双层可伸缩式垂直轴风力机结构及气动特性计算研究

摘要

当前，大型风电的快速发展也带动了中小型风电的推广和应用，适合于离网型和分布式的中小型风电系统的研究和开发越来越受到重视。这其中，直线翼垂直轴风力机以其简单的结构、良好的风向适应性、便利的安装维护性等优点尤其受到广泛关注。然而，研究发现该种风力机也存在一些缺点，如在低风速条件下的自起动性较差需要安装起动装置;风能利用效率低于现在主流的水平轴螺旋桨式风力机等。
　　为改善直线翼垂直轴风力机低风速起动性能，提高风能利用率，本研究提出了一种新型的双层可伸缩式垂直轴风力机，该风力机是基于现有的直线翼垂直轴风力机的一种升阻复合型风力机。该风力机包括内外两层叶片，外层为主叶片，内层为副叶片，在副叶片最大厚度处安装可伸缩的柔性辅助叶片。当风力机处于起动状态时，风轮转速较低，柔性辅助叶片打开，与副叶片一起构成阻力风轮，可产生较大转矩，使风力机能够快速起动，从而解决直线翼垂直轴风力机的起动性差的问题。当风力机起动后，柔性辅助叶片缩回副叶片中，副叶片恢复叶片升力特性，此时风力机主要依靠外层叶片产生的转矩旋转，内层副叶片的转矩对风力机转动起到一定的辅助作用，可在一定程度上提高风力机的风能利用率。该种结构的风力机目前还未见报道。
　　本文首先应用数值计算的方法对本研究设计的双层可伸缩式垂直轴风力机的主要结构参数进行了研究，包括内层叶片的安装位置、柔性辅助叶片的展开轮廓等，然后对最佳结构参数下的实验模型进行了风洞实验，检验了计算结果的可靠性，最后对该种风力机的主要结构进行了设计。主要计算研究成果如下:
　　(1)内层叶片的沿半径方向的安装位置对风力机的气动特性具有较大影响。计算结果显示，双层叶片能够有效提升风力机的力矩系数，改善风力机的风能利用效率，其内层叶片沿半径方向的安装位置对风轮力矩特性及功率特性具有较大影响，在半径比为0.7时，改善效果最佳。
　　(2)相对安装角对风轮的气动特性影响较小。在半径比为0.7下，选取相对安装角±45°范围内进行计算，结果表明，不同相对安装角下对风轮力矩特性及功率特性曲线无明显差异。
　　(3)在柔性辅助叶片的最佳曲线计算方面，类比传统Savonius风力机的气动特性，对9种不同压缩比的椭圆弧线进行了计算与分析，结果表明，椭圆压缩比为1.6的椭圆弧线为展开轮廓，在低尖速比下风力机具有较好力矩特性，能够完成风力机的自起动。
　　综上所述，本研究主要有两个创新点:一是设计了一种新型升阻复合型垂直轴风力机，并进行了相关结构的设计，解决了传统直线翼垂直轴风力机起动性差问题，同时改善了风能利用效率;二是利用数值计算的方法对该风力机的主要结构参数进行了研究，并得出各参数对风力机气动性能的影响规律。结果为今后深入研究该种风力机的应用提供了依据和参考。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 风能利用现状

1．2 风力机类型

1．2．1 水平轴风力机

1．2．2 垂直轴风力机

1．3 垂直轴风力机研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 主要研究内容

1．5 技术路线

2 垂直轴风力机相关理论及研究方法

2．1 垂直轴风力机工作原理

2．1．1 垂直轴风力机基本参数

2．1．2 阻力型垂直轴风力机工作原理

2．1．3升力型垂直轴风力机工作原理

2．2 垂直轴风力机研究方法

2．2．1 研究方法概述

2．2．2 理论分析

2．2．3 数值计算

2．2．4 风洞实验

3 双层可伸缩式垂直轴风力机气动特性数值模拟研究

3．1 双层可伸缩式垂直轴风力机模型

3．2 基本结构参数设计

3．2．1 风轮参数设计

3．2．2 叶片参数设计

3．3 双层可伸缩式垂直轴风力机气动特性数值计算

3．3．1 数值模拟计算方法

3．3．2 直线翼垂直轴风力机力矩特性

3．3．3 内层叶片安装位置对风轮输出特性的影响

3．3．4 柔性辅助叶片展开轮廓对风轮输出特性的影响

3．4 风洞实验验证

3．4．1 风洞实验模型

3．4．2 风洞实验结果

3．5 本章小结

4 风洞验证实验及风力机伸缩结构设计

4．1 伸缩机构实现原理

4．2 柔性辅助叶片受力与运动分析

4．3 扭矩弹簧计算

4．4 整机三维建模

4．5 本章小结

5 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文