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中国石油大学学报（自然科学版） 2022年第1期46卷 147-154页

作者：张立军胡阔亮焦刘阳孙学法张亚广刘静李昌良中国石油大学(华东)机电工程学院山东青岛266580 中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266580

为提高垂直轴风电机组的出力效果和使用寿命,对1.5 MW大型H型垂直轴风力机,以最大力矩系数和最小变异系数为研究目标,通过FLUENT软件研究反向旋转的双风机和三风机的排布方式对其气动载荷的影响,并提出采用变异系数衡量主轴偏振效应。... 详细信息

为提高垂直轴风电机组的出力效果和使用寿命,对1.5 MW大型H型垂直轴风力机,以最大力矩系数和最小变异系数为研究目标,通过FLUENT软件研究反向旋转的双风机和三风机的排布方式对其气动载荷的影响,并提出采用变异系数衡量主轴偏振效应。结果表明最佳的双风机排布间距为Y_(r)=1.3D,最佳旋转方向为CFR;紧密排布条件下三风机最佳排布间距为X_(r)=(1.8~2)D和Y_(r)=1.6D,最佳旋转方向为CW3;双风机排布增大了叶片内外表面压差,其平均力矩系数相比单风机的最大提高了5.9%,变异系数降低了19.26%;三风机排布形成峡谷效应增大了下游风机的来流风速,其平均力矩系数相比单风机最大提高了5.53%,变异系数最小增大了1.27%,且后排风机排布在前排风机的中垂线上可获得最佳的增益效果。

关键词：垂直轴风力机机组排布方式气动载荷主轴偏振

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大型H型垂直轴风电机组排布方式及其气动载荷分析

大型H型垂直轴风电机组排布方式及其气动载荷分析

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作者：胡阔亮中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

H型垂直轴风力机无需对风、噪音低、受力方向恒定且适用于高湍流地区,在风场建设和大型化发展中的优势逐渐显现,但风电机组目前仍存在气动载荷波动较大和风场布置中受尾流效应影响显著等问题,这极易降低其主轴寿命和气动性能。为更好地... 详细信息

H型垂直轴风力机无需对风、噪音低、受力方向恒定且适用于高湍流地区,在风场建设和大型化发展中的优势逐渐显现,但风电机组目前仍存在气动载荷波动较大和风场布置中受尾流效应影响显著等问题,这极易降低其主轴寿命和气动性能。为更好地提高风电机组的使用寿命和出力效果,本文探究了大型垂直轴风电机组排布方式对其载荷和性能的影响。首先利用CFD技术,对计及塔影效应的大型垂直轴风力机的气动载荷进行仿真计算;然后确定了双风机的最佳布置方式和气动载荷变化的机理,并采用实物试验验证仿真结果;最后进一步研究三风机和多风机的排布方式及其速度场变化情况,并确定各风机气动性能和载荷变化情况。本文的主要研究内容和结论如下:1)利用CFD仿真技术研究了计及塔影效应的大型垂直风力机叶片气动载荷,研究表明其气动载荷会在θ=270°附近产生小幅下降的波谷,同时单风机尾流区较狭长且风速低;主轴合成力幅值约为52.7k N,且呈现周期性变化,其周期性长短和叶片数量有关。2)以最大力矩系数和最小变异系数为目标,研究了双风机气动性能和载荷变化情况,结果显示双风机排布距离越近,力矩系数越高,且变异系数越低,双风机对转可有效改善主轴偏振效应,且CFR布置方式优于CBR布置方式。当Y=1.3D时,双风机的平均力矩系数C相比单风机的最大提高了5.9%,平均变异系数CV降低了19.26%。3)进一步研究显示,双风机叶片的外表面压力较单风机叶片的显著提高,进而增大了叶片内外表面压差和气动力载荷,同时改善了叶片上下风区载荷不均匀状况。搭建双风机测试试验台,研究双风机连接负载两端电压和功率值,结果表明双风机间距越近,CFR-2负载两端的电压和功率值越大,且大于单风机连接负载两端的电压和功率值。4)对三风机和多风机气动性能和载荷变化进行相关研究,结果表明依据“鱼群效应”排布的三风机会获得最佳的增益效果;紧密排布条件下以X=1.8D-2D、Y=1.6D排布的CW3三风机C增大了5.53%,CV值最小增大了1.27%;非紧密排布的三风机的最佳排布间距为X=3D、Y=2D,归一化系数C和CV为1.069和1.001。四风机排布方式中后排双风机会限制前排风机的尾流发展,降低其气动性能;给定区域下以X=2D、Y=1.6D最多布置了八台风机,C值为0.81,CV值为1.36。

关键词：大型H型垂直轴风电机组排布方式气动载荷主轴偏振 FLUENT

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