新型自啟動垂直軸風(fēng)力機設(shè)計與實驗.pdf

1、直葉片垂直軸風(fēng)力機作為最簡單的結(jié)構(gòu)形式,不需要對風(fēng)調(diào)節(jié),并且能直接將風(fēng)能通過旋轉(zhuǎn)軸傳遞到地面設(shè)備,因此廣泛的應(yīng)用于提水、加熱、提純、充電等,還可以作為小型發(fā)電站獨立使用。高效率的達里厄(Darrieus)風(fēng)力機因其不能自啟動而無法應(yīng)用于以上各項目中。早期人們試圖用優(yōu)化葉片幾何參數(shù)的方式提高其自啟動能力,包括:改進風(fēng)力機實度、改進葉片弧度和厚度、調(diào)節(jié)葉片槳距角和攻角;后來又提出了另外改進風(fēng)力機自啟動能力的方法如:帶弧形截面的葉片、傾斜葉片

2、、柔性帆、薩沃紐斯和達里厄型混合型風(fēng)力機、可調(diào)槳距角葉片。盡管這些方法在一定程度上能夠增加啟動力矩,但是較低的峰值效率和正常工作的風(fēng)速范圍仍是需要解決的主要問題。
　　本文通過對傳統(tǒng) NACA翼型改進來提高垂直軸風(fēng)力機的自啟動性能,提出了三種可以提高風(fēng)力機自啟動性能的方案:組合翼型、可展開式翼型和帶傾斜拖尾翼型。組合翼型的前30％弦長段采用 NACA0018翼型,后70%弦長采用 NACA0015翼型,通過這種組合方式來產(chǎn)生自啟動

3、所需要的轉(zhuǎn)矩;對于可展開式翼型方案,當(dāng)葉尖速比較低時,將傳統(tǒng)的 NACA0018翼型展開,這時風(fēng)力機相當(dāng)于阻力型風(fēng)力機,使用此時產(chǎn)生的阻力來使風(fēng)力機進行自啟動,風(fēng)力機開始旋轉(zhuǎn),達到較高葉尖速比后,閉合翼型葉片,風(fēng)力機相當(dāng)于升力型風(fēng)力機,這時可進行正常的風(fēng)力發(fā)電;帶傾斜拖尾翼型是將傳統(tǒng) NACA0018翼型分割成翼型主體和尾翼兩部分,尾翼長度為整個翼型長度的30%,安裝在翼型主體尾部,并且可繞翼型主體尾部旋轉(zhuǎn),風(fēng)力機靜止時,尾翼與翼型主體

4、成一定角度,這樣風(fēng)力機可以產(chǎn)生較高的升力來實現(xiàn)低葉尖速比時實現(xiàn)自啟動,風(fēng)力機開始旋轉(zhuǎn)后,通過彈簧和離心力的作用實現(xiàn)較在高葉尖速比時使葉片尾部可以回到正常位置。采用計算流體力學(xué)商業(yè)軟件 Fluent來模擬計算上述三種方法的自啟動能力和工作效率,仿真結(jié)果表明在上述三種方法之中,帶傾斜拖尾翼型方法表現(xiàn)出了較好的自啟動性能,同時風(fēng)能利用率可達到33%。因此本文根據(jù)帶傾斜拖尾翼型方案來進行樣機的研制。
　　本文分析了風(fēng)力機原型的工作原理并建

5、立了數(shù)學(xué)模型,設(shè)計參數(shù)并初步仿真,根據(jù)初步仿真結(jié)果以及風(fēng)洞實驗環(huán)境要求,設(shè)計了自啟動垂直軸風(fēng)力機的原型樣機。根據(jù)風(fēng)力機樣機的特點,開發(fā)了在實驗室中加工葉片的方法,以方便地、經(jīng)濟地制造加工風(fēng)機葉片和傾斜拖尾翼;并應(yīng)用該方法設(shè)計并制造了用于加工葉片的模具,同時使用激光跟蹤儀和空間分析軟件檢查風(fēng)機葉片和傾斜拖尾翼的加工質(zhì)量,以玻璃纖維為原材料自主制造了風(fēng)機葉片和傾斜拖尾翼,完成試驗樣機整機的研制。
　　本文設(shè)計并進行了風(fēng)洞實驗,為了方便

6、測試,風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)軸設(shè)計成與發(fā)電機軸直接相連的形式,同時使用電爐絲作為載荷來評估風(fēng)力機在不同角速度下的性能。風(fēng)洞測試結(jié)果表明:在較高的風(fēng)速下改進的翼型和傳統(tǒng)的翼型一樣都能啟動風(fēng)力機,拖尾傾斜角超過一定值時,隨著拖尾傾斜角的增加,風(fēng)力機的啟動風(fēng)速也將增加,同時改進的翼型也降低了旋轉(zhuǎn)速度。實驗結(jié)果顯示:改變可傾斜尾翼的角度增加了風(fēng)機啟動所需的風(fēng)速值,可傾斜尾翼的角度為30°時,風(fēng)機甚至不能啟動,而風(fēng)力機在啟動之后其轉(zhuǎn)速在負載作用下的變動范圍也