具有偏心風輪結構垂直軸風力機氣動特性研究.pdf

1、隨著風電市場的迅速發(fā)展，適用于中小型風電市場的直線翼垂直軸風力機越來越受歡迎，然而目前直線翼垂直軸風力機仍然存在一些問題，如在低風速下難以自起動的狀況以及其輸出功率較低等問題，該研究為避免風力機結構復雜化，從風力機風輪結構出發(fā)，提出了一種具有偏心結構的直線翼垂直軸風力機風輪形式，通過增大葉片氣動力對轉軸的作用半徑來改善風力機的起動性能和提高輸出功率特性，并設置了6種風輪偏心量(0、10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 m

2、m)，制作了一臺直徑0.8 m、高0.5 m風力機模型，通過將數值模擬、力學分析和風洞試驗這三種方法有機結合，主要從以下兩方面研究:
　　(1)偏心風輪結構對直線翼垂直軸風力機的起動性能影響研究。首先，通過風洞試驗測試了6種具有不同偏心量的2葉片風力機和3葉片風力機在不同風速下的起動狀況;然后通過數值模擬的方法計算了在10 m/s風速時，6種具有不同偏心量的風力機在旋轉周期內的各個方位角下的靜態(tài)力矩特性，從定量的角度分析偏心風輪結

3、構的對風力機的起動狀況的影響原因;并通過對風力機風輪進行受力分析，詮釋偏心風輪造成風力機的靜態(tài)力矩差異的原因，揭示偏心風輪的作用機理;最后從流場的角度展示了偏心風輪結構對風力機風輪附近流場的影響。
　　(2)偏心風輪結構對直線翼垂直軸風力機的動態(tài)氣動特性影響研究。通過風洞試驗測試6種具有不同偏心量的2葉片風力機和3葉片風力機在不同風速下的轉速特性，以及在10m/s風速下的輸出功率特性，并挑選性能改善較好的偏心風力機和無偏心量風力機

4、進一步測試其在各個風速下的輸出功率特性，驗證偏心風輪結構對風力機輸出性能改善的有效性和普遍性。同時，通過數值模擬方法計算了風力機在運轉過程中的動態(tài)力矩特性，模擬了具有不同風輪偏心量的風力機的動態(tài)流場情況。
　　在該研究條件下得到以下主要結論:
　　(1)偏心風輪結構對風力機起動特性有很大的影響，適當的偏心量可以消除風力機在某些方位角處的反向力矩，提高靜態(tài)力矩系數，有效地提升風力機在低風速下的起動能力，同時使靜態(tài)力矩系數波動變

5、得平滑，但偏心量對風力機靜態(tài)力矩的影響與方位角密切相關，在一些方位角處也起到負面效果。其影響機理主要由于是偏心結構改變了葉片氣動力作用在旋轉中心的位置造成的。因此，偏心量要適當，不能過小也不宜過大。
　　(2)偏心風輪結構對風力機的動態(tài)氣動特性有很大影響，主要體現(xiàn)在兩方面:對于風力機的轉速特性，無論是對2葉片風力機還是對3葉片的風力機偏心風輪結構對風力機的轉速有很大程度的提升效果，適當的風輪偏心量能夠使風力機在低風速下的轉速達到甚

6、至超過更高風速下的無偏心量風力機轉速;對于風力機輸出功率特性，適當的偏心量在低葉尖速比下和高葉尖速比下均可有效提高風力機的輸出功率系數，在設置的6中偏心量風輪中，效果最好偏心量為L=30 mm，該偏心量下，2葉片風力機在測試設定最大葉尖速比時功率系數可較無偏心風輪風力機提高18％;而3葉片風力機在實驗設定葉尖速比范圍內達到了功率系數最大值，最大功率系數可較無偏心風輪提高20％。
　　(3)該研究所提出的偏心風輪結構未添加任何附加裝