垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片變槳距運(yùn)轉(zhuǎn)模式研究

1、垂 直 軸 風(fēng) 力 機(jī) 葉 片 變 槳 距 運(yùn) 轉(zhuǎn) 模 式 研 究顧華朋， 劉恩福， 王振輝（河北科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 河北 石家莊 050018）摘 要： 針對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)性能差和風(fēng)能利用率低的問(wèn)題， 提出一種新型自動(dòng)變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)方 案。 結(jié)合垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片攻角變化及翼型氣動(dòng)力特性，制定了一種最優(yōu)葉片槳距角變化模式。 根據(jù)葉素理論， 計(jì)算得到了采用該變槳距模式在低葉尖速比和高葉尖速比時(shí)的葉輪扭矩系數(shù)，結(jié)果表明，采用該變槳距模式可 有效增大垂直軸風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)力矩以及提高其風(fēng)能利用系數(shù)， 為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)自動(dòng)變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)奠定了 研究基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞： 垂直軸風(fēng)力機(jī)； 變槳距； 葉

2、片攻角中圖分類號(hào)： TK83 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1671-5292（2014）01-0068-050引言風(fēng)力機(jī)是風(fēng)力發(fā)電的主要設(shè)備。 水平軸風(fēng)力 機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)高，是目前世界上的主流風(fēng)力機(jī)， 其關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)比較成熟1，2。 但是由于水平軸風(fēng) 力機(jī)自身固有的一些特點(diǎn)，如葉片受力情況復(fù)雜， 機(jī)艙在塔架頂部不易安裝及維修等， 使得水平軸 風(fēng)力機(jī)的制造成本和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本較高。 與水平 軸風(fēng)力機(jī)相比，垂直軸風(fēng)力機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝 維護(hù)方便、噪聲小、發(fā)電成本低等優(yōu)點(diǎn)35，但是其 風(fēng)能利用系數(shù)較低，自啟動(dòng)性能較差，一直制約著 垂直軸風(fēng)力機(jī)的發(fā)展。 如果能將變槳距技術(shù)與垂 直軸風(fēng)力機(jī)很好地結(jié)合，

3、 通過(guò)改變槳距角調(diào)節(jié)運(yùn) 轉(zhuǎn)葉片的攻角變化，從而優(yōu)化葉輪的氣動(dòng)性能，使 風(fēng)力機(jī)始終能夠輸出較大且平穩(wěn)的扭轉(zhuǎn)力矩，被 認(rèn)為是一種提高垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)和自 啟動(dòng)性能的有效方式。 國(guó)內(nèi)外都對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行 了相關(guān)研究611。 其中，韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)對(duì)使用 舵機(jī)控制葉片的槳距角進(jìn)行了相關(guān)研究與開(kāi)發(fā)， 試驗(yàn)效果良好6。 本文通過(guò)分析垂直軸風(fēng)力機(jī)葉 片運(yùn)轉(zhuǎn)一周時(shí)攻角的變化特點(diǎn)， 結(jié)合翼型的空氣 動(dòng)力特性， 設(shè)計(jì)了一種通過(guò)電氣自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)變 槳距的垂直軸風(fēng)力機(jī)原型， 并對(duì)葉片變槳距運(yùn)轉(zhuǎn) 模式進(jìn)行了相關(guān)研究分析， 提出了一種可有效提 高垂直軸風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)性能和風(fēng)能利用率的葉片 變槳距運(yùn)轉(zhuǎn)模式。1自動(dòng)變槳距

4、垂直軸風(fēng)力機(jī)原理自動(dòng)變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖 1 所 示。 根據(jù)風(fēng)速儀和風(fēng)向儀測(cè)得的風(fēng)速風(fēng)向信號(hào) v 以及絕對(duì)式編碼器測(cè)得的葉輪方位角信號(hào) 、葉 尖速度信號(hào) vt、葉片槳距角信號(hào) ，控制器（ 安裝 在地面上） 按照一定函數(shù)關(guān)系計(jì)算得到槳距角修 正信號(hào)， 伺服電機(jī)依據(jù)控制器發(fā)出的修正信號(hào)以 及葉片編碼器反饋的葉片轉(zhuǎn)角信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)葉片在 公轉(zhuǎn)的同時(shí)自轉(zhuǎn)， 形成一個(gè)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)葉片槳距角 的系統(tǒng)。在風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，控制系統(tǒng)會(huì)按照設(shè)213435687978圖 1 自動(dòng)變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu) The structure of variable pitch vertical axis wind turb

5、ine1-風(fēng)速儀；2-風(fēng)向儀；3-絕對(duì)式編碼器；4-葉輪；5-葉片；6- 內(nèi)齒輪；7-伺服電機(jī)；8-發(fā)電機(jī)；9-.蝸輪蝸桿收稿日期： 2013-07-04?；痦?xiàng)目： 河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目（11213503D）。作者簡(jiǎn)介： 顧華朋（1988-），男，碩士研究生，主要從事風(fēng)力機(jī)的計(jì)算機(jī)仿真及理論研究工作。 E-mail:794678736qq 通訊 劉恩福（1960-），男，碩士，教授，主要從事數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的研究工作。 E-mail:L 定的變槳距模式實(shí)時(shí)控制葉片槳距角， 以提高風(fēng) 力機(jī)的啟動(dòng)性能和風(fēng)能利用系數(shù)。自動(dòng)變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 整體 采用鋼架

6、結(jié)構(gòu)，制造與運(yùn)輸方便；發(fā)電艙和控制艙 安裝位置相對(duì)降低，便于安裝與維護(hù)，降低運(yùn)行成 本；采用多軸輸出，可連接多臺(tái)發(fā)電機(jī)，使得制造 大容量單機(jī)更容易，這些發(fā)電機(jī)可單臺(tái)工作，也可 多臺(tái)分級(jí)組合工作，這樣既可充分利用風(fēng)能資源， 又可使電網(wǎng)的調(diào)度更加靈活；風(fēng)力機(jī)主軸、葉輪、 動(dòng)力輸出裝置及控制單元可相互分離， 擺脫了大 功率風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)、加工、安裝上的諸多限制。2 垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片攻角變化分析垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片攻角 是葉片相對(duì)速度 與葉片弦長(zhǎng)的夾角， 槳距角 是葉片弦線與葉片 旋轉(zhuǎn)切向速度的夾角12。 由此基于葉素理論建立 了垂直軸風(fēng)力機(jī)無(wú)槳距角時(shí)葉片速度分析模型 （圖 2），設(shè)來(lái)流風(fēng)速為 v1，則葉片相

7、對(duì)風(fēng)速 w（ 即 來(lái)流風(fēng)速與葉片切向速度的合矢量速度） 沿葉弦 方向的分量為wt=vt+vcos（1）式中：vt葉片隨轉(zhuǎn)軸的切向速度；r葉片旋轉(zhuǎn)半徑。令 1=r/v，以 1 為變量，利用 MATLAB 對(duì)葉 片攻角進(jìn)行分析，結(jié)果如圖 3 所示。由圖 3 可知，葉片攻角隨著 1 增大而變化的 范圍變小，而且都近似于正弦變化規(guī)律。 當(dāng) 1 1.5 時(shí)，葉片攻角的變化范圍超過(guò)±40 °，變化很大 且很容易失速。 根據(jù)渦流理論，來(lái)流風(fēng)速 v1 大于 流過(guò)葉片的風(fēng)速 v，因此 1 大于葉尖速比 =r/v1， 所以葉片攻角隨葉尖速比的變化范圍比圖 3 要大 一些。依據(jù)翼型葉片的氣動(dòng)特性

8、可知，當(dāng)葉片攻角在失速點(diǎn)前變化時(shí)， 風(fēng)力機(jī)將獲得良好的氣動(dòng)性 能，超過(guò)這個(gè)范圍，風(fēng)力機(jī)的葉片在某些位置處受 到的氣動(dòng)阻力將急劇上升， 降低風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利 用率，甚至產(chǎn)生反力矩剎車制動(dòng)作用14。 這就是為 什么垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉尖速比控制在 34 時(shí)（此 時(shí)葉片攻角變化范圍為±20 °）， 風(fēng)力機(jī)獲得較高 的風(fēng)能利用系數(shù)的原因。因此，變槳距垂直軸風(fēng)力 機(jī)應(yīng)在葉尖速比從零到額定值的過(guò)程中， 通過(guò)改 變槳距角，使葉片攻角在最佳角度范圍內(nèi)變化，從 而獲得較大的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。100v流過(guò)葉片的風(fēng)速；葉輪旋轉(zhuǎn)方位角。 葉片相對(duì)風(fēng)速 w 沿轉(zhuǎn)軸徑向的分量為v1ywrwwtvvtrxowr=vs

9、in（2）8060葉片攻角/（°）40200-20-40-60-80-1001=11=1.5 1=2 1=3 1=4 1=5 1=6 1=7圖 2 無(wú)槳距角時(shí)葉片速度分析模型Fi An analytical model of blade velocity without blade angle所以，葉片攻角可以表示為tan= wr = vsin = sin （3）0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360葉輪旋轉(zhuǎn)方位角/（°）圖 3 無(wú)槳距角時(shí)葉片攻角變化曲線Fi The curve of attack angle with

10、out blade angle3葉片變槳距運(yùn)行模式研究本研究選用國(guó)內(nèi)外常用翼型 NACA0012 作 為自動(dòng)變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片，NACA 翼型 族是 20 世紀(jì) 30 年代末到 40 年代初由美國(guó)國(guó)家 宇航局的前身國(guó)家航空咨詢委員會(huì)提出的2。 由 于 NACA0012 常被用于定槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)，關(guān) 注的是小攻角范圍內(nèi)的氣動(dòng)性能，因此在-1030 °wtr+vcosr/v+cos攻角范圍內(nèi)具有大量的測(cè)試數(shù)據(jù) ， 而在大攻角式中：葉片攻角；葉輪的角速度；范圍只有少量測(cè)試數(shù)據(jù) 。 為了能更準(zhǔn)確地分析 出葉片變槳距運(yùn)行規(guī)律，本文利用 Fluent 6.3 軟件對(duì) NACA0012 翼

11、型進(jìn)行二維定?？蓧嚎s流場(chǎng) 分析14。前處理：應(yīng)用 GAMBIT 軟件對(duì)翼型計(jì)算域 進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分， 為更好地捕捉近壁面流場(chǎng) 形態(tài)，在翼型上下表面各設(shè)置 130 個(gè)監(jiān)控點(diǎn)。求解器： 考慮到大攻角下計(jì)算收斂的難易 性，本文選擇相對(duì)經(jīng)濟(jì)的 S-A 湍流模型，壓力速 度耦合采用 SIMPLE 算法。 在保證計(jì)算結(jié)果和試 驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)基本一致的情況下，提高收斂速度。邊界條件及后處理： 邊界條件采用速度進(jìn) 口、壓力出口和無(wú)滑移壁面等條件。大攻角工況的 數(shù)據(jù)取平均值。根據(jù)上述方法得到 NACA0012 翼 型 在 額 定 風(fēng)速為 12 m/s，攻角為 0180 °的升阻力系數(shù)曲線（圖 4）。 由

12、于采用的湍流模型計(jì)算精度較低，造成 模擬數(shù)值與試驗(yàn)數(shù)值有所差異， 但仿真數(shù)據(jù)與試 驗(yàn)數(shù)據(jù)的整體變化趨勢(shì)一致， 基于仿真數(shù)據(jù)對(duì)垂 直軸風(fēng)力機(jī)變槳距規(guī)律的研究仍是可靠的。情況下靠葉片升力做功， 風(fēng)力機(jī)獲得的扭矩會(huì)很小。 因此，合理的變槳距規(guī)律是在 時(shí)，利用 變槳距方法控制葉片攻角為 60140 °， 在這種低 葉尖速比、大攻角的工況下，垂直軸風(fēng)力機(jī)主要靠葉片的阻力做功獲得較大的啟動(dòng)力矩； 當(dāng) >1.5 以后，垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)速提升，葉片攻角變 化范圍為±40 °，利用變槳距方法控制葉片攻角在 失速點(diǎn)±15 °附近，這時(shí)垂直軸風(fēng)力機(jī)主要靠葉

13、片 的升力做功獲得較大且穩(wěn)定的扭轉(zhuǎn)力矩。根據(jù)上述分析， 加上綜合考慮實(shí)際控制的可 行性以及翼型氣動(dòng)系數(shù)的近似對(duì)稱性， 提出最優(yōu) 槳距角變化模式。當(dāng) 時(shí)，槳距角變化函數(shù)為=/2（4）式中：0 °，720 °，以葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)兩周為 1 個(gè)變槳 距角控制周期。當(dāng) >1.5 時(shí)，以式（3）和最優(yōu)攻角 =25 °sin為目標(biāo)，得：2.22.01.81.6Cl 升力系數(shù)Cd 阻力系數(shù)=arctansin 1+cos-25°sin（5）升力系數(shù)，阻力系數(shù)0.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0-1.2-1.4020 406

14、0 80 100 120 140 160 180葉片攻角/（°）圖 4 NACA0012 翼型大攻角升阻力系數(shù)曲線Fi The lift and drag coefficient curve of NACA0012 with a large angle of attack由圖 4 可知，NACA0012 翼 型 在 攻 角 為 10 18 °時(shí)，升力系數(shù) Cl 達(dá)到最高值，之后急速降低， 雖然在 3040 °有所回升， 但這時(shí)阻力系數(shù) Cd 急 速升高， 所以 NACA0012 翼型的失速點(diǎn)在 15 °左 右。 另外，NACA0012 翼型在攻角為 04

15、0 °時(shí)，升 力系數(shù)大于阻力系數(shù)， 過(guò)了 40 °后阻力系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn) 大于升力系數(shù)。 根據(jù)垂直軸風(fēng)力機(jī)無(wú)槳距角時(shí)葉 片攻角變化曲線（圖 3）可知， 當(dāng) 時(shí)， 攻角變化范圍大于±40 °，如果這期間采用變槳距方法控制葉片攻角范圍在失速點(diǎn)±15 °附近，不僅會(huì)使 槳距角變化范圍過(guò)大， 而且在這么低的葉尖速比式中：0 °，360 °，以葉輪轉(zhuǎn)動(dòng) 1 周為 1 個(gè)變槳距角控制周期。4變槳距葉輪氣動(dòng)性能驗(yàn)證建立垂直軸風(fēng)力機(jī)有槳距角時(shí)葉片氣動(dòng)力分 析模型（圖 5），由葉素理論可得葉素上的升力元：dL= 1 2CC dh（6）2l式

16、中：C葉片弦長(zhǎng)；h葉片高度；空氣密度。v1yvw vtrxo圖 5 葉片氣動(dòng)力分析模型Fi The analytical model of aerodynamic force of blade葉素上的阻力元為dD= 1 2CC dh（7）0.350.30無(wú)槳距角（=4）采用變槳距模式（=4)2d 0.250.20扭矩系數(shù)由葉素上的升力和阻力合成的合力 F， 可以分解成沿葉弦的切向力分量 dFt 和垂直于葉弦的 法向力分量 dFn：dFt=dLsin-dDcos（8）dFn=dLcos+dDsin（9）令Ct=Clcos+Cdsin（10）Cn=Clsin-Cdcos（11）0.150.100.

17、050- 0.05-0.10 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360葉輪旋轉(zhuǎn)方位角/（°）（b）=4 1 2則dFt= 2 CCtdh（12）圖 6 無(wú)槳距角與采用變槳距模式風(fēng)力機(jī) Ct 系數(shù)對(duì)比Fi The comparison of Ct between VAWT without pitch 1 2dFn= 2 CCndh（13）2設(shè)葉輪的葉片數(shù)量為 N， 則沿著葉弦方向作 用在整個(gè)葉輪上的推力為angle and variable pitch VAWT矩，增大風(fēng)力機(jī)的輸出功率。 因此，在相同的風(fēng)速 下， 采用本文提出的變槳距模式

18、能夠提高垂直軸NC+h/22 1風(fēng)力機(jī)的自啟動(dòng)性能和風(fēng)能利用系數(shù)。Ft= 乙-h/2 乙02 Ctddh（14）5結(jié)束語(yǔ)作用在整個(gè)葉輪上的轉(zhuǎn)矩為本文以提高垂直軸風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)性能和風(fēng)M= NCh 2 1 2能利用系數(shù)為目的， 提出一種自動(dòng)變槳距垂直軸乙02 Ctrd（15）風(fēng)力機(jī)方案。由上述推導(dǎo)過(guò)程可知， 垂直軸風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩 隨方位角的變化可以通過(guò)扭矩系數(shù) Ct 來(lái)獲得。 采 用本文提出的變槳距運(yùn)行規(guī)律，運(yùn)用 MATLAB 軟 件建立 M 函數(shù)計(jì)算這種變槳距規(guī)律與無(wú)槳距角在不同方位角對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)系數(shù) Ct， 然后對(duì)各點(diǎn)進(jìn) 行多項(xiàng)式曲線擬合， 得到這種變槳距運(yùn)行規(guī)律對(duì) 垂直風(fēng)力機(jī)性能的影響（圖 6）

19、。由圖 6 可以看出，在 1.5，90 °<<270 °時(shí)，這種變槳距模式可明顯增大風(fēng)力機(jī)的扭矩系數(shù)， 提高風(fēng)力機(jī)的自啟動(dòng)性能。 在 >1.5，0 °<<90 °時(shí)， 這種變槳距模式能夠有效提高風(fēng)力機(jī)的扭矩系數(shù)，并且減小在 180 °<<360 °時(shí)所產(chǎn)生的負(fù)力采用變槳距模式（=1.2)通過(guò)分析垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片無(wú)槳距角時(shí)運(yùn) 轉(zhuǎn) 1 周的攻角變化特 點(diǎn) 和 對(duì) NACA0012 翼 型 大 攻角氣動(dòng)性能數(shù)值的仿真計(jì)算， 提出一種垂直軸 風(fēng)力機(jī)葉片變槳距運(yùn)轉(zhuǎn)模式。根據(jù)葉素理論，建立了葉輪扭矩系數(shù)模

20、型， 對(duì)本文提出的變槳距運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行了風(fēng)力機(jī)性能 分析。結(jié)果表明，采用這種變槳距方式可有效增大 垂直軸風(fēng)力機(jī)在低葉尖速比時(shí)的扭矩， 提高其自啟動(dòng)性能；在高葉尖速比時(shí)，可有效增大垂直軸風(fēng) 力機(jī)葉片在上風(fēng)區(qū)的升力力矩， 減小在下風(fēng)區(qū)的 阻力力矩，提高風(fēng)能利用系數(shù)。參考文獻(xiàn):扭矩系數(shù)0-0.1無(wú)槳距角（=1.2）1PARASCHIVOIU I，TRIFU O，SAEED -Darrieuswind turbine with blade pitch control J.International Journal of Rotating Machin

21、ery，2009，5（5）：343-350.2 趙 振 宙 ， 鄭 源 ， 高 玉 琴 ， 等.風(fēng) 力 機(jī) 原 理 與 應(yīng) 用 M. 北 京：中國(guó)水利水電出版社，2011.3KIRKE B luation of self -starting vertical axiswind turbines for stand-alone applications D. Griffith： Griffith University，1998.0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360葉輪旋轉(zhuǎn)方位角/（°）（a） =4 PAWSEY N C lopme

22、nt and evaluation of passive variable-pitch vertical axis wind turbinesD. New SouthWales：University of New South Wales，2002.5 戴庚，徐璋，皇甫凱林，等.垂直軸風(fēng)力機(jī)研究進(jìn)展J. 流體機(jī)械，2010，38（10）：39-43.6 HWANG I S，MIN S Y，JEONG I O，et al. Efficiency improvement of a new vertical axis wind turbine by in- dividual active contro

23、l of blade motion A. Smart Structures and Ma terials 2006： Smart Structures and Integrated SystemsC.NewYork：SPIE，2006.7 勒古里雷斯 D.風(fēng)力機(jī)的理論與設(shè)計(jì)M.北京：機(jī)械工 業(yè)出版社，1987.8 PAUL COOPER， OLIVER C KENNEentand analysis of a novel vertical axis wind turbine D. Wollongong： Wollongong University，2004.9 張力勛，王康，張松，等.立軸風(fēng)力機(jī)

24、變槳距控制規(guī)律 研究J.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2012，33（5），732-736.10 李巖，田文強(qiáng)，馮放，等.組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)合角 度對(duì)起動(dòng)性的影響J. 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) ，2012，43 （12）： 102-105.11 寇薇，苑賓，李琦，等.一種組合型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)J.電力科學(xué)與工程，2011，27（5）：25-28.12 趙丹平，徐寶清，吳雙群，等.風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論及方法 M.北京：北京大學(xué)出版社，2011.13 鄭云. 小型 H 型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)性能分析D. 西安：西安交通大學(xué)，2009.14 于 勇 ， 張 俊 明 ， 姜 連 田 ， 等.FLUENT 入門(mén)與進(jìn)階教程 M.北京：北京理工大學(xué)出版社，2012.Study on variable pitch operation mode of vertical-axis wind turbineGU Hua-peng， LIN En-fu， WANG Zhen-hui（Hebei University of Science and Technology College of Mechanical Engineering， Shijiazhuang 050018， China）Abstract： A kind of vertical axis wind turbine，whi