垂直轴风轮机叶片气动特性模拟与分析

利用Gambit前处理软件,建立了翼型面为NACA4412的小型H型垂直轴风力发电机叶片的二维流场模型．在连续性方程、N-S方程及k-ε模型的基础上,采用了多重坐标系（MRF）计算模型,利用Fluent软件模拟了流场内翼型截面的受力和速度分布情况,得到了攻角为20。时NACA4412翼型风机的空气动力学特性．     

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%。     

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.     

变风速条件下风力发电机输入载荷及其影响因素分析

建立了基于自回归(AR)方法的风场风速模型,求解得到了风速的变化时程;用Glauert方法求得了变风速下风力发电机的输入载荷——推力和扭矩随风速的变化时程;通过对载荷的统计分析得到了风力发电机的设计载荷谱和载荷雨流计数直方图;分析了变风速下风轮叶片主要参数对风力发电机输入载荷的影响规律:推力和扭矩载荷的均值随桨距角变化的响应明显,并随桨距角的增大而变小;推力的波动幅值随桨距角的增大先是增大然后减小,而扭矩的波动幅值则随桨距角的增大而单调减小;推力随叶片扭转角和攻角的变化响应明显而扭矩随扭转角和攻角变化的响应不明显。     

单向开启式垂直轴风力发电的创新和探索

目的:应用单向开启式叶片垂直轴风力发电,提高风力的动力发电作用。方法:将风力发电机的水平轴改建为垂直轴;原先垂直轴Φ型和H型旋转结构叶片改为平行小叶片。结果:克服了水平轴叶片易疲劳强度,风力小的缺点,垂直轴风电系统的风场利用率更高,最多可比传统系统高5倍以上;单向开启式垂直轴风力发电结构大幅度提高了受风面积,突破了现有Φ型和H型垂直轴风机自启动性能差、主轴易引起谐振、刹车制动难度大、效率低等缺点。结论:单向开启式叶片垂直轴风力发电展示这种结构的巨大优势和美好的发展前景,其力学性能好、结构简单、成本低、无噪音、无切出的优点,突破了‘风小时转,风大时停’的低效模式,避免了电流时断时续对电网的冲击。单向开启式垂直轴风力发电机是未来风电的必然发展方向。     

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。     

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%。     

磁悬浮风力发电机技术现状及未来展望

对磁悬浮风力发电机结构及工作原理进行了介绍,论述了磁悬浮风力发电机主要关键技术:风轮叶片的设计、支撑技术、风力发电机技术、控制技术、能源储存技术现状;进一步比较了水平轴和垂直轴磁悬浮式风力发电机进性能;并展望了磁悬浮风力发电机的未来。     

涡桨发动机风车特性评估方法及试飞验证

涡桨发动机在空中起动之前的风车状态会产生一定的风车阻力,严重影响飞机的操纵性和稳定性,因此需进行风车阻力特性的准确计算评估,以化解飞行风险.针对涡桨发动机装机飞行中的风车特性,采用基于标准桨特性图修正原理,建立计算评估方案,并以某型涡桨发动机设计定型试飞为依托,进行不同工况下的试飞验证研究.结果表明:在相同高度,低速风车状态下,风车阻力随着速度增加而增大,而高速风车状态下,风车阻力随着速度增加而减小;随着高度增加,低、高速风车阻力均减小;低速风车状态下,桨叶角基本处于限动位,而转速随着速度增加而增加;高速风车状态下,转速达到平衡转速,桨叶角随着速度的增加而增大.可见,建立的涡桨发动机风车阻力计算方法合理、可行,计算结果精度满足试飞要求,能够为后续涡桨发动机空中起动科目的飞行试验提供技术支撑.     

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。     

涡流发生器对垂直轴风力机翼型气动性能的影响

为推迟翼型的边界层分离,改善叶片的气动性能,提出一种在H型垂直轴风力机对称翼型NACA0012叶片表面上加装涡流发生器的设计方案。利用FLUENT软件对翼型进行三维流体力学仿真,采用正交试验设计法,研究涡流发生器的高度、安装角度和安装位置这3个设计参数对翼型气动性能的影响。研究结果表明:最佳的涡流发生器高度为6.5 mm、安装角度为18°、安装位置为0.1c(c为叶片弦长),过大或者过小的涡流发生器高度和安装角会降低翼型的升力系数和升阻比;安装位置靠近翼型前缘可增大翼型的临界攻角,但会给翼型带来较大阻力;加装涡流发生器后,对称翼型叶片失速区范围减小40.3%。     

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。     

临界攻角下锯齿尾缘压气机叶片气动特性

基于Smagorinsky亚格子应力模型的大涡模拟,研究不同攻角下某型压气机叶栅的性能变化规律,获得临界攻角.分析临界攻角下不同齿高比(1.0～2.0)的锯齿尾缘叶片的气动特性及锯齿结构抑制流动分离的物理机理.研究表明：当攻角增至临界攻角时,叶栅的升压、扩压能力达到最大值,但此时伴随着流动分离、涡脱落等复杂流动现象,导致流动损失增加;锯齿尾缘结构能够改善叶片吸力面的流动分离,从而有效地减少吸力面边界层的厚度,延缓叶片失速,并能在不影响压气机增压能力的情况下降低损失;综合考虑流动损失及增压、扩压能力,齿高比在1.2左右时锯齿叶片的性能最佳;相较于基准叶片,最佳锯齿叶片的扩压能力基本相同,但是至少可以减少28.1%的流动损失,并提高1.2%的增压能力.     

基于汉密尔顿定理的垂直轴风机叶片振动分析

为了研究垂直轴风机叶片的振动特性,这里选择了NACA0015型号机翼为垂直轴风力发电机叶片截面。细长的风机叶片可看作欧拉梁。从汉密尔顿定理出发,推导出叶片弯曲—扭转耦合的振动方程式。通过中央差分法将叶片空间以及振动方程式做离散,在叶片两端为固定支撑的情况下进行求解,研究旋转速度、叶片长度和叶片截面的弦长对自然频率的影响,以及对于叶片实心和空心2种情况进行对比。分析结果表明:叶片长度越长,自然频率越小;叶片的旋转速度越大,自然频率越小;叶片截面的弦长和自然频率近似成正比的关系;叶片在实心和空心2种情况下自然频率的差距非常大。     

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.     

不同攻角下叶片弯曲对涡轮静叶流场的影响

计算并分析了高马赫数情况下,直叶片及正弯20°叶片在攻角分别为0°、±10°、±20°及±30°的情况下的流场结构. 采用的数值方法为具有TVD性质的三阶精度GODUNOV格式,湍流模型为B-L代数模型. 计算结果表明,在较大的攻角范围内,正弯叶片可以减小叶栅流道内通道涡的强度,并且由于两端壁的附面层被吸入主流,使得正弯叶片中的能量损失减小. 攻角越大,正弯叶片的作用越明显.     

不同转动惯量的风车临界转速的研究

本文针对立轴风车因叶片材料,结构形式及空、实心轴不同而产生不同的|J_p-J_d|(转动惯量)对风车临界转速的影响进行了初步研究.为了能用普洛尔(Prohl)法进行实例计算,作者提出了计算风车叶片|J_p-J_d|时翼型截面与矩型截面的等价转换原则和回转轴上的平均分配原则.     

1kW垂直轴风力发电机叶片静力分析

叶片是风力发电机中最基础和最关键的部件之一,影响着风力发电机的能量转化效率及安全性.以1 k W垂直轴低风速风力发电机叶片为例,介绍了叶片的基本结构,采用Solidworks对叶片进行建模,分析叶片受力;使用Gambit及Fluent计算叶片在额定工况下所受的风力载荷,简化叶片结构,绘制计算网格,设定计算条件;利用Midas NFX有限元软件对叶片进行静力学分析.仿真分析结果表明:叶片与连杆连接处形变量最小,叶片两端最大,最大变形量为31.25 mm;叶片的受力在叶片与连杆的连接点处最大,最大应力值为69.26 MPa.通过分析计算,得出风电叶片的受力分布规律,为叶片结构的进一步测试和优化提供依据和参考.     

大攻角下开缝位置改变对风力机叶片影响研究

风力机叶片在大攻角条件下存在着严重的流动分离现象,降低风电机组的发电效率,文章采用计算流体力学方法研究开缝位置改变对风力机叶片性能的影响。研究结果表明:在一定攻角范围下,射流会改善流动状况,缩小涡旋结构影响区域;开缝位置位于分离点附近时,气动性能最好,随着射流位置后移,其控制效果减弱,即使射流位置位于回流区,仍可减弱回流区影响范围与强度;射流有利于提高叶片升力系数,改善大攻角下叶片气动性能及稳定性。     

一种垂直轴风力发电机结构设计

垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机相比,具有起动风速低、风能利用率高等诸多优点和广阔的市场应用前景。本文介绍了一种垂直轴风力发电机的主要结构特点及其设计方法,对垂直轴风力发电机进行结构设计并应用于产品的设计进行了阐述。