小型H型垂直轴风力机变桨机构的优化设计与试验

为解决现有垂直轴风力机风能利用率较低的问题,以获得风轮最大切向力为目标,分别获得了风轮上风区和下风区叶片的最佳理论攻角为8°和-8°,计算出了叶片一周桨距角调节策略。在此基础上,采用随机方向法对双曲柄变桨机构进行了优化设计,得到了不同叶尖速比下变桨机构的参数组合。为验证垂直轴风轮变桨机构的合理性,以叶尖速比2为例,利用ADAMS软件对变桨机构模型进行了运动学特性仿真,并采用旋转测角法对叶片桨距角变化曲线进行了数据拟合,计算结果显示:实际桨距角变化曲线与理想变桨曲线的贴合程度较高。风洞试验进一步证明:所设计的变桨距垂直轴风力机具有更好的自启动性能,且在现有风速下比定桨距垂直轴风力机的发电效率至少提高了7.86%。     

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。     

变桨对大型H型垂直轴风力机主轴偏振的影响

针对大型H型垂直轴风力机,分析其气动载荷并阐述主轴偏振效应的产生机理,并利用双制动盘多流管(DMST)获得垂直轴风力机全方位角下变桨距规律。鉴于变桨后合成力均值发生变化,提出采用变异系数来评价主轴合成力振荡幅度。研究结果表明:风剪效应下风轮旋转过程中,气流对叶片的作用力合成到主轴位置上会产生大小不一的周期性变化。以获取最大切向力系数为目标,得到上下风区的最佳理论攻角为19°和-19°。实时变桨能有效降低主轴偏振效应,其变异系数由0.118降为0.109,降低了8.26%,同时,单个叶片的平均切向力由16.2 k N提高到17.5 kN,提高了约8.02%。     

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。     

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。     

叶片失速延迟控制垂直轴风力机气动性能

以麦克马斯特大学H型垂直轴风力机为基础,在叶片上加设射流管,设计一种叶片失速延迟控制垂直轴风力机。基于CFD方法计算典型工况下叶片失速延迟控制垂直轴风力机的功率,分析风场的涡强和风速分布特性。研究结果表明:在相同几何尺寸和工况下叶片失速延迟控制风力机的风能利用系数比麦克马斯特大学H型垂直轴风力机的高,在尖速比为1.3时,最大风能利用系数达到0.33。在叶片上加设射流管对于延迟层流分离具有显著作用。     

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。     

基于MATLAB的垂直轴风力机仿真研究

为了描述垂直轴风力机的输出特性,对垂直轴风力机运行风况、传动系统以及转速控制系统在MATLAB/SIMULINK模块中进行建模。以5 k W垂直轴风力机为例,运用双向多流管模型得到该风力机不同叶尖速比下的功率系数,并将数据导入MATLAB并运用曲线拟合工具箱得到该5 k W垂直轴风力机的风轮数学模型,从而建立SIMULINK模型。将风轮模型与其它模型组成风力机模型,给定风力机的一些运行参数,得到了可供分析的数据。通过仿真研究表明,MATLAB/SIMULINK可以较好地模拟风力机从风轮到传动系统的整体性能,为今后研究垂直轴风力机的整体性能提供参考依据。     

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。     

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。     

基于改进PSO的H型垂直轴风力机风轮优化设计

气动模型以双向多流管理论为基础,考虑风场的风速概率密度分布函数,以风力机发电机组的年平均输出功率最大为设计目标,采用改进的粒子群优化算法进行全局寻优搜索.利用开发的Matlab优化设计程序,在额定功率和额定风速一定时,针对特定风场优化设计H型垂直轴风力机风轮,得出风力机风轮的最佳匹配参数.与初步设计的风力机相比,优化后年平均输出功率增加了11.8%,且优化设计结果在气动性能方面有明显的优越性,说明该优化模型的实用性和有效性.     

一种H型垂直轴风力机翼型的深度失速研究

以自主研发的H型垂直轴风力机的翼型为研究对象,分别采用URANS、LES和DES三种不同的湍流模型,在Fluent中进行2.5 D的非定常计算,对比研究该翼型在发生深度失速时的升阻性能以及翼型周围流场的分布.研究结果表明:该翼型的静态失速攻角为30°,相比原模型的失速攻角23°有明显的提高;在翼型的攻角小于静态失速攻角时,三种湍流模型模拟计算的升力和阻力的性能相差不多,且和原模型的试验值比较接近;在翼型发生深度失速后,DES湍流模型的模拟结果不仅具有一定的可靠性,而且能够捕捉到翼型周围存在的涡流状况.     

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。     

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.     

直线翼垂直轴风力机叶片支架对气动性能的影响

为了定性地评价叶片支架对直线翼垂直轴风力机气动性能影响,并得出更准确的计算结果,通过雷诺时均湍流模型(SST k-ω)对垂直轴风力机进行(computational fluid dynamics,CFD)仿真,研究叶片支架对风力机周围流场分布的影响规律,分析风力机在不同方位角下的功率输出性能。研究结果表明：支架使垂直轴风力机的气动性能下降,最大功率系数下降47.5%,主要原因是于大攻角下复杂流动分离现象受叶片支架的影响较大,支架的回转扰动使风轮内部气流的湍流强度增大;在叶片支架安装界面位置,支架使得叶片前缘压力差下降,尾缘的压力差升高;而在风力机叶片中间截面位置,无支架模型与有支架模型压差区别较小且变化趋势相同;随风力机下流域尾流延长,低风速区的面积逐渐扩散,其值先减小后增大;风速在下流域的2倍风轮直径位置处达到最小值,有支架模型比无支架模型产生的风速最小值更高,且有支架模型风速恢复相对较慢。     

设计参数对直叶片垂直轴风力机功率系数的影响

基于多流管、双向多流管理论模型,利用MATLAB编程计算垂直轴风力机的功率系数并与实验值进行对比.研究表明:双向多流管理论模型更适合于垂直轴风力机的设计.以此为基础研究尖速比和实度对直叶片垂直轴风力机功率系数的影响,计算显示:尖速比增加,功率系数先增大后减小,近似成抛物线变化;实度增加,功率系数(效率)先增大后减小,最高效率位置向低尖速比区漂移,高效区范围变小.     

并网风力机中基于变桨距角的神经网络控制方法

针对并网风力机的运行特性,在其传动系统和发电机的动态模型基础上设计控制器.当外界风速较大,提出采用基于神经网络的风力机叶片桨距角控制器抑制多余的风能进入发电系统,维持风力发电机馈送到电网的功率稳定;当风速较低时,风力机转速需要跟随风速变化,调整叶片桨距角处于捕捉最大风能位置处,保证风力机的风能转换效率最优,提高其运行效率.仿真结果验证了该控制方法的有效性.     

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。     

风力发电机扭矩动态测试新方法

风力机风轮输出机械能的多少直接反映出风力机风能利用效率的高低，因此正确地测定风轮的输出扭矩是鉴定风力机风轮转换效率的关键一着。该文利用能量转换原理对自然风况下风力机扭矩的动态测试方法进行了探讨．并做了一些有意义的实验和分析．