S型风力机气动设计

S型风力机其风轮的外形是由两半圆筒叶片交 错而成，其横截面呈“S”型，外形如图1所示。
S型风力机是典型的阻力型垂直轴风力机。 Savonius风轮是由两半圆筒叶片交错而成，其横截 面呈“S”型。风轮的运动主要是作用在叶片上的阻 力差造成的[1-4]。S型风力机的优点：结构简单，易于 加工，运行不受风向限制，无需偏航结构；启动扭矩 大 ，启 动 风 速 较 低 ；抗 风 能 力 强 ，尤 其 是 在 大 风 速 下，当水平轴风力机停机的情况下，S型风力机依旧 可以运行；发电机等机构安装在较低的位置，易于 维护[5-8]。目前，S型风力机广泛应用于风光互补供电 系统，但是S型风力机转速低，叶尖速度与来流风速 同量级，发电并网困难；S型风力机的风能利用系数 较低，在未最优设计之前，其风能利用系数仅为高 速水平轴风力机的一半，经过优化设计，S型风力机 的风能利用系数可达到0.3[9]。
朱建勇,赵万里，刘沛清
（北京航空航天大学 流体力学教育部重点实验室，北京 100191）
Aerodynamic Design of Savonius Wind Rotors
ZHU Jian-yong, ZHAO Wan-li, LIU Pei-qing
(Key Laboratory for Fluid Mechanics of Ministry Education, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China)
4 总结
图6 不同尖速比对应下的Cp、Cm
为了增强风力机的刚度，在设计过程中考虑转
轴的存在，尽管转轴的存在对于流场有影响，但是
为了参考图6曲线，保证(ra-a)/di=1/6，并且确定转轴 直径a=10 mm。
在给定设计功率300 W，设计尖速比0.9和设计
风速为10 m/s的条件下，根据以下公式（1）—（4）可
2.2 结构级数 为了解决两叶片S型风力机较高功率系数与启
动性能差的矛盾，提出一种两叶片两级结构S型风 力机，该结构在轴向为两个S型风轮串联，在周向两 个S型风轮旋转呈90°。从图3[13]中可看出该两叶片两 级结构风力机的启动性能能够得到较好的改善。理 论上，两叶片三级结构，即结构在轴向为三个S型风 轮串联，在轴向三个风轮相互旋转呈120°，启动性能 更好，而且功率输出更平稳，但是在相同展弦比、相 同偏心率以及相同来流风速的情况下，功率系数要 比两级结构风力机功率系数要小，如图4所示[14]。
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Байду номын сангаас
第27卷 第7期
电网与清洁能源
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17(2):89-94. [6] Valdès L C, Raniriharinosy K. Low Technical Pumping of
High Efficiency[J]. Ren Energy, 2001, 24:275-301. [7] 陈培,杜绵银,刘杰平.风力机专用翼型发展现状及其关
以确定外形的参数，如表1所示。叶片厚度取2 mm，端
板的厚度取3 mm。该S型风力机气动性能如表2所
示。图7为S型风力机的三维效果图。
P=Cp·
1 2
2
ρSV∞
（1）
S=DuH
λ=(ωR)/V∞
M=Cm·
1 4
2
ρDuSV∞
（2） （3）
（4）
系统分析了影响S型风力机气动性能的外形参 数，并确定了S型风力机的外形结构和外形参数的 取值范围。为了保证S型风力机较好的启动性能和 较高的风能利用系数，S型风力机采用两叶片两级 结构，并且通过选择最优的气动外形参数，设计完 成了额定功率为300 W的S型风力机气动外形，该结 果可为同类型风力机的设计提供理论参考。
键气动问题分析[J].电网与清洁能源,2009,25(02):36-40. [8] 刘楠,廖伟丽,王伟峰.水平轴风力机风轮气动性能数值
模拟[J].电网与清洁能源,2008,24(6):54-57. [9] MENET J L. A Double-step Savonius Rotor for Lacal Produ-
数，在尖速比约为0.8时取得功率系数峰值，但是在 大尖速比下，其气动性能较差；偏心率为0.2时，功率 系数峰值较低；偏心率为0.1和0.15时，在尖速比0.9 附近取得功率系数峰值，并且功率系数在较宽的尖
速比范围内能保持较大的值。通常，偏心率e取 0.081~0.176，在这个范围内风力机能获得较好的气 动性能[9,13,15]。 2.4 叶片长度H和端板直径Df
根据L-sigma准则[10-11]，相同机械应力下S型风力 — —— —— —— —— —— —— —— —— ——
基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）。
图1 S型风力机外形
图1中，P为风力机输出功率，W；S为风力机迎风面
积，m2；Q为静扭矩，Nm；ρ为空气密度，通常取1.225
kg/m3；CQ为静扭矩系数，CQ=Q/(
图2 不同叶片数目下尖速比对应的功率系数
图3 不同叶片数目下方位角对应的静扭矩系数
在Re数为4.32×105，H为1 m，e为0.10的试验条 件下，由图3可知不同结构的S型风力机在任意初始 方位角下的静扭矩系数均为正值，当静扭矩的值超 过负载扭矩与摩擦扭矩的和，S型风力机将会启动。 同时可知两叶片风力机的最小静扭矩系数过小，在 某些方位角下启动困难。
参考文献
[1] SAVONIUS S J. The S -Rotor and Its Applications [J]. Mechanical Engineering, 1931, 53(5): 333-338.
[2] WILSON R E, LISSAMAN P B S. Applied Aerodynamics of Wind Power Machines[M].Oregon State University, 1974.
图4 不同结构下来流风速对应的功率系数
2.3 偏心率e 偏心率e是影响S型风力机性能的重要参数。不
考虑转轴直径a，在叶片数目为2，Re数为4.32×105，H 为1 m的试验条件下，偏心率对风力机性能的影响 如图5所示[13]。由图5可知偏心率为0时，相对于其他3 种偏心率，在小尖速比下能够获得最高的功率系
1 2
2
ρV∞V∞S)；H为风轮
高度，m；ω为角速度，rad/s；V∞为来流风速，m/s；N为
*
*
叶 片 数 目 ；C p 为 名 义 功 率 系 数 ，C p =ωQ/(
1 2
2
ρV∞
V∞DuH)；ra为偏心距，mm；di为半圆筒叶片直径，mm； a为转轴直径，mm；Du为旋转直径，mm；R为旋转半
叶片展弦比α的大小影响S型风力机的气动性 能。通常，较大的展弦比α能够提高风力机的性能， 当α取4.0时，可以达到最高的功率系数。端板的存在 减小了叶片尖端损失，因此端板有利于提高风力机 的性能，当端板直径Df取风力机旋转直径Du的1.1 倍，将会取得更高的功率系数[9,13]。
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朱建勇，等:S型风力机气动设计
Vol.27 No.7
H 1 909 mm
V∞ 10 m/s
表1 外形参数
di
a
Du
475 mm
10 mm
880 mm
表2 气动性能
λ
n10
P10
0.9
195 r/min 300 W
e 0.188
M10 14.64 Nm
图5 不同偏心率下尖速比对应的功率系数
3 气动外形设计
图7 三维效果图
理论上讲，利用上述的设计方法可以设计任意 给定额定功率的气动外形。然而由公式（1）、（2）知， 迎风面积与额定功率呈正比关系，随着额定功率的 增加，叶片长度和旋转半径都相应的增加，对S型风 力机的结构要求也不断提高。因此，S型风力机的额 定功率定位于百瓦级是比较合理的，这样的风力机 既可以应用在功率要求较小的领域，比如风光互补 型路灯，同时对叶片的结构要求也较容易达到。
利用效率。SANDIA国家实验室对两叶片和三叶片 的S型风力机进行了风洞试验，并获得功率系数曲 线和静扭矩系数曲线，如图2、图3所示[13]。在Re数为 8.64×105，H为1 m，e为0.15的试验条件下，由图2可 知两叶片S型风力机的功率系数高于三叶片S型风 力机的功率系数，两叶片S型风力机功率系数峰值 是三叶片S型风力机的1.5倍，而且两种不同结构风 力机的功率系数峰值发生在尖速比0.9附近。
径，mm；e为偏心率，e= ra/Du；α为叶片展弦比，α=H/di； Df为端板直径，mm；n为转速，rpm；eD为叶片厚度，mm；
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第27卷 第7期
电网与清洁能源
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CP为风能利用系数；M为扭矩，Nm；Cm为扭矩系数。
2 外形参数的最优选择
2.1 叶片数目N 半圆环叶片数目影响风力机启动性能和风能
ABSTRA CT：This paper summarizes the aerodynamic theory, advantages and disadvantages of the Savonius wind rotor. The emphasis is laid on the parameters of outline, which affect the aerodynamic performance of the Savonius wind rotor. The optimum parameters are determined on the basis of present researches. The outline of the 300 W Savonius wind rotor is designed on the basis of the optimum parameters, and the results can provide the theoretical guide to the design of the wind turbine. KEY WORDS: Savonius wind rotor; wind turbine; parameters of outline 摘要：概述S型风力机的工作原理以及优缺点。系统分析了 影响S型风轮气动性能的外形参数，总结出S型风力机达到最 优气动性能时的外形参数。以最优外形参数为基础设计完成 额定功率为300W的S型风力机的气动外形，所得结果可以同 类型风力机的设计提供理论指导。 关键词：S型风轮；风力机；外形参数
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第27卷 第7期 2011年7月
文章编号：1674- 3814（2011）07- 0058- 04
电网与清洁能源 Power System and Clean Energy
中图分类号：TK83
Vol.27 No.7 Jul. 2011
文献标志码：A
S 型风力机气动设计
机单位宽度功率约是高速水平轴风力机的2.8倍。因 此，S型风力机风能尽管利用系数不高，但是不能否 认S型风力机是有效的产能机械[12]。
S型风力机的气动性能主要取决于气动外形参 数的选取，因此，本文系统分析了影响对气动性能 的主要参数，并且给出了S型风力机达到最优气动 性能时的气动外形参数。
1 主要参数
在对300 W风力机气动外形设计过程中，采用 两叶片两级结构，而且两级结构的气动系数，即扭 矩系数Cm和风能利用系数CP，要略高于单级结构的 气动系数。图6给出了e=1/6的两叶片单极结构S型风 力机的试验气动性能曲线，从图中可以确定不同尖 速比下的扭矩系数Cm和风能利用系数CP。尽管图6给 的是单级结构的试验曲线，但是对于设计两级结构 风力机气动外形仍具有重要的参考价值。
[3] 黄知龙,刘沛清,赵万里.某兆瓦级水平轴风力机叶片气动 设计和性能评估[J].电网与清洁能源,2010,26(1):68-72.
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