直线翼垂直轴风力机叶片结冰风洞试验研究

发布时间：2020-04-03 00:59

【摘要】：直线翼垂直轴风力机是近年来受到国际上广泛关注的一种升力型垂直轴风力机,适合应用在中小型风能利用领域。然而当其安装在寒冷地区时,在低温和潮湿条件下风力机叶片会出现结冰现象。结冰会严重影响风力机的性能,甚至产生安全事故。为了研究直线翼垂直轴风力机叶片结冰特性,尤其是在旋转状态下的叶片结冰规律,本研究利用自然寒冷气候的结冰风洞,对垂直轴风力机的静态叶片和旋转风轮模型进行了结冰风洞试验,并利用数值模拟对结冰前后的垂直轴风力机气动特性变化进行了数值模拟计算。研究主要分为两大部分内容:(1)垂直轴风力机叶片静态结冰特性研究,主要采用风洞试验的方法。结冰试验在采用自然低温的小型结冰风洞中进行。叶片翼型采用直线翼垂直轴风力机常用的NACA0018(对称翼型)和NACA7715(非对称翼型)。试验包括在不同攻角下的叶片结冰分布测试和在零度攻角下叶片长时间结冰过程测试。利用高速摄像记录结冰过程,利用电子天平测试结冰质量。(2)垂直轴风力机旋转叶片结冰特性研究,主要采用风洞试验和数值模拟相结合的方法。设计制作了一台采用NACA0018翼型的直线翼垂直轴风力机风轮模型,叶片个数为2叶片和3叶片两种,测试了风轮在不同水滴流量和叶片减速比下的旋转叶片结冰分布。分析了叶片结冰面积,结冰质量,结冰率等。另外,将结冰后的叶片形状输入,旋转模型以及结冰前后的叶片进行模拟计算,探讨结冰前后的叶片气动特性变化,结冰前后的旋转模型功率系数、力矩系数变化,结冰前后旋转模型速度场、压力场的变化。在本研究条件下得到的主要结论如下:(1)在零度攻角下NACA0018翼型结冰是由前缘开始逐步向两侧爬行生长。NACA7715翼型结冰分为两部分,一部分由前缘像两侧爬行生长,另一部分由后缘向前缘爬行生长。NACA0018翼型结冰面积速度趋势是逐渐下降的,NACA7715翼型结冰面积速度趋势是先升高后下降。NACA0018翼型和NACA7715翼型前缘结冰厚度生长的速度趋势都随时间的增加而减小。NACA0018翼型两侧结冰厚度开始没有生长,结冰中期开始生长,生长到一定程度后速度逐渐减缓。NACA7715两侧结冰厚度增长较为稳定。NACA0018翼型和NACA7715翼型结冰效果速度的总体趋势是下降的。(2)在一定风速下,叶片表面结冰受攻角变化的影响较大。当叶片攻角在-90°~-10°之间时,结冰主要出现在叶片背部。当叶片攻角在0°时,结冰主要出现在叶片前缘。当叶片攻角在10°~90°之间时,结冰主要出现在叶片的腹部。在流量较大时,低风速的结冰量总体大于高风速的结冰量。NACA0018翼型结冰面积比总体大于和NACA7715翼型的结冰面积比。(3)直线翼垂直轴风力机旋转叶片结冰发生整个叶片表面,与静态叶片结冰有很大不同。叶片结冰情况随着LWC、尖速比的增大而越显著。叶片结冰面积比随时间增加而增加,呈一定的线性变化规律。在相同条件下小风力机实度越大单叶片结冰率越小,对整机而言,实度越大结冰率越高。(4)数值计算结果表明,旋转叶片结冰后的升力系数降低,阻力系数增大,且随着尖速比的增加和结冰量的增多而趋势加大;风力机的功率系数也随之下降,在尖速比较大时,下降趋势明显。结冰后的叶片翼型周围的压力场和速度场发生了不同程度的变化,使叶片气动特性改变。本研究可为垂直轴风力机叶片的防冰与除冰技术提供试验基础。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK83

【相似文献】