螺旋形S型垂直轴风轮结构优化设计
日期：2009-12-29 14:13:57 点击：
来源：cechinamag
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0 引言
S 型风轮为阻力型风力机，由芬兰工程师1925发明，2 个半圆筒叶片组成 S 型，凹面和凸面叶片对空气流阻力之差推动风轮 旋转。S 型风轮具有很多优点：叶片设计简单；不 受风向限制；启动力矩大；噪音小；发电机可置于 风轮下或地面，因而安装和维护的费用都较低。但 直筒形S 型风轮因风能利用率较低(为0.15)，发展 速度缓慢。
为提高S 型风轮的风能利用率，诸多学者对其 进行了研究。Ushiyama 等学者从高径比、偏心系数、 叶片数等结构参数对S 型风轮进行了大量的理论和 试验研究 ，分析了结构参数对风能利用率的影响规 律[1-9]。也有部分学者改变风轮结构来提高风轮风能 利用率。如：Aldoss[10]采用摆动式叶片，凸面叶片 沿风向摆动，降低了负力矩；Tabassum[11]，Reupke[12] 采用铰接叶片，使凸面两侧气流短路，从而降低了 负力矩；Saha[13]提出了扭曲叶片的风轮，并在低速 风洞进行了试验研究；Deda[14]采用导风板提高了顺 风面风速，降低了迎风面风速；Irabu[15]采用导流箱 和Menet[16]采用多级布置来提高风轮效率。
Kamojia[17]对类似螺旋形的风轮进行过性能研 究，但对结构优化分析甚少。本文采用数值方法， 研究关键结构参数对风轮性能的影响规律，对螺旋 形S 型风轮结构进行优化设计，为S 型风轮的风能 转化率的提高提供新思路。
1 螺旋形风轮结构
螺旋形风轮是S 型叶片沿转轴扭转一定角度后 形成的，叶片呈螺旋形状，传统S 型风轮为0°扭角 的螺旋形风轮。图1 为手工制作的扭角180°，高1.5 ，旋转直径0.75 ，有偏心，轴直径为0.04 m 的两叶片螺旋形风轮模型。
2 风能理论
空气流吹过风轮扫面A 时控制工程网版权所有，其质量流量为ρvA， 每秒所携带的能量为
3 优化方法
3.1 数学模型
Burcin[14]，Menet[16]采用k-ε双方程模型对S 型风轮流场进行了模拟计算，并应用试验对模型进行 了验证，结果证明k-ε 模型对S 型风轮流场计算的 结果具有较高精度。为此，本文采用k-ε 模型对螺 旋形S 型风轮的气动性能进行模拟计算。 k-ε 模型的湍流动能k 与湍流动能耗散率ε微分 方程式分别为：
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S 型风轮为阻力型风力机，由芬兰工程师1925发明，2 个半圆筒叶片组成 S 型，凹面和凸面叶片对空气流阻力之差推动风轮 旋转。S 型风轮具有很多优点：叶片设计简单；不 受风向限制；启动力矩大；噪音小；发电机可置于 风轮下或地面，因而安装和维护的费用都较低。但 直筒形S 型风轮因风能利用率较低(为0.15)，发展 速度缓慢。
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为提高S 型风轮的风能利用率，诸多学者对其 进行了研究。Ushiyama 等学者从高径比、偏心系数、 叶片数等结构参数对S 型风轮进行了大量的理论和 试验研究 ，分析了结构参数对风能利用率的影响规 律[1-9]。也有部分学者改变风轮结构来提高风轮风能 利用率。如：Aldoss[10]采用摆动式叶片，凸面叶片 沿风向摆动，降低了负力矩；Tabassum[11]，Reupke[12] 采用铰接叶片，使凸面两侧气流短路，从而降低了 负力矩；Saha[13]提出了扭曲叶片的风轮，并在低速 风洞进行了试验研究；Deda[14]采用导风板提高了顺 风面风速，降低了迎风面风速；Irabu[15]采用导流箱 和Menet[16]采用多级布置来提高风轮效率。
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Kamojia[17]对类似螺旋形的风轮进行过性能研 究，但对结构优化分析甚少。本文采用数值方法， 研究关键结构参数对风轮性能的影响规律，对螺旋 形S 型风轮结构进行优化设计，为S 型风轮的风能 转化率的提高提供新思路。
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1 螺旋形风轮结构
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螺旋形风轮是S 型叶片沿转轴扭转一定角度后 形成的，叶片呈螺旋形状，传统S 型风轮为0°扭角 的螺旋形风轮。图1 为手工制作的扭角180°，高1.5 ，旋转直径0.75 ，有偏心，轴直径为0.04 m 的两叶片螺旋形风轮模型。
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Burcin[14]，Menet[16]采用k-ε双方程模型对S 型风轮流场进行了模拟计算，并应用试验对模型进行 了验证，结果证明k-ε 模型对S 型风轮流场计算的 结果具有较高精度。为此，本文采用k-ε 模型对螺 旋形S 型风轮的气动性能进行模拟计算。 k-ε 模型的湍流动能k 与湍流动能耗散率ε微分 方程式分别为：
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