垂直轴风力机主轴直径对气动性能的影响

发布时间：2022-01-17 16:22

　　采用数值模拟的方法,分析了主轴直径对垂直轴风力机气动性能的影响,结果表明:主轴在流场中会产生低速区,对风力机风能利用率产生影响,随着轴径比的增大,风力机风能利用率峰值下降速度加快,当轴径比为0.144、0.307、0.500时,风力机的风能利用率峰值分别下降了0.87%、6.59%、11.3%;但大轴径比风力机的启动性有一定提升。 

【文章来源】：装备制造技术. 2020,(04)

【文章页数】：4 页

【部分图文】：

模型示意图

以风轮半径R来定义计算域的尺寸，计算域及边界条件的定义如图2所示。计算域左侧速度入口的流速为8 m/s；右侧压力出口的表压为0 Pa；两侧为对称边界。而计算域内部叶片和主轴所在区域采用滑移网格技术，使其以主轴中心为圆心相对于周围流场旋转，用于模拟风力机的运行，旋转区域的边界采用交界面边界，以保证流体的流通。最后叶片表面和主轴表面为壁面边界。由于垂直轴风力机为二维非稳态旋转运动，因此采用计算精度较高的SST k-ω模型进行模拟，并对叶片边界层网格进行加密。计算过程中为保证精度选择二阶精度的PISO算法，收敛残差为10-4。选择时间步长为1/720旋转周期[9]，共计算25周期，使计算结果稳定。

对上述不同主轴直径的风力机模型在尖速比为1.8时进行对比，其风轮附近流场的速度云图如图3所示。由图3可知，对于d=0 mm时的无主轴风力机模型，来流风在经过上风区的叶片后速度下降，使得位于下风区的叶片来流风速较小，从而产生的升力也小，说明垂直轴风力机利用风能的主要区域在上风区。在风轮中心存在主轴时，来流风在主轴的迎风方向产生了一个低速区。当主轴直径为75 mm时，该低速区的范围较小，没有影响到上风区的叶片，因此对风力机性能的影响较小；而随着主轴直径增大，低速区的范围也增大，会对上风区方位角在180°附近的叶片产生影响，使其受到的来流风速减小，同时叶片与来流风的相对风速方向改变，使得叶片攻角减小，两个因素共同导致最终叶片产生的升力减小，对风力机性能影响较大。同时由于主轴与风轮同速转动，使得风轮内部的流场分布产生改变，以主轴直径为260 mm时为例，其中位于主轴下侧的流体受到减速效果，而主轴上方的流体产生加速效果，会对位于这两个区间的叶片产生影响，但由于这两个区间内叶片与来流风的夹角较小，使得叶片的攻角较小，所以产生的升力小，对风力机有较小影响。

【参考文献】：
期刊论文
[1]H型垂直轴风力机实时高效攻角调节方法研究[J]. 张立军,赵昕辉,王旱祥,刘延鑫.  机械工程学报. 2018(10)
[2]叶片安装角对H型垂直轴风力机气动性能的影响研究[J]. 杨秋萍,席德科.  太阳能学报. 2017(09)
[3]兆瓦级垂直轴风力发电机组仿生塔架性能分析[J]. 谭季秋,卿上乐.  南华大学学报(自然科学版). 2014(02)
[4]垂直轴风力机应用概况及其展望[J]. 姚英学,汤志鹏.  现代制造工程. 2010(03)
[5]水平轴与垂直轴风力发电机的比较研究[J]. 蒋超奇,严强.  上海电力. 2007(02)
[6]水平轴与垂直轴风力发电机的比较研究[J]. 蒋超奇,严强.  上海电力. 2007 (02)

硕士论文
[1]直叶型垂直轴风机的变桨距及被动控制装置优化[D]. 李福林.哈尔滨工业大学 2017



本文编号：3595051