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双叶轮式水平轴风力发电机叶轮的建模与仿真分析

双叶轮式水平轴风力发电机叶轮的建模与仿真分析

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作者：王发达武汉工程大学

学位级别：硕士

风能极大的储量,体现其作为清洁能源的优势,开发风能资源已成为趋势。水平轴风力发电机应用广泛,具有较高的风能利用效率,是风力发电的主要设备。风力发电机的叶轮将风能转换为电能,叶片空气动力性能决定了风力机的能量转换效率。本文... 详细信息

风能极大的储量,体现其作为清洁能源的优势,开发风能资源已成为趋势。水平轴风力发电机应用广泛,具有较高的风能利用效率,是风力发电的主要设备。风力发电机的叶轮将风能转换为电能,叶片空气动力性能决定了风力机的能量转换效率。本文研究对象是微型双叶轮式水平轴风力发电机,主要研究叶片参数和输出功率的优化。本文研究了风力发电机叶轮叶片的基本设计理论,设计风机叶轮的几何参数,确定叶轮的直径、风叶数量,选取了NACA4412翼型作为叶片的翼型,运用翼型设计软件Profili分析攻角和雷诺数对翼型气动性能的影响。通过比较雷诺数及升阻比随着攻角的变化趋势,确定了叶片翼型的最佳攻角为6°,此时翼型具有良好的气动特性。通过Wilson方法计算出叶片各截面处叶素的弦长和扭角,运用Profili软件导出叶素翼型曲线,CAD软件对曲线进行拟合和旋转处理,Solidworks软件建立叶轮三维实体模型,最后采用Space Claim软件建立叶轮模型的计算域。基于CFD方法分析风机叶片工作时的气动性能,利用有限元分析软件ANSYS Fluent对叶轮流场进行仿真模拟,研究分析了流场中叶片表面静压、沿叶片展向各截面静压、Y=0截面动压和气流流速的变化分布,并使用伯努利方程验证了仿真模拟结果的准确性。根据流场数值模拟结果计算出叶轮的输出功率,并通过多模型对比优化了双叶轮间距的设置,最终选择了双叶轮间距设置为0.5R,此双叶轮设计模型的输出功率比单叶轮模型增长了72.1%,功率提升最为明显。最后结合流固耦合的分析方法,设计了叶轮材料并加载流体载荷,进行叶轮结构的力学分析和模态分析。经过校核验证,双叶轮体系满足强度要求且不会出现共振现象,表明双叶轮式风力发电机结构优化合理可靠。

关键词：双叶轮风力发电机叶轮三维建模仿真模拟流固耦合

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