewind-poweredwater-pumpingsystem1、扩压旋风风能系统气动性能试验迄今普遍应用的风力装置都是将透平叶片直接置于自由来流中的Betz型风能系统。在一般情况下，自然风的能流密度很低。虽然常规风能系统的风能名义利用系数的理论极大值为0.593，但若增加风力透平的功率，则必须增大其直径。而风能透平的叶片长度受结构、强度以及材料的限制，这是发展大型风能系统所面临的困难之一。旋风型风能装置（TornadoTypeWindEnergySystem）的概念是由YEN

3、JT.提出的[1]。在旋风塔的四周装有可调叶栅，迎风方向叶片打开，背风方向叶片关闭。根据角动量守恒定律，风进入塔后即开始旋转，在塔中形成一个低压核心，与外界形成很大压差。这个低压区为透平或提水装置提供了作功的低背压条件。普通风能装置只利用风的功能,而旋风型风能装置除了利用风的动能外,还可利用风的压能,提高功率输出。文献指出，旋风塔的风能名义利用系数随雷诺数和旋风塔的几何参数而变化，塔高和塔径之比是影响低压区压力的重要因素。从旋涡强度和塔的造价进行综合考虑，选取高度/直径比为1是适宜的。自旋风风能系统问世以来，国内外进行了许多理论

4、和实验研究，力求设法造成更低的背压，以提高透平功率。文献[2]提出了高度聚集风能的设想。如果把这种设想应用于旋风塔，可以预料：（1）在旋风塔出口配以扩压器，将可能增大通过旋风塔的流量，增强旋涡强度，从而进一步降低塔底压力；（2）若能进一步降低扩压器出口压力，则可能进一步增大通过旋风塔的流量，从而增强旋涡强度，降低塔底压力。根据上述设想，我们提出了一个装有扩压器及降压挡板的旋风塔。为了说明扩压器及降压挡板的效应，在相同来流条件下，对一般旋风塔及具有扩压器和降压挡板的旋风塔进行对比试验。结果表明，后者塔底压力系数的绝对值成数倍地高于

5、前者，透平功率系数亦远高于前者。1.1、试验装置实验中采用的旋风塔模型是截面周线为对数螺线的柱体。实验中旋风塔倒置，如图2（a）所示，塔的出口向下，在出口安装扩压器，并在扩压器迎风面边缘安装降压挡板。为测量方便，故意延长了进口段，另将模拟透平安装在水平段。作为对比的无扩压器及挡板的旋风塔如图2（b）所示，塔的出口向下，进口朝来流方向。为测量零功率时的顶部压力，可将进口段换成开有测压孔的平板，测压孔位置如图3所示。模型被安装在低速风洞中。为叙述方便起见，我们称图2（a）所示的装置为模型A，称图2（b）所示的装置为模型B。图2旋风风

6、能装置Fig.2Tornado-typewind-powereddevice图3塔顶测压孔分布Fig.3Measurepressureholedistributionintowertop1.2、性能试验结果1.2.1、顶部压力系数CpCp=P—P∞/0.5ρV2∞，式中,P∞、V∞为来流压力和速度，P为当地压力。图4同时给出了模型A、B的顶部压力系数。由图4所见，（Cpmax）A≈4(Cpmax)B因此，扩压器与挡板起到了大幅度降低塔顶压力的作用。X—模型A，O—模型B，试验风速V∞=16.45m/s图4塔顶压力系数分布Fig.

7、4Pressurecoefficientdistributionontowertop1.2.2、透平功率及风能名义利用系数透平功率Nt由下式确定：Nt=△PtVtAt,式中，△Pt为透平前后压力差,Vt为气流在透平段截面积上的速度,At为透平段截面面积。透平的风能名义利用系数定义为：εt=Nt/0.5ρV3∞At图5同时给出了模型A、B的透平功率及透平的风能利用系数。由图5可见：（Nt）A≈1.7（Nt）B，(εt)A≈1.7（εt）B因此，扩压器和挡板能大幅度降低透平背压，从而大幅度提高它的功率。1.3、讨论1.3.1、试验表

8、明，在旋风塔出口增设扩压器和降压挡板确实可以成倍地降低旋风塔底部压力系数，从而大幅度地提高风力透平功率。实验发现，只有当扩压器和挡板同时被采用时，效果才显著。如果没有挡板，旋转气流通过扩压器排出时受到塔顶自由来流的强烈干扰，使气流在扩压器处分离，扩压器不能发挥应