立式太阳能热气流发电系统空气涡轮机叶片的设计及其气动性能研究

摘要

本文以分析立式太阳能热气流发电系统（简称SCPPVC系统）的能量形式为基础，根据风力机的设计原理，利用Wilson设计方法，对系统中空气涡轮机的叶片进行了初步设计，并利用数值计算的方法对设计的模型进行了性能分析与改进，并通过试验研究的方法对所设计空气涡轮机中的性能进行了综合分析。
　　以贝茨理论、动量理论和叶素理论为基础，利用Wilson设计方法，基于MATLAB软件，对SCPPVC系统中空气涡轮机叶片的结构进行了设计。在设计过程中，叶片的翼型选用升阻比较大的NACA63-215，联合交换坐标的原理，计算并选择了叶片翼型上的三维空间坐标，利用SOLIDWORKS软件，将空气涡轮机叶片的三维实体进行建模。根据空气涡轮机运行时叶片上下表面的受力及获能情况，对计算得到的叶片上各叶素弦长和扭角进行了修正，并对叶片叶根处的结构进行了优化设计，初步形成了SCPPVC系统中空气涡轮机叶片的外形。
　　利用GAMBIT软件对空气涡轮机计算区域进行内场、外场计算区域的网格划分，内场为空气涡轮机及其周围旋转区域，采取三角形网格，并对其进行加密，外场为静止区，采用三角形网格。并利用FLUENT软件，对空气涡轮机进行数值模拟。获得了流场的压力图，速度图，空气涡轮机叶片表面的压力图，叶片不同半径截面的压力图等云图，对空气涡轮机的气动特性进行分析。结果表明获得的叶片及流场云图符合叶片旋转机理，云图分布较为合理。
　　用数值计算的方法，将不同的风速，不同的压差下的空气涡轮机功率进行分析，分析结果表明：空气涡轮机输出功率与空气涡轮机进口风速的增加呈现多项式增长，而与空气涡轮机前后压力差的增加近似成线性增大。
　　采用上述设计原理对不同叶片数目、不同尖速比的空气涡轮机的叶片进行了设计，以空气涡轮机的输出功率及其风能利用系数为目标函数，采用数值模拟方法研究了不同叶片数及不同尖速比的空气涡轮机在SCPPVC系统中的气动性能。结果表明：在SCPPVC系统中，当叶片数目为7、尖速比为1.8时，空气涡轮机达到最佳性能，最佳工作范围的风的速度小于9m/s。
　　利用低速风洞实验平台，对SCPPVC系统中空气涡轮机的性能进行试验研究，获得了不同风速与压差下空气涡轮机的输出功率，以及不同数目的叶片下空气涡轮机的启动风速。结果表明：空气涡轮机输出的功率与模拟结果趋势相似，并且可以得出，叶片数目越多，启动风速越小，其数值相差不大，每组不同叶片的启动风速相差不超过0.3m/s。
　　将试验与模拟的结果相比较，得出：当风速为7m/s时，上述两种方法所得到的输出功率差异不大，两者误差约为1.38％；而当风速大于或小于7m/s时，上述两种方法所得到结果的误差略有增大；当风速为9m/s时，有最大误差，误差率大约为6.6%。因此基于风力机理论设计的SCPPVC系统的空气涡轮机叶片适用于SCPPVC系统，而本文的设计方法也为今后进一步设计及优化SCPPVC系统中空气涡轮机的设计提供了理论基础。

目录

符号说明

1 绪论

1.1 引言

1.2 太阳能热气流发电系统

1.3 太阳能热气流发电系统国内外研究现状

1.4 课题的提出

2 空气涡轮机叶片设计的基本原理

2.1 翼型理论

2.2 风力机叶片设计的基本理论

2.3 本章小结

3 空气涡轮机叶片设计

3.1 空气涡轮机外形设计计算

3.2 叶片外形的修正

3.3 叶片的三维建模

3.4 本章小结

4 基于CFD软件的数值仿真

4.1 数值模拟的理论基础

4.2 网格划分

4.3 网格无关性验证

4.4 边界条件设置及参数设置

4.5 空气涡轮机流动特性计算结果分析

4.6 叶片数目的优选

4.7 尖速比的优选

4.8 空气涡轮机风速的适用范围

4.9 本章小结

5 SCPPVC系统中空气涡轮机性能的试验研究

5.1 试验原理

5.2 实验装置

5.3 试验结果

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文目录及研究成果

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