H型垂直轴风力机实时高效攻角调节方法研究

叶片攻角是影响垂直轴风轮气动特性最重要的因素之一。针对一种1 kW H型对称翼垂直轴风力机,以获取最大风能利用率为目的,得到了叶片在上风区和下风区应保持的理论最佳攻角分别为10.7°和-10.7°。鉴于现有风轮运行一周过程中,叶片攻角呈类正弦规律变化,未能保持在理论最佳值附近;同时由于风轮上风区和下风区的诱导速度分布规律不同,故提出采用分风区的方法研究实时高效攻角调节规律。首先利用双致动盘多流管理论计算出上风区叶片攻角的变化情况,建立叶片安装角与攻角的关系,通过调节安装角使叶片攻角在上风区保持在理论最佳值附近。考虑到下风区流场分布复杂,采用数值模拟方法确定下风区各个方位诱导速度的大小和方向。在此基础上,提出风轮下风区局部叶尖速比的概念,建立下风区叶片攻角的精确计算公式,并获得下风区叶片理论最佳攻角的调节策略。最后利用双致动盘多流管理论对提出的上风区和下风区叶片攻角的调节规律进行了验证。计算结果显示:在额定风速下,与原始风轮相比,调节攻角后H型垂直轴风轮的风能利用率提高了11.03%。     

垂直轴风轮叶片翼型的性能对比分析

提出基于Profili软件与Fluent软件的风力机翼型性能快速准确对比方法。基于正问题设计给出一种新的叶片翼型,对比新翼型和初始翼型的几何形状、气动系数和流场分布情况。研究发现:新翼型上下表面的压差明显增大,其综合特性优于初始翼型。采用数值模拟和试验研究相结合的方法,对采用上述两种翼型的垂直轴风力机的气动性能进行分析。结果表明:推动新风轮的合力矩要高于初始风轮受到的合力矩,新风力机的启动特性有了明显改善,单位时间的发电量至少增加了10%。     

垂直轴风轮阻力型支撑杆研究

为了研究阻力型支撑杆对垂直轴风轮自启动性能和风能利用率的影响,分析了阻力型支撑杆的气动特性,获得了顺风区和逆风区作用在支撑杆上的相对风速分布。在此基础上,理论对比了圆形、V形外凸圆和V形内凹圆三种截面支撑杆各自旋转一周的平均输出转矩,分析显示,V形内凹圆截面支撑杆组成的风轮具有较好的自启动能力和稍高的风能利用率。为进一步验证理论计算结果,通过数值模拟计算了以上三种截面支撑杆各自在不同转速下的平均输出转矩。仿真结果表明：与传统的圆形截面支撑杆相比,V形内凹圆截面支撑杆能改善垂直轴风轮的自启动能力,可使风能利用率提高3.44%,这与理论分析结果吻合较好。