垂直型風(fēng)力機(jī)的葉片設(shè)計(jì)案例概述S型屬于垂直型風(fēng)力機(jī)中的阻力類型的代表風(fēng)力機(jī)。它的命名來源于形狀橫截面成“S”，有兩個(gè)半圓葉片組成，一個(gè)半圓葉片的開端是另一個(gè)的中心點(diǎn)。動能源自兩個(gè)葉片的阻力之和[4]。該風(fēng)力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：開始工作時(shí)，風(fēng)速最低，啟動扭矩大；在任何風(fēng)向下，風(fēng)力機(jī)都可以轉(zhuǎn)動，安裝簡單，后期好維護(hù)；較水平軸的風(fēng)力機(jī)相比，抵抗大風(fēng)速的能力更強(qiáng)；發(fā)電機(jī)安置在接近地面部位，便于后期修理。在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)動速度保持在低速水平，葉片轉(zhuǎn)動速度受制于風(fēng)速，這種風(fēng)力機(jī)較多使用在風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)，難以并行網(wǎng)絡(luò)發(fā)電；如果不對該類型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行參數(shù)的最優(yōu)解設(shè)計(jì)，它的利用風(fēng)能的效率等于高速水平軸類型的二分之一，若經(jīng)過設(shè)計(jì)，風(fēng)能利用效率可以提高至十分之三。根據(jù)L-sigma準(zhǔn)則[5]，在一單位物體外力作用下，該類型是水平軸的單位寬度功率的1.8倍。所以我們可以理解為S型可以提供的能量是較高的，只是利用風(fēng)能的效率沒有水平軸的高。S型的最優(yōu)參數(shù)選取主要受限于對外形指標(biāo)，因此，本章主要是基于設(shè)定S型風(fēng)力使用最優(yōu)的風(fēng)能效率和性能的最優(yōu)，找到最優(yōu)氣動性能下的外形參數(shù)最優(yōu)解。(1)主要參數(shù)S型風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的外部是兩個(gè)半圓用葉片交錯而成，如圖1.1所示。圖1.1S型風(fēng)力機(jī)外形圖1.1中，P為風(fēng)力機(jī)輸出功率，S為風(fēng)力機(jī)迎風(fēng)面積，Q為靜扭矩,ρ為空氣密度，通常取1.225kg/m3；Cq為靜扭矩系數(shù)，Cq=Q/（1/2ρV3∞S）；H為風(fēng)輪高度，ω為角速度，V∞為來流風(fēng)速，N為葉片數(shù)目；Cp為名義功率系數(shù)，Cp=ωQ/（1/2ρV2）,ra為偏心距di為半圓筒葉片直徑，a為轉(zhuǎn)軸直徑，Du為旋轉(zhuǎn)直徑，R為旋轉(zhuǎn)半徑，e=ra/Du表示偏心率；α為葉片展弦比，Df為端板直徑，n為轉(zhuǎn)速，d為葉片厚度，CP為風(fēng)能利用系數(shù)，M為扭矩，Cm為扭矩系數(shù)。(2)葉片數(shù)目半圓環(huán)葉片數(shù)目與利用風(fēng)能的效率和風(fēng)力機(jī)開始工作的穩(wěn)定性有函數(shù)關(guān)系。SANDIA國家實(shí)驗(yàn)室對不同數(shù)目下的功率進(jìn)行研究，得到如圖1.2所示的函數(shù)關(guān)系曲線圖。在選擇同一個(gè)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的參數(shù)指標(biāo)下，即在圖中垂直于水平座標(biāo)軸畫一條線，兩葉片的功率都是大于三葉片的功率系數(shù)的，在函數(shù)關(guān)系上，兩葉片的峰值點(diǎn)是三葉片峰值點(diǎn)的二分之三倍，這個(gè)峰值點(diǎn)在尖速比約等于0.9附近時(shí)，兩葉片的峰值點(diǎn)是三葉片峰值點(diǎn)一定倍數(shù)是成立的[6]。所以本文采用兩葉片進(jìn)行風(fēng)輪設(shè)計(jì)。圖SEQ圖表\*ARABIC2.2功率系數(shù)曲線圖(3)葉片長度H和端板直徑DrS型的氣動性能主要與葉片展弦比α有一定函數(shù)關(guān)系。一般來說，這個(gè)函數(shù)關(guān)系是呈正相關(guān)的，功率系數(shù)在α等于4.0時(shí)，由最高值。端板的作用就是平衡掉葉片尖端對風(fēng)力機(jī)性能的降低，它可以有效提高，且在端板直徑Df是風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)直徑Du的110%時(shí)，整個(gè)風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)可以達(dá)到最高。(4)氣動外形設(shè)計(jì)在對500W風(fēng)力機(jī)氣動外形設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)葉片數(shù)目等于2，在風(fēng)能利用系數(shù)CP和扭矩系數(shù)Cm折兩級氣動結(jié)構(gòu)下，比僅一級結(jié)構(gòu)的氣動系數(shù)要大。圖1.3是在葉片數(shù)目等于2、一級結(jié)構(gòu)下的S型風(fēng)力機(jī)的試驗(yàn)氣動性能函數(shù)關(guān)系，橫坐標(biāo)為尖速比，縱坐標(biāo)為兩個(gè)氣動系數(shù)在不同尖速比的條件下變化曲線，該坐標(biāo)曲線顯示的是一級結(jié)構(gòu)下的實(shí)驗(yàn)條件下的函數(shù)關(guān)系曲線圖，但是在二級結(jié)構(gòu)條件下，該曲線的關(guān)系顯示的氣動外形影響變化曲線同樣有可供參照的意義。圖1.3不同葉尖速比對應(yīng)下的Cp、Cm在實(shí)際的參數(shù)指標(biāo)選取過程中，與還要計(jì)算轉(zhuǎn)軸存在的影響，這個(gè)指標(biāo)可以對流場造成較大變化，如表1.1所示，套用公式可以得出，風(fēng)速等于10m/s、尖速比等于9/10,ef功率等于500W，轉(zhuǎn)軸直徑為10mm,確保ra與a的差值比上di等于1/6，就可以得出外形的設(shè)計(jì)值。端板的厚度比葉片的厚度多1毫米，設(shè)定為3毫米。表1.2所示，可以計(jì)算中S型風(fēng)力機(jī)氣動性能。圖1.4為S型葉片轉(zhuǎn)子的3DCAD模型是使用SOLIDWORKSCAD/Modeler建立的。圖1.4雙葉片S型風(fēng)力機(jī)葉輪3DCAD模型套用上面的公式，可以看出，只要給一個(gè)額定功率的值，就可以得出對應(yīng)的設(shè)定方法。也可以得出，與額定功率呈正相關(guān)變動的風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)部分影響因素-迎風(fēng)面積，所以較大的額定功率對葉片的旋轉(zhuǎn)半徑和長度有更高的要求，所以結(jié)構(gòu)制作方面難度更高。對于結(jié)構(gòu)限制了S型的額定功率的單位只能在百瓦級，應(yīng)用場景主要在風(fēng)光互補(bǔ)型路燈等小功率的條件下，這樣葉片的旋轉(zhuǎn)半徑和長度也可以選擇在合適的范圍。(5)總結(jié)本章首先討論S形風(fēng)力機(jī)