主要结构参数对直线翼垂直轴风力机性能影响研究

发布时间：2020-10-15 00:31

　　 直线翼垂直轴风力机是一种结构简单、风能利用效率高并且维护保养简单的升力型垂直轴风力机。近年来，随着中小型风电市场的发展，直线翼垂直轴风力机已经受到越来越多的关注。直线翼垂直轴风力机的性能主要包括起动性能和输出性能，其中起动性能反映了风力机在低风速下起动的能力，输出特性则反映了风力机工作时对风能的利用能力。 直线翼垂直轴风力机的起动性不佳一直是影响其发展的主要原因之一，而其起动性能主要是由其结构参数所决定的。改善直线翼垂直轴风力机起动性能的方法主要有两种，一种是改变其自身结构，另一种是安装辅助起动装置。直线翼垂直轴风力机的自身结构参数主要包括叶片翼型、风力机半径、叶片个数等，探明这些主要结构参数对起动性能的影响对改善其起动性能有重要的意义。对于安装辅助起动装置的方法，通常将Savonius阻力风轮与直线翼垂直轴风力机进行组合。然而，如果阻力风轮与直线翼垂直轴风力机的结合角度等组合方式不当会影响起动性能和转动后的性能。因此，研究结合角度对直线翼垂直轴风力机起动性能的影响十分必要。本文重点研究了叶片翼型与结合角度对直线翼垂直轴风力机起动性能的影响。在叶片翼型的研究中，选择了NACA0018、NACA5520以及FX63-145三种翼型，其中NACA0018为对称翼型，NACA5520为非对称厚翼型，FX63-145为非对称薄翼型。利用风洞试验测试了不同翼型风力机在不同攻角下的起动风速得出，采用对称翼型的直线翼垂直轴风力机起动性能高于采用非对称翼型的风力机；采用厚翼型的直线翼风力机的起动性能高于采用薄翼型的直线翼垂直轴风力机。在结合角度的研究中，分别将采用对称翼型和非对称翼型的直线翼垂直轴风力机的最佳起动区域和最差起动区域与阻力风轮的最佳起动区域进行结合。利用风洞试验测试了各种组合后的风力机在不同攻角下的起动风速得出，当直线翼垂直轴风力机的最佳起动区域与Savonius风轮的最佳起动区域相对应可以更好的改善直线翼垂直轴风力机的起动性。 在研究了结构参数对直线翼垂直轴风力机及起动性影响的基础上，又对在低转速下风力机的输出性能进行了研究。目前，国内外对直线翼垂直轴风力机输出性能的研究主要集中在其正常工作及高尖速比的状态下，而起动后的低转速阶段的输出性能对于风力机的起动性能以及正常输出性能都有较大的影响。本文利用风洞试验的方法研究叶片翼型、风力机半径、叶片个数以及阻力风轮对直线翼垂直轴风力机低转速下输出性能的影响。其中叶片翼型采用NACA0018和NACA5520，叶片个数选择2、3、4，风力机半径选择0.3m和0.4m。利用风洞试验测试了由不同结构参数组成的风力机安装阻力风轮前后在低转速下的输出性能。对于不带阻力风轮的直线翼垂直轴风力机，叶片翼型、叶片个数以及风力机半径都对风力机低转速下的输出性能造成了一定的影响。安装阻力风轮后，直线翼垂直轴风力机低转速下的输出性能总体得到了提升，对比各结构参数下的改善率可知，Savonius阻力风轮对采用对称翼型风力机的输出性能的改善情况比采用非对称翼型风力机要好且稳定。 另外，本研究还通过数值模拟的方法研究了阻力风轮与直线翼垂直轴风力机的直径比对直线翼垂直轴风力机输出性能的影响。选用了0.25、0.33、0.5三种直径比进行计算，并将计算结果与单机结果进行了对比。通过研究得出直径比为0.5时直线翼垂直轴风力机的输出性能最佳，同时其起动性能相对于单机提高了约2倍。 综上所述，本研究通过风洞试验和数值模拟计算的方法从结构参数的角度对直线翼垂直轴风力机的性能进行了较为系统的研究。主要的创新点包括以下两点：一、提出了与Savonius风轮组合时的结合角度对直线翼风力机起动性能的影响并进行了风洞试验研究，提出了较优的组合方式；二、利用风洞试验的方法实际测试了主要结构参数对风力机低转速下的输出性能，并探索出了一定影响规律，为风力机的设计提供了有益的参考。
【学位单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2013
【中图分类】：TK83
【部分图文】：

[1-5]。图1-1 全球风电累计和新增装机变化趋势（1996-2011 年）Fig 1-1 Global wind power cumulative and new power change trend（1996-2011）我国在地理位置上处于亚洲大陆的东部，并且濒临太平洋，拥有 1.8 万公里的海岸线，同时我国内陆地区又多山，改变了气压分布，因此全国约 20%的国土面积有比较丰富的风能资源，根据计算我国风能总储量约为 32.26 亿 KW,可开发量约为 2.53 亿 KW[6]。因此，我国对风能的大力开发与应用是势在必行的。我国的风电事业经过了多年的快速增长期后正开始步入稳健发展期，截止 2011 年年底，中国累计风电机组 45894 台

[7]。图1-2 中国新增及累计风电装机总量（2001-2011 年）Fig 1-2 New and cumulative wind power capacity of China风力机是将风能转换为机械能、电能的主要设备，按照其转轴的方向可以分为水平轴风力机与垂直轴风力机两类。近年来对大型水平轴风力机的研究已经相对成熟，水平轴风力机已经被广泛的应用于海上、陆地的风力发电。然而，随着水平轴风力机快速发展，一些存在的问题也被暴露了出来，如结构复杂、安装维修困难、噪声污染等。其中，很多问题都是由水平轴风力机的结构所决定的，因此开发出更加符合市场需要的产品需要在结构上有所突破[8-9]。垂直轴风力机作为风力机家族中重要的一员，在现代风电产业发展过程未能被给予足够的重视，其原因主要是在以往的研究中普遍认为水平轴风力机的风能的利用率要高于垂直轴风力机。然而

Savonius 风轮Savonius VAWT图1-3 典型的垂直风力机Fig 1-3 Some typical Vertical Axis Wind Turbines1.2.1 升力型垂直轴风力机升力型垂直轴风力机是利用叶片的升力产生转矩从而使风力机获得转速的风力机，典型的升力型直线翼风力机为法国科学家在 1931 年发明的达里厄型垂直轴风力机以及在其基础上衍生出的直线翼垂直轴风力机[19]。1.2.1.1 达里厄型垂直轴风力机达里厄型风力机有着优越的空气动力学性能，在目前已有的垂直轴风力机中，达里厄型的风能利用率是最高的，可以达到 0.35-0.4 左右[20]。达里厄风力机一般由以下几部分构成：风轮系统（包括叶片、转轴及其固定装置）、制动系统、发电系统、控制系统和支架、拉索等辅助装置，如图 1-2 所示。
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 贺德馨;;风能技术可持续发展综述[J];电力设备;2008年11期

2 杨慧杰;杨文通;;小型垂直轴风力发电机在国外的新发展[J];电力需求侧管理;2007年02期

3 申振华;于国亮;;翼型弯度对风力机性能的影响[J];动力工程;2007年01期

4 周万里;黄典贵;徐建中;;新型聚能-遮蔽升力型立轴风力机[J];工程热物理学报;2009年11期

5 孙晓晶;陆启迪;黄典贵;吴国庆;;升力型垂直轴风力机翼型的选择[J];工程热物理学报;2012年03期

6 江帆;庾在海;王一军;刘晓初;区嘉洁;;转笼生物反应器流场的滑移网格与动网格计算比较[J];广州大学学报(自然科学版);2007年03期

7 朱英辉;刘志璋;;升、阻力混合型垂直轴风力机结构与性能的分析[J];华东电力;2008年07期

8 李岩;原豊;林農;;叶片重叠比对Savonius风力机性能的影响[J];可再生能源;2008年03期

9 李岩;;垂直轴风力机技术讲座(一) 垂直轴风力机及其发展概况[J];可再生能源;2009年01期

10 李岩;;垂直轴风力机技术讲座(二) 阻力型垂直轴风力机[J];可再生能源;2009年02期

本文编号：2841424