RESEARSCH OF VARIBLE-PITCH CONTROL RULE FORVERTICAL-AXIS WIND TURBINE

针对立轴风力机起动性能差和发电效率低的问题,提出一种自动变桨距立轴风力机方案.根据叶素理论,建立了变桨距叶轮的功率模型,并获得若干种不同尖速比下的最优桨距角控制规律.基于多流管模型,计算得到了不同变桨距规律时的叶轮风能利用系数和转矩,结果表明:该自动变桨距规律可显著提高立轴风力机的启动性能和风能利用系数,为后续变桨距立轴风力机的开发奠定了研究基础.     

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。     

基于等效实度法的直叶片垂直轴风力机风能利用系数分析

以叶素-动量理论为基础建立垂直轴风力机的矢量气动模型,分析叶片在360°圆周上的静态动力学特性及在各个方位角下叶片的转矩与功率,提出基于等效实度法的直叶片垂直轴风力机风能利用系数计算方法。借助Matlab对垂直轴风力机风能利用系数进行数值计算,并通过样机对所提方法进行测试,测试结果表明样机的实际风能利用系数与数值计算结果相接近,由此验证所提方法的有效性。     

链传动式风力机4种叶轮气动性能对比分析

采用UDF(User-Defined Function)和动网格相结合的方法对链传动式风力机三维流场进行数值模拟研究.通过对不同风速下4种叶轮的压力场、速度场以及风能利用系数的分析计算,发现叶片在流场中的形态对叶片的受力有较大的影响,风力机前后层叶片间的流场均匀地分布会有效提高后层叶片对风能的利用率.     

基于多次Bezier曲线的Savonius风力机叶片优化设计

为提高Savonius风力机效率,提出一种基于多次Bezier曲线的Savonius风力机叶片设计新方法,通过调整设计公式中4个设计参数(叶片弦长L、叶片顶点偏向控制系数k_x、叶片顶点高度控制系数k_y、叶片头部宽度控制系数k_a)来修改叶片形状;结合CFD数值模拟、正交试验、响应面法分析得到最优风轮尺寸参数及其性能特点。研究结果表明:所提出的叶片优化设计方法适用于所有Savonius风力机,优化过程直观、便捷,优化结果准确;优化后风轮的风能利用系数、扭矩系数明显提高,且风速越低,提高越明显。风速为3.0 m/s时,风轮的最大CP值增大4.2倍,最大CM值增大3.7倍,优化后的风轮更适宜在低风速下运行。     

叶片最大厚度前部修型的垂直轴风力机气动性能

风力机叶片是使风能转化为机械能的原动机构,是风力机的重要部件,风力机风能利用系数的高低主要取决于其叶片的气动外形。保持直叶片垂直轴风力机使用的NACA0022翼型的对称性不变,改变其叶片最大厚度前部的形状,以期得到高风能利用系数的垂直轴风力机翼型。利用Fluent软件,采用k-ωSST湍流模型和SIMPLE算法,运用滑移网格技术,对由不同叶片构成的风力机进行数值计算。计算结果表明,当叶片最大厚度前部是长短轴比为3∶2的椭圆形状时,风力机的风能利用系数更高,而且处于高风能利用系数的尖速比范围更宽;在尖速比为1.72时,风能利用系数最高,为24.8%,此时的风能利用系数较基本翼型提高了28%。叶片修型提高风力机性能的物理机制是最大厚度点前移后的叶片在大攻角下的扰流流动分离强度减弱了。     

低风速离网型风力发电机的叶片设计

根据内蒙古四子王旗某地2007年逐月平均风速表选取设计风速为6 m/s,根据某型号300 W交流永磁发电机的输出功率特性,利用Matlab编写的叶片优化设计程序,设计了300 W水平轴风力发电机叶片.通过风轮与发电机的匹配,调整叶片参数,使之在小风时具有较高的风能利用系数,提高风力机的效率,在大风时具有较低的风能利用系数,从而达到大风时限速保护的目的.     

大型风力机叶片气动与结构耦合优化设计研究

针对大型风力机风轮气弹效应对叶片结构的影响作用,对叶片结构优化设计的理论模型建模方法进行研究。采用叶素动量理论和梁理论,并结合遗传算法,将叶片各截面弦长、扭角和铺层厚度3个形状参数作为优化设计的变量,提出一种以叶片最小重量作为结构优化设计目标的理论模型。以1.2 MW风力机叶片为例,对优化前后叶片的3个形状参数与风力机功率特性间关系进行的计算分析表明,考虑叶片气弹变形的影响作用不仅能提高风轮的风能利用系数,且能减小叶片的截面质量线密度,进而降低叶片的制造成本。     

大型风力发电机风能利用系数参数拟合的研究

通过分析变速变桨距风力发电机模型,利用最小二乘法对风力机采样数据进行曲面拟合,并对拟合曲面进行线性化求解,设计出一种辨识分析风力发电机风能利用系数的方法。通过理论分析和实际算例验证,表明该方法拟合的风能利用系数具有较好的准确性,适合应用在不同风速条件影响下的风力机系统模型中。     

新型链传动式风力机的理论分析

对新型的链传动式风力机进行了理论分析,发现该机的叶片位于前面时和运转于后面时冲角不一样,理论分析表明该机运行于前面的叶片的冲角大于最佳值的工况下,前后叶片都可以截取风能,整机有较高的风能利用系数,随后给出了该风力机的风能利用系数曲线,对这种风力机的设计和运行有一定的指导意义和参考价值。     

扰流对达里厄风力机气动攻角的影响分析

提出利用扰流来解决因局部方位角叶片攻角极小,而导致达里厄风力机整体性能较低的方法。采用多流管模型,预测扰流对风力机风能利用系数的影响规律,分析对在不同尖速比下赤道半径R和0.8R叶素攻角的影响规律。计算表明:在扰流的作用下,在最佳尖速比工况下,风力机风能利用系数提高了10%,且随尖速比增加,增幅继续增大,也扩大了风力机的运行尖速比范围。扰流增大了叶片攻角,在0?≤θ≤15?内,攻角增幅随方位角的增加而增加;在175?≤θ≤180?内,随方位角的增加而减小。旋转半径相同时,尖速比越大,叶素攻角的增幅越小;同一尖速比下,叶素旋转半径越小,方位角175?≤θ≤180?内的叶素攻角增幅越大。     

200kW水平轴风力机叶片气动外形设计与性能分析

基于Glauert漩涡理论,考虑了风轮涡流系的影响,引入轴向和切向诱导因子,结合具体的工程实际,以此完成了200 k W风力机叶片的气动外形设计。并在此基础上,运用BLADED软件对其气动性能进行了分析,结果表明该风力机叶片的气动性能达到了设计要求,且具有较高的风能利用系数。该分析结果为风力机叶片气动外形优化设计和结构设计的进一步研究奠定了基础。     

风透镜优化构型对垂直轴风力机气动性能研究

风透镜是一种应用于垂直轴风力机的新型外部辅助装置,为探究风透镜结构对垂直轴风力机气动性能的影响,通过数值模拟的方法,结合贝塞尔曲线对其构型进行优化设计。结果表明：风透镜具有较好的聚风性能,有助于垂直轴风力机气动性能的提升,风透镜结构参数中扩散器半开角对风力机气动性能影响较大,法兰次之。风透镜优化构型后可进一步提升垂直轴风力机的风能利用系数和力矩系数,风能利用系数最高可达参考垂直轴风力机的8.60倍,并使垂直轴风力机在更大叶尖速比工况下仍保持较高运行效率,进一步提升其有效运行工况范围。     

聚风导流型立轴风力机设计及气动性能分析

针对传统的立轴风力机风能利用率低的问题,应用正交优化法和流场数值模拟技术对聚风导流型立轴风力机的结构设计参数进行了优化设计。在同尺度下与传统立轴风力机进行了对比分析。结果表明,聚风导流型立轴风力机叶轮的输出功率、风能利用率及自启动特性均得到了显著提高。     

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。     

垂直轴螺旋型风轮-光伏电池互补发电装置

提出一种新型的垂直轴式阻力差螺旋型风轮一光伏电池互补智能化控制发电照明系统。风力机由相互缠绕的两螺旋面叶片构成。通过优化螺旋面的曲率、螺距、风轮高度等几何参数,优化设计风速下风力机的叶尖速比值,提高了风能利用率;通过智能化控制不同风速下的风一光互补性能,提高了灯具的整体节能水平与智能化控制效果,延长了蓄电池的使用寿命。该垂直轴螺旋型风轮一光伏电池互补发电技术可向偏远村落、海岛渔民供电等应用领域拓展。     

某兆瓦级水平轴风力机叶片气动设计和性能评估

基于片条理论,建立了水平轴风力机的气动参数和性能计算模型,并考虑了叶尖损失、叶根损失、叶栅影响和重载荷下对片条理论参数的修正。以此为基础设计完成了某1．5MW水平轴风力机叶片的气动外形．并对其气动性能进行了评估,结果表明该风力机叶片气动性能达到设计要求,具有较佳的风能利用系数和运转特性。     

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。     

复合材料风力机叶片气动/结构一体化优化设计

基于多学科优化理论,提出复合材料风力机叶片气动/结构一体化优化设计方法。采用多岛遗传算法,以叶片的气动和结构性能为约束、质量为目标,对复合材料风力机叶片进行优化设计。气动性能分析采用叶素动量理论,考虑叶梢损失和轮毂损失。结构分析采用有限元方法对风机叶片三维参数化CAD模型进行分析。算例结果证明了该方法的有效性,对实际的工程设计有较强的参考价值。     

风力机预弯叶片结构与静气弹性参数化有限元分析方法研究

构建了风力机预弯叶片气动外形和铺层结构的参数化表达模型,采用MATLAB与ANSYS APDL相结合的方法对复合材料预弯叶片进行参数化有限元建模、加载和结构分析,并以某1.5 MW预弯叶片为例验证了该方法的正确性;基于修正的叶素动量理论和气动载荷参数化分布加载方法,对风力机预弯叶片的静气弹性进行分析和研究,结果表明预弯叶片的展向变形有助于叶片气动功率的提高,而叶片扭转变形造成风力机实际气动功率的降低,根据叶片的计算扭转变形,在叶片的设计中增大叶片的预扭转角度可避免叶片因弹性扭转变形造成的设计功率偏离。研制了风力机叶片结构性能和静气弹性分析工具(WTBSA),为预弯叶片的多学科优化设计奠定了基础。