叶片重叠比对Savonius风力机性能的影响

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引言
Ｓａｖｏｎｉｕｓ风力机是一种阻力型垂直轴风力机。

它是由芬兰的工程师Ｓａｖｏｎｉｕｓ在２０世纪３０年代发明，并以其名字来命名的。

该风力机为Ｓ
型叶片，具有机构简单，起动力矩大等特点。

但是，这种阻力型风力机与升力型风力机（如现代螺旋桨式水平轴风力机）相比，功率系数较低，尖速比小，因而应用很少，只是在农村和偏远地区用来提水灌溉等。

近年来，由于发电机技术的快速发展，一些适用于低转数风力机的发电机不断出现，这就给Ｓａｖｏｎｉｕｓ风力机提供了应用的机会，使其可以应用在小容量离网型风力发电上。

另外，由于其起动力矩大，因而可以和其他起动性差的风力机组合使用，起到互补作用。

近年来，一些研究者
又把目光重新投向了Ｓａｖｏｎｉｕｓ风力机，笔者也对此进行了一些研究工作［１］。

图１为一个典型的Ｓａｖｏｎｉｕｓ风力机的结构示意图。

叶片重叠比对Ｓａｖｏｎｉｕｓ风力机性能的影响
李
岩１，原
豊２，林
農２
（１．东北农业大学工程学院，黑龙江哈尔滨１５００３０；２．鸟取大学工学部，日本鸟取县
６８０８５５２）
摘
要：Ｓａｖｏｎｉｕｓ风力机两个叶片之间的重叠比ＯＬ（Ｏｖｅｒｌａｐｒａｔｉｏ）是影响其性能的最重要参数之一。

为了探
明ＯＬ对风力机静态起动特性与动态功率特性的影响，制作了一台可调叶片ＯＬ的Ｓａｖｏｎｉｕｓ风力机，将其ＯＬ设置为０，０．２和０．５三种模式，进行了风洞试验。

结果表明，在３种模式中，叶片重叠比ＯＬ＝０．２的风力机的静态与动态性能最佳。

关键词：Ｓａｖｏｎｉｕｓ风力机；重叠比；起动特性；功率特性中图分类号：ＴＫ８３
文献标志码：Ａ
文章编号：１６７１－５２９２（２００８）０３－００３１－０３
ＴｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｏｖｅｒｌａｐｒａｔｉｏｏｎＳａｖｏｎｉｕｓｒｏｔｏｒ
ＬＩＹａｎ１，ＹｕｔａｋａＨａｒａ２，ＴｓｕｔｏｍｕＨａｙａｓｈｉ２
（ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００３０，Ｃｈｉｎａ；２．ＦａｃｕｌｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｔｔｏｒｉ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｏｔｔｏｒｉ６８０８５５２，Ｊａｐａｎ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｏｖｅｒｌａｐｒａｔｉｏ（ＯＬ）ｉｓａｎｉｍｐｏｒｔｆａｃｔｏｒａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＳａｖｏｎｉｕｓｒｏｔｏｒ．ＴｏｉｎｖｅｓｔｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆＯＬｏｎｂｏｔｈｔｈｅｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＳａｖｏｎｉｕｓｒｏｔｏｒ，ａｍｏｄｅｌｏｆＳａｖｏｎｉｕｓｒｏｔｏｒｗａｓｍａｄｅｗｉｔｈｉｔｓＯＬｃａｎｂｅａｄｊｕｓｔｅｄ．ＴｈｅＯＬｕｓｅｄｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙｉｓ０，０．２ａｎｄ
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ａｎｄｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｍｏｎｇｔｈｅｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓｏｆＳａｖｏｎｉｕｓｒｏｔｏｒ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓａｖｏｎｉｕｓｒｏｔｏｒ；ｏｖｅｒｌａｐｒａｔｉｏ；ｓｔａｒｔｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｐｏｗｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ收稿日期：２００７－０７－０９。

基金项目：哈尔滨市科技创新人才研究专项资金（２００６ＲＦＬＸＧ００３）。

作者简介：李
岩（１９７２－），博士，副教授，从事风能、生物质能等可再生能源的综合利用与开发的研究。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｙ＿ｎｅａｕ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ
可再生能源
ＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＲｅｓｏｕｒｃｅｓ
第２６卷第３期２００８年６月
Ｖｏｌ．２６Ｎｏ．３Ｊｕｎ．２００８
因为Ｓａｖｏｎｉｕｓ风力机只有２个叶片，所以其力矩变化周期是１８０°。

因此，本试验只在０～１８０°范围内测试。

实验点间隔５°，采样数据间隔１ｍｓ，在每个实验点测试１０ｓ的数据，然后进行平均。

根据此结果可以看出，不同重叠比对Ｓａｖｏｎｉｕｓ风力机的Ｃｔｓ产生了很大的影响。

ＯＬ＝０的风力机，在相位角３０°附近Ｃｔｓ出现最大值；在相位角１２０°附近，Ｃｔｓ最小（Ｃｔｓ＝０）；在相位角１２０～１７５°，Ｃｔｓ为负值（风力机反转）。

也就是说，风力机在一个周期内，约有１／３的相位处于反转状态，这说明ＯＬ＝０的风力机起动性能不理想。

ＯＬ＝０．２的风力机比ＯＬ＝０的风力机的Ｃｔｓ最大值略大，出现最大值的相位角在４５°附近。

在出现Ｃｔｓ最大值以后的所有Ｃｔｓ值都比ＯＬ＝０的风力机的Ｃｔｓ值大。

ＯＬ＝０．５的风力机比前两种的风力机的Ｃｔｓ最大值都要小，出现最大值的角度在５５°附近。

通过上述试验可以说，随着ＯＬ的增大，出现Ｃｔｓ最大值的相位角有逐渐增大的趋势。

ＯＬ＝０．２的风力机，Ｃｔｓ为负值的相位角区间最小；ＯＬ＝０．５的风力机，Ｃｔｓ为负值的相位角区间要比ＯＬ＝０的风力机大。

因此可以说，在３种ＯＬ值中，ＯＬ＝０．２的静态起动力矩特性最佳。

２．２输出功率特性
图６给出了在风速Ｖ＝６ｍ／ｓ时，３种风力机的输出功率系数Ｃｐ与风力机叶片尖速比λ之间的关系曲线。

Ｃｐ与λ是表述风力机特性的重要指标
Ｃｐ＝Ｐ／（"ＡＶ３／２）（４）
λ＝（#Ｄ）／（２Ｖ）（５）
式中：Ｐ为实际输出功率，Ｗ；ω为角速度，ｒａｄ／ｓ。

由图６很明显地看出，在３种ＯＬ值中，ＯＬ＝０．２的风力机的输出功率特性最佳。

ＯＬ＝０．２的风力机比ＯＬ＝０的风力机的最大输出功率系数Ｃｐｍａｘ约高２５％，比ＯＬ＝０．５的风力机的最大输出功率系数Ｃｐｍａｘ约高４０％。

因此，可以说，ＯＬ值对Ｓａｖｏｎｉｕｓ风力机的输出功率特性有很大的影响，在本试验条件下，Ｓａｖｏｎｉｕｓ风力机的最佳ＯＬ值在０．２左右。

这与以前的研究者的研究结果一致。

另外，对比最大功率系数与叶片尖速比之间的关系可以发现：ＯＬ为０，０．２，０．５的风力机的叶尖速比λ分别为０．６８，０．７３，０．９３。

对比最大尖速比（即输出功率系数为０），ＯＬ＝０时，λ＝１．２８；ＯＬ＝０．２时，λ＝１．３２；ＯＬ＝０．５时，λ＝１．５。

因此，可以说，随着ＯＬ的增大，出现最大功率系数的风力机转数也增大，风力机的最大转数也增大。

这是因为，在相同直径的叶片下，增大重叠比，风力机直径变小，即高径比变大，风力机叶片尖端的诱导蜗旋的影响减小，风力机旋转阻力减小，因此转数增加。

因此可以预见，在相同叶片重叠比的情况下，具有大高径比的风力机的输出功率性能优越。

３结论
对３种叶片重叠比（即ＯＬ＝０，ＯＬ＝０．２和ＯＬ＝０．５）的Ｓａｖｏｎｉｕｓ风力机进行了风洞试验。

试验结果表明：①ＯＬ＝０．２的风力机的静态与动态性能最佳。

②对于静态起动特性而言，适当的叶片重叠比可以减小起动力矩的负值，减少反转的几率。

③叶片重叠比的不同，可使最大输出功率系数相差４０％以上，因此，探明最佳叶片重叠比非常重要。

在本试验条件下，ＯＬ＝０．２的风力机具有最佳性能，然而，这只能说明Ｓａｖｏｎｉｕｓ风力机的最佳叶片重叠比在０．２附近。

为探明最佳重叠比以及中心转轴直径对风力机性能的影响，应在ＯＬ＝０．２附近做更详细地试验。

参考文献：
［１］ＴＳＵＴＯＭＵＨＡＹＡＳＨＩ，ＹＡＮＬＩ，ＹＵＴＡＫＡＨＡＲＡ．Ｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｔｅｓｔｓｏｎａｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｈａｓｅｔｈｒｅｅ－ｓｔａｇｅ
Ｓａｖｏｎｉｕｓｒｏｔｏｒ［Ｊ］．ＪＳＭＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌＳｅｒｉｅｓ
Ｂ，２００５，４８（１）：９－１６．
［２］ＳＨＥＤＡＨＬＲＥ．Ｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｄａｔａｆｏｒｔｗｏ－ａｎｄｔｈｒｅｅ－ｂｕｃｋｅｔＳａｖｏｎｉｕｓｒｏｔｏｒ［Ｊ］．ＡＩＡＡＪｏｕｒｎａｌｏｆ
Ｅｎｅｒｇｙ，１９７８，２（３）：１６０－１６４．
［３］ＵＳＨＩＹＡＭＡＩ．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｄｅｓｉｇｎｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｆｏｒＳａｖｏｎｉｕｓｒｏｔｏｒｓ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓｏｆ
ＪＳＭＥ，１９８６，５２（４８０）：２９７３－２９８２．
李岩，等叶片重叠比对Ｓａｖｏｎｉｕｓ风力机性能的影响。