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。     

垂直轴风力机技术讲座（二）——阻力型垂直轴风力机

1阻力型风力机工作原理1．1升力与阻力如图1所示．在流体中的物体所受到的力F可以分解为一个垂直于来流的升力分量L和一个平行于来流的阻力分量D。不同形状,不同大小物体的升力与阻力是不同的,一般采用无量纲参数（升力系数C和阻力系数CD）来表述。     

导叶式升力型垂直轴风力机的数值研究

分析传统H型Darrieus风力机整体气动特性低的原因,从改善风力机极小攻角处极差气动特性出发,提出一种在极小攻角处添加导叶的导叶式升力型垂直轴风力机。采用非定常RNG湍流模型和滑移网格技术,对导叶式升力型垂直轴风力机的空气动力场进行二维数值模拟。比较分析0°方位角导叶对叶轮流场、叶片表面压差系数及叶片力矩的影响。研究结果表明,导叶改善了叶片表面负压差区,使叶片表面压差系数提高了56.2%,叶轮转矩增加了25.4%,有效地提高了风力机整体气动性能。     

垂直轴风力机技术讲座(三) 升力型垂直轴风力机

1 升力型垂直轴风力机概述 近30年来,螺旋桨式水平轴风力机发展迅速,已成为大型商业风力发电的主流.与此同时,以达里厄风力机为代表的升力型垂直轴风力机也受到一些风电发达国家的关注.虽然垂直轴风力机没有像水平轴风力机那样快速发展,但也取得了一定的进展.     

垂直轴风力机的现在和未来

本文主要介绍小型垂直轴风力机的类型,各类小型垂直轴风力机的优缺点、小型垂直轴风力机的设计思想,以及小型垂直轴风力机主要设计参数的关联性和未来垂直轴风力机的发展方向,也简要介绍了磁悬浮在垂直轴风力机中的应用状态。     

升力型垂直轴风机的功率计算及功率输出特性的分析

借助Matlab软件的叶片受力情况对一个升力型垂直轴风机进行了仿真,利用仿真结果分析了实例的运行功率、转速和风速的关系,以及风力发电机与叶片匹配的情况。分析结果表明该升力型垂直轴风机的风能利用率较高,结构简单,适应性较强。     

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。     

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。     

小型变桨距风力机的气动优化设计

基于叶素动量理论分析了小型风力机的气动性能分析模型,并提出了叶片的气动优化设计方法.结合叶片制造和应用中的实际要求,设计了10 kW小型变桨距风力机叶片的气动外形.计算结果表明,设计叶片具有良好的气动性能,验证了该设计方法有效实用.     

垂直轴风力机变桨控制策略及气动性能影响研究

以H型Darrieus垂直轴风力机为研究对象,基于不同尖速比下攻角随相位角变化规律,提出一种俯仰角控制策略,即攻角较大时俯仰变化幅值较大,而攻角较小时幅值较小。通过数值计算了解此控制方式对气动性能的影响规律,分析变桨后不同旋转角度下风力机涡量场的变化,并讨论气动载荷变化的原因。结果表明：所提俯仰角控制策略可显著增强风力机功率系数,且尖速比较低时提升效果越显著,在TSR为1.25时功率系数提升高达146%。     

垂直轴风力机两种翼型气动性能比较研究

叶片是风力机最重要的组成部分,在不同的风能资源情况下,翼型的选择对垂直轴风力机气动特性有着重要的影响。文章分别以NACA0018翼型(对称翼型)和NACA4418翼型(非对称翼型)建立3叶片H型垂直轴风力机二维仿真模型。应用数值模拟的研究方法,从功率系数、单个叶片切向力系数等方面比较两种风力机模型在不同叶尖速比下的气动特性,并采用风洞实验数据验证了流场计算的准确性。CFD计算结果表明:在低叶尖速比下,NACA4418翼型风力机气动特性优于NACA0018翼型风力机,适用于低风速区域;在高叶尖速比下,NACA0018翼型风力机气动特性较好,适用于高风速地区。而且在高叶尖速比时,NACA0018翼型在上风区时,切向力系数平均值要高于NACA4418翼型,在下风区时,NACA418翼型切向力系数平均值高。该研究可为小型垂直轴风力机翼型的选择提供参考。     

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.     

Simulation and wake analysis of a single vertical axis wind turbine

Because of several design advantages and operational characteristics, particularly in offshore farms, vertical axis wind turbines (VAWTs) are being reconsidered as a complementary technology to horizontal axial turbines. However, considerable gaps remain in our understanding of VAWT performance since cross‐flow rotor configurations have been significantly less studied than axial turbines. This study examines the wakes of VAWTs and how their evolution is influenced by turbine design parameters. An actuator line model is implemented in an atmospheric boundary layer large eddy simulation code, with offline coupling to a high‐resolution blade‐scale unsteady Reynolds‐averaged Navier–Stokes model. The large eddy simulation captures the turbine‐to‐farm scale dynamics, while the unsteady Reynolds‐averaged Navier–Stokes captures the blade‐to‐turbine scale flow. The simulation results are found to be in good agreement with three existing experimental datasets. Subsequently, a parametric study of the flow over an isolated VAWT, carried out by varying solidities, height‐to‐diameter aspect ratios and tip speed ratios, is conducted. The analyses of the wake area and velocity and power deficits yield an improved understanding of the downstream evolution of VAWT wakes, which in turn enables a more informed selection of turbine designs for wind farms. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

Performance evaluation of a downwind diffuser on vertical axis wind turbine

Research has proven that the performance of a horizontal axis wind turbine (HAWTs) can be increased significantly by the application of a diffuser. It serves as a power augmented feature to draw higher wind flow toward the HAWT. However, research on integrating a diffuser onto vertical axis wind turbines (VAWTs) is scant, where most of the available power augmentation devices used for VAWTs are the convergent duct, deflector plate, shroud, and guide vanes which are placed in a proper configuration at the upwind. In this paper, laboratory tests and computational simulations have been carried out to study the impacts of a downwind diffuser on the performance of a VAWT. The diffuser is designed with the absence of a concentrator or flange and is placed downwind of the VAWT. Parametric computational fluid dynamics (CFD) studies were carried out for the downwind diffuser length and semi-opening angle. A five-bladed H-rotor was selected as the testing wind turbine, whereas the diffuser used was made up of flat plates. Both simulations and experiment results are consistent. From the experiments, it was found that a downwind diffuser increases the VAWT performance remarkably. The diffuser-augmented VAWT produced an increment in the maximum coefficient of power of 31.42% at the TSR 0.65 to 0.75. Moreover, the diffuser induced a better self-start ability on the VAWT. The simulation showed that the flow field at the diffuser promotes a flow expansion which created a lower-pressure region at downstream that accelerates the wind toward the VAWT, hence increasing the turbine performance significantly.     

有弯度翼型垂直轴风力机的数值模拟研究

应用计算流体动力学有限体积法SIMPLE算法,配合SST k-ω湍流模型和滑动网格技术模拟分析了有弯度翼型4叶片垂直轴风力机的气动特性,以其作为有弯度翼型垂直轴风力机设计的参考依据。研究结果发现,在入口流速为10 m/s,尖速比为1.6时,该种风力机单个叶片的瞬时力矩系数为-0.03～0.18,并且在一个转动周期内正的瞬时力矩系数历时较长;整个风轮的的力矩系数在尖速比为1.6左右时达到最大值,功率系数在尖速比为1.7左右时达到最大值。     

挡流板对垂直轴风力机性能影响的试验研究与分析

在风力机前方安装挡流板可提高H型垂直轴风力机的发电功率,但目前缺少对该结构装置的全面系统研究,且评估安装挡流板时所使用的风能利用系数C_P的计算方法并不恰当,以至于某些计算结果突破贝兹极限,导致概念混淆。文章通过对挡流板安装位置及安装角度进行测试,获取了不同位置的风力发电功率随风轮转速的变化关系。结果表明:在一定距离范围内,挡流板与风轮有一最佳距离,挡流板远离风轮时,提高风速的效果差,挡流板距离风轮越近对来流风干扰变大,输出功率反而降低;挡流板的最佳安装角度为90°,安装角小于或者大于90°时,风速变化平缓,输出功率增长减弱,失去聚风作用。考虑到挡流板聚风后叶轮前的风场不均匀,在计算C_P时不能取某一个风速值或用平均值代入其定义式,文章提出了采用平均风动能的统计方法计算C_P,计算结果表明,增加挡流板可以提高输出功率,但不一定能增加C_P值。     

垂直轴风力机三维效应的数值模拟研究

文章针对二维和三维垂直轴风力机的数值模拟的差异,提出了风力机的三维效应是造成模拟差异的主要原因。运用计算流体力学方法对某直线翼垂直轴风力机模型进行了二维和三维的数值模研究。通过比对实验得到的风力机功率系数,发现三维模拟结果与实验值吻合。观察尖速比为1.5时二维和三维垂直轴风力机的速度型分布曲线、流向速度云图和涡量云图,研究了阻塞效应、叶梢涡、支撑结构和塔架对数值模拟结果的影响。研究发现:在二维的数值模拟中,风力机没有受阻塞效应影响,功率系数被严重高估;三维的数值模拟能够模拟出全部的流畅细节,受叶梢涡和支撑结构的影响,风力机的功率系数明显降低。     

分流导叶垂直轴风力机气动性能研究

为提高垂直轴风力机气动性能,提出一种随相位角变化而改变相对夹角的分流导叶结构。以NACA0021为基础翼型,采用计算流体力学方法对分流导叶作用下垂直轴风力机风能利用系数、单叶片瞬时转矩、压力系数及速度场进行数值分析。结果表明：静态和动态分流导叶均可提高垂直轴风力机气动性能,且动态分流导叶提升效果更为显著;相较于静态分流导叶,动态分流导叶垂直轴风力机在尖速比为2.33时风能利用系数最高可提升23%,在尖速比为2.03时静态分流导叶垂直轴风力机较原始垂直轴风力机风能利用系数提高37%;分流导叶也可使最佳尖速比前移,稳定叶片转矩波动,提升垂直轴风力机的运行稳定性。     

改进型格尼襟翼对不同实度的垂直轴风力机气动性能的影响

为了提升垂直轴风力机获能效率,为风力机叶片加装格尼襟翼并对格尼襟翼进行改进,通过数值模拟研究了两种格尼襟翼对不同实度的垂直轴风力机气动性能的影响。研究发现：当尖速比为3.1、实度为0.250时,原始格尼襟翼可提升10.92%的风能利用系数,改进型格尼襟翼可提升17.92%。在不同实度,改进型格尼襟翼在高尖速比时可较好地提升气动性能,而原始格尼襟翼在低尖速比时可较好地提升气动性能。当实度增大时,由于叶片间尾迹影响加剧而导致风能利用系数下降,但载荷波动情况得到改善;当实度为0.416时,载荷波动最小。     

一种升阻复合型垂直轴风力机

提出了一种基于活固叶片的新型升阻复合型垂直轴风力机。分析了这种风力机的空气动力学原理,阐述了其整体结构,设计并制造了一台扫风面积为0.49 m2的样机。在7 m/s的风速下,对其进行了性能测试:当负载扭矩为3.6 Nm时,风力机仍能可靠自启动,其功率系数曲线具有阻力型垂直轴风力机和升力型垂直轴风力机的双重特点;当负载扭矩为1.5 Nm时,其功率系数接近30%。