直线翼垂直轴风力机起动性的实验研究

为探明直线翼垂直轴风力机的叶片个数对其起动性的影响,设计制作了可更换叶片个数(1～5枚)的风力机模型,通过风洞实验获得了起动力矩与转角的关系曲线,并与用单叶片力矩模拟的结果进行了对比。接着又制作了1台3叶片小型风力机模型,进行了烟线法可视化实验,获得了不同转角下的风力机周围流场迹线图。两项实验结果表明:增加叶片个数可使风力机平均起动性提高,但叶片间相互影响也增加,不同角度下各叶片周围流场受影响程度不同,对叶片受力和风力机起动力矩的影响程度和趋势也不同。     

导流式翼缝对直线翼垂直轴风力机气动性能的影响

为减小流体从吸力面流至压力面的速度损失,基于小间距翼缝有助于减小气动损失的设计原理,针对NACA0021翼型,提出双侧导流式、内导流式和外导流式3种新型翼缝形式。通过数值模拟方法,分析不同翼缝对垂直轴风力机气动性能和流场结构的影响,并将其性能参数与原始翼型和非圆弧翼缝翼型进行对比。结果表明:内导流式翼缝风力机气动性能优于原始风力机,最佳尖速比减小8.06%,改善了叶片周围和整机流场结构,增强了风力机运行稳定性;在低尖速比下,双侧导流式翼缝风力机气动性能较高,而高尖速比时气动性能低于原始风力机;下游区叶片迎风速度较低,外导流式翼缝对流动分离现象改善效果不明显,导致气动性能较差;非圆弧翼缝的间距过大使最大风能利用系数降低了15.5%,不适用于直线翼垂直轴风力机。     

不同扩散体对建筑增强型垂直轴风力机气动性能的影响

为研究不同建筑扩散体对建筑增强型直线翼垂直轴风力机的气动性能与流场结构的影响,采用CFD数值模拟的方法,以NACA0021为叶片翼型的多叶片建筑增强型直线翼垂直轴风力机为对象,研究其在不同建筑扩散体及不同尖速比下的气动性能。结果表明:建筑增强型直线翼垂直轴风力机存在最佳尖速比;不同建筑扩散体对提高直线翼垂直轴风力机风能利用率影响较大,在所选取的8种建筑扩散体模型中,梯形建筑扩散体下的直线翼垂直轴风力机在尖速比为4.62时标准化风能利用率可达1.560 7,而A1翼型式建筑扩散体下的直线翼垂直轴风力机前后压差较小,风能难以利用。     

风向对建筑增强型垂直轴风力机气动性能的影响

为充分利用建筑周围的局部强化风,对建筑环境中的垂直轴风力机进行了非定常数值模拟。对以NACA0021翼型作为叶片截面的三叶片原始直线翼垂直轴风力机周围流场进行数值模拟,并与实验值进行比较,结合高耸建筑的高度优势、建筑扩散体强化风速效应及风向研究建筑增强型直线翼垂直轴风力机捕获风能的特点与优势。结果表明:建筑增强型直线翼垂直轴风力机的风能利用系数最高提升至原始直线翼垂直轴风力机的2.47倍,但其载荷波动大,对结构安全性与可靠性提出了更高的要求,且对风向、建筑扩散体排布方式及建筑外廓敏感度高。     

叶片实度对建筑增强型垂直轴风力机气动性能的影响

采用数值模拟的方法对建筑环境中具有不同实度的建筑增强型垂直轴风力机进行模拟。对NACA0021翼型作为叶片截面的三叶片原始直线翼垂直轴风力机周围流场进行数值模拟并与实验值进行比较,且进行了网格无关性验证,验证了计算模型的合理。结果表明:随实度的增加,建筑增强型风力机气动性能与自启动性能得到大幅改善,风力机平均力矩增大,风能利用率最大提升至4.47倍,但其载荷波动也非常剧烈,对结构安全性与可靠性提出更高的要求。实度过小则无法有效地捕获风能;实度过大则叶片之间的干扰增加,最大风能利用率增幅可降低至3.11倍。     

垂直轴风力机动态流场及其气动性能分析

垂直轴风力机气动性能研究是风力机设计、实验的重要部分,对其运动状态下的流场进行分析是观测垂直轴风力机性能重要环节.基于NACA0012对称翼型,建立二维几何模型并进行模拟计算.采用k-ωSST湍流模型及滑移网格技术,通过CFD软件数值计算得到达里厄型直叶片垂直轴风力机运行时周边流场分布情况.通过比较不同方位角下流场涡量以及升、阻力系数得出:在方位角为105°附近时,翼型下表面产生流动分离,并导致失速;下风区翼型运行的流场由于受到上风区尾流的影响,翼型周围没有产生明显的流动分离.     

组合型垂直轴风力机气动特性的模拟计算与实验研究

为改善直线翼垂直轴风力机在低风速下的起动性,设计一种以Savonius风轮作为起动机与直线翼垂直轴风力机相组合构成的组合型垂直轴风力机。首先采用空气动力学原理和风洞实验经验结果设计开发垂直轴风力机空气动力特性计算软件,并进行风力机性能模拟计算,然后利用风洞实验测试组合型风力机和单独型直线翼垂直轴风力机的力矩和功率特性。将实验结果与采用气动模拟计算出的风力机气动特性结果进行对比分析,结果表明组合型风力机可在较低风速起动,可改善直线翼风力机起动特性,且最大功率系数有一定提高。但在高风速下,在风速大于8.0m/s时,组合型风力机的功率特性开始降低,特别是10.4m/s以后,阻力风轮对风力机的功率输出产生一定影响。     

垂直轴风力机叶片翼型结冰的数值计算

为研究寒冷气候条件对直线翼垂直轴风力机叶片表面结冰的影响,对该种风力机叶片常用的NACA0015翼型进行了翼型结冰的数值模拟计算.计算基于二维定常不可压缩流体的N-S方程,并引入离散相模型DPM.参照实际风力机野外工作环境参数,通过改变风速和空气中水滴流量等条件,计算了在8种典型攻角下的翼型表面结冰分布情况.结果表明:气流中所含的过冷水滴量和风速是影响风力机翼型表面结冰的关键因素;风速较低时,水滴流量的影响占主导作用;翼型攻角不同,其表面结冰的厚度、面积和生长趋势不同.在一定攻角范围内,翼型表面的结冰面积随翼型迎风面积、风速和空气中水滴流量的增加而增大.在一定条件下,结冰面积可达到翼型面积的30%以上.     

叶片附着物对直线翼垂直轴风力机性能的影响

采用黏土作为附着物模拟了直线翼垂直轴风力机叶片表面前缘的结冰情况,并通过风洞试验测试分析了附着物对自行设计制作的直线翼垂直轴风力机模型转速和功率特性的影响.结果表明:附着物的存在降低了风力机的稳定转数、减少了输出功率,且随着附着质量的增加和风速的增大,影响效果越明显.通过将同等质量的黏土附着在叶表和嵌入叶片内的对比试验表明:在本试验条件下,附着物质量轻时,附着质量与翼型变化对风力机性能的影响基本为同等程度;随着附着物质量的增加,附着质量对风力机性能的影响占居主导地位.     

改进型格尼襟翼对垂直轴风力机气动性能的影响

直线翼垂直轴风力机气动效率普遍较低,为此提出一种具有内侧、外侧、双侧格尼襟翼和凹槽格尼襟翼的翼型叶片以提升其气动性能。通过数值模拟研究6种新型叶片对垂直轴风力机风能利用率、力矩系数、流场结构和叶片切向力等气动性能的影响。结果表明：6种格尼襟翼叶片均可在一定尖速比（TSR）范围内提高风能利用率,外侧凹槽格尼襟翼最大风能利用率可提高17.92％;外侧格尼襟翼与双侧凹槽格尼襟翼相比原始叶片可有效降低风力机载荷波动并提高平均力矩系数;双侧dimple-GF可改善动态失速特性,明显抑制旋涡发展;单叶片切向力在上游区明显增大,有效提高了风力机气动性能。     

变桨距风力机叶片的气动优化设计

首先利用Wilson方法进行叶片的外形初步设计,然后以设计攻角作为变量,以额定风速下功率系数最大为优化目标,建立了1 MW变桨距风力机叶片气动外形优化模型,采用遗传算法进行了优化再设计。通过对3叶片1 MW风力机进行的气动性能评价结果表明,优化后的风力机具有更好的气动性能,说明采用该优化方法进行变桨距风力机设计具有明显的优越性。     

尾随涡对风力机叶片气动性能影响机理研究

以Phase Ⅵ风力机叶片为研究对象,以r/R=30%、63%和95%处叶素为参考,建立与7、9、15 m/s试验风速下该风力机叶片附着涡环量沿展向分布相同的叶片模型,分析尾随涡对风力机当地翼型气动性能的影响机理。采用带转捩效应的SST k-ω湍流模型,对所建立的叶片模型和二维S809翼型的气动特性进行研究和对比分析。结果表明：旋转叶片尾随涡对分离现象产生抑制作用且随攻角的增大减弱;尾随涡的影响表现出多重效应,除了减小当地翼型的攻角,还降低其吸力面负压系数和压力面正压系数。     

Self-regulating composite bearingless wind turbine

The Composite Bearingless Rotor (CBR) concept has been shown to have characteristics ideally suited for wind turbine applications. Originally developed for helicopters to reduce weight, costs and complexity, the CBR eliminates blade bearings and hinges through the utilization of the unique structural characteristics of uniaxial composite materials. This rotor concept was further developed under an ERDA contract to provide a fully self-regulating and self-aligning wind turbine. Such a system was achieved without the need for auxiliary controls or sensors. These features allow self-starting for wind initiating from any direction and automatic pitch and yaw variations to optimize performance under all normal wind conditions. The work described in this report consists of the design and fabrication of a 4.5 ft dynamically scaled wind turbine model and the successful testing of this model in the United Technologies Research Center low speed wind tunnel.     

基于升力线理论的大型风力机气弹响应研究

针对风力机不断向大型化发展的趋势,导致结构柔度增加,气弹耦合特性和振动增强,研究了大型风力机高效精确的气弹响应分析方法。为了更准确模拟大型风力机气流沿叶片展向的三维流动现象,采用螺旋尾涡升力线模型代替传统叶素动量理论,建立了叶片气动载荷分析模型,进而结合风力机多体系统动力学模型,构建了机组的气弹耦合动力学方程和数值求解方法。以某10 MW风力机叶片为例,研究了稳态风况下不同风速的叶片气动性能,以及有效攻角、切向力等沿叶展方向的分布特点,并与采用修正叶素动量理论的气弹分析程序（HAWC）对比,结果表明,升力线理论无需引入经验修正模型即能获得叶素动量理论经修正后的分析精度。最后,通过非稳态风况下风力机的气弹响应分析,证明本文方法对大型风力机气弹耦合分析的有效性和准确性。     

On the performance analysis of Savonius rotor with twisted blades

The present investigation is aimed at exploring the feasibility of twisted bladed Savonius rotor for power generation. The twisted blade in a three-bladed rotor system has been tested in a low speed wind tunnel, and its performance has been compared with conventional semicircular blades (with twist angle of 0°). Performance analysis has been made on the basis of starting characteristics, static torque and rotational speed. Experimental evidence shows the potential of the twisted bladed rotor in terms of smooth running, higher efficiency and self-starting capability as compared to that of the conventional bladed rotor. Further experiments have been conducted in the same setup to optimize the twist angle.     

垂直对称四叶片风力机气动特性仿真研究

采用CFD计算软件对垂直轴风力机气动性能进行计算.首先,使用ICEM软件对模型进行前处理,通过Fluent软件进行数值模拟,分析不同计算时间步长和湍流模型对风力机气动特性仿真结果的影响,确定符合该研究模型的计算方法.随后,对顺流垂旋型垂直轴风力机在不同叶尖速比下进行计算,发现该风力机在叶尖速比为0.42时获得最大功率系...     

带失速延迟模型的改进型升力线法预测风力机性能

采用带Du-Selig静态失速延迟模型的改进升力线法对风力机不同来流风速下的性能进行预测,静态失速延迟模型可以弥补对输出功率的低估;还分析了来流风速在7.0~10.0m/s时沿径向的攻角分布以及有无失速延迟模型时的升阻力系数分布。通过比较发现在中间叶高处出现最大攻角,相应地在该叶高位置最先发生流动分离。     

分形尾缘叶片气动性能及流场数值模拟

针对风力机存在尾流效应问题,通过在垂直轴风力机叶片尾缘布置分形孔的方法,建立分形叶片三维实体造型,进行了分形叶片和原始叶片三维非定常不可压流动的分析,得出叶片绕流流场数值模拟结果,重点研究具有分形特征的尾缘对叶片尾流流场及叶片气动特性的影响。结果表明:分形叶片对改善叶片尾流流场有较显著作用。在8°~18°攻角范围内,分形叶片升、阻力系数随攻角变化波动性小于原始叶片;当攻角大于原始叶片失速攻角时,这种波动性差距更大。分形孔的存在使叶片周围流场结构及气动参数对攻角变化敏感性降低:在攻角大于原始叶片失速攻角时,分形叶片阻力系数随攻角变化标准差仅为原始叶片的0.6倍,升力系数标准差仅为原始叶片0.4倍。研究结果将改善垂直轴风力机叶片尾流互相干扰及水平轴风力机叶尖脱落涡情况。