升阻互补型垂直轴风力机气动性能分析

为了提高垂直轴风力机的风能转化率,提出了一种新型升阻互补型垂直轴风力机.对大厚度航空翼型进行切割得到了升阻型叶片翼型,基于CFD数值模拟技术,分析了改进后翼型以及利用该翼型制成的端部封闭和不封闭的两种垂直轴风力机的气动特性.计算结果表明,改进后的翼型具有较高的升力系数,但失速特性和阻力特性较差,两种垂直轴风力机在额定工况下均产生了较高的风能利用系数,而端部不封闭叶片由于叶梢部位产生湍动能较低,具有更好的动力输出,叶片在逆风运行时,充分发挥了翼型外表面的升力性能.     

动态失速下H型垂直轴风力机实时变桨控制规律

针对垂直轴风力机风能利用率低、自启动能力弱的问题,以1 kW H型垂直轴风力机为研究对象,通过对比美国Sandia国家实验室动态失速下测得的风力机实验结果与风洞静态实验结果,分析动态失速对桨距角调节的影响规律;以风轮的最大切向力为目标,得到垂直轴风力机在上风区和下风区的最佳理论攻角分别为14.8°和-14.8°。为使风轮在旋转过程中维持在最佳攻角附近,基于双致动盘多流管理论进行Matlab编程计算,建立风轮工作状态下的受力模型,获得垂直轴风力机在各个方位的桨距角。通过对0°和180°方位角下的桨距角进行修正,给出垂直轴风力机1周变桨距规律。最后,利用双致动盘多流管理论对提出的变桨控制规律进行理论验证。研究结果表明:利用该变桨距规律得到的风能利用率可以由34.6%提高到42.8%。     

叶片尾缘喷气的垂直轴风力机气动性能研究

风力机叶片是使风能转化为机械能的原动机构,是风力机的重要部件．风力机风能利用系数的高低主要取决于其叶片的做功能力．针对直叶片垂直轴风力机使用的NACA0022翼型,在翼型尾缘处开1 mm宽的窄缝,沿弦线方向喷气,以期改变流场进而提高风力机风能利用系数．利用Fluent软件采用k-ωSST湍流模型和SIMPLE算法,运用滑移网格技术,对风力机进行数值计算．得到采用尾缘喷气叶片的风力机的风能利用系数增大,而且处于高风能利用系数的尖速比范围更宽;在尖速比为2．06时其风能利用系数最高,其值为22．4％,此时的风能利用系数较基本型时提高了15．5％．叶片尾缘喷气提高风机性能的物理机制是尾缘喷气的扰动向上游传递改变了大攻角情况下叶片的表面压力系数．     

涡流发生器布置位置对小型垂直轴风力机气动性能的影响

为提高垂直轴风力机的气动性能,针对小型双叶片H型垂直轴风力机,提出3种涡流发生器在叶片表面安装位置方案。建立风力机整机仿真模型并进行了网格独立性验证。利用ANYSY FLUENT软件对垂直轴风力机进行三维流体力学仿真研究。研究结果表明:在上风区叶片内表面和下风区叶片外表面加装涡流发生器均可提高叶片的转矩系数,但分析流场显示下风区流场紊乱,下风区叶片外表面加装涡流发生器提升效果变差。3种方案中,叶片内外表面加装涡流发生器时垂直轴风力机风能利用率C_P提升效果最好,与原型风力机相比C_P提升6.4%。     

导叶对涡轮型垂直轴风力机气动性能的影响

针对传统垂直轴风力机效率低的缺陷,阐述带导叶垂直轴风力机的结构优势,并分析导叶对涡轮型垂直轴风力机的作用。应用计算流体力学理论,在设计风速12 m／s下,采用滑移网格技术及 k-ε 模型对有、无导叶两种涡轮型垂直轴风力机的气动性能进行比较。研究表明,导叶可以有效降低由于来流对逆风区叶片吸力面的直接冲击而造成的阻力扭矩,也会负面影响顺风区叶片的性能,但其负作用效果远不及在逆风区挡流降阻的正作用效果,故加导叶后风轮的性能会有很大提高。带弧线形导叶涡轮型垂直轴风力机最大风能利用系数可达0.24,具有工作范围广、最佳尖速比大的特点。     

基于遗传算法的风力机叶片气动外形抗台风优化设计

为了研究风力机叶片抗台风优化设计方法,分析了常规风力机叶片在设计工况下的风能利用系数及极端风况下的气动载荷沿展向的变化特征。并以此为根据,选取极限载荷指标变化显著的挥舞剪力和风能利用系数作为协调两种工况的综合优化目标,提出风力机叶片气动外形抗台风设计优化模型。基于遗传算法,并沿风力机叶片展向,通过使用不同加权系数策略,对某1.5 MW风力机叶片气动外形进行优化设计。研究结果表明,优化后的叶片在具有较高气动效率的基础上能够获得较好的降载效果。     

H型垂直轴风机参数对性能的影响

该文分析了H型垂直轴风机工作时内部流场的状况,总结了叶片处于不同方位角时的攻角变化、漩涡生成和尾流作用对风机运行状态造成干扰后的实际工况。比较了风机风轮的高径比、扫风面积、展弦比、安装角、叶片数目和弦长等不同参数对风机性能的影响,提出增加叶片厚度和弯度来减少失速影响的方案,为风力机设计提供参考。     

H型垂直轴风力机变桨机理研究进展

从动量模型、数值计算和测试试验等3方面介绍目前H型垂直轴风力机的变桨距研究方法,给出各类分析方法的优点和不足。着重围绕机械传动变桨和液压传动变桨2方面阐述垂直轴风力机的变桨距实现方案,指出现有中小型垂直轴风力机在整体响应时间、1周实时变桨、下风区流场计算及动态失速下可靠变桨等方面存在的难点。最后对未来变桨距垂直轴风力机的发展趋势进行展望。     

实度与转动惯量对垂直轴风力机性能的耦合影响

当垂直轴风力机结构参数变化时,其实度和转动惯量均随之变化,进而耦合影响风力机性能。为此,以200W垂直轴风力机为研究对象,提出含转动惯量的CFD动态仿真模型,基于湍流模型实验确定使用RNGk-ε湍流模型,分别对不同叶片数、风机半径、叶片弦长的垂直轴风力机进行仿真,通过垂直轴风力机启动时间判断其启动性能,采用运行时的最大风能利用率判断效率。研究结果表明:小转动惯量有助于减少风力机启动时间,提高启动性能;少叶片数、大半径、大叶片弦长有助于提高风力机稳定时的最大风能利用率,而风能利用率与实度、转动惯量没有明显关系。     

H型垂直轴风力发电机变桨控制策略研究

针对垂直轴风力发电机自启动能力差和风能利用效率低的问题,提出了自动变桨控制策略,并搭建了H型垂直轴风力发电机实验平台。基于叶素理论对叶片进行分析,得出了叶尖速比λ1情况下的变桨规律。将定桨距模型和自动变桨距模型进行对比,结果表明:采用自动变桨距方案可以有效的提高垂直轴风力机的自启动能力和风能利用效率。     

对转式垂直轴风力机气动性能研究

为了改进漂浮独立式垂直轴风力机的气动和稳定性能,提出风力机的新型结构设计理念,即同轴对转式垂直轴风力机.基于计算流体力学理论,借助雷诺时均剪切应力传输RANS SST k-ω湍流模型对风力机进行数值模拟,并结合涡流理论,比较对转式与独立式垂直轴风力机在不同叶尖速比(TSR)时的气动和稳定性能.结果表明,相同流场条件下,对转式风力机浮式平台的稳定性更强.当TSR1.3时,长时间的失速状态使得对转式风力机的脱涡现象更严重,风能利用效率更低;当TSR1.3时,外流场的风能更多地被对转式风力机转子吸收,风力机的远端涡流长度更短且脱涡强度更低,风能利用效率更高.同轴对转式的结构设计理念和分析方法对海上垂直轴风力机的性能优化有一定的参考价值.     

1.5MW风力机叶片设计与气动性能分析

叶片是风力机中最关键的部件,其气动性能决定风力机的风能利用效率。本文通过Glauert法设计1.5 MW水平轴风力机叶片,并利用FLuENT中的k-ωSST湍流模型,采用周期性边界,对叶片进行气动性能进行数值模拟。分析叶片桨距角固定的风力机在不同来流时风轮的转矩和轴向推力。研究表明:风轮在额定工况下,输出功率1 602 kW,风能利用系数达到0.325,满足设计要求;风速大于12 m/s时,可通过适当降低转速来维持风力机输出功率。     

垂直轴风力机主动式变桨距控制规律

针对定桨距垂直轴风力机启动能力差与风能利用率较低的问题,对主动式变桨距控制方法和规律进行研究,以达到提高风能利用率的目的.以双盘面多流管理论为基础,分析叶片的局部流场,建立风力机的数学模型,并以最大瞬时功率为目标函数设计桨距角优化程序,通过分析获得不同尖速比下的桨距角控制规律.根据CFD模型,对定桨距风力机进行数值模拟,分析不同桨距角下的气动性能;对优化后的控制规律在CFD中进行仿真研究,分析风力机的力学行为和风能利用率.研究结果表明:外偏置桨距角可以提高上盘面的气动性能且在桨距角为-4°时获得最大的风能利用率;变桨距控制下的有效力矩区相比定桨距风力机增加了1倍,最大风能利用率也高达39.12％,主动式变桨距控制规律可以明显提高风力机的整体性能.     

计及风剪效应的垂直轴风力机叶片倾角优化

风剪效应易使垂直轴风力机叶片受到的载荷不均匀,造成叶片产生振动及疲劳损坏。针对一种1. 5 MW H型对称翼垂直轴风力机,采用双致动盘多流管理论分析不同倾角下对应叶片的受力情况;以叶片倾角优化前后的风功率相等为目标函数,对叶片倾角进行优化计算。提出采用方差评价叶片受力不均的衡量方法。结果表明:风轮运行一周过程中,风剪效应对叶片载荷的影响主要集中在法向力载荷上。对于该1. 5 MW风力机,最优叶片倾角为-7°。经过倾角优化后,一周内表征受力不均匀的最大方差由1. 53降到0. 96,方差平均值由0. 66降到0. 52,垂直轴风力机叶片受力情况得到明显改善。     

H型垂直轴风力机气动参数对主轴偏振效应的影响

针对1种1.5 MW H型对称翼垂直轴风力机(VAWT),采用双致动盘多流管理论,分析主轴偏振效应的产生机理,提出采用变差系数来衡量主轴合成力的振荡程度,并对不同风力机参数对偏振效应的影响进行分析。研究结果表明:风力机叶片在旋转1周范围内产生的气动力合成到主轴位置上后不能互相抵消,发生振荡且作用方向不定;对于大型垂直轴风力机,风剪效应的存在有利于降低主轴偏振效应;在H型垂直轴风力机气动设计中,当叶片数为3片时,主轴振动幅度最小;当高径比为0.5088时,主轴振动幅度最小;当展弦比为14.2015时,主轴振动幅度最小。     

提高风力机性能的流动控制技术研究

为提高垂直轴直叶片风力机在低风速下的启动特性,在对5叶片的风力机大厚度、低雷诺数叶片的翼型尾缘加装Gurney襟翼进行数值模拟研究.并探讨了叶片在"外弯"与"内弯"两种布置形式下对启动扭矩和输出功率的影响.基于数值模拟结果,对5叶片H型风力机叶片尾缘加装不同高度的Gurney襟翼进行风洞试验研究,通过测量不同来流风速下风力机的转速及输出功率,验证Gurney襟翼提高风力机性能的可靠性.     

垂直轴风力机叶片与圆柱形塔架相互干涉的数值模拟

为了研究垂直轴风力机叶片与中心圆柱形塔架之间的相互干涉,以Sandia型达里厄风力机为研究对象,建立二维模型。基于Spalart-Allmaras湍流模型,对三叶片Sandia型达里厄风力机在四个不同位置,进行了多组工况的数值模拟。研究分析了叶片与圆形塔架相互干涉的二维物理特征、叶片吸力面负压面积大小的变化、叶片表面所受压力规律性的变化与影响圆柱塔架的升力和阻力系数的原因。研究结果对于揭示垂直轴风力机风轮尾迹的物理机理,优化风力机结构,增加风力机的气动弹性稳定性和减少噪声辐射有重要的理论价值。     

导流型垂直轴风力机气动特性的数值研究

分析了传统垂直轴风力机效率低的原因,并数值研究了带有导叶的导流型垂直轴风力机的气动性能.研究结果表明,导叶不仅可以有效地降低因来流对动叶轮吸力面的直接冲击而造成的阻力扭矩,而且还有助于改善来流对动叶轮压力面的有效冲击,这些均使该风力机动叶轮的旋转扭矩得到显著增加.因此,导流型垂直轴风力机可以有效克服传统垂直轴风力机性能上的缺陷,有望提高其风能利用效率.     

筒式风能采集系统及其基础性试验研究

垂直轴的筒式风力机凭借其自身的优越性,在如今市场上越来越被看好,它不仅能开发地面、海面的风力资源还能开发利用高层建筑上那无穷尽的风力资源。所以近几年世界各国对垂直轴风力机加大了研发力度。风力机利用风能效率高低的关键是其叶片设计的好坏,随着计算机的更新换代,计算流体力学的方法不断更新,风力机叶片的研究工作也进入不断深入。出现了很多新的设计方法,在掌握他人研究成果及技术的同时,我们也要开发有自主产权的风力机。本研究采用了理论预测/理论计算——实验室试验研究——总结分析相结合的方法,重点对筒式风能采集系统的输出功率与导风板设定角度以及风力级别间的关系进行详细的阐述和介绍。     

转动惯量对直叶片垂直轴风力机性能的影响

直叶片垂直轴风力机是旋转机械,转动惯量对其主要的气动性能有一定的影响.文中基于双向多流管理论并利用Matlab编程,以NACA0018翼型的H型垂直轴风力机为研究对象,分析转动惯量对H型垂直轴风力机性能的影响.分析结果表明:转动惯量的小范围变化对其最大输出功率系数影响不大,但较小转动惯量的风力机需要较大的风速才可以达到最大输出功率;在达到最大输出功率以前,转动惯量的小范围变化,较小转动惯量的风力机具有相对较大的功率系数、转矩系数和输出功率;随着风速的增大,转动惯量较小的风力机功率系数、转矩系数和转矩波动较大.