圆台型聚风罩对垂直轴风力机起动性与输出功率影响研究

发布时间：2020-06-25 06:53

【摘要】：为了改善直线翼垂直轴风力机的低风速起动性问题和提高风力机输出功率,设计了一种可安装于风力机风轮上下两端的圆台型聚风罩,利用上下聚风罩形成的变截面通道对来流进行导流,提高风轮入口流速,减少叶片尖端流动损失,整流风轮内部流场,从而提高风力机的静态起动特性和动态功率输出性能。研究采用了理论分析、数值模拟和风洞试验相结合的方法,主要进行了两部分研究内容:(1)聚风罩对风力机静态起动性能影响研究,主要采用理论分析与数值模拟相结合的方法。首先利用流体力学基本原理对聚风罩聚风原理进行理论分析,初步设定聚风罩结构形式;然后对聚风罩多个结构参数进行系统分析,通过二次正交旋转组合设计方法与三维数值计算相结合手段,对聚风罩主要结构参数进行优化设计,计算在不同结构参数组合下聚风罩对风力机静态起动力矩影响,找出较优聚风罩结构参数;最后通过分析有无聚风罩风轮的周围流场不同,揭示聚风罩的作用机理。(2)聚风罩对风力机动态输出功率性能影响研究,主要采用风洞试验的方法,将在计算中得到的较优聚风罩结构进行设计,制作了1台直径600mm、高500mm的风轮模型和圆台型聚风罩,进行了风洞试验,测试了在不同风速下,具有不同叶片个数的有无聚风罩风力机的转速特性和输出功率特性,验证聚风罩的有效性。在本研究条件下得到的主要结论如下:(1)针对本研究设定风力机模型,通过数值模拟获得了一组可有效提高风力机静态起动性的聚风罩结构参数:聚风罩倾角为46°,高度为299mm,距风轮距离36mm。风洞试验结果表明带有聚风罩风力机在各旋转角下的起动力矩均有不同程度提高,在15°旋转角时静力矩最高提升了30%。同时,带有聚风罩风力机起动时间缩短,转速增长快,可达稳定转速高。验证了该圆台型聚风罩对风力机起动性能改善的有效性。(2)通过对有无聚风罩风力机的动态性能风洞试验表明,带有聚风罩的风力机在不同风速下的最大输出功率系数均有不同程度提高,且随风速的增大而增大,最高提升35%。试验结果还表明聚风罩对2叶片和4叶片的风力机性能提升都有一定效果,说明了聚风罩对具有不同叶片个数的直线翼垂直轴风力机性能提高均有一定的适用性。(3)通过数值计算获得了三维流线图和不同平面上的速度分布情况,聚风罩对风轮入口处增速效果明显,风速最高提升了36.7%;聚风罩对流经叶片尖端和风轮内部的涡旋均有不同程度改善,一定程度上减少了能量损失,从而改善了风轮周围流场特性。本研究通过计算和试验验证了提出的圆台型聚风罩对直线翼垂直轴风力机起动性能改善和输出功率提高的有效性,为开发结构更紧凑,效果更好的聚风装置提供了研究基础,为开发出高性能的直线翼垂直轴风力机提供了有益的探索。本研究所采用的数值模拟与正交旋转设计方法,为研究具有类似多结构参数垂直轴风力机设计提供了参考。
【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

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