对转式垂直轴风力机气动性能研究

曹 宇， 韩兆龙,b， 周 岱,b,c， 雷 航

(上海交通大学 a. 船舶海洋与建筑工程学院； b. 海洋工程国家重点实验室上海； c. 高新船舶与深海开发装备协同创新中心， 上海 200240)

垂直轴风力机因控制系统简单、整体受力合理等优势在海上风电产业中应用广泛[1].但是，复杂的海洋风环境，如风速过大、风向多变会导致垂直轴风力机的转子产生极大的转矩，造成底部浮式平台失稳.对此，学者们对海上垂直轴风力机的稳定性进行了研究.徐应瑜等[2]在单柱式平台的底部附加3根约束锚链，研究了10 MW浮式风机在极端风浪条件下的运动特性.刘中柏等[3]通过控制垂荡板的边长和面积，研究了海上风电浮式基础的运动特性.但是，以上方法均会增加海上风电的工程成本.同轴对转式垂直轴风力机是在同一支撑轴上设置上、下共2个转动方向完全相反的风力机转子，通过结构优化，在保证浮式平台稳定性的基础上，控制工程的成本.

目前，针对同轴对转式垂直轴风力机的研究较少，本文的部分研究借鉴Lam等[4]关于同平面对转式垂直轴风力机的成果：该类型风力机的结构的稳定性更高，尾端脱落涡消散更快，风能利用率更高.基于该成果，采用计算流体力学(CFD)数值模拟方法，对比在不同的叶尖风速比(TSR)下，对转式与独立式垂直轴风力机的空气动力响应情况，包括转子的转矩和风力机的风能利用效率以及涡量场分布情况，进而研究对转式垂直轴风力机的气动和稳定性能……