具有偏心風(fēng)輪結(jié)構(gòu)垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性研究.pdf

1、隨著風(fēng)電市場(chǎng)的迅速發(fā)展，適用于中小型風(fēng)電市場(chǎng)的直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)越來(lái)越受歡迎，然而目前直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)仍然存在一些問(wèn)題，如在低風(fēng)速下難以自起動(dòng)的狀況以及其輸出功率較低等問(wèn)題，該研究為避免風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，從風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)出發(fā)，提出了一種具有偏心結(jié)構(gòu)的直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪形式，通過(guò)增大葉片氣動(dòng)力對(duì)轉(zhuǎn)軸的作用半徑來(lái)改善風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)性能和提高輸出功率特性，并設(shè)置了6種風(fēng)輪偏心量(0、10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 m

2、m)，制作了一臺(tái)直徑0.8 m、高0.5 m風(fēng)力機(jī)模型，通過(guò)將數(shù)值模擬、力學(xué)分析和風(fēng)洞試驗(yàn)這三種方法有機(jī)結(jié)合，主要從以下兩方面研究:
　　(1)偏心風(fēng)輪結(jié)構(gòu)對(duì)直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)性能影響研究。首先，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試了6種具有不同偏心量的2葉片風(fēng)力機(jī)和3葉片風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下的起動(dòng)狀況;然后通過(guò)數(shù)值模擬的方法計(jì)算了在10 m/s風(fēng)速時(shí)，6種具有不同偏心量的風(fēng)力機(jī)在旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的各個(gè)方位角下的靜態(tài)力矩特性，從定量的角度分析偏心風(fēng)輪結(jié)

3、構(gòu)的對(duì)風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)狀況的影響原因;并通過(guò)對(duì)風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪進(jìn)行受力分析，詮釋偏心風(fēng)輪造成風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)力矩差異的原因，揭示偏心風(fēng)輪的作用機(jī)理;最后從流場(chǎng)的角度展示了偏心風(fēng)輪結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪附近流場(chǎng)的影響。
　　(2)偏心風(fēng)輪結(jié)構(gòu)對(duì)直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)氣動(dòng)特性影響研究。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試6種具有不同偏心量的2葉片風(fēng)力機(jī)和3葉片風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下的轉(zhuǎn)速特性，以及在10m/s風(fēng)速下的輸出功率特性，并挑選性能改善較好的偏心風(fēng)力機(jī)和無(wú)偏心量風(fēng)力機(jī)

4、進(jìn)一步測(cè)試其在各個(gè)風(fēng)速下的輸出功率特性，驗(yàn)證偏心風(fēng)輪結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)力機(jī)輸出性能改善的有效性和普遍性。同時(shí)，通過(guò)數(shù)值模擬方法計(jì)算了風(fēng)力機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)力矩特性，模擬了具有不同風(fēng)輪偏心量的風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)流場(chǎng)情況。
　　在該研究條件下得到以下主要結(jié)論:
　　(1)偏心風(fēng)輪結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)力機(jī)起動(dòng)特性有很大的影響，適當(dāng)?shù)钠牧靠梢韵L(fēng)力機(jī)在某些方位角處的反向力矩，提高靜態(tài)力矩系數(shù)，有效地提升風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速下的起動(dòng)能力，同時(shí)使靜態(tài)力矩系數(shù)波動(dòng)變

5、得平滑，但偏心量對(duì)風(fēng)力機(jī)靜態(tài)力矩的影響與方位角密切相關(guān)，在一些方位角處也起到負(fù)面效果。其影響機(jī)理主要由于是偏心結(jié)構(gòu)改變了葉片氣動(dòng)力作用在旋轉(zhuǎn)中心的位置造成的。因此，偏心量要適當(dāng)，不能過(guò)小也不宜過(guò)大。
　　(2)偏心風(fēng)輪結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)氣動(dòng)特性有很大影響，主要體現(xiàn)在兩方面:對(duì)于風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速特性，無(wú)論是對(duì)2葉片風(fēng)力機(jī)還是對(duì)3葉片的風(fēng)力機(jī)偏心風(fēng)輪結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速有很大程度的提升效果，適當(dāng)?shù)娘L(fēng)輪偏心量能夠使風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速下的轉(zhuǎn)速達(dá)到甚

6、至超過(guò)更高風(fēng)速下的無(wú)偏心量風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速;對(duì)于風(fēng)力機(jī)輸出功率特性，適當(dāng)?shù)钠牧吭诘腿~尖速比下和高葉尖速比下均可有效提高風(fēng)力機(jī)的輸出功率系數(shù)，在設(shè)置的6中偏心量風(fēng)輪中，效果最好偏心量為L(zhǎng)=30 mm，該偏心量下，2葉片風(fēng)力機(jī)在測(cè)試設(shè)定最大葉尖速比時(shí)功率系數(shù)可較無(wú)偏心風(fēng)輪風(fēng)力機(jī)提高18％;而3葉片風(fēng)力機(jī)在實(shí)驗(yàn)設(shè)定葉尖速比范圍內(nèi)達(dá)到了功率系數(shù)最大值，最大功率系數(shù)可較無(wú)偏心風(fēng)輪提高20％。
　　(3)該研究所提出的偏心風(fēng)輪結(jié)構(gòu)未添加任何附加裝