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外文翻译修订版解读

螺旋萨沃纽斯转子性能试

M.A.Kamoji，S.B.Kedare，S.V.Prabhu

a印度理工学院，能源科学与工程系，孟买

b印度理工学院，机械工程系，孟买

论文信息

关键词：

螺旋萨瓦纽斯转子，常规萨瓦纽斯转子，功率因数，静态扭矩系数

摘要

一定的转子角度下，常规萨沃纽斯转子具有高的静态扭矩系数，在一个周期的360°中，从135°到165°和从315°到345°为负转矩系数。

为了降低静态扭矩从0°到360°中的这种变化，提出了螺旋90°的螺旋萨伏纽斯转子。

在这项研究中，螺旋萨瓦纽斯转子的测试是在开放式风洞中进行的。

实验测试了静态转矩系数，每个萨瓦纽斯转子的力矩系数和功率系数。

实验比较了在端板间有轴、无轴的螺旋转子的性能，即其重叠率分别为0.0，0.1和0.16.。

无轴型螺旋萨瓦纽斯转子也与常规萨瓦纽斯转子比较了性能。

结果表明，在所有的转子角内，全部的螺旋萨瓦纽斯转子具有正的静态转矩系数。

有轴的螺旋转子动力系数比无轴螺旋转子要低。

实验发现无轴螺旋转子重叠率为0，纵横比为0.88，这使它与常规萨瓦纽斯转子具有相同的功率系数。

通过对一系列雷诺数的研究，有关螺旋萨瓦纽斯转子扭矩系数和功率系数相关性的研究正在进行。

一、简介

萨瓦纽斯[1]转子的“S-形状”截面是由两个半圆桶构造的。

萨瓦纽斯转子的概念基于Flentter提出的原理。

它结构简单，具有良好的起动特性，工作在相对较低的运行速度，并具有接受来自任何方向的风的能力。

它的气动效率低于其他类型的风如达里厄型和螺旋桨转子风机。

萨沃纽斯转子被认为是一个阻力机。

这意味着它主要的驱动力是风作用在叶片上的阻力。

然而，在低角度作用时，升力也有助于转矩的产生[2]。

因此，萨伏纽斯转子是不是一个纯粹的阻力机而是一个混合机，因此可以超越CP主要阻力式机械的限制（由Manwell等人做的，CPMax就是四分之一0.08平板式涡轮[3]。

虽然传统的萨沃纽斯转子的气动效率低，但其具有高起动转矩、高静态扭矩系数。

因此他们被用作具有较低启动转矩的其他类型风力机的启动器。

虽然启动转矩很大，但它在所有转角是不均匀的。

在特定的转子角度，常规萨沃纽斯转子不能自己启动，因为其静态扭矩系数是负的。

从135°到165°和从315°到345°范围内，常规萨沃纽斯转子是具有负转矩的转子。

资料表明，两阶和三阶的常规萨瓦纽斯转子可以克服负扭矩的问题[4,5]。

然而，随着阶数的增加，最大功率会像Kamoji和Hayashi[5]等人报道的一样变小。

每个叶片相隔120°的三叶片一阶转子的应用也减少了转子扭矩在一个周期内的变化，但功率因数也像Shankar[6]和Sheldahl等人报道的一样减小。

Saha和JayaRajkumar[8]报道说，相比于常规三叶片萨瓦纽斯转子0.11的功率系数，扭转15°的三叶片萨瓦纽斯转子具有最大的功率系数为0.14（叶尖速比为0.65）。

螺旋萨沃纽斯转子可以提供正的静态转矩系数。

螺旋线可以被定义为由一个在旋转圆筒上的以恒定的速度（恒定角速度）垂直移动的标记生成的曲线。

图1显示了一个单螺旋转子叶片。

内边保持垂直，而外层边缘经历了一个90°的扭转（四分之一圆周的扭转）。

从底面（0°）到顶部（90°），叶片保留它的圆形截面。

在这个研究中，这样两个叶片的组合成为螺旋萨瓦纽斯转子。

虽然可以保证具有正的静态扭矩系数，但，是在公开资料中并没有螺旋萨瓦纽斯转子的信息。

因此，本次实验的主要目的是研究重叠率（0.0，0.1和0.16），纵横比（0.88，0.93和1.17）和雷诺数对一个扭转90°、雷诺数在120000到150000之间的无轴螺旋转子的功率系数、静态扭矩系数的影响。

也包括轴的存在对90°螺旋转子的影响。

这些实验的结果将与常规萨瓦纽斯转子相比较。

图1一个单一的旋转子叶片示意图

1．滑轮

2.尼龙绳

3.称量盘

4.弹簧平衡装置

5.螺旋萨瓦纽斯转子

6.轴

7.支撑台

图2该装置示意图

二、实验装置和程序

统一的主流是由一个由两个7.4千瓦的反向旋转风扇驱动的开放式风洞产生的。

空气出口方有400 毫米X400毫米的风洞出口收缩喷嘴。

转子被放置在距风轮喷嘴出口750毫米的下方，以保证转子转动或者静止时的中心与风轮出口中心在同一直线上。

在250毫米X250毫米的中心区域的1%范围内，被测的速度分布在转子上的位置是统一的。

本次研究中，所有被测试的螺旋转子模型的最大尺寸在250毫米X250毫米之内。

图2显示了进行螺旋萨瓦纽斯转子测试的实验装置示意图。

实验装置包括由螺栓与钢板构成的螺旋萨瓦纽斯转子放置结构。

低碳钢板通过垫圈和螺母放置。

螺栓连接在低碳钢板上的两个轴承（UC204,NTN造）支撑着螺旋转子。

螺母和螺栓的使用，方便了在风洞中心对不同直径和转子中心具有不同位置的转子进行更换。

风速通过一个连接到微压计（FC012，弗内斯控制造）的皮托管测定。

制动鼓的测力仪用于加载螺旋萨瓦纽斯转子。

称量盘、皮带轮和弹簧平衡装置（Salter制）通过直径为1毫米的钓鱼用尼龙线连接。

对螺旋萨瓦纽斯转子转矩来说，摩擦是影响测量的重要参数。

轴承的摩擦以及缠绕在转子上的直径1毫米的尼龙绳的摩擦必须最小化。

在安装之前，把轴承中的密封件拆除，然后放在汽油中清洗以去除油污可以减小摩擦。

根据给定雷诺数调整风速，转子可以在空载速度开始转动。

转子的旋转速度由非接触式转速表记录。

在读数之前，每个轴承喷洒干湿40（一种商用喷雾）润滑油。

转子逐渐加载来记录弹簧平衡装置读数，权重以及转子转速。

在给定的转子角下，用制动鼓的测量系统所测得的数据来计算转子的静态力矩。

每隔15°转子角进行一次静态力矩的测量。

在一个给定风速下，转子加载使其在给定的转子角下不再转动。

记录负载值和弹簧平衡装置读数来计算在一个给定转子角的静态力矩。

参数说明

A

纵横比

M

质量（千克）

A

B

Cp

Cpmax

Ct

Cts

Ctsmax

Ctsmin

D

Do

H

Hw

重叠距离（米）

堵塞比

功率因数

最大功率系数

力矩系数

静态力矩系数

最大静态力矩系数

最小静态力矩系数

转子直径（米）

端板直径（米）

转子高度（米）

风洞出口高度（米）

R

Re

rrope

rshaft

S

T

TS

TSR

U

希腊符号

ρ

μ

ω

叶片半径（米）

雷诺数

绳的半径（毫米）

轴的半径（毫米）

弹簧平衡读数（克）

转矩（牛顿每米）

静态力矩（牛顿每米）

叶尖速比

自由流风速（米每秒）

空气密度

空气绝对粘度（帕）

转子角速度（弧度每秒）

三、数据处理

雷诺数由转子直径确定

（3-1）

其中，Re为雷诺数，ρ为空气密度，U为自由流速，D为转子直径，M为空气绝对粘度。

叶尖速比由下式确定

（3-2）

其中ω为转子角速度。

转矩由负载和弹簧平衡装置读数计算所得

（3-3）

其中，M为负载，S为弹簧平衡装置载荷，rshaft为轴半径，rrope为尼龙绳半径。

扭矩系数（CT）,静转矩系数（CTS）,功率系数（CP）由下式可得

（3-4）

（3-5）

（3-6）

堵塞比（B）由下式可得

（3-7）

其中，Hw是风洞出口高度，W是风洞出口宽度。

表1各种参数的不确定性

参数

不确定性（%）

叶尖速比

2.5

静态扭矩系数

4.5

功率系数

4.8

在所有研究的螺旋转子模型中，最大堵塞比不超过39%。

正如Kamoji等人所研究的那样，在开放式风洞实验中堵塞比对Cp，Ct和Cts的影响可以忽略不计。

部分基本参数具有不确定性，其中静态转矩系数和功率系数的不确定性在表1中给出。

在功率系数最大时，静态扭矩系数和功率系数的不确定性分别在4.5%和4.8%左右。

不确定度的计算基于Moffat[10]等人的研究内容。

表2研究中螺旋萨瓦纽斯转子的直径、重叠率、纵横比的细节

转子号

重叠率（a/D）

纵横比（H/D）

转子直径D（mm）

1

有轴

1.0

224

2

0.0

0.88

230

3

0.0

0.93

230

4

0.0

1.2

211

5

0.1

1.0

215

6

0.16

1.0

215

四、实验中的转子

扭转90°的螺旋萨瓦纽斯转子（在端板之间有无轴）是在原型快速制造机上生产的。

图（3）a为一个在端板间有轴的螺旋萨瓦纽斯转子。

两个扭转90°的螺旋萨瓦纽斯转子以一个合适的重叠率组合在一起获得无轴螺旋萨瓦纽斯转子。

图（3）b为在某个重叠率的无轴螺旋萨瓦纽斯转子。

表2说明了在这次研究中包括的有轴螺旋萨瓦纽斯转子（转子1）、无轴螺旋萨瓦纽斯转子（转子2，3，4，5，6）的配置。

所有螺旋萨瓦纽斯叶片都是由ABS塑料材料制造的（基于丙烯腈丁二烯––热塑性类苯乙烯共聚物）。

叶片厚度为4毫米。

转子顶部和底部由10毫米厚的亚历克板覆盖。

在顶部和底部的圆端板直径为转子直径的1.1倍。

如图（3）所示，两轴的不锈钢壳体固定在两个圆端板上。

图3（a）为端板间有轴的螺旋萨瓦纽斯转子，（b）、（c）为端板间无轴的螺旋萨瓦纽斯转子的两种视角

1端板

2转子叶片

R为转子叶片半径

D为转子直径

a为重叠距离

H为转子高度

Do为端板直径

图4两个重叠的单阶常规萨瓦纽斯叶片（端板之间无轴）

图5雷诺数为120000时，扭曲90°的螺旋萨瓦纽斯转子的功率系数，扭矩系数，静态扭矩系数的变化

图6雷诺数为150000时，螺旋萨瓦纽斯转子功率系数，扭矩系数，静态扭矩系数的变化

表3重叠率为0.01，0.16的有轴、无轴螺旋萨瓦纽斯转子的功率系数及对应的叶尖速比

表4有轴、无轴螺旋萨瓦纽斯转子静态转矩系数的最大最小值及相应的转子角

图7雷诺数为120000时，纵横分别为0.88，0.93，1.17时，螺旋转子功率系数，扭矩系数，静态扭矩系数的变化

图8不同雷诺数下螺旋萨瓦纽斯转子功率系数，扭矩系数，静态扭矩系数的变化

表5重叠率为0.0的螺旋萨瓦纽斯转子在叶尖速比改变时功率系数的变化

图9雷诺数为120000时，常规萨瓦纽斯转子和螺旋萨瓦纽斯转子功率系数，扭矩系数以及静态扭矩系数的变化

图10雷诺数为150000时，常规萨瓦纽斯转子和螺旋萨瓦纽斯转子功率系数，扭矩系数以及静态扭矩系数的变化

表6重叠率为0.0，0.1的螺旋萨瓦纽斯转子和重叠率为0.15的常规萨瓦纽斯转子的最大功率系数的对比

表7重叠率为0.0，0.1的螺旋萨瓦纽斯转子和重叠率为0.15的常规萨瓦纽斯转子静态扭矩系数的最大最小值及相应的转子角

图11当雷诺数为86600到202000之间的不同值时，螺旋萨瓦纽斯转子CT，TSR的变化

图12当雷诺数为处于86600到202000之间的不同值时，螺旋萨瓦纽斯转子的相关曲线

图13雷诺数为202000时，螺旋萨瓦纽斯转子功率系数实验结果与相关结果的对比

螺旋萨瓦纽斯转子的性能与常规萨瓦纽斯转子进行比较。

图（4）显示了一个重叠率（重叠距离（a）和叶片直径（D）的比例）为0.15的双叶片常规萨瓦纽斯转子。

按照有关常规萨瓦纽斯转子的文献[7,11,12]所记，重叠率0.15是转子功率系数的曲线的最优点。

顶部和底部的圆端板直径为转子直径的1.1倍。

在顶部和底部圆端板之间无中心轴。

图14当雷诺数为144300，173100，202000时，螺旋萨瓦纽斯转子扭矩系数实验结果与相关结果的对比

五、结果与讨论

螺旋萨瓦纽斯转子在雷诺数为12000到15000时进行实验。

实验目的是确定功率系数，扭矩系数，静态扭矩系数。

在0°到360°中，每隔15°得到一个静态扭矩系数。

无轴螺旋转子在重叠率分别为0.0，0.1，0.16下进行实验。

将无轴螺旋萨瓦纽斯转子的性能与有轴螺旋萨瓦纽斯转子进行对比。

与重叠率为0.1，0.16时相比，重叠率为0.0时，螺旋转子具有最大功率系数。

重叠率为0.0的螺旋转子又在纵横比分别为0.88，0.93，1.17时进行对比。

其中，纵横比为0.88的螺旋转子比纵横比为0.93，1.17的转子功率系数更高。

最后将重叠率为0.0，纵横比为0.88的螺旋萨瓦纽斯转子与常规萨瓦纽斯转子在不同雷诺数下进行比较。

5.1重叠率的讨论

图5和图6分别表示了有轴、无轴转子（重叠率为0.0，0.1，0.16）在雷诺说处于12000至15000时的功率系数，扭矩系数，静态扭矩系数。

可以观察到，在达到最大值之前，功率系数随着叶尖速比的增大而增大。

随着叶尖速比的进一步增大，功率系数反而会减小。

在本次研究的所有转子中，有轴螺旋萨瓦纽斯转子的功率系数最低（0.092）。

在研究中的三种重叠率中，无轴螺旋萨瓦纽斯转子在重叠率为0.0时具有最大的功率系数。

表3显示了在本次研究中，当雷诺数处于12000到15000之间时，不同螺旋萨瓦纽斯转子的最大功率系数和叶尖速比。

可以观察到无轴螺旋萨瓦纽斯转子在功率系数随着重叠率的增大而减少时的叶尖速比。

当雷诺数为15000，叶尖速比为0.9，重叠率为0.0时，无轴螺旋萨瓦纽斯转子的最大功率系数在0.175左右。

当功率系数为最大值时，叶尖速比似乎对雷诺数比较敏感。

表4显示了静态扭矩系数的最大最小值以及相应的转子角。

有轴和无轴的螺旋萨瓦纽斯转子（重叠率为0.0，0.1，0.16）在所有的转子角下都具有正的静态扭矩系数。

与重叠率为0.0，0.16相比，重叠率为0.1的螺旋萨瓦纽斯转子静态扭矩系数最大值和最小值之间的百分比变化是最小的。

可以观察到，对于有轴和无轴螺旋萨瓦纽斯转子（重叠率为0.0）在转子角处于60°到120°或者240°到300°之间时，静态扭矩系数煤没有急剧增加。

这种静态扭矩系数的急剧增加在重叠率为0.1，0.16的转子中是可以观察到的。

这一增长可能是由于叶片间的重叠。

5.2纵横比的影响

图7显示了当雷诺数为12000时，纵横比对一个扭曲90°的螺旋萨瓦纽斯转子的功率系数，扭矩系数，静态扭矩系数的影响。

与纵横比为0.93（最大功率系数为0.16，叶尖速比为0.74）的螺旋转子相比，纵横比为0.88（最大功率系数为0.165，叶尖速比为0.7）的螺旋转子性能略高。

当转子的纵横比为0.88时，其静态扭矩系数为0.27到0.0038不等，当转子的纵横比为1.17时，其静态扭矩系数为0.17到0.04不等。

当转子的纵横比为0.93时，其静态扭矩系数为0.08到0.33不等。

5.3雷诺数的影响

重叠率为0.0的螺旋萨伏纽斯转子在实验中测试不同的雷诺兹数对应风速为4米/秒，6米/秒，8米/秒，10米/秒，12米/秒和14米/秒。

图8显示了重叠率为0.0，纵横比为0.88的转子的功率系数，扭矩系数，静态扭矩系数在不同雷诺数时的变化。

表5给出了在不同雷诺数下的最大功率系数及对应的叶尖速比。

最大功率系数随着雷诺数的增大而增大。

Sheldahl[6]等人提出对于常规萨瓦纽斯转子（转子直径给定）在高风速下，叶片周围的延迟分离可能是导致最大功率系数随着雷诺数的增大而增大的原因。

对于常规萨瓦纽斯转子，最大功率系数的这种随着雷诺数的增大而出现的增大也被Shankar、Sheldahl[7]等人提出。

研究发现，当雷诺数处于57700到202000之间时，功率系数最大时的叶尖速比随着雷诺数的增大而增大，叶尖速比为0.71时，最大功率系数为0.2.当叶尖速比为0.65到0.71之间时，功率系数最大。

在研究中，静态扭矩系数与雷诺数几乎无关。

这些关于常规单阶，两阶，三阶萨瓦纽斯转子的结论也是由Kamoji[4]和Hayashi[5]等人提出来的。

5.4螺旋萨瓦纽斯转子与常规萨瓦纽斯转子的比较

图9和图10分别显示了在雷诺数处于120000到150000之间时，螺旋萨瓦纽斯转子（重叠率为0.0，0.1）和常规萨瓦纽斯转子（重叠率为0.15）的功率系数，扭矩系数和静态扭矩系数。

在开放式风洞实验中，常规萨瓦纽斯转子在重叠率为0.16时具有最大的功率系数[12]。

表6显示了螺旋萨瓦纽斯转子（重叠率为0.0，0.1）和常规萨瓦纽斯转子（重叠率为0.15）关于最大功率系数以及对应的叶尖速比的对比。

螺旋萨瓦纽斯转子（重叠率为0.0）的最大功率系数与常规萨瓦纽斯转子具有可比性。

螺旋萨瓦纽斯转子最大功率系数的叶尖速比比常规萨瓦纽斯转子的要低。

重叠率为0.1的螺旋萨瓦纽斯转子的功率系数比常规萨瓦纽斯转子的低。

这导致在给定风速下，螺旋萨瓦纽斯转子的运行速度较低。

较低转速导致了大型螺旋萨瓦纽斯转子低振动的相关问题。

表7显示了螺旋萨瓦纽斯转子（重叠率为0.0，0.1）和常规萨瓦纽斯转子功率系数的最大、最小值以及相对应的转子角。

常规萨瓦纽斯转子具有负的静态扭矩系数表明它在这些角度不会运转。

它在静态扭矩系数的最大、最小值之间具有最小的变化是可取的。

最小静态转矩系数须大于摩擦转矩和外部负载转矩之和。

重叠率为0.1的螺旋萨瓦纽斯转子的静态扭矩系数具有最小的变化，并且是所研究转子中静态扭矩系数最小的。

5.5螺旋萨瓦纽斯转子性能的相关性

在所研究的螺旋萨瓦纽斯转子中，重叠率为0.0，纵横比为0.88的螺旋萨瓦纽斯转子具有最大的功率系数。

图11显示了单阶螺旋萨瓦纽斯转子在不同雷诺数（86600，100000，1154000，120000，144300，173100和202000）下扭矩系数的变化。

如图12所示，这些曲线几乎合成了一条扭矩系数和雷诺数的关系曲线。

相关方程是线性的并且适用与叶尖速比为0.6的情况。

利用相关性所算得的参数Ct/Re0.3与实验结果相比误差在6%之内。

以下是雷诺数在86600到202000之间变化时重叠率为0.0，纵横比为0.88的螺旋萨瓦纽斯转子的关系式。

利用螺旋萨瓦纽斯转子的相关方程得到的功率因数、力矩曲线系数的性能曲线如图13，14所示。

根据发现的相关性计算所得的功率系数和扭矩系数与实验结果之间的误差小于5%。

六、结论

重叠率为0.0，0.1，0.16的螺旋萨瓦纽斯转子实验是在开放式风洞中进行的。

实验研究了重叠率，纵横比和雷诺数对螺旋萨瓦纽斯转子性能的影响。

这些结果与文献中的常规萨瓦纽斯转子进行比较。

本次研究所得结论如下：

1.当叶尖速比为0.9时，有轴螺旋萨瓦纽斯转子有最小功率系数为0.09。

2.与重叠率为0.1，0.16时相比，当雷诺数为150000时，重叠率为0.0的无轴螺旋萨瓦纽斯转子具有最大功率系数约为0.174.

3.当螺旋萨瓦纽斯转子纵横比较低为0.88时，其性能比纵横比为0.93，1.17时要好。

4.重叠率为0.0的无轴螺旋萨瓦纽斯转子的功率系数与常规萨瓦纽斯转子基本相同

5.螺旋萨瓦纽斯转子对雷诺数变化敏感。

雷诺数增大，转子的最大功率系数增大。

6.本次研究中的全部螺旋萨瓦纽斯转子在所有的转子角下的静态扭矩系数都是正的。

然而，对于常规萨瓦纽斯转子，静态扭矩系数在某些转子角是负的。

7.一个重叠率为0.0，纵横比为0.88的螺旋萨瓦纽斯转子的相关方程是在雷诺数处于86600到202000之间时研究得到的。

参考文献

[1]SavoniusSJ.TheS-rotoranditsapplications.MechEng1931;53:

333–8.

[2]ModiVJ,FernandoMSUK.OntheperformanceoftheSavoniuswindturbine.J

SolEnergyEng1989;111:

71–81.

[3]ManwellJF,McGowanJG,RogersAL.Windenergyexplained:

theory,design

andapplication.England:

JohnWiley;2002.

[4]KamojiMA,PrabhuSV,KedareSB.Experimentalinvestigationsonsingle,twoand

threestageconventionalSavoniusrotor.IntJEnergyRes2008;.doi:

10.1002/er.1399.

[5]HayashiT,LiY,HaraY.Windtunneltestsonadifferentphasethree-stage

Savoniusrotor.JSMEIntJB2005;48:

9–16.

[6]ShankarPN.TheeffectsofgeometryandReynoldsnumberonSavoniustype

rotors.Bangalore,India:

NationalAeronauticalLaboratory;1976.AE-TM-3–76.

[7]SheldahlRE,BlackwellBF,FeltzLV.Windtunnelperformancedatafortwoand

threebucketSavoniusrotors.JEnergy1978;2:

160–4.

[8]SahaUK,JayaRajkumarM.OntheperformanceanalysisofSavoniusrotorwith

twistedblades.RenewEnergy2006;31:

1776–88.

[9]MoutsoglouA,WengY.PerformancetestsofaBeneshwindturbinerotorand

aSavoniusrotor.WindEng1995;19:

349–62.

[10]MoffatRJ.Describingtheuncertaintiesinexperimentalresults.ExpTherm

FluidSci1988;1:

3–17.

[11]UshiyamaI,NagaiH.Optimumdesignconfigurationsandperformanceof

Savoniusrotors.WindEng1988;12:

59–75.

[12]FujisawaN.OnthetorquemechanismofSavoniusrotors.JWindEngInd

Aerod1992;40:

277–92.

[13]KamojiMA,KedareSB,PrabhuSV.Experimentalinvestigationson

theeffectofoverlapratioandbladeedgeconditionsonthe

performanceofconventionalSavoniusrotor.WindEng2008;32（No.2）:

163–78.

目录

前言1

第1章9

§1.19

§1.1.19

第2章10

§2.110

§2.1.110

§2.210

第3章11

§3.111

§3.1.111

结论12

参考文献13

致　谢15

附　录16

注：

目录自动生成后，会出现字符不统一现象，可用手工调节解决该问题。

前言

说明毕业设计（论文）选题的目的、