具有偏心风轮结构垂直轴风力机气动特性研究

作     者：吴志诚 

作者单位：东北农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李岩

授予年度：2017年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：垂直轴风力机 偏心风轮 起动性 数值计算 风洞试验 

摘      要：随着风电市场的迅速发展,适用于中小型风电市场的直线翼垂直轴风力机越来越受欢迎,然而目前直线翼垂直轴风力机仍然存在一些问题,如在低风速下难以自起动的状况以及其输出功率较低等问题,该研究为避免风力机结构复杂化,从风力机风轮结构出发,提出了一种具有偏心结构的直线翼垂直轴风力机风轮形式,通过增大叶片气动力对转轴的作用半径来改善风力机的起动性能和提高输出功率特性,并设置了6种风轮偏心量(0、10mm、20mm、30mm、40mm、50mm),制作了一台直径0.8m、高0.5m风力机模型,通过将数值模拟、力学分析和风洞试验这三种方法有机结合,主要从以下两方面研究:(1)偏心风轮结构对直线翼垂直轴风力机的起动性能影响研究。首先,通过风洞试验测试了6种具有不同偏心量的2叶片风力机和3叶片风力机在不同风速下的起动状况;然后通过数值模拟的方法计算了在10 m/s风速时,6种具有不同偏心量的风力机在旋转周期内的各个方位角下的静态力矩特性,从定量的角度分析偏心风轮结构的对风力机的起动状况的影响原因;并通过对风力机风轮进行受力分析,诠释偏心风轮造成风力机的静态力矩差异的原因,揭示偏心风轮的作用机理;最后从流场的角度展示了偏心风轮结构对风力机风轮附近流场的影响。(2)偏心风轮结构对直线翼垂直轴风力机的动态气动特性影响研究。通过风洞试验测试6种具有不同偏心量的2叶片风力机和3叶片风力机在不同风速下的转速特性,以及在10m/s风速下的输出功率特性,并挑选性能改善较好的偏心风力机和无偏心量风力机进一步测试其在各个风速下的输出功率特性,验证偏心风轮结构对风力机输出性能改善的有效性和普遍性。同时,通过数值模拟方法计算了风力机在运转过程中的动态力矩特性,模拟了具有不同风轮偏心量的风力机的动态流场情况。在该研究条件下得到以下主要结论:(1)偏心风轮结构对风力机起动特性有很大的影响,适当的偏心量可以消除风力机在某些方位角处的反向力矩,提高静态力矩系数,有效地提升风力机在低风速下的起动能力,同时使静态力矩系数波动变得平滑,但偏心量对风力机静态力矩的影响与方位角密切相关,在一些方位角处也起到负面效果。其影响机理主要由于是偏心结构改变了叶片气动力作用在旋转中心的位置造成的。因此,偏心量要适当,不能过小也不宜过大。(2)偏心风轮结构对风力机的动态气动特性有很大影响,主要体现在两方面:对于风力机的转速特性,无论是对2叶片风力机还是对3叶片的风力机偏心风轮结构对风力机的转速有很大程度的提升效果,适当的风轮偏心量能够使风力机在低风速下的转速达到甚至超过更高风速下的无偏心量风力机转速;对于风力机输出功率特性,适当的偏心量在低叶尖速比下和高叶尖速比下均可有效提高风力机的输出功率系数,在设置的6中偏心量风轮中,效果最好偏心量为L=30 mm,该偏心量下,2叶片风力机在测试设定最大叶尖速比时功率系数可较无偏心风轮风力机提高18%;而3叶片风力机在实验设定叶尖速比范围内达到了功率系数最大值,最大功率系数可较无偏心风轮提高20%。(3)该研究所提出的偏心风轮结构未添加任何附加装置,避免使风力机结构复杂化,在一定程度上有效改善直线翼垂直轴风力机的静态起动特性、转速特性和输出功率特性,并且使风力机在运转过程中的转矩波动变得平滑,提升了风力机在运转过程中的稳定性。说明了仅从风轮结构优化上也可提升该种风力机的性能,为今后风力机的设计和研发提供了新的思路。