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h型垂直风力机功率系数的影响因素分析 0 载荷部件的配合 近年来，国内外对dar00垂直风力机进行了研究。dar00风力机的特点是没有必要安装风装置，并且可以安装在地面上，因此它可以更方便地与各种负荷相配合，如机枪、水泵、冷热、搅拌装置等。文献对H型垂直轴风力机叶尖速比进行了分析,重点讨论了攻角的变化规律,文献对Φ型达里厄风力机气动设计参数进行了分析,提出优化方案,本文采用多流管模型结合部分经验公式,就目前国内普遍关注的H型垂直轴风力机气动设计参数进行分析,为其优化设计提供参考。 1 空气动力学特性参数的确定 多流管模型是由STRICKLAND J H于1975年提出的,相对单流管模型,具有更高的精度,可以满足工程应用。如图1所示,将转子盘面以旋转角度θ划分成若干个独立的流管,流管叶素平均推力系数为 Cthrust=(ΝcD)(URU∞)2(-Cn-Cttanθ)(1)Cthrust=(NcD)(URU∞)2(?Cn?Cttanθ)(1) 式中:N为叶片数;c为弦长,m;D为旋转直径,m;UR为叶片通过流管处的气流合成速度,m/s;U∞为来流速度,m/s;Ct为切向力系数;Cn为法向力系数;θ为旋转角度。 根据动量定律有: Cthrust=4a(1-a) (2) 式中:a为速度诱导因子。 由(1)式和(2)式通过迭代计算,可得速度诱导因子a,其中Ct,Cn计算根据特定翼型空气动力学特性确定。然后根据下式确定功率系数: Cp=ΝcD?λ?m∑i=1(URU∞)2Ctm(3)Cp=NcD?λ?∑i=1m(URU∞)2Ctm(3) 式中:λ为尖速比,λ=ωD2U∞λ=ωD2U∞;ω为旋转速度,rad/s;m为流管数。 叶片采用NACA0015翼型,其空气动力学特性参数参照文献,主要分析翼型有限展向长度的修正和实度ΝcDNcD对风力机性能的影响,以及叶片旋转一周最大攻角随尖速比的变化。 2 有限长度翼型 展弦比A=bcA=bc(其中b为展向长度)对H型垂直风力机性能的影响,主要体现在翼型空气学性能参数是在无限长假设下得到的,而应用于有限长度的风力机时需要进行动力学性能参数的修正,参照文献中对翼型失速前的有限长度翼型动力学特征修正经验公式如下: CL=C′L(4) CD=C′D+C2LπA(5) α=α′+C2LπA(6) 式中:C′L、C′D、α′分别为无限长翼型升力系数、阻力系数和攻角;CL、CD、α为有限长翼型升力系数、阻力系数和攻角。 失速后的有限长度翼型动力学特征修正经验公式如下: CL=CDmax2sin2α+ΚLcos2αsinα(7) CD=CDmax2sin2α+ΚDcosα(8) 式中:ΚL=(CLS-CDmaxsinαscosαs)sinαscos2αs;ΚD=CDS-CDmaxsin2αscosαs;CDmax为有限长度翼型最大阻力系数,当A≤50时,CDmax=1.11+0.018A;A50时,CDmax=2.01;αs为有限长度翼型失速攻角;CLS和CDS分别为有限长度翼型失速攻角下的升力系数和阻力系数。 采用数值方法进行求解,得到A分别为5、15、30、50以及无限大情况下的功率系数,见图2(实度ΝcD=0.2)。由图可以看出,无限大展弦比时,最大功率系数为5.08,当A分别为5、15、30和50时,最大功率系数为无限大展弦比时的69.2%、88.0%、93.7%和95.7%,可见当展弦比为15以上时,H型垂直风力机功率系数已经接近展向无限长翼型。因此,虽然受翼型展向抗风强度所限,A不宜过大,但为提高风力机效率,在设计中A的取值大于15为好。 3 风力提水机的特性 实度η=ΝcD是表征旋转叶片的密实程度的量,在风力机设计中也是关键参数之一,取其值分别为0.05、0.1、0.2、0.3和0.5分析垂直风力机的特性,见图3(展弦比为15)。从图中可以看出随着实度的增加,最大功率系数向小尖速比移动,说明增加叶片、增大翼型弦长或者减小旋转直径都会使得风力机在小尖速比下运行,以风力提水装置的方案设计为例,在大转速离心泵提水机组的匹配上,应该尽量采用实度小的风力机,而在活塞式风力机提水机组中应采用实度大的风力机。从图3中也可以看出实度为0.1～0.3时,风力机的最大功率系数值较大,因此在风力发电机设计时以实度值0.1～0.3作为参考值。 4 旋转轴回转攻角分析 H型垂直风力机设计中,翼型空气动力学性能参数是风力机各参数计算的基础,通常各种翼型升力系数、阻力系数的给定值在失速攻角以下,而在H型垂直风力机设计中,叶片绕水平旋转轴转动,其攻角将在一定旋转角度范围内大于失速攻角,文献中对攻角的变化趋势进行了分析,本文对实度为0.1,无限大展弦比时的最大攻角随尖速比的变化进行分析,见图4。由图可以看出随着尖速比的