兆瓦级升阻复合型垂直轴风力机气动特性及结构研究

摘要

垂直轴风力机相对水平轴风力机有无需对风的天然优势，而且升力型垂直轴风力机的风能利用率也可以达到与水平轴风力机相同的水平，但目前却少有大功率的垂直轴风力机出现。阻碍其大型化的主要原因在于：升力型垂直轴风力机的启动困难以及大型风轮结构的设计困难。为解决此问题，本文设计了新型升阻复合方式的兆瓦级垂直轴风力机，并对其气动特性和结构进行了研究。
　　基于垂直轴风力机的致动盘理论和多流管理论，结合升阻复合型风轮的特点，并综合考虑升力叶片及阻力叶片的各项参数对风轮气动特性的影响，建立了分区域计算的多致动盘多流管理论模型，便于观察风轮各参数的作用机理和高效地计算风轮的平均功率系数。
　　针对理论模型难以考虑到各叶片之间相互影响的不足，采用FLUENT数值模拟的方法，对9种不同升阻复合风轮模型进行了启动性能、运行效率、极限工况受力状态等方面的研究。发现阻力叶片尺寸越大、距主轴越远均会使风轮的启动性能提升、运行效率下降，并分析了其原因。将升阻复合型风轮与传统的纯升力型风轮相比较，结果表明采用升阻复合型风轮对启动性能提升显著。将本文建立的多致动盘多流管理论模型的计算的功率系数与数值模拟的结果进行了对比，发现在低尖速比时比较准确，而在高尖速比时功率系数偏高，得到了理论模型的适用范围。
　　为解决兆瓦级风力机的风轮结构设计的困难，针对2MW升阻复合型风力机，对比了多种风轮整体方案和连接臂构型，进行优选，依次设计校核了连接臂部分、主轴部分的钢结构部件，并设计了升力叶片和阻力叶片的内部结构、铺层材料及连接方式，为兆瓦级升阻复合型垂直轴风力机提供了一套完整可靠的风轮结构设计方案。
　　利用ANSYS对所设计的风轮结构进行有限元分析，重点分析了在不同工况下结构的变形和应力，以及结构的固有频率和振型，并通过对比计算，利用改变连接臂中各梁的管壁厚度以及增加结构部件的方式，改进了结构，提高了安全性。

目录

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 风力发电背景及研究的目的和意义

1.2 风力机分类及研究现状

1.3 垂直轴风力机的主要研究方法

1.4 兆瓦级垂直轴风力机存在的问题及研究现状

1.5 主要研究内容

第2章 升阻复合型垂直轴风力机理论模型研究

2.1 引言

2.2 升阻复合多致动盘多流管模型研究

2.4 利用理论模型计算平均功率系数

2.3 本章小结

第3章 基于数值模拟的升阻复合型风轮气动特性研究

3.1 引言

3.2 数值模拟方法及设置

3.3 阻力叶片尺寸与安装位置对风轮气动特性的影响

3.4 升阻复合型风轮与纯升力型风轮对比研究

3.5 理论模型的对比验证

3.6 本章小结

第4章 兆瓦级升阻复合型垂直轴风力机结构方案设计

4.1 引言

4.2 升阻复合型垂直轴风力机整体方案优选

4.3 连接臂构型优选

4.4 连接臂设计

4.5 主轴轮毂及轴段设计

4.6 叶片设计

4.7 叶片支撑梁的设计

4.8 本章小结

第5章 风轮结构有限元分析

5.1 引言

5.2 变形分析

5.3 应力分析

5.4 模态分析

5.5 风轮结构的比较和改进

5.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢