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升力型垂直轴风力机的工作状态简析.

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。图1 垂直轴风力机叶片在不同位置的攻角为了便于观察分析,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,α是攻角,θ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tanα=vr/(vt+u)vr=v*sinθvt=v*cosθtanα=v*sinθ/(v*cosθ+u)=sinθ/(cosθ+u/v)式中u/v是叶尖速比λα=arctan(sin(θ)/(cos(θ)+λ))?(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λ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。图2 垂直轴风力机叶片的攻角变化曲线图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15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“^”表示“幂”,“^2”是平方的意思。?w^2=vr^2+(vt+u)^2?vr=v*sinθvt=v*cosθw^2=(v*sinθ)^2+(v*cosθ+u)^2=v^2*(sinθ^2+(cosθ+u/v)^2)w^2=v^2*((sinθ)^2+(cosθ+λ)^2)??? ?????????(2.0)w=v*√((sinθ)^2+(cosθ+λ)^2)?????????? ???(2.1)设外来风速v=8m/s,叶尖速比λ=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。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 垂直轴风力机叶片在不同位置的切向力图4中v是外来风速,u是叶片线速度, w是相对风速,α是攻角,θ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0.5m,长4m;攻角α的单位是弧度。升力系数 Cl=5.73*α, 阻力系数Cd=0.03, ρ=1.2升力系数 Cl=5.73*α, 阻力系数Cd=0.03, ρ=1.2Fl=0.5*ρ*w^2*Cl*0.5*4=ρ*w^2*Cl=1.2*w^2*Cl=6.88*w^2*αFul=Fl*sinα=6.88*w^2*α*sinα

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