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%。     

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。     

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。     

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%。     

三叶片H型垂直轴风力机风振与减振研究

针对三叶片H型垂直轴风机风振与减振问题,基于计算流体动力学(CFD)方法,采用数值方法模拟获得风机在转动周期内的叶片风压分布.将风压力时程荷载施加于风力机叶片表面,分析风机结构风振响应.在风力机不同位置处分别布置阻尼器,并数值模拟阻尼器耗能减振能力.结果表明:在垂直轴风力机主轴与支杆连接处布置阻尼器可降低结构位移响应,总位移最大降幅达44%.阻尼器位置与结构位移降低率密切相关,在近风机叶片顶端连杆处布置阻尼器,结构最大位移发生在风机叶片底端.在近风机叶片底端连杆处布置阻尼器,最大位移则发生在风机叶片顶端,下降达40.7%.研究成果可为垂直轴风力机减振研究提供技术参考.     

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。     

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.     

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.     

尾缘襟翼偏转角对不同翼型的垂直轴风力机气动影响研究

风能转化率偏低是阻碍垂直轴风力机市场化发展的重要原因.尾缘襟翼的设计能够改变叶片表面的流场结构,从而提高垂直轴风力机的气动性能.目前关于不同翼型垂直轴风力机的气动性能随尾缘襟翼的变化规律尚不明确.基于计算流体动力学方法,采用转捩剪切应力输运湍流模型,对3种不同分离式尾缘襟翼的翼型(NACA0018、NACA0021和NACA0024)叶片的H型垂直轴风力机气动性能进行数值研究.验证算例与已有的实验结果对比,结果吻合较好,证实本方法的可靠性.进一步考虑3种基础翼型与5组襟翼偏转角(-16°、-8°、0°、8°、16°)参数,探究垂直轴风力机的气动性能差异,分析其内在机理.研究结果表明：逆风区正向襟翼偏转角可以有效提高叶片的弯矩系数,顺风区负向襟翼偏转角对叶片的弯矩系数产生有利影响.在负向襟翼偏转角下,风能利用率受偏转影响的程度与翼型厚度呈正相关;在正向襟翼偏转角下,风能利用率受偏转影响的程度与翼型厚度呈负相关.研究成果可以为垂直轴风力机尾缘襟翼的应用提供有效参考.     

双层叶片垂直无轴风力发电机

针对垂直轴风力机的振动和刹车问题，首次采用了无主轴、双层叶片设计．考虑到去除主轴后叶片在转动中会受到离心力作用而向径向外张并降低高度。我们在里面加了一层叶片。该层叶片的径向方向与外层叶片相反，因此在受到离心力时叶片高度增加。通过计算分析，使内部叶片的高度增加量能抵消外层叶片的高度减小量。刹车设计时从叶片气动和发电机两方面考虑。即在外层叶片的主梁上加装绕流板和增设一个专门的刹车电路。绕流板打开时叶片升力消失并产生很大阻力，从根本上消除了风力对风机的作用。     

密实度对10 MW垂直轴风力机气动性能的影响

为研究密实度对10 MW级直叶片垂直轴风力机气动性能的影响,采用计算流体力学的方法,对二维非定常流场进行数值模拟,通过重叠网格技术对旋转域运动结果进行分析与研究,重点分析了叶片数量和弦长这两个影响密实度的重要参数对风力机能量利用率的影响。研究结果表明：叶片数量和弦长的变化均会对垂直轴风力机气动性能产生影响,且改变叶片数量产生的影响更加明显。研究结果为风力机参数选择提供了参考依据。     

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。     

聚风挡板对H型垂直轴风力机气动性能的影响

为提高H型垂直轴风力机的气动性能,提出在风力机外部加装聚风挡板的设计方法.首先利用Fluent软件对垂直轴风力机进行流体力学仿真,再采用正交试验设计法,研究聚风挡板的长度、水平布置距离、垂直布置距离和偏转角这4个设计参数对风力机性能的影响,按各参数影响从小到大依次计算.研究结果表明:当聚风挡板的水平布置距离为R,垂直布...     

新型随动变桨距小型垂直轴风力机的流场分析

建立三叶片二维静态计算模型对新型随动变桨距小型垂直轴风力机进行数值计算,对比分析4种静态模型下压力场和速度场的分布情况,计算结果显示:理想状态下的新型随动变桨距小型垂直轴风力机,当流场稳定以后叶片处于各个位置的最大压力变化不大,风力机转动到各个位置的最大风速大致相等,表明此新型风力机在转动的过程中叶片产生的最大压力、速度相对稳定,这对其保持匀速转动很有帮助,并且对风力机整体结构所产生的颤振也相对较小。     

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。     

不同风速下风力机叶片的振动特性研究

针对风力机叶片在正常工况下运行时受到周期性的气动力导致叶片发生振动,降低叶片使用寿命的情况,研究了风力机叶片在不同风速下的振动特性。选取不同风速条件下的5种工况 (风速范围为15~40 m/s),选用CFD方法对NREL PHASE VI叶片进行模拟计算,获取不同风速下的振型和振动位移曲线。结果表明：叶片的主要振型是挥舞和摆振,高阶叶片振型存在着弯曲和扭转组合的复杂变形;来流速度从15 m/s增大到40 m/s时,叶片吸力面的压力分布不均匀性不断提高,来流速度为40 m/s时最大压力差值约达到3 000 Pa;来流速度为15 m/s时振幅最小为0.525 4 mm,来流速度为40 m/s时振幅最大,为3.628 2 mm,约是最小振幅的6.9倍;5种工况的振动曲线均呈现衰减趋势,叶片趋于稳定振动;当来流风速越大时,由来流风所产生的气动力对叶片的作用力越大,叶片的振幅呈现增大的趋势。研究结果可为风力机设计提供参考。     

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.     

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。     

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。     

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。