CN112836308B - 垂直轴风力发电机的叶片优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种垂直轴风力发电机的叶片优化设计方法，将叶片前缘前移，形成一母线为弧线的C形叶片；然后，通过连接杆将数个所述C形叶片与旋转轴连接构建成发电机转子；进而，建立流体力学数值计算域模型，以叶片半高位置的突出度ΔD为变量，以叶片功率系数Cp为考核量，采用数值模拟方法进行计算；当ΔD/H为1.85/100～1.9/100时，叶片功率系数Cp达到最大。本发明为垂直轴风力发电机的优化设计提供了一个新的方向，采用的C型叶片构造简便、易于实施，有助于改善流场气动性能；选取合适的ΔD，可以使发电机的功率系数明显提高，与直线型叶片相比，提升幅度最高可达16.43％。

Description

垂直轴风力发电机的叶片优化设计方法
技术领域
本发明涉及风力发电机技术领域，尤其是一种垂直轴风力发电机，特 别是对垂直轴风力发电机的叶片进行优化设计，隶属国际专利分类表当中 F03D3/00。
背景技术
风能以其绿色、分布范围广、无污无害、可再生等特点早已受到全球 广泛关注，人们对于风力发电机的研究越来越深入。按照旋转轴的设置和 安装方式，风力发电机可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。
垂直轴风力发电机由于其结构特殊性，整体发展起步较晚，大部分研 究都是在上世纪七八十年代以后进行的。垂直轴风力发电机具有一系列优 势：对来流风向不固定，具有万向受风性；发电***装在塔筒底下，整体 重心低，更容易适应复杂环境和大型化；噪音小，风速低至1～28米/秒也 可以发电；发电机转子转速低，对附近生态环境不构成太大影响。因此， 近年来垂直轴风力发电机已成为当下风能研究的热点。
在运行状态下，垂直轴风力发电机的叶片始终保持转动；转动过程中， 叶片母线的移动轨迹构成一以旋转轴为中心的直立的圆柱面。由于来流风 速变化较少，随着相位角的变化，叶片的攻角将不断变化，而攻角的不断 变化，使得叶片的升阻力也不断变化。如图1所示，现有垂直轴风力发电 机采用直线型叶片(又称H型叶片)，叶片的母线是一条垂直线段；这种叶 片形式比较固定，对于来流攻角的变化适应性不佳，在部分方位角时叶片 的扭矩系数处于较低水平。
为了克服以上问题，现有的办法大多是加装尾缘格尼襟翼、应用前缘 可转动叶片、风力机攻角主动控制、加装倒流杆等，通过流动分离的办法 达到提高风力发电机功率系数的目的。然而，现有的这些方法存在比较明 显的不足，即：需要加装杆件和连接件才能实现，或者需要施加外力来控 制叶片的攻角以避免动态失速。加装杆件或连接件，会使叶片的构成复杂 化，其运行稳定性也受到影响；而施加外力，必然需要巨大的能量输入， 以往研究鲜有考虑能量的输入成本，这对于垂直轴风力发电机的实际应用 十分不利。
因此，必须对垂直轴风力发电机作进一步研究，特别是对其叶片需作 优化设计，在减少构件、避免能量输入的前提下，更好地提高发电机的发 电效率。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的上述问题，提出一种垂直轴风力 发电机的叶片优化设计方法。
本发明的技术解决方案是：垂直轴风力发电机的叶片优化设计方法， 其特点是：在叶片垂直放置的状态下，保持叶片上表面与下表面垂直重叠， 叶片在任意位置的水平剖面相同，并且，任意水平剖面的对称线均处于同 一立面，以叶片半高位置为对称面，将叶片前缘沿叶片运行时的旋转方向 前移，形成一母线为也处于所述同一立面的上下对称的弧线的C形叶片； 然后，通过连接杆将数个所述C形叶片与旋转轴连接构建成发电机转子， 建立流体力学数值计算域模型，以叶片半高位置的突出度ΔD为变量，以 叶片功率系数Cp为考核量，采用数值模拟计算，找到功率系数Cp明显提高 时的ΔD取值范围，将其与叶片高度H相比，从而确定优化后的叶片构造 形式。
进一步地，上述的垂直轴风力发电机的叶片优化设计方法，其中：所 述突出度ΔD以叶片高度H的1/320为增幅步长，计算每步的叶片功率系 数，将其与ΔD＝0时的叶片功率系数相比较，得出各步功率系数Cp的变化 率。
更进一步地，上述的垂直轴风力发电机的叶片优化设计方法，其中： 所述流体力学数值计算域模型是，以转子旋转直径D为标准，计算流场的 水平面是10D╳20D矩形区域，旋转轴处于距入口5D的中心位置，计算域 高度为5H；所述数值模拟计算，采用改进的延迟脱落分离涡模型进行模拟 计算。
更进一步地，上述的垂直轴风力发电机的叶片优化设计方法，其中： 当ΔD/H的比值为1/100～2.5/100时，叶片功率系数Cp明显提高；当ΔD /H的比值为1.85/100～1.9/100时，叶片功率系数Cp达到最大，此时的叶 片构造形式为最优状态。
再进一步地，上述的垂直轴风力发电机的叶片优化设计方法，其中： 所述发电机转子优选包含3只C形叶片，各叶片之间沿周向均匀分布。
本发明的技术效果体现在以下几方面：
(1)为垂直轴风力发电机的优化设计提供了一个新的方向，即：采用 本案所述C型叶片，提升风力发电机整体效能；
(2)C型叶片构造简便、易于实施，应用于垂直轴风力发电机有助于 改善气动性能，选取合适的突出度，可以使发电机的功率转换系数明显提 高，与直线型叶片相比，提升幅度最高可达16.43％；
(3)C型叶片可以降低最大推力系数和推力系数幅值，从而提高变风 量机组的疲劳寿命；而且，C型叶片的升力和阻力比直线型叶片低，尤其 是阻力系数下降明显，主要集中在90°～200°的方位角，同时，切向力系 数显著增加，说明C型叶片有利于改善变风量空调的气动特性；
(4)C型叶片可以加速尾流场的速度恢复，减小尾流扰动宽度，因此， 采用C型叶片，可以改变垂直轴风力发电机的尾流场的速度分布，其在大 型风力机风场以及风电并网工程中具有很好的应用前景。
附图说明
图1是现有直线型叶片垂直轴风力发电机的转子组装示意图(三叶片)；
图2是本发明C型叶片垂直轴风力发电机的转子组装示意图(三叶片)；
图3是图2的俯视图；
图4是单个C型叶片的俯视图；
图5是单个C型叶片的侧视图；
图6是本发明建模计算区域示意图；
图7是根据模拟计算结果获得的功率系数分析图。
图中附图标记的含义是：1-旋转轴；2-连接杆；3-叶片；31-叶片前缘； 32-叶片尾缘；ΔD-突出度；H-叶片高度；L-叶片母线。
具体实施方式
本发明针对现有技术当中垂直轴风力发电机空间效益发挥不充分的问 题，从叶片的构造形式入手，对其进行优化设计，从而提高发电机的风电 转化效率及整机使用性能。
根据本发明技术方案，一种垂直轴风力发电机的叶片优化设计方法， 其技术关键是：首先，对叶片的构造形式进行改进。以NACA0018翼型叶 片为例，如图4和图5所示，在叶片3垂直放置的状态下，保持叶片3的 上表面与下表面垂直重叠，叶片3在任意位置的水平剖面相同，并且，任 意水平剖面的对称线(又称为“弦”)均处于同一立面，以叶片3半高位置为对称面，将叶片前缘31沿叶片3运行时的旋转方向前移，叶片尾缘32 也相应前移，形成一C形叶片。该C形叶片的母线L是也处于所述同一立 面的上下对称的弧线，叶片3半高位置的叶片前缘31的前移量最大，记为 突出度ΔD。然后，如图2和图3所示，通过连接杆2将多个叶片3与旋转 轴1固定连接构成垂直轴风力发电机的转子(又称：风轮)，图中示意的是 3只叶片，各个叶片之间系沿周向对称分布，从俯视角度观察时旋转轴带动 3只叶片逆时针旋转。
以上叶片及转子确定之后，按照图6建立流体力学数值计算域模型， 以突出度ΔD为变量，以所有叶片的功率系数Cp为考核量，采用改进的延 迟脱落分离涡模型(IDDES)进行模拟计算，找到功率系数Cp明显提高时 的ΔD取值范围，将其与叶片高度H相比，从而确定优化后的叶片构造形 式。计算时，ΔD以叶片高度H的1/320为增幅步长，计算每步的叶片功 率系数，将其与ΔD＝0时(此时，相当于图1所示的直线型或H型叶片) 的叶片功率系数相比较，得出各步功率系数Cp的变化率。
图6当中，拟定入口风速V∞为8m/s，以转子旋转直径D为标准，计算 流场的水平面是10D╳20D矩形区域，旋转轴1处于距入口5D的中心位置。 该流动属于外流问题，对风轮气动性能进行数值模拟时，包括有静止区域 和转动区域，区域之间采用交界面联系，以满足内外场的数据传递。为了 使风轮产生的尾迹得到充分发展，将入口边界和出口边界分别置于风轮上、 下风向5D和15D处，计算域整体高度为5H，流场内无明显封闭效应。
以下对于IDDES模拟计算过程进行详述。
一、拟定几何参数
拟定：转子的直径D为800mm，叶片高度H为800mm，叶片翼型为 NACA0018，叶片弦长200mm，叶片与连接杆的连接点设置在弦的中点。 由于在相对高叶尖速比下旋转轴的流场扰动作用不可忽略，计算时考虑了 主旋转轴，其直径为50mm，而连接杆因尺寸较小，在建立模型中暂不考虑。 几何模型的详细几何参数见表1。
表1：基准模型几何参数
Figure BDA0002893804600000051
二、网格划分与验证
网格划分在STARCCM+内嵌的非结构化网格子模块中进行，由于该模 型雷诺数较高，叶片表面存在涡脱落效应，故采用精确的增强壁面模拟处 理。模型叶尖速比区间处于0.4～1.5区间，根据y+≈1可算出第一层网格高 度约等于0.002m，叶片最大尺寸设置为0.004m，以保证叶片轮廓的精确模 拟。从叶片表面到叶片子区域与旋转区域交接面的节点间距增长率均为1.2， 生成二维叶片子区域的网格，且相邻两交界面处的网格大小一致。本模拟 共生成三套网格，表2是三套网格独立验证对比情况。
表2：网格独立性验证对比
Figure BDA0002893804600000061
根据网格独立性验证结果，可以发现：中等网格与精细化网格曲线有 很好的一致性，而粗糙型网格误差较大，尤其在峰值处较为突出。其中， 中等网格既能表现出较小的相对误差(1.65％)，而且网格数目适中，能够 在保证计算精度的前提下充分节省计算资源，故本案模拟计算过程均采用 中等网格划分。
三、求解过程
3.1数值计算方法
数值模拟技术作为垂直轴风力机分析的主要工具，主要包括直接数值 模拟(DNS)、大涡模拟(LES)、分离涡模拟(DES)和雷诺数平均 Navier-Stokes方法(RANS)。本案采用改进的延迟脱落分离涡模型(IDDES) 进行，该模型属于分离涡模型的改进方法，在近壁面处采用大涡模拟以适 应边界复杂流动规律，在远场采用计算量较少的雷诺平均方法。因此，既 能表现出接近于大涡模拟的计算精确度，又能极大地减少总体网格数量， 提高计算效率，对风力机的复杂流场精确模拟较为适合。
IDDES模型是一种RANS-LES混合模型，当边界层包括湍流脉动，该 模型可转化为LES，由长度尺度控制，可表达为：
Figure BDA0002893804600000071
式中ρ、k、uj、t、μ、μt、τij和Sij分别是密度、湍动能、速度、时间、 分子粘度、湍流粘度、应力张量和平均应变率。
IDDES长度尺度LIDDES被定义为：
Figure RE-GDA0002998845330000072
其中，RANS和LES的长度尺度定义为：
fe＝max((1-fdt),fB)ψfe2 (3)
Figure RE-GDA0002998845330000073
Figure BDA0002893804600000074
LLES＝CDESΔIDDES (6)
式6当中，
ΔIDDES＝min(max(0.15d,0.15Δ,Δmin),Δ) (7)
在设置中，β*是一个模型参数，本案模拟中设置为0.09，等式的详细 说明和变换规则可以在相关文献中找到。本案研究借助专业流体分析软件 STARCCM+开展，该软件在以往研究中已被广泛运用；物理模型方面，流 体类型设置为湍流，属性为隐式不定常；由于流体速度较小，流体类型设 置为不可压缩流；模拟采用全y+精确壁面处理，确保计算结果的精确性。
3.2边界条件设置
边界条件设置如图6所示，流场速度由速度入口释放，风速设置为8m/s， 湍流强度设置为0.01，流动介质设置为恒密度空气，密度为1.18415kg/m3， 从最右侧边界流出；边界条件为压力出口，由于与外界直接相接压力值设 置为一个大气压。计算区域的四周设置为滑移壁面，叶片、速度进口以及 压力出口设置为无滑移壁面。静止域和旋转域、旋转域和叶片子域设置为 交界面边界条件，以保证模拟时转动网格与静止网格能量和动量的传递。
3.3模拟结果与分析
(1)实验验证
在对C型叶片研究前，有必要基于中等网格对实验数据进行验证，以 确保方法的准确性。模拟结果如表3所示，由表格可以发现，整体模拟的 数值与实验值基本对应。在低叶尖速比范围内，相对误差仅为4.89％，考虑 该区域功率系数的小数值特性，计算流体力学方法能够较好地实现低叶尖 速比模拟准确性。当处于高叶尖速比时，随着模拟数值逐渐增加，相对误 差依然保持在±5％以内。总体而言，从功率系数的模拟结果来看，验证结 果吻合度较高。
表3：不同叶尖速比下实验与CFD仿真模拟功率系数对比
Figure BDA0002893804600000081
(2)功率分析
图7给出了应用C型叶片后的计算及分析结果。可以发现，随着突出 度ΔD增加，功率系数Cp呈现先增加后减小的趋势。可见，C型叶片改善 了叶片附近流场的流动规律，流动分离逐渐得到控制。ΔD取值7.5～20mm 时，功率系数Cp明显增加；ΔD为15mm时，功率系数Cp取得最大值，相 比H型直叶片的功率系数Cp提高幅度约为16.45％。
由此可见，当ΔD/H的比值为1/100～2.5/100时，垂直轴风力发电机 的风能转化效率明显提升；当ΔD/H的比值为1.85/100～1.9/100时，叶片 处于最佳运行状态。本案在研究过程中还发现，C型叶片可以降低最大推 力系数和推力系数幅值，从而提高变风量机组的疲劳寿命；而且，C型叶 片的升力和阻力比直线型叶片低，尤其是阻力系数下降明显，主要集中在 90°～200°的方位角，同时，切向力系数显著增加，说明C型叶片有利于 改善变风量空调的气动特性。
综上所述，本案为垂直轴风力发电机的优化设计提供了一个新的方向， 即：采用本案所述C型叶片以提升风力发电机整体效能。这种C型叶片构 造简便、易于实施，应用于垂直轴风力发电机有助于改善气动性能，选取 合适的突出度，可以使发电机的功率系数明显提高，与直线型叶片相比， 提升幅度最高可达16.43％；鉴于C型叶片可以加速尾流场的速度恢复，减 小尾流扰动宽度，因而采用C型叶片可以改变垂直轴风力发电机的尾流场 的速度分布，这就使得本案在大型风力机风场以及风电并网工程中具有很 好的应用前景。

Claims (4)

1.垂直轴风力发电机的叶片优化设计方法，其特征在于：在叶片垂直放置的状态下，保持叶片上表面与下表面垂直重叠，叶片在任意位置的水平剖面相同，并且，任意水平剖面的对称线均处于同一立面，以叶片半高位置为对称面，将叶片前缘沿叶片运行时的旋转方向前移，形成一母线为也处于所述同一立面的上下对称的弧线的C形叶片；然后，通过连接杆将数个所述C形叶片与旋转轴连接构建成发电机转子，建立流体力学数值计算域模型，以叶片半高位置的突出度ΔD为变量，以叶片功率系数Cp为考核量，采用数值模拟计算，找到功率系数Cp明显提高时的ΔD取值范围，将其与叶片高度H相比，从而确定优化后的叶片构造形式；其中，
所述突出度ΔD以叶片高度H的1/320为增幅步长，计算每步的叶片功率系数，将其与ΔD=0时的叶片功率系数相比较，得出各步功率系数Cp的变化率；所述流体力学数值计算域模型是，以转子旋转直径D为标准，计算流场的水平面是10D╳20D矩形区域，旋转轴1处于距入口5D的中心位置，计算域高度为5H；所述数值模拟计算，采用改进的延迟脱落分离涡模型进行模拟计算。
2.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机的叶片优化设计方法，其特征在于：当ΔD／H的比值为1/100～2.5/100时，叶片功率系数Cp明显提高。
3.根据权利要求2所述的垂直轴风力发电机的叶片优化设计方法，其特征在于：当ΔD／H的比值为1.85/100～1.9/100时，叶片功率系数Cp达到最大，此时的叶片构造形式为最优状态。
4.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机的叶片优化设计方法，其特征在于：所述发电机转子包含3个所述C形叶片，各叶片之间沿周向均匀分布。
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