大功率直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性及風(fēng)輪構(gòu)型研究.pdf

1、垂直軸風(fēng)力機(jī)是風(fēng)力機(jī)市場(chǎng)的一種重要機(jī)型，然而，由于其發(fā)展較晚，長(zhǎng)期研究投入不足，因而目前技術(shù)仍不完善，其應(yīng)用主要集中在中小機(jī)型上。研究表明，垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率與水平軸風(fēng)力機(jī)基本相同，并且具有無(wú)需偏航裝置，葉片造型簡(jiǎn)單，疲勞載荷小等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而適宜向大功率機(jī)型發(fā)展。盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)大功率垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了許多有益的探索與試驗(yàn)，但兆瓦級(jí)直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)仍處于起步階段，其理論尚需進(jìn)一步完善。據(jù)此，本文在建立數(shù)學(xué)模型與改進(jìn)數(shù)值計(jì)算方法的基

2、礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)力機(jī)關(guān)鍵部件風(fēng)輪進(jìn)行氣動(dòng)分析和結(jié)構(gòu)分析，從而為兆瓦級(jí)大功率直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
　　基于曲線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的雙致動(dòng)盤多流管理論，本文推導(dǎo)了適用于直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)的理論模型，利用該模型，通過(guò)擬合高雷諾數(shù)下葉片翼型升阻系數(shù)離散點(diǎn)，進(jìn)而求解功率系數(shù)的辦法，分析了尖速比、轉(zhuǎn)子半徑、實(shí)度等對(duì)大功率風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)規(guī)律的影響；由于大功率風(fēng)力機(jī)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)遇到風(fēng)切變，因此，本文進(jìn)一步改進(jìn)理論模型，分析了風(fēng)切變對(duì)風(fēng)力機(jī)功率輸出

3、的影響。
　　針對(duì)理論模型無(wú)法深入分析風(fēng)輪實(shí)度以及葉片各安裝參數(shù)的不足，本文進(jìn)而采用二維CFD方法對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行分析。分析之前，針對(duì)CFD方法計(jì)算耗時(shí)大的特點(diǎn)，本文首先研究了CFD方法的精度與效率平衡問(wèn)題，重點(diǎn)分析了湍流模型、網(wǎng)格數(shù)目以及時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，提出了改進(jìn)計(jì)算效率的網(wǎng)格劃分方法和時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置方法；針對(duì)文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，分別采用理論模型與CFD方法計(jì)算功率系數(shù)，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，分析了兩種方法的可行性以及應(yīng)用限制條件。

4、
　　大功率風(fēng)力機(jī)應(yīng)選用低實(shí)度風(fēng)輪。本文應(yīng)用CFD仿真方法，從功率系數(shù)、力矩系數(shù)、渦量等多個(gè)方面分析了低實(shí)度風(fēng)輪在實(shí)度保持不變情況下的氣動(dòng)特性，重點(diǎn)研究了不同葉片數(shù)目和弦長(zhǎng)的配比對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)輸出、啟動(dòng)力矩以及最大橫向力的影響，其研究表明風(fēng)輪可以在不增加實(shí)度的情況下減小力矩波動(dòng)，從而有效減少風(fēng)輪自重；分析了葉片翼型、安裝角對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)特性的影響情況，并依據(jù)分析結(jié)果選定了風(fēng)輪的各參數(shù)。
　　針對(duì)風(fēng)力機(jī)主軸在疲勞載荷下壽命低的問(wèn)題，為