铁路货车专用小型风力发电机研究设计

摘要

本文研究了利用铁路列车运行过程中产生的风能资源，以风力发电形式为铁路货车车辆提供电源的系统。利用Fluent对NX17通用型平车进行行驶过程中的车底流场数字模拟，采用标准k-ε双方程湍流模型，分析车辆底部风速值和分布规律。运用皮托管方法测量车辆底部的实际风速，验证流场模拟结果，评估车底风资源状况。基于列车底部流场的数值模拟与风速测定，完成了铁路货车专用小型风力发电机系统设计。风轮采用升力型和阻力型风轮相结合的H型垂直轴形式，不受列车行驶方向的影响，同时有助于风机自启动。增加风机的外部保护装置、聚流装置和金属滤网，避免车底碎石等杂物与风机发生碰撞，提升通过风轮的风速，并能起到稳流作用。在实验室风洞对该专用小型风力发电机系统进行了整机的性能试验，分别测试了不同叶片安装角和有无阻力型叶片等情况下的功率输出特性。
　　 试验结果表明升力型叶片在不同安装角下的输出功率能力存在较大差异，最佳安装角度在5°～15°范围，在负安装角度下风轮运行困难。升力型叶片的风轮较难起动，启动风速达到6.5m/s，增加阻力型叶片可以降低29％的启动风速，有利于扩大风力发电机工作风速范围。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 小型风力发电机发展现状

1．2．1 国内外小型风力发电产业现状

1．2．2 小型风力发电机的技术特点

1．3 垂直轴风力发电机研究现状

1．4 课题研究内容与意义

1．4．1 课题主要研究内容

1．4．2 课题研究意义

1．5 课题后期规划

第二章 垂直轴风力发电机叶片的相关设计理论

2．1 翼型的几何参数和空气动力学特性

2．1．1 翼型的主要几何参数和气流角

2．1．2 翼型的主要空气动力学特性

2．2 VAWT叶片的主要空气动力学设计理论

2．2．1 流管理论

2．2．2 涡流理论

2．3 升力型垂直轴风力发电机原理

2．3．1 基本工作原理

2．3．2 直线翼圆柱形垂直轴风机风轮气动分析

第三章 基于Fluent列车车底流场分析与实车风况测试

3．1 Fluent三维流场分析基本理论

3．1．1 N-S方程

3．1．2 湍流模型

3．2 基于Fluent铁路平车车底三维流场分析

3．2．1 Gambit模型导入与计算域设定

3．2．2 网格划分与边界条件设定

3．2．3 Fluent求解

3．2．4 结果后处理

3．3 列车车底实车风况测试

3．3．1 测试方法设计

3．3．2 试验仪器选型

3．3．3 试验内容

3．3．4 试验结果分析

第四章 铁路货车车载小型风力发电机设计

4．1 安全与设计要求

4．1．1 铁路限界要求

4．1．2 风力发电机设计要求

4．2 垂直轴风轮设计

4．2．1 叶片数选取

4．2．2 风能利用系数设计

4．2．3 尖速比设计

4．2．4 风轮主要外形尺寸设计

4．2．5 叶片部分设计

4．3 风力发电机外部机箱设计

4．3．1 机箱主要结构与尺寸

4．3．2 聚流板与滤网设计

4．4 发电机选型

第五章 30W垂直轴风力发电机试验与性能分析

5．1 发电机测试

5．1．1 试验仪器

5．1．2 测试方法

5．1．3 结果分析

5．2 30w风力发电机组性能测试研究

5．2．1 试验方案设计

5．2．2 仪器设备

5．2．3 试验步骤

5．3 试验结果分析

5．3．1 单阻力型叶片测试结果分析

5．3．2 单升力型叶片测试结果分析

5．3．3 升阻叶片结合测试结果分析

第六章 结论与展望

6．1 研究结论

6．2 前景展望

附表

参考文献

致谢

硕士研究生期间主要的研究成果