螺旋型风力机的动态性能分析及结构优化设计研究

发布时间：2020-05-26 00:31

【摘要】：近年来,风能作为一种高效清洁的可再生能源,受到越来越多专家和学者的关注,同时,我国风力发电技术也成为最具有大规模发展前景的发电方式之一。由于垂直轴风力机无需偏航装置、系统安装维修方便、结构稳定可靠、制造成本相对较低等优点,从而在中小功率发电场合拥有更加广阔的应用前景。对于垂直轴风力机而言,如何能够在低风速下启动、提高风能利用率、保障结构运行时的强度和刚度,以及减少对环境等因素的影响都是科研人员所关心的问题。本文的主要研究内容是以螺旋型垂直轴风力机为研究对象,分析其动态性能及流场特性,并对螺旋型垂直轴风力机结构特性进行静力学和动力学数值模拟,为垂直轴风力机的设计与研发提供理论依据。本文首先系统地研究了国内外垂直轴风力机的研究现状和发展趋势,明确了本文的研究重点在于提高螺旋型垂直轴风力机的气动性能;基于计算流体力学等理论,通过数值模拟的方法,对比分析NACA0012、NACA0015、NACA0018三种翼型的升阻力系数,找出具有较高升阻比的翼型作为仿真翼型;然后对垂直轴风力机进行二维数值模拟,分析不同叶片数目、不同弦长以及不同尖速比对风能利用率的影响;由于二维数值模拟没有考虑到三维效应和高径比的影响,所以在二维数值模拟的基础上,进一步开展了三维螺旋型垂直轴风力机的气动性能研究;为了深入了解螺旋型垂直轴风力机的结构性能,根据螺旋型垂直轴风力机气动性能的分析结果,对螺旋型垂直轴风力机进行整体结构设计,并运用midas NFX软件对螺旋型垂直轴风力机的结构模型进行静力分析、模态分析和疲劳分析,为垂直轴风力机的结构优化设计提供理论指导与建议。
【图文】：

当今世界风力发电机组的总装机容量大约已经超过 74000MW，，计到 2030 年风力发电机提供的电力占全球总电能的大约 29%左右[6]。在过去十年中，风力发电机组主流机型的容量已经从千瓦级的水平逐步上升到兆瓦级且世界风电市场中的主流机型已经逐渐被兆瓦级机组所取代。在未来的发展中风力发电技术凭借其可再生、无污染等特点所带来的环境效益和经济效率，必作为重要的产业能源。有国家能源专家预测：“21 世纪将成为风力发电的世纪即风力发电技术将成为未来解决能源短缺等问题的希望所在。从能量转换的角度来看，风力发电机组主要有风力机和发电机两大部分所成，其中风力机主要是将风能转换为机械能，而发电机是将机械能转换为电能装置。按照风力机的装机容量、叶尖速比、用途、叶片个数以及风轮与塔架的装位置等关系可将风力机分成不同的种类，按风力机的主轴与风向位置的不同可将风力机分为水平轴风力机(Horizontal Axis Wind Turbine 简称为 HAWT)和直轴风力机(VerticalAxis Wind Turbine 简称为 VAWT)[7]，其中水平轴风力机为轮转轴与风向平行，而垂直轴风力机为风轮转轴与风向垂直，分别如图 1-1 和1-2 所示。在人们对风力机研究认识的过程中，早期由于人们对水平轴风力机

其中水平轴风力机为风轮转轴与风向平行，而垂直轴风力机为风轮转轴与风向垂直，分别如图 1-1 和图1-2 所示。在人们对风力机研究认识的过程中，早期由于人们对水平轴风力机的图 1-1 水平轴风力机 图 1-2 垂直轴风力机研究远远超过垂直轴风力机，使得垂直轴风力机不仅仅在设计以及制造加工方面落后于水平轴风力机，且实际的风能利用率也低于水平轴风力机。但是由于近几年来垂直轴风力机表现出较大的优势，又燃起了人们对它研究的广泛兴趣，并且
【学位授予单位】：南通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK83

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8 陈余岳;张锦南;王强;周利峰;;660kW风力机玻璃钢叶片研制[A];第十五届玻璃钢/复合材料学术年会论文集[C];2003年

9 朱

本文编号：2680984