《升力型垂直轴风力机的工作状态简析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《升力型垂直轴风力机的工作状态简析（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、升力型垂直轴风力机的工作状态简析在“达里厄风力机”一节中对升力型垂直轴风力机的工作原理已作介绍，鉴于目前国内对升 力型垂直轴风力机作技术介绍的资料很少，本节通过近似计算对升力型垂直轴风力机的工作状 态作简单分析，供大家参考，不对之处望大家指正，期待有更多的升力型垂直轴风力机资料供 交流。分析对象是一个“H”型垂直轴风力机，其叶片是固定的，取叶轮中一个叶片来分析，该叶 片采用对称翼型，其弦长应远小于风轮半径。翼型的叶尖速比与攻角要使在气流中运行的翼型有最大的升力与较小的阻力，翼型必须有理想的攻角，水平轴风 力机在风速与转速不变时其叶片的攻角也不变，而传统的达里厄风力机的叶片是固定的，也就 是在风
2、轮旋转一周时翼型自身也旋转360度，其攻角是在不停的变化。图1中的4个小图是翼 型旋转在 4个象限时的攻角计算辅图。3i图1垂直轴风力机叶片在不同位置的攻角田 1I Q-90JS I513.叶片U1K 斜1EO-270a I创4.軒片攻（27O-3SaJS |罔2.叶片Sftlt I:为了便于观察分析，图中风轮半径缩小，攻角夸大。v是外来风速，u是叶片线速度（恒 定转速），w是相对风速，a是攻角，0是叶片绕风轮转角（叶片位置）。由于风力机由2个 以上的叶片构成，在上风侧做过功的风速会降低，我们近似认为翼型在上风侧（0至 180度） 与下风侧（180至360度）的风向不变、但风能损失30%，下风
3、侧风速降低至 84%，在其他一 些资料里通常按上风侧与下风侧风速相同来计算，其实即使是单个叶片也会对下风侧风速有影 响。按小图（图 1）来计算攻角tana=vr/（vt+u）vr=v*sin0vt=v*cos0tana=v*sin0/(v*cos0+u)=sin0/(cos0+u/v) 式中 u/v 是叶尖速比入a=arctan（sin（0）/（cos（0）+Q）（1.1）按小图（图2）、（图3）、（图4）来计算结果相同，就不再列举了。设叶尖速比入分别 为2、3、4、5、6,用MATLAB软件计算相应的攻角在0至360度的变化曲线，通过计算得出 如下曲线图，见图 2。0 5U 60 9D 12
4、0 150 1SU 210 24D 270 3OQ 33D 叶片莅迂图2垂直轴风力机叶片的攻角变化曲线叶尖週tt也2 叶尖谨比左I3 时雪逢比刚 OtXif比为彳 OtK#比那图 2 中每一根曲线显示了翼型在相应叶尖速比下的攻角变化，这个叶尖速比是按整个风轮 计算的，实际上在下风面风速减慢，叶尖速比要比上风面大一些，攻角就小一些。根据对称翼型的升力系数与攻角间的关系，失速角一般在 11至 13度(小翼型低风速可能 不到 10度)，大尺寸翼型高风速状态下可达 15度，所以翼型的最大攻角不要超过 15度(小型 机不要超过 12度)。从图 2中可看出只有在叶尖速比大于4时，翼型的最大攻角才不超过 1
5、5 度。但叶尖速比也不能过大，过大使攻角过小而升力小，切向力更小，所以升力型垂直轴风力 机的理想工作范围应该在 4至 6之间(具体情况还与风力机的实度、叶片的翼型等有关)。翼型的相对风速根据图1中(小图1)来计算相对风速，由于算式中“幂”不好表示，用“八”表示“幕”，“八2” 是平方的意思。wA2=vrA2+(vt+u)A2vr=v*sin0vt=v*cos0wA2=(v*sin6)A2+(v*cosO+u)A2=vA2*(sin0A2+(cosO+u/v)A2)wA2=vA2*(sin0)A2+(cos0+X)A2)(2.0)w=v*V(sin6)A2+(cos0+X)A2)(2.1)设外来
6、风速v=8m/s，叶尖速比入=4,用MATLAB软件计算翼型在一周中各位置的相对风 速。在图 3 中将显示计算结果，图 3 下方蓝线是攻角变化曲线，上方绿线是对应的相对风速曲 线，由于翼型在180度与360度位置时的风速v比8m/s略小，故对上述相对风速曲线略作修 整。-10 -15 03Q GO 90120 1&0 ISO 210 240 270* 300 330 360叶片任更图3垂直轴风力机叶片的相对风速变化曲线从图 3中看到叶片在 0度时的相对风速最大，在 180度时的相对风速最小。攻角与相对风速决定升力的大小，在下面将计算各位置的升力的切向力大小。翼型的切向力翼型的切向力是指翼型的升
7、力与阻力在翼型旋转圆周上的切线方向的力，是推动风轮旋转的力。图 4是翼型在不同位置切向力的计算辅图，图中为清楚显示阻力而夸大阻力若干倍，攻角也有所扩大。图4中v是外来风速，u是叶片线速度，w是相对风速，a是攻角，0是叶片绕风轮转角(叶片位置)；Fl是升力，Ful是升力的切向力；Fd是阻力，Fud是阻力的切向力；Fu是升 力与阻力的合成切向力。根据图4中(图1)来计算翼型的切向力，设定风速v=8m/s,叶片线速度u=32m/s,叶尖 速比为4；设定叶片宽05m,长4m；攻角a的单位是弧度。升力系数Cl=573*a,阻力系数Cd=0.03，p=12升力系数Cl=573*a，阻力系数Cd=003,p
8、=1.2Fl=0 5*p*wA2*Cl*0.5*4=p*wA2*Cl=1.2*wA2*Cl=6 88*wT*aFul=Fl*sina=6 88*wA2*a*sinaFd=05*p*wA2*Cd*0 5*4=12*wA2*Cd=0036*wA2Fud=0036*wA2*cosaFu=Ful-Fud=688*wA2*a*sina-0036*wA2*cosaFu =wA2(688*a*sina-0036*cosa)(31)根据a=atan(sin(0)/(cos(0)+!)(1.1)w=v*V(sin0A2+(cos0+l)A2)(2.1)由于是对称翼型，正攻角与负攻角产生的升力大小是相同的，只是方
9、向相反而已。用MATLAB软件进行对上面3式进行计算，得到翼型在0至360度位置的切向力曲线，见图5。注：该曲线是单个叶片运行在整周都没有失速的条件下，实际上垂直轴风力机在运行中叶片攻角变化频繁且频率高，叶片在90度与270度附近往往运行在动态失速状态，动态失速时的升力与阻力特性会发生很大的变化。许多风力机的切向力曲线峰值不在 90度与 270度，而是靠 近 60 度与 300 度，与图 5 有较大区别。图5垂直轴风力机叶片的切向力变化曲线从以上曲线看出即使是稳定的来风、均匀的转速，翼型在不同的位置产生的切向力也是不 同的，在 90度与270度附近最大，在0度与 180度附近是反向力，这与水平轴风力机也是大不 相同的。叶片在旋转中要受到正反两面的作用力，有可能引起共振，也造成叶片与风力机的疲 劳，这是设计叶片与风力机的机械强度时要考虑的。变化的切向力会影响旋转的均匀性，要想获得较均匀的旋转要有多一些的叶片，但多叶片 也不一定是好事，一般 3至 5个较合适。图 6是 3个叶片切向力的合成图，红、绿、蓝三根曲 线是 3个叶片各自的切向力，紫色为 3个叶片合成的切向力。流管法分析会准确些。升力型垂直轴风力机工作时的气流状态比水平轴风力机复杂得多，风叶运动经常会掀起湍 流，湍流不仅影响上风侧风叶的运行状态，对下风侧的风叶影响更大，有关内容请另参阅相关 资料。
