小型垂直轴风力机叶轮动力性能研究

发布时间：2020-06-01 03:07

【摘要】：风力发电是通过风力机装置将风能转化为电能的，叶轮是风力机的关键组成部分。在风力发电机的叶轮设计中，获得准确的叶轮的动力学性能是风力机整体与结构设计的基础和关键。本文以拟输出功率为500W的H型垂直轴风力机为研究对象，对其叶轮的空气动力性能和结构动力性能进行了研究，主要研究内容如下：首先，根据垂直轴风力机叶轮的空气动力学设计理论，详细介绍了单流管模型、多流管模型和涡流模型，最终采用多流管模型方法对风力机叶片进行受力分析，得出叶轮输出功率和转矩的计算方法。结果表明：叶片安装半径、叶片数、叶片弦长、叶片高度为影响垂直轴风力机叶轮输出功率和转矩的主要参数。其次，以拟输出功率为P=500W的H型垂直轴风力机为研究对象，通过正交试验优化设计方法，以叶片安装半径、叶片数、叶片弦长、叶片高度为因素，叶轮输出功率为指标进行优化设计，得到一组最优组合参数以及各个因素水平变化对叶轮输出功率大小影响的趋势。结果表明：叶片数是影响H型垂直轴风力机叶轮输出功率最为显著的影响因素，通过适当控制叶片数量，可以达到有效提高叶轮输出功率的目的。然后，采用FLUENT软件对叶轮进行二维建模、网格划分、确定边界条件以及求解计算对叶轮流场进行非定常数值模拟。比较不同位置角上、同一叶片在不同位置以及在不同来流风速下的流场速度分布规律，结果表明：叶轮周围的流场呈现出非常强的非定常性，在一个周期内不同位置角的流场特性不同；单个叶片在一个周期内转动过程中，翼型周围的流场呈现周期性变化；不同风速条件下的流场特性也不相同。最后，在转子动力学理论的基础上，采用ANSYS有限元分析软件对风力机叶轮进行了模态分析，应用Lanczos法求解动态方程，获得风力机叶轮在静止状态时的固有频率和振型以及在不同转速下的各阶固有频率，并绘制了叶轮的Campbell图，结果表明：风力机叶轮的主要振动为弯曲振动，叶轮的工作转速低于临界转速，避开了共振区，可以安全工作。
【图文】：

水平轴风力机

经济的快速发展和非可再生能源的过渡消耗，环境问题和能源问题注。世界各国都在积极地探索可再生能源发展的途径，以解决污染足的困境。开发和大规模利用风能便是有效的措施之一，而风力发能利用形式受到广泛的关注。国际上风力发电产业的增长速度正国，并网型风力发电机组装机容量增长速度也在明显加快[6]。的风能资源十分丰富，据中国气象科学研究院估算，全国平均风，10m 高层的风能资源总储量为 32.26 亿 KW，其中可实际开发利储量为 2.53 亿 KW。东南沿海及附近岛屿，新疆、内蒙古和甘肃北、华北和青藏等地区属于我国风资源的丰富区，每年风速在 6m000h 左右，有些地区年平均风速可达 7m/s 以上，具有很大的开发机的结构形式多种多样，按照风轮主轴位置的不同可分为水平轴风机。水平轴风力机的叶轮围绕一个水平轴旋转，工作时，叶轮的旋，叶轮、变速箱及发电机一起放置于塔架的顶端，如图 1.1 所示，为高速风力机，，叶片数多的称为低速风力机。

垂直轴风力机,阻力,风力机

箱及发电机放置在靠近地面处[7]。垂直轴风力机又可以分为两类，一类是是动力的阻力做功，典型的结构是 Savonius 型风力机，如图 1.3 所示。它由错开的半圆柱形组成，其优点是起动转矩较大，缺点是由于围绕着叶轮产生流，从而对它产生侧向推力。对于垂直轴二叶轮的 S 型风力机在理想状态下用系数为 15%左右[8]。对于较大型的风力机，由于受偏转与极限应力的限制种结构形式是比较困难的。另一类是利用翼型的升力做功，最典型的是达arrieus)型风力机，如图 1.4 所示。达里厄风力机有多种形式，Φ 型、H 型、形。基本上是直叶片和弯叶片两种，以 H 型、Φ型风力机为典型。Φ型风用的弯叶片只承受张力，不承受离心力荷载,从而使弯曲应力减至最小。由承受的张力比弯曲应力要强,所以对于相同的总强度，Φ型叶片比较轻,且片可以以更高的速度运行，但是Φ型自启动性能很差。H 型风轮结构简单，构造成的离心力容易使叶片在其连接点处产生弯曲应力，另外,其叶片需要或拉索支撑，这些支撑将产生气动阻力，降低效率。
【学位授予单位】：三峡大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK83

【参考文献】