叶片数与弦长配比对垂直轴风力机性能的影响

垂直轴风力机的叶片数、弦长和风轮半径是影响其实度的因素。在实度和风轮半径一定的情况下,叶片数和弦长之间存在耦合关系。文章应用CFD仿真方法,从功率系数、力矩系数、涡量等方面分析了在实度保持不变的情况下,叶片数和弦长组合对垂直轴风力机性能的影响。研究表明:当保持实度不变时,不同的叶片数和弦长配比可以影响风力机的性能;通过调整其配比,可在实度不变的情况下,降低力矩波动,获得最优风能利用率。     

风力机垂直交错对下游风力机性能的影响研究

为降低上游风力机尾流的影响、优化风场布置,在两台串联的NERL 5 MW水平轴风力机中间安装1台小型的垂直轴风力机,形成垂直交错风场。采用FLUENT软件对串联风场和垂直交错风场进行数值模拟,对比两种风场的输出功率与流动特性。同时,改变垂直轴风力机的安装位置,分析其与下游风力机的距离对垂直交错风场的影响。结果表明：当风力机串联布置且为标准间距7D(D为风轮直径)时,下游风力机受上游风力机尾流影响仍然很大,输出功率下降57.1%;串联风场中加入垂直轴风力机加快了相应垂直交错风场尾流的恢复,提高了下游风力机的输出功率;垂直交错风场中垂直轴风力机安装距离为1D～6D时,可以在上游风力机功率变化不明显的情况下提高下游风力机的输出功率;当安装距离为6D时,下游风力机提高功率最高,比串联风场增加了40.1%。     

全向导叶作用下叶片实度对垂直轴风力机气动特性的影响

为研究全向导叶作用下不同实度对垂直轴风力机气动性能的影响,通过改变叶片数及弦长调整实度并分析其对全向导叶垂直轴风力机气动性能的作用。结果表明：全向导叶使垂直轴风力机周围流体提速效果显著,最大风能利用率和力矩系数较原始垂直轴风力机分别提高41.6%和25%;随实度增大时,全向导叶垂直轴风力机最佳尖速比降低;改变弦长时,风能利用率峰值随弦长增大呈现先增后减的趋势,且在小尖速比工况下,高实度全向导叶垂直轴风力机力矩系数较高,最大可达0.192;改变叶片数时,风能利用率峰值随叶片数增多而降低,且大尖速比下的低实度全向导叶垂直轴风力机力矩系数较大,但不同实度的全向导叶垂直轴风力机最大力矩系数相差较小。     

实度对垂直轴风力机性能影响的风洞试验

实度是影响垂直轴风力机性能的一个重要参数。采用风洞试验的方法对小型垂直轴风力机风轮实度进行了研究,试验主要以叶片个数和风力机半径这两个参数为研究对象,共设置了6种组合,得到5种不同实度。测试了不同实度下垂直轴风力机在启动后的低转速阶段的力矩和功率特性,分析了实度对垂直轴风力机输出性能的影响。分析结果表明,在风力机半径相同的情况下,实度最小的风力机的最大力矩系数和功率系数最大;实度相同时,风力机获得最大力矩系数的尖速比基本相同,实度越小,获得最大力矩系数的时间越晚。     

叶片数及弦长对升力型垂直轴风力机的影响

文章基于非对称翼型NACA4415,以功率系数为依据,以CFD仿真为手段,研究了在不同尖速比下叶片数与叶片弦长对升力型垂直轴风力机气动性能的影响,以及不同尖速比和叶轮实度不同时,垂直轴风力机功率系数的变化。研究结果显示,该类升力型垂直轴风力机叶轮实度取0.25~0.45,尖速比λ取2.5~3.4时,具有较高的功率系数。流场分析表明,当叶片弦长与叶片数的变化对流场的扰动能力小于垂直轴风力机从流场中获取风能的能力时,叶片弦长与叶片数的变化会增加垂直轴风力机的功率系数;反之,垂直轴风力机的功率系数降低。该研究为此类20 k W垂直轴风力机的设计与选型提供依据。     

直径比对组合型垂直轴风力机气动特性影响仿真计算

与Savonius风轮组合使用是解决直线翼垂直轴风力机启动性不佳的主要手段。Savonius风轮与直线翼垂直轴风力机直径的比值(简称直径比),是影响组合型垂直轴风力机性能的重要因素。为了研究直径比对组合型垂直轴风力机气动特性的影响,对直径比分别为0.25,0.33,0.5的组合型风力机以及直线翼垂直轴风力机进行仿真计算。计算基于二维定常不可压缩流体的方程,采用标准模型,计算风速为12 m/s。计算包括直线翼垂直轴风力机及3种直径比的组合型风力机的动态输出力矩,同时,对动态输出力矩最优的组合型风力机与直线翼垂直轴风力机的静态启动力矩进行计算与分析。结果表明,组合型垂直轴风力机的最佳直径比为0.5,此时组合型风力机的最大风能利用系数相对于直线翼垂直轴风力机提高了7.1%,平均启动力矩提高了约2倍。     

垂直轴风力机叶片变桨距运转模式研究

针对垂直轴风力机自启动性能差和风能利用率低的问题,提出一种新型自动变桨距垂直轴风力机方案。结合垂直轴风力机叶片攻角变化及翼型气动力特性,制定了一种最优叶片桨距角变化模式。根据叶素理论,计算得到了采用该变桨距模式在低叶尖速比和高叶尖速比时的叶轮扭矩系数,结果表明,采用该变桨距模式可有效增大垂直轴风力机的启动力矩以及提高其风能利用系数,为进一步开发自动变桨距垂直轴风力机奠定了研究基础。     

实度对低风速风电机组风轮气动性能影响研究

为提高低风速地区的风能利用率,研究风轮实度对低风速风电机组气动性能的影响。考虑影响风轮实度因素（叶片数量、弦长及安装角）,设计2组不同弦长叶片与可调安装角轮毂。安装角改变时不仅会引起实度变化,还会使叶尖速比发生改变。通过车载试验验证安装角不同时对风轮气动性能的影响主要与叶尖速比相关。根据不同风轮表面压力分布数值模拟结果得出：相同风速下,弦长由叶根到叶尖逐渐增大的叶片更易启动。相同条件下,试验机组输出功率与数值模拟机组输出功率最大相差5.37%,说明数值模拟结果可信。随着风轮实度的增加,风速5 m/s时,其风能利用系数呈增大趋势,风速8 m/s时,其风能利用系数呈减小趋势,两趋势相交时实度为25.38%,得出该实度下风轮气动性能较优,即可得到适合低风速地区的风轮实度。     

风轮尺寸与旋向对双风轮风力机功率特性的影响分析

为掌握双风轮风力机风轮尺寸与旋向对其功率特性的影响规律,文章建立了双风轮风力机气动特性分析模型,并与美国国家能源部可再生能源实验室的实验结果进行了对比,计算分析了双风轮尺寸和旋向对风力机功率特性的影响规律。结果表明:当风速为10 m/s时,设计的双风轮风力机比单风轮双叶片风力机输出功率提升了84.9%;随着风轮半径增大,双风轮风力机输出总功率逐渐增加;当前、后两风轮反向旋转时,双风轮风力机前风轮大后风轮小的布局可获得更高的输出功率,且增幅随着后风轮半径增大先减小后增大,最大增幅为5.3%;除前、后两风轮半径相同的情形之外,双风轮风力机前、后两风轮同向旋转时输出总功率更大。     

自适应垂直轴风力机翅叶夹角优化的数值模拟

在传统的Savonius型风力机的基础上,提出了一种具有自适应功能的柔性叶片垂直轴风力机,该风力机在达到一定风速时,会通过减小叶片的迎风面积减小受力,当风速降低时,又可以增大叶片迎风面积,获取更多风能,同时该风力机具有阻力型风力机的优点——启动力矩大,在低风速下便可启动。文章对该风力机进行简化,运用计算流体动力学对风力机进行三维数值计算,分析不同翅叶夹角在不同尖速比下风力机的转矩特性,从而得到最佳夹角,并分别对不同夹角工况下的压力场进行分析。结果表明,在翅叶夹角为15°时,风轮的转矩特性最好。