0   引言

风力机是将风能转化为电能的装置，当前被广泛应用于清洁能源的开发和利用中。其中，直线翼垂直轴风力机(SB-VAWT)具有无需对风偏航机构，结构简单，叶片便于加工，易于维护等优点，一直备受世界各国学者的关注和青睐^[1-2]。SB-VAWT主要适用于小型发电、离网式发电领域，发展前景十分广阔，但还存在制约其自身发展的重要因素，如低风速下启动特性不理想等问题^[3]。多年来，很多研究者对此问题进行了研究和探索。廖书学^[4]、孙晓晶^[5]等通过数值计算对不同相对厚度的NACA系列翼型进行比较，认为选用NACA0018翼型的SB-VAWT，其启动特性与功率特性较为理想。李岩等^[6-7]通过在外部添加聚风装置、内部采用偏心结构等方法改进了SB-VAWT，从而改善了其启动性能，取得了明显效果。曲建俊等^[8]设计了一种可以适应风速改变升阻特性的叶片装置改善了SB-VAWT启动性能。冯放等^[9]制作了一种三段式组合型垂直轴风力机，并开展了数值模拟和试验研究，结果表明SB-VAWT的启动特性也得到了显著改善。不同改进方法的研究成果表明SB-VAWT启动特性的改进是可行的，为进一步的研究工作提供了很好的参考。但以上研究工作尚未清晰阐释SB-VAWT启动特性改善的原因和气流流动机理，需进行更深入的探索。本文开展了利用阻力风杯结构改善SB-VAWT启动特性的研究工作，对气流流动机理进行了探索，并利用风洞试验和PIV流场可视化方法对具有阻力风杯结构的垂直轴风力机进行了研究。

1   模型设计及制作

1.1   模型设计

如图 1所示，试验模型为内置风杯结构的两叶片SB-VAWT(下文中记为DS-VAWT)，其外侧的升力叶片翼型为NACA0018^[10]，内置的风杯结构由2个半椭圆弧面构成^[11]。风力机逆时针转动，定义升力叶片翼弦与来流风速平行时风力机旋转方位角为0°。

图  1  风力机示意图

Fig.  1  Wind turbine model diagram

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1.2   模型制作

图 2为风洞试验模型实物图。模型材料为复合树脂材料，旋转半径为400 mm，外侧的升力叶片弦长为125 mm，叶片高为500 mm；内置阻力型风杯结构采用轮廓曲率为1.6的半椭圆弧面，其旋转半径为280 mm，开口宽度为150 mm，叶片高度300 mm。

图  2  风洞试验模型

Fig.  2  Wind tunnel test model

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图 3所示为PIV可视化试验模型，其外侧的升力叶片旋转半径为95 mm，弦长为30 mm，叶片高为100 mm；内置阻力型风杯结构旋转半径为65 mm，开口宽度为35 mm，叶片高度100 mm。为保证透光度，材料为高透光石英片。

图  3  PIV试验模型

Fig.  3  PIV test model

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2   研究方法

2.1   转矩测量试验

本试验在东北农业大学风能实验室的风洞中进行。试验风洞如图 4所示。试验系统由低速风洞、试验模型、扭矩传感器、三相电机、计算机等组成。低速风洞长9.1 m、宽2.3 m、出口大小为1 m×1 m，可提供1~20 m/s的均匀风速。试验中采用风速传感器监测实时风速。风力机中心与风洞出口中心高度一致。风力机由三相电机驱动，转矩由扭矩传感器检测，原始数据采样间隔为0.1 s。试验测量设备参数及精度如表 1所示。

图  4  试验风洞

Fig.  4  Wind tunnel

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表  1  设备参数

Table  1  Equipment parameters

名称	参数	精度
风速传感器	0~50 m/s	0.1%
扭矩传感器	±2 N·m	0.25%

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2.2   PIV可视化试验

PIV可视化试验是目前较先进的流场可视化研究手段。其结合了激光技术、跨帧CCD技术以及数字图像处理等技术，能够同时获得一个流场平面中多点的速度。

近年来，随着计算机技术的快速发展，PIV被更广泛地应用于流体机械试验中。相比水平轴风力机^[12-13]，垂直轴风力机可以简化为二维模型，更适合PIV流场可视化这一研究手段^[14]。图 5为PIV可视化成像原理图^[15]。PIV可视化试验系统如图 6所示，系统设备包括直流式低速风洞、美国TSI公司PIV测试系统、自行设计的试验台等。风洞长6.7 m，气流出口为0.4 m×0.4 m。风速范围1~15 m/s，气流不均匀度＜0.2 m/s，湍紊流度≤0.5%，气流偏角≤0.5°。PIV测试系统主要包括激光器、激光脉冲同步器、CCD相机和示踪粒子发生器，试验设备参数及精度如表 2所示。为保证试验段的示踪粒子分布均匀，PIV试验所用的示踪粒子从风洞入口段加入。

图  5  片光源内粒子记录平面上的成像图^[15]

Fig.  5  Image of particle recording plane in light source^[15]

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图  6  PIV试验系统

Fig.  6  PIV test system

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表  2  PIV试验系统参数

Table  2  PIV test system parameters

名称	参数	精度
激光器	工作频率15 Hz; 能量200 mJ /脉冲	-
同步发生器	0.25 ns	1%
CCD相机	7.5帧/s，分辨率2048 pixel×2048 pixel	-
示踪粒子	粒径：8~12 μm	10%

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2.3   可靠性分析

一般来说，进行风力机特性测试的风洞要求满足以下参数^[16]：风速范围1~50 m/s，气流不均匀度＜0.5 m/s，湍流度≤1%，气流偏角≤1°。在4 m/s风速下试验风洞的标定结果如图 7所示，其气流不均匀度＜0.5 m/s，湍流度≤ 0.5%，气流偏角≤0.5°，符合试验需求。

图  7  风洞风速云图

Fig.  7  Wind tunnel speed contour

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对风洞试验系统来说，其试验段面积与叶片扫掠面积接近；但从风速云图可以看出，风力机模型所在区域风速较为稳定，可以满足试验需求。本研究中测量了转速、转矩、风速等参数，力矩系数C_ts的误差传递公式如下^[17]：

式中，M为转矩, ΔM为转矩测量误差, U为风速，ΔU为风速测量误差。

根据式(1)取表 1最大测量误差，力矩系数测量误差C_ts=±0.45%。

3   结果与分析

3.1   转矩试验

本试验中，风洞出口风速设定为10 m/s，静力矩测试间隔为10°。

图 8所示为10 m/s风速下，2种风力机静态启动力矩系数(C_ts)变化曲线。可以看出，SB-VAWT旋转周期内的静力矩整体波动不大，其最大值出现在70°，为0.051；最小值出现在160°，为-0.011;周期平均力矩为0.028，最大值为平均力矩的178.99%。整个周期内在150°~160°出现了负力矩，即风力机无法正常启动，为风力机的死点，说明该工况下SB-VAWT的启动性能较差。

图  8  转矩试验结果

Fig.  8  Wind tunnel test result

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与SB-VAWT相比，DS-VAWT的静力矩系数整体提升较为明显，呈现出较大的波动变化，其周期平均力矩为0.196，是SB-VAWT的7倍，启动性能改善明显。该工况下，DS-VAWT静力矩系数出现了3次峰值，分别在40°，50°和140°。90°~110°附近的静力矩系数为负值，且低于SB-VAWT，即更难启动，在100°出现了力矩系数的谷值。

总体而言，在一个旋转周期中，由于阻力风杯结构的存在，产生了作用于叶片转轴的扭矩，因此DS-VAWT启动力矩整体要大于SB-VAWT，更易于启动，仅在100°附近时略小。

3.2   PIV可视化试验

为减小粒子跟随性导致的PIV试验误差，试验风速设定为4 m/s，流场拍摄间隔为20°。由风洞试验的结果可以看出，在方位角为40°和140°工况下，风杯结构对SB-VAWT启动力矩的改善较为理想；方位角为100°工况下，风杯结构对SB-VAWT的启动产生了负面影响。下面主要对这3种工况下的流场进行对比分析。

图 9所示为方位角40°下2种风力机叶片周围流场，此时SB-VAWT所受的力矩很小。由图 9(a)和(b)可以看出，上叶片尾流的流动分离现象明显，气流方向杂乱无序。其迎风面气流沿着叶片表面流动，流速较大；而背风面气体所需克服的逆压强度较大，故流动开始分离，气流流速经过前缘后明显减小。下叶片的尾流流动分离现象相对较弱，气流经过尾缘后流速明显减小，前缘处流速变化不明显。其前缘处产生了圆形的附着涡，叶片腹部产生了椭圆形的脱体涡。2个旋涡的汇集使得下部叶片的尾流方向杂乱，流动能量也受损。由图 9(c)和(d)可以看出，由于风杯结构的导流作用，DS-VAWT上部升力叶片的流动分离现象几乎消失，上部风杯结构凸面迎风，气流流经壁面后向着两侧展开，其尾流气流速度较小。下部风杯结构凹面迎风，随着气流流向风杯壁面，其速度明显减小的同时，壁面压力也增大。凹凸面的流速变化引起的压力差所提供的气动力是该方位角下DS-VAWT启动力矩产生的主要来源。同时，其改变了下部升力叶片附近的压力分布，使得间隙处的流体速度降低，与尾流之间的速度差也降低，剪切流动减弱，导致升力叶片尾流处的旋涡基本消失，能量耗散现象得到了改善。

图  9  2种风力机叶片周围流场(θ=40°)

Fig.  9  The flow field around two wind turbines (θ=40°)

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总体而言，该方位角下的风杯结构改善了升力叶片的流动分离现象，降低了风力机内部流体的速度，产生了较大的扭矩，为DS-VAWT提供了较大的启动力矩。

图 10所示为方位角140°下2种风力机叶片周围流场。可以看出，SB-VAWT的2个叶片吸力面均有流动分离现象产生，但不十分明显。上叶片压力面流速仍然较大，其吸力面上部区域流速也较大，尾缘处有较小的旋涡产生。下叶片的压力面流速低于来流速度，前缘处有回流产生，但由于发展不完全，没有形成旋涡。虽然此时风力机流场较平缓，但由于2个叶片受到的气动力合力相互抵消，该工况下SB-VAWT的静力矩系数较低。

图  10  2种风力机叶片周围流场(θ=140°)

Fig.  10  The flow field around two wind turbines (θ=140°)

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由于风杯结构的导流作用，DS-VAWT的升力叶片尾流的流动分离现象基本消失。上部风杯结构的后部尾流部分有扰动，但由于相对外部流场的流速差不大，剪切流动较弱，故无明显旋涡产生。下部升力叶片尾流上部的气流流速降低，向风杯结构的凹面流动，剪切流动的减弱使得升力叶片尾流处的回流与分离现象基本消失。同时，下部风杯凹面迎风，流速变化带来了压力差，其提供的气动力是该方位角下DS-VAWT启动力矩产生的主要来源；由于迎风角度的改变，逆压分布逐渐向风力机中心移动，气流流动需要克服的逆压增大，流动分离现象产生；尾流处低速区域较大，能量耗散也相对明显。

总体而言，该方位角下，风杯结构改善了升力叶片的流动分离现象，将来流的动能转化为风力机的启动力，但由于该方位角下风杯结构总体的流动分离现象较强，其总启动力矩要比40°时略低。

图 11所示为方位角100°下2种风力机叶片周围流场，此时SB-VAWT的2个叶片几乎都与来流垂直。气流流过左侧叶片后向两侧发展，尾流的流动分离现象更加明显，下尾流的低速区被来流的高速区所包裹，其边缘处有旋涡产生，剪切流动明显；上尾流边缘也有2个旋涡产生，其距离较近。风力机中心部分的流速较大但矢量稀疏，这可能是由于旋涡太多，粒子跟随性受到影响。

图  11  2种风力机叶片周围流场(θ=100°)

Fig.  11  The flow field around two wind turbines (θ=100°)

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该方位角下，来流在DS-VAWT风杯结构壁面上的作用较小。左侧风杯被升力叶片的尾流包裹，处于流速较低的逆流区域，其凹面也几乎垂直于来流，使得没有足够的气流动能供其转化为启动力矩；但是左侧风杯的存在改善了叶片附近的逆压分布，使得风力机下部的气流流速更大。右侧风杯的一部分则超出了SB-VAWT的尾流范围，将来流方向的部分气流引向风力机内部，这使得左侧风杯的尾流流道变小，与右侧风杯的尾流分开；但是这部分来流与壁面作用所产生压力的方向与风力机的转动方向不同，故其无法产生促进风力机旋转的力矩。

总体而言，该方位角下DS-VAWT内部的有效流动没有增加，风杯结构凹凸面流速差也较小，风杯结构没有发挥作用，并且试验过程中由于其模型质量更大，机械结构较SB-VAWT更加复杂，转动需克服的传动阻力也更大，故启动性能较差。

4   结论

基于SB-VAWT加装了风杯结构获得了DS-VAWT，并对二者进行了启动转矩试验与可视化试验。本研究条件下获得的主要结论如下：

(1) 在一个旋转周期中，风杯结构的存在产生了作用于风轮转轴的扭矩，有效改善了SB-VAWT的静态启动性能，在忽略测量误差的前提下，DS-VAWT周期平均力矩为SB-VAWT的7倍，仅在90°~110°方位角区间对原风力机启动特性改善效果不佳；

(2) 风杯结构对SB-VAWT升力叶片尾部的流动分离现象有着明显改善，在其影响下，旋涡尺度也变小；

(3) 风杯结构使气流流动时进入SB-VAWT的内部流体增加，其迎风面的压力变化增加了风力机正向推动力，这是DS-VAWT启动特性得到改善的主要原因。