旋风风能提水系统的研究
摘 要 ：旋风风能提水系统由扩压旋风塔和气压差提水装置组成。气流进入旋风塔后产生强涡，在底部形成低压区域，气压差提水装置利用此低压实现提水。本文报道了这种新型风力提水系统的模型实验结果，指出了进一步的研究方向。关键词 ：风能；旋风塔；气压差提水装置
中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：
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Investigation of tornado-type wind-powered water-pumping system
Wei Tao
Abstract: Tornado-type wind-powered water-pumping system consists of Tornado-type tower and pressure difference water-elevating device. The flow entering the tower forms a strong vortex which creates a low pressure region at the bottom of tower, and this low pressure makes it possible for the pressure difference water-elevating device to lift water. In this paper, the model tests of the wind-powered water-pumping system was conducted and the results of the tests prove that the principle of the system is correct.
Key words: wind energy, tornado—type tower, pressure difference water—elevating device
0 、前 言
扩压旋风风能提水系统不同于常规的水平轴式和竖轴式风力机，它不需要风力透平和通常意义上的水车。该系统由扩压旋风塔和气压差提水装置组成。旋风塔的功能是在塔底造成低压区，气压差提水装置的功能则是利用低压条件实现提水。图1为该系统的示意图。
图1旋风风能提水系统示意图
Fig.1 Sketch map of tornado-type wind-powered water-pumping system
1、 扩压旋风风能系统气动性能试验
迄今普遍应用的风力装置都是将透平叶片直接置于自由来流中的Betz型风能系统。在一般情况下，自然风的能流密度很低。虽然常规风能系统的风能名义利用系数的理论极大值为0.593，但若增加风力透平的功率，则必须增大其直径。而风能透平的叶片长度受结构、强度以及材料的限制，这是发展大型风能系统所面临的困难之一。
旋风型风能装置（Tornado Type Wind Energy System）的概念是由YEN J T.提出的。在旋风塔的四周装有可调叶栅，迎风方向叶片打开，背风方向叶片关闭。根据角动量守恒定律，风进入塔后即开始旋转，在塔中形成一个低压核心，与外界形成很大压差。这个低压区为透平或提水装置提供了作功的低背压条件。普通风能装置只利用风的功能,而旋风型风能装置除了利用风的动能外,还可利用风的压能,提高功率输出。文献指出，旋风塔的风能名义利用系数随雷诺数和旋风塔的几何参数而变化，塔高和塔径之比是影响低压区压力的重要因素。从旋涡强度和塔的造价进行综合考虑，选取高度/直径比为1是适宜的。
自旋风风能系统问世以来，国内外进行了许多理论和实验研究，力求设法造成更低的背压，以提高透平功率。文献提出了高度聚集风能的设想。如果把这种设想应用于旋风塔，可以预料：（1）在旋风塔出口配以扩压器，将可能增大通过旋风塔的流量，增强旋涡强度，从而进一步降低塔底压力；（2）若能进一步降低扩压器出口压力，则可能进一步增大通过旋风塔的流量，从而增强旋涡强度，降低塔底压力。
根据上述设想，我们提出了一个装有扩压器及降压挡板的旋风塔。为了说明扩压器及降压挡板的效应，在相同来流条件下，对一般旋风塔及具有扩压器和降压挡板的旋风塔进行对比试验。结果表明，后者塔底压力系数的绝对值成数倍地高于前者，透平功率系数亦远高于前者。
1.1 、试验装置
实验中采用的旋风塔模型是截面周线为对数螺线的柱体。实验中旋风塔倒置，如图2（a）所示，塔的出口向下，在出口安装扩压器，并在扩压器迎风面边缘安装降压挡板。为测量方便，故意延长了进口段，另将模拟透平安装在水平段。作为对比的无扩压器及挡板的旋风塔如图2（b）所示，塔的出口向下，进口朝来流方向。为测量零功率时的顶部压力，可将进口段换成开有测压孔的平板，测压孔位置如图3所示。模型被安装在低速风洞中。为叙述方便起见，我们称图2（a）所示的装置为模型A，称图2（b）所示的装置为模型B。
图2 旋 风 风 能 装 置
Fig.2Tornado-type wind-powered device
图3 塔顶测压孔分布
Fig.3 Measure pressure hole distribution in tower top
1.2 、性能试验结果
1.2.1、顶部压力系数Cp
Cp=P—P∞/0.5ρV2∞ ， 式中, P∞、V∞为来流压力和速度，P为当地压力。图4同时给出了模型A、B的顶部压力系数。
由图4所见， （Cpmax）A≈4(Cpmax)B
因此，扩压器与挡板起到了大幅度降低塔顶压力的作用。
X—模型A，O—模型B，试验风速V∞=16.45m/s
图4塔顶压力系数分布
Fig.4 Pressure coefficient distribution on tower top
1.2.2、透平功率及风能名义利用系数
透平功率Nt由下式确定：Nt=△PtVtAt , 式中，△Pt为透平前后压力差, Vt为气流在透平段截面积上的速度,At为透平段截面面积。
透平的风能名义利用系数定义为： εt=Nt/0.5ρV3∞At
图5同时给出了模型A、B的透平功率及透平的风能利用系数。
由图5可见： （Nt）A≈1.7（Nt）B ， (εt)A≈1.7（εt）B
因此，扩压器和挡板能大幅度降低透平背压，从而大幅度提高它的功率。
1.3 、讨论
1.3.1、试验表明，在旋风塔出口增设扩压器和降压挡板确实可以成倍地降低旋风塔底部压力系数，从而大幅度地提高风力透平功率。实验发现，只有当扩压器和挡板同时被采用时，效果才显著。如果没有挡板，旋转气流通过扩压器排出时受到塔顶自由来流的强烈干扰，使气流在扩压器处分离，扩压器不能发挥应有的作用。
1.3.2、本系统的风能名义利用系数可以较常规系统高出数倍，从而在风力透平尺寸相同的条件下，输出功率得以大幅度增加。
1.3.3、增加模型B的高度虽然也能降低塔顶压力，但其效果仍不如模型A。试验表明：
（Cpmax）A≈2(Cpmax)B
X—模型A，O—模型B，试验风速V∞=16.45m/s
图5透平功率及风能 图6气压差提水
名义利用系数 装置原理图
Fig.5 Power of turbine and Wind Energy Fig.6 Principle figure of pressure
utilization coefficient in name difference water—elevatingdevice
2 、气压差提水装置工作原理
为了有效利用扩压旋风塔底部中心的负压，我们提出了气压差提水装置，以求利用低压直接提水。由于扩压旋风塔在低于8m/s风速下工作时，其底部中心与外界的压差至多是392Pa，故这种提水装置的核心在于分级，将水逐级提高。图6为气压差提水装置原理图。装置由结构相同的许多级组成，每一级装有单向阀（使水在气压差作用下流入上一级，但不能倒流）。所有单数级的气路相通，所有双数级的气路也相通。假设开始工作时所有单数级中都储满了水，而双数级中无水。于是先使单数级通高压气源(大气压),同时双数级通低压气源（扩压旋风塔中心低压）。在气压差作用下，水就由单数级流入相邻的上一级双数级中。待所有单数级的水都流入双数级后，马上将单、双数级的气源切换，使水进一步上流。如此不断地切换气路，就将水池中的水（水面高度应保持不变）不断地抽吸上来。
从上述的工作过程可以看出：只有当高、低压气源的压差满足△P≥2ρ水gH(H为提水装置单级高度)时，装置才能正常工作，而级数的多少则由扬程决定。
排水管设计成图7所示的U形管形式，是为了保证在最上一级处于低压状态时，U形管的水形成一段水封。其作用也可以用一单向阀代替（当水向外排出时，单向阀导通）。这样大气就不会经排水管吸入第一级中。出水口的高度应低于第一级最低水位，U型管的高度应大于两倍的单级高度（对应于最大压差）。
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图7排水管设计原理示意图
Fig.7 Design principle Sketch map of drain pipe
从以上说明可知，这个装置可以利用所提供的负压提水，此时大气为高压气源。由于只须提供一定的气压差，该装置即可以提水，所以称为气压差提水装置。
3、 扩大旋风风能提水系统的实验研究
3.1、 实验装置
如图8所示,旋风塔模型作为气压差提水模型的低气压源,来流的滞止压力为高压,用倾斜式微压计测量高、低压气室的压差△P。
3.2 、来流速度确定
由于是低速流动，来流可看作不可压理想流体，由伯努利方程可得：
P∞+0.5ρV2∞= P0， V∞=〔2(P0—P∞)/ρ〕1/2
图8 实 验 装 置
Fig.8 Test device
若用液柱式压力计测量压差，则 P0—P∞=ρ液g△h, △h为压力计读数（长度单位）。
把来流看作完全气体，如液柱式压力计的工作液体为水，当△h以作单位时，近似有V∞≈4（△h）1/2
对于倾斜式微压计，如工作液体为水时，则V∞≈4（k△l）1/2 ，其中△l为微压计读数，k为倾斜系数。
在不要求精确测量风速时，可以采用上列公式进行计算，十分方便。如果要准确确定风速，则应根据实验时的大气压力及温度确定空气密度ρ。
3.3、 实验结果
实验中测得来流风速为V∞=8.9，提水扬程为450（试验中采用的提水装置为20级）时，对于不同的底板孔径所得的结果列于表1。
表 1对 于 不 同 的 底 板 孔 径 所 得 的 结 果
Table1results of different bottom plate hole diameter
旋风塔底板
孔径d(mm) 10 15 20 25
两气室压差
△P（Pa） 521.36 419.44 392.00 321.44
提水量Q（l/h） 39.8 41.2 37.5 22.5
Cp=
△P/0.5ρV2∞ 5.3 8.6 8.0 6.6
d/d0 0.12 0.17 0.23 0.29
*d0=2r0为旋风塔底板螺旋线基圆直径，本次试验中d0=86；d为底板孔径（见图9）。
由上可知，底孔直径d不是任意选取的。在旋风塔特征尺寸不变的情况下，底孔直径d增大，则Cp必然减小，气流量增大；反之亦然（Cp与d的关系见图10）。由于要求旋风塔能够提供尽量大的压差，同时又要有足够的气流量，所以在设计提水模型时必须选择一个最佳孔径比d/d0，这时，风能名义利用系数εt最高。根据试验：孔径比d/d0=0.17时，提水量最大，这时Cp =10。在孔径比为0.13-0.20的范围内，提水量变化不大。
图9 旋风塔模型底板结构 图10 底板孔径d的选取
Fig.9Bottom plate structure of Fig.10Selecting of bottom
tornado—type tower model plate hole diameter d
4、 结 论
扩压旋风风能提水系统的原理正确，而且有希望实用化。作为一种新型的风力提水装置，它具有结构简单、系统效率高、安全可靠、管理方便等优点。为了将系统推向实用，需要解决以下三个问题：（1）缩小旋风塔尺寸；（2）提高εt，即尽可能使底部压力系数Cp和“抽气”流量都增大；（3）在较小风速下（4-5 m/s）能正常工作。
参考文献:
Yen J T., Tornado-type wind energy system, In Proceedings of the 10th Intersociety Energy Conference, Eng.Conf.2000, 987-994.
Pan W Q. An Analysis of Energy Conversion Process of Tornado-Type Wind Energy Water–Pumping System. In Proceedings of the 12th Intersociety Energy Conference, Eng.Conf.2002, 532-538.-%-88893-%-
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