垂直軸風力機葉片變槳距運轉(zhuǎn)模式研究

1、垂 直 軸 風 力 機 葉 片 變 槳 距 運 轉(zhuǎn) 模 式 研 究顧華朋， 劉恩福， 王振輝（河北科技大學 機械工程學院， 河北 石家莊 050018）摘 要： 針對垂直軸風力機自啟動性能差和風能利用率低的問題， 提出一種新型自動變槳距垂直軸風力機方 案。 結(jié)合垂直軸風力機葉片攻角變化及翼型氣動力特性，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 有效增大垂直軸風力機的啟動力矩以及提高其風能利用系數(shù)， 為進一步開發(fā)自動變槳距垂直軸風力機奠定了 研究基礎。關鍵詞： 垂直軸風力機； 變槳距； 葉

2、片攻角中圖分類號： TK83 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-5292（2014）01-0068-050引言風力機是風力發(fā)電的主要設備。 水平軸風力 機風能利用系數(shù)高，是目前世界上的主流風力機， 其關鍵技術已經(jīng)比較成熟1，2。 但是由于水平軸風 力機自身固有的一些特點，如葉片受力情況復雜， 機艙在塔架頂部不易安裝及維修等， 使得水平軸 風力機的制造成本和運營維護成本較高。 與水平 軸風力機相比，垂直軸風力機具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝 維護方便、噪聲小、發(fā)電成本低等優(yōu)點35，但是其 風能利用系數(shù)較低，自啟動性能較差，一直制約著 垂直軸風力機的發(fā)展。 如果能將變槳距技術與垂 直軸風力機很好地結(jié)合，

3、 通過改變槳距角調(diào)節(jié)運 轉(zhuǎn)葉片的攻角變化，從而優(yōu)化葉輪的氣動性能，使 風力機始終能夠輸出較大且平穩(wěn)的扭轉(zhuǎn)力矩，被 認為是一種提高垂直軸風力機風能利用系數(shù)和自 啟動性能的有效方式。 國內(nèi)外都對這項技術進行 了相關研究611。 其中，韓國首爾國立大學對使用 舵機控制葉片的槳距角進行了相關研究與開發(fā)， 試驗效果良好6。 本文通過分析垂直軸風力機葉 片運轉(zhuǎn)一周時攻角的變化特點， 結(jié)合翼型的空氣 動力特性， 設計了一種通過電氣自動控制實現(xiàn)變 槳距的垂直軸風力機原型， 并對葉片變槳距運轉(zhuǎn) 模式進行了相關研究分析， 提出了一種可有效提 高垂直軸風力機自啟動性能和風能利用率的葉片 變槳距運轉(zhuǎn)模式。1自動變槳距

4、垂直軸風力機原理自動變槳距垂直軸風力機整體結(jié)構(gòu)如圖 1 所 示。 根據(jù)風速儀和風向儀測得的風速風向信號 v 以及絕對式編碼器測得的葉輪方位角信號 、葉 尖速度信號 vt、葉片槳距角信號 ，控制器（ 安裝 在地面上） 按照一定函數(shù)關系計算得到槳距角修 正信號， 伺服電機依據(jù)控制器發(fā)出的修正信號以 及葉片編碼器反饋的葉片轉(zhuǎn)角信號來調(diào)節(jié)葉片在 公轉(zhuǎn)的同時自轉(zhuǎn)， 形成一個實時調(diào)節(jié)葉片槳距角 的系統(tǒng)。在風力機運行過程中，控制系統(tǒng)會按照設213435687978圖 1 自動變槳距垂直軸風力機結(jié)構(gòu) The structure of variable pitch vertical axis wind turb

5、ine1-風速儀；2-風向儀；3-絕對式編碼器；4-葉輪；5-葉片；6- 內(nèi)齒輪；7-伺服電機；8-發(fā)電機；9-.蝸輪蝸桿收稿日期： 2013-07-04?；痦椖浚?河北省科技計劃項目（11213503D）。作者簡介： 顧華朋（1988-），男，碩士研究生，主要從事風力機的計算機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)字化設計與制造技術的研究工作。 E-mail:L 定的變槳距模式實時控制葉片槳距角， 以提高風 力機的啟動性能和風能利用系數(shù)。自動變槳距垂直軸風力機的結(jié)構(gòu)特點： 整體 采用鋼架

6、結(jié)構(gòu)，制造與運輸方便；發(fā)電艙和控制艙 安裝位置相對降低，便于安裝與維護，降低運行成 本；采用多軸輸出，可連接多臺發(fā)電機，使得制造 大容量單機更容易，這些發(fā)電機可單臺工作，也可 多臺分級組合工作，這樣既可充分利用風能資源， 又可使電網(wǎng)的調(diào)度更加靈活；風力機主軸、葉輪、 動力輸出裝置及控制單元可相互分離， 擺脫了大 功率風機的設計、加工、安裝上的諸多限制。2 垂直軸風力機葉片攻角變化分析垂直軸風力機葉片攻角 是葉片相對速度 與葉片弦長的夾角， 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 了垂直軸風力機無槳距角時葉片速度分析模型 （圖 2），設來流風速為 v1，則葉片相

7、對風速 w（ 即 來流風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 對葉 片攻角進行分析，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 1 1.5 時，葉片攻角的變化范圍超過±40 °，變化很大 且很容易失速。 根據(jù)渦流理論，來流風速 v1 大于 流過葉片的風速 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)翼型葉片的氣動特性

8、可知，當葉片攻角在失速點前變化時， 風力機將獲得良好的氣動性 能，超過這個范圍，風力機的葉片在某些位置處受 到的氣動阻力將急劇上升， 降低風力機的風能利 用率，甚至產(chǎn)生反力矩剎車制動作用14。 這就是為 什么垂直軸風力機的葉尖速比控制在 34 時（此 時葉片攻角變化范圍為±20 °）， 風力機獲得較高 的風能利用系數(shù)的原因。因此，變槳距垂直軸風力 機應在葉尖速比從零到額定值的過程中， 通過改 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)動力矩。100v流過葉片的風速；葉輪旋轉(zhuǎn)方位角。 葉片相對風速 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 無槳距角時葉片速度分析模型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 無槳距角時葉片攻角變化曲線Fi The curve of attack angle with

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

11、型進行二維定?？蓧嚎s流場 分析14。前處理：應用 GAMBIT 軟件對翼型計算域 進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分， 為更好地捕捉近壁面流場 形態(tài)，在翼型上下表面各設置 130 個監(jiān)控點。求解器： 考慮到大攻角下計算收斂的難易 性，本文選擇相對經(jīng)濟的 S-A 湍流模型，壓力速 度耦合采用 SIMPLE 算法。 在保證計算結(jié)果和試 驗結(jié)果趨勢基本一致的情況下，提高收斂速度。邊界條件及后處理： 邊界條件采用速度進 口、壓力出口和無滑移壁面等條件。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算精度較低，造成 模擬數(shù)值與試驗數(shù)值有所差異， 但仿真數(shù)據(jù)與試 驗數(shù)據(jù)的整體變化趨勢一致， 基于仿真數(shù)據(jù)對垂 直軸風力機變槳距規(guī)律的研究仍是可靠的。情況下靠葉片升力做功， 風力機獲得的扭矩會很小。 因此，合理的變槳距規(guī)律是在 時，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，垂直軸風力機主要靠葉片的阻力做功獲得較大的啟動力矩； 當 >1.5 以后，垂直軸風力機的葉輪轉(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±15 °附近，這時垂直軸風力機主要靠葉

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， 加上綜合考慮實際控制的可 行性以及翼型氣動系數(shù)的近似對稱性， 提出最優(yōu) 槳距角變化模式。當 時，槳距角變化函數(shù)為=/2（4）式中：0 °，720 °，以葉輪轉(zhuǎn)動兩周為 1 個變槳 距角控制周期。當 >1.5 時，以式（3）和最優(yōu)攻角 =25 °sin為目標，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，升力系數(shù) Cl 達到最高值，之后急速降低， 雖然在 3040 °有所回升， 但這時阻力系數(shù) Cd 急 速升高， 所以 NACA0012 翼型的失速點在 15 °左 右。 另外，NACA0012 翼型在攻角為 04

15、0 °時，升 力系數(shù)大于阻力系數(shù)， 過了 40 °后阻力系數(shù)遠遠 大于升力系數(shù)。 根據(jù)垂直軸風力機無槳距角時葉 片攻角變化曲線（圖 3）可知， 當 時， 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±15 °附近，不僅會使 槳距角變化范圍過大， 而且在這么低的葉尖速比式中：0 °，360 °，以葉輪轉(zhuǎn)動 1 周為 1 個變槳距角控制周期。4變槳距葉輪氣動性能驗證建立垂直軸風力機有槳距角時葉片氣動力分 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；h葉片高度；空氣密度。v1yvw vtrxo圖 5 葉片氣動力分析模型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 無槳距角與采用變槳距模式風力機 Ct 系數(shù)對比Fi The comparison of Ct between VAWT without pitch 1 2dFn= 2 CCndh（13）2設葉輪的葉片數(shù)量為 N， 則沿著葉弦方向作 用在整個葉輪上的推力為angle and variable pitch VAWT矩，增大風力機的輸出功率。 因此，在相同的風速 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風力機的自啟動性能和風能利用系數(shù)。Ft= 乙-h/2 乙02 Ctddh（14）5結(jié)束語作用在整個葉輪上的轉(zhuǎn)矩為本文以提高垂直軸風力機的啟動性能和風M= NCh 2 1 2能利用系數(shù)為目的， 提出一種自動變槳距垂直軸乙02 Ctrd（15）風力機方案。由上述推導過程可知， 垂直軸風力機的轉(zhuǎn)矩 隨方位角的變化可以通過扭矩系數(shù) Ct 來獲得。 采 用本文提出的變槳距運行規(guī)律，運用 MATLAB 軟 件建立 M 函數(shù)計算這種變槳距規(guī)律與無槳距角在不同方位角對應的扭轉(zhuǎn)系數(shù) Ct， 然后對各點進 行多項式曲線擬合， 得到這種變槳距運行規(guī)律對 垂直風力機性能的影響（圖 6）

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

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

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