【正文】 機(jī)按照風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)及其在氣流中的位置一 般可分為兩大類 :一類是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，如圖 11 所示；第二類是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，如圖 12和圖 13 所示。 與水平軸風(fēng)力機(jī)相比，垂直軸有很多優(yōu)點(diǎn)： （ l)不需要偏航裝置，可以接受任意方向的來風(fēng)，這樣可以省去水平軸中復(fù)雜的偏航裝置，降低機(jī)組的成本，提高系統(tǒng)的可靠性。水平軸葉尖在掃過氣流時會產(chǎn)生很大的噪聲，這也是現(xiàn)在水平軸風(fēng)力機(jī)市場化過程中不妥的地方，而垂直軸運(yùn)行過程中噪聲很低。水平軸風(fēng)機(jī)葉片只在根部與塔身相連，受力情況類似于懸臂梁，根部由彎矩 產(chǎn)生的壓力較大。 （ 6)葉片形狀簡單，加工成本低。主要是考慮到他的風(fēng)能利用率比水平軸的低，但這正是由于其基本研究積累不夠?qū)е聝?yōu)化 工作不夠深入所致。一般地，按照風(fēng)對風(fēng)機(jī)葉輪的推動方式可以將垂直軸風(fēng)機(jī)分為阻力型和升力型兩種。當(dāng)前被廣泛應(yīng)用的阻力型風(fēng)機(jī)是 1922 年由芬蘭工程師 發(fā)明的 Savonius 風(fēng)機(jī)，圖 15(a)和圖15(b)分別給出了 Savonius 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理。結(jié)果表明， Savonius 風(fēng)機(jī)的最大能量利用率系數(shù)僅能達(dá)到 左 右。它的基本工作原理如圖 16，首先假設(shè)在風(fēng)輪快速旋轉(zhuǎn)或靜止時，來風(fēng)在經(jīng)過風(fēng)輪后方向不發(fā)生變化。)兩個位置時，葉片攻角都為 0，此時葉片與來風(fēng)相向，在這兩個位置葉片將產(chǎn)生負(fù)的扭矩阻礙風(fēng)輪轉(zhuǎn)動。從葉片旋轉(zhuǎn)一周來看，除了在與風(fēng)速垂直的兩個位置處葉片產(chǎn)生負(fù)的扭矩外，其他位置葉片都會產(chǎn)生正扭矩。這也能看到隨著技術(shù) 的不斷提高，垂直軸風(fēng)力機(jī)的性能不哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 斷的得到改善，而且由于其自身具備的諸多優(yōu)點(diǎn)，它的發(fā)展前景會越來越光明 [8]。 風(fēng)輪葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)換風(fēng)能的最主要部件，必須對其重點(diǎn)研究。因此無論 從安全性還是經(jīng)濟(jì)性方面考慮，對風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行力學(xué)性能分析是非常重要的 [9]。 （ 3）本文基于動量葉素理論，用較準(zhǔn)確的雙盤多流管模型計算分析了哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 幾種總體氣動性能優(yōu)良但有各自優(yōu)缺點(diǎn)以及適用性的翼型。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 第 2 章 垂直軸風(fēng)機(jī)氣動性能的理論研究 在設(shè)計建造垂直軸風(fēng)電機(jī)組之前，必須對風(fēng)機(jī)葉輪氣動性能進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報。 1950 年 ， Sullivan 和 Leonard 采用該模型對垂直軸 Dameus 風(fēng)機(jī)葉片的氣動性能進(jìn)行了計算和分析 ， 結(jié)果證明這種方法在低速比和低密實度情況下 ， 預(yù)報風(fēng)力機(jī)的整體氣動力性能是可行的。單盤面多流管模型考慮了垂直 于來流方向上流動參數(shù)不同的影響 ， 理論上比單盤面單流管模型顯得更合理。 1990 年 ， Sharpe 對 Paraschivoiu 提出的雙盤面多流管模型進(jìn)行了改進(jìn) :不僅假設(shè)每個微流管上、下游盤面處的誘導(dǎo)速度不相同 ， 而且假設(shè)上游盤面和下游盤面不同微流管的誘導(dǎo)速度也不相同。但是 ， 流管法由于其模型本身的局限性 ， 也存在一些不足 :首先不太適用于計算較高速比、密實度和載荷情況下的風(fēng)機(jī)葉輪的氣動性能 ， 在大速比情況下 ， 動量方程求解容易發(fā)散 ， 從而得不到誘導(dǎo)速度；其次動量定理模型忽略了垂直來流方向的誘導(dǎo)速度 ， 在求解風(fēng)機(jī)計卜輪側(cè)向受 力時有一定的困難；另外由于流管法不能精確地計算流場細(xì)節(jié) ， 因而無法準(zhǔn)確地預(yù)報風(fēng)機(jī)葉片的非定常特性和瞬時載荷 [14]。這樣就可以用分 別布置在葉片軌跡圓上游半圓弧和下游半圓弧上 ， 強(qiáng)度相等、符號相反的附著渦片來代替無限多的葉片 ， 并且使渦量守恒； 而尾渦則用 90176。方位角處附著渦片強(qiáng)度的改變、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和尾渦脫泄速度來確定；最后寫出用附著渦強(qiáng)度和誘導(dǎo)速度表示的風(fēng)機(jī)葉輪氣動力性能的基本表達(dá)式。將葉片沿展向分為多個小段，在每一小段葉片的中弧線上布置一條附著渦線來代替該段葉片。為了求得分布渦的強(qiáng)度，需要補(bǔ)充葉片相對速度 VR 和附著渦強(qiáng)度 Γf的關(guān)系式。 和 于 1957 年提出另一種自由渦模型，該模型不再用無限多葉片數(shù)的葉輪代替實際葉輪，而是將尾流的一定區(qū)域進(jìn)行分格，將位于單元格內(nèi)的尾渦絲離散到單元格的四個節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行計算，尾渦哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 絲的位置由它所在點(diǎn) 的當(dāng)?shù)亓魉俅_定，并且在計算葉片瞬時載荷時考慮了動態(tài)失速效應(yīng)。具體計算時，在大的區(qū)域中采用和 Strickland 的 VDART 模型相似的自由渦模型進(jìn)行計算；而在葉片周圍的小區(qū)域內(nèi)采用有限元方法計算。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 動量一葉素理論 經(jīng)典的動量一葉素理論 動量理論可以描述作用在風(fēng)輪上的力與來流速度 之間的關(guān)系，計算風(fēng)輪能從風(fēng)的動能中轉(zhuǎn)換成多少個機(jī)械能 [20]。 由葉素理論可得 : r d rCcVBdTn2021 ?? (25) r drCcVBdM12021 ?? (26) 式中， B 為葉片數(shù)， c 為葉素剖面弦長， Vo 為葉素處的合成氣流速度， Cn為法向力系數(shù)， Ct 為切向力系數(shù)。 (1)威爾森 (Wison)[21]修正方法 當(dāng) a 時，將使用迭代方法求解軸向誘導(dǎo)因子 a 和周向誘導(dǎo)因子 b的第 (6)步的 ?? 2sin41 F Caa n?? 由 ? ?? ? ?? 22 s in41 9 F Ca a n??? (217) 代替。當(dāng) 風(fēng)輪的錐角不為零時，則 式 (29)和（ 212)可 分別表示為 ?? 22sin4 co s1 xCaa nx?? (220) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 ??? co ssi n41 tx Cbb ?? (221) 如果考慮普朗特葉尖損失修正因子 [23]，則 式 (218)和式（ 219） 為 ?? 22sin4 co s1 F xCaa nx?? (222) ??? c o ssi n41 F Cbb tx?? (223) 式中 ??? ?? ?? xCxCC CCCldndlt c o sc o sc o ss i n c o ss i n ?? ?? (224) 根據(jù)上面的關(guān)系式可以用迭代方法求得風(fēng)輪有錐角時的軸向誘導(dǎo)因 子 a 和周向誘導(dǎo)因子 b。基于動量定理的流管法是一種 比較成熟的理論預(yù)報方法。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 圖 24 垂直軸風(fēng)機(jī)俯視示意圖 圖 25 多流管模型示意圖 考慮到葉片數(shù) N 的影響，將風(fēng)輪周向 Nt 等分，得到流管寬度 RΔθsinθ. 根據(jù)運(yùn)動分析，動量方程各扭矩轉(zhuǎn)速關(guān)系式，推導(dǎo)出直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)和功率為 ? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? ? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ??????????????????????????????? ????????????????????????????c o s1s i nt a ns i n2s i ns i n121s i ns i n112312kCCkkDH VCPkCNCtnpNttpt (225) 式中 :Cp 力機(jī)風(fēng)輪功率； P 為風(fēng)力機(jī)風(fēng)車風(fēng)輪輸出功率； ρ 為空氣密度； V哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 為流管風(fēng)速； σ為風(fēng)輪實度； c 為葉片弦長； λ為尖速比； D 為風(fēng)輪直徑；H 為風(fēng)輪高度； k 為誘導(dǎo)因子； Cn 為法向力系數(shù)， Ct 為切向力系數(shù)。 本文詳細(xì)闡述了動量一葉素理論，并分析了修正的動量一葉素理論；介紹了垂直軸風(fēng)力機(jī)的空氣動力學(xué)設(shè)計理論中垂直軸風(fēng)力機(jī)的多流管和雙向多流管理論模型，為后續(xù)的葉片氣動性能計算提供了理論依據(jù) [28]。然后，構(gòu)建外部流場如圖 32，再對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖 33。 （ 1） Gambit 建模 圖 31 NACA0015 葉片模型 圖 32 創(chuàng)建流動區(qū)域 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 圖 33 NACA0015 葉片 模型的網(wǎng)格劃分 圖 34 邊界條件 （ 2） FLUENT 分析 圖 35 邊界條件 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 圖 36 殘差圖 雷諾數(shù)對氣動特性的影響 垂直軸風(fēng)力機(jī)工作時，雷諾數(shù)一般低于 5105。 （ 1） 雷諾數(shù)對翼型升阻特性的影響 圖 3圖 38 分別是 NACA0015 翼型的升力系數(shù)，阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化曲線。雷諾數(shù)增加使翼型在低阻力系數(shù)區(qū)域具有更高的升力系數(shù)。雷諾數(shù)小于 1105 時，升力系數(shù)曲線和阻力系數(shù)曲線隨雷諾數(shù)的變化較大，而后隨著雷諾數(shù)的繼續(xù)增大，升力系數(shù)增大的趨勢和阻力系數(shù)減小的趨勢變得不明顯。這表明，雷諾數(shù)越高，在失速前翼型可以產(chǎn)生更大的升力，垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪所能獲得最大驅(qū)動力矩也更大。時的氣動性能進(jìn)行數(shù)值計算，研究厚度對垂直軸風(fēng)力機(jī)翼型的升力特性、阻力特性、最大升力系數(shù)等氣動特性的影響。），增大翼型厚度使升力系數(shù)和阻力系數(shù)同時增大。翼型厚度增大使翼型上翼面的彎曲程度增大，從而導(dǎo)致空氣氣流流過上翼面時流速增大更多，升力也相應(yīng)更大。 X Y 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 圖 313 不同 厚度翼型的升力系數(shù)曲線 圖 314 不同厚度翼型的阻力系數(shù)曲線 圖 315 不同厚度翼型的升力 — 阻力系數(shù)曲線 阻力系數(shù) Cd 升力系數(shù)Cl 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 （ 2）翼型厚度對翼型失速特性的影響 圖 316 和圖 317 分別是四種厚度（ ， ， ， ）翼型在雷諾數(shù)為 1105 時的失速攻角和最大升力系數(shù)。本 節(jié)將以這四種翼型作為研究對象，對這些翼型在雷諾數(shù)為 1105，攻角為 30176。從曲線圖中可以看到，與前文研究過的對稱翼型（即零彎度翼型）不同，非對稱翼型處于正負(fù)攻角狀態(tài)時的氣動特性曲線有一定的差異。由圖 321 知，彎度大的翼型若處于正攻角狀態(tài)時，在低阻力系數(shù)區(qū)域能達(dá)到更大的最大升力系數(shù)，因而具有更大的升阻比；彎度大的翼型若處于負(fù)攻角狀態(tài)時，在低阻力系數(shù)區(qū)域所能達(dá)到的最大升力系數(shù)更小，因而升阻比也更小。而翼型如果處在負(fù)攻角狀態(tài)，上翼面的彎曲 程度越大，空氣氣流流過翼型時受到的阻力也越大，導(dǎo)致翼型的升力系數(shù)減小阻力系數(shù)增大。為便于分析，下面將負(fù)攻角狀態(tài)時最大升力系數(shù)和失速攻角前的符號略去，僅考查這兩項氣動參數(shù)的數(shù)值大小。由圖 323 知，翼型的彎度由 0 增大至 的過程中，當(dāng)翼型處于正攻角狀態(tài)下時，翼型的最大升力系數(shù)持續(xù)上升。葉片翼型的彎度增加越大，葉片在不同位置上升力上升或下降的幅度也越大。雷諾數(shù)越高，雷諾數(shù)對翼型氣動性能的影響越??； （ 2）增大翼型的厚度會在一定程度上提高翼型的氣動性能，但當(dāng)厚度增大至一定程度時，升力系數(shù)不再有明顯的增大而阻力系數(shù)卻增大很多，哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 33 即翼型的整體氣動性能下降。 總結(jié)上文可以得出 NACA 0012， NACA 0018， NACA 2415， NACA 4415四種翼型中最適用于葉片制造的翼型為 NACA 2415。 本文對三葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)翼型進(jìn)行空氣動力學(xué)理論分析，運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究了翼型彎度和厚度對翼型氣動性能的影響，從而得出提供的四種翼型中哪種更適合葉片的制造。 總結(jié)本文的研究工作，以下幾個方面值得進(jìn)一步深入研究： （ 1）盡管本文在優(yōu)化設(shè)計翼型時采用了復(fù)合形法，但由于垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)方式特殊，因此提出更好的適合垂直軸風(fēng)力機(jī)的翼型優(yōu)化設(shè)計方法值得深入研究； （ 2）葉片 的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，本文對葉片的建模做了適當(dāng)簡化，如葉片連接點(diǎn)處的簡化，這樣的簡化給計算結(jié)果帶來了一些影響。我的每一點(diǎn)進(jìn)步都離不開導(dǎo)師對我的關(guān)懷與指導(dǎo)，每一點(diǎn)成績都凝聚著導(dǎo)師的心血。 最后，謹(jǐn)向百忙之中抽出寶貴時間評審本論文和參加論文答辯的各位專家、學(xué)者們致以最誠摯的謝意。正是有了他們一如既往的支持，才使我擁有不斷前進(jìn)的動力，才使我能夠順