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。     

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。     

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.     

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。     

叶片交叠布置垂直轴风力机气动性能研究

对麦克马斯特大学H型垂直轴风力机进行改进,交错布置其叶片,设计了一种叶片交叠布置垂直轴风力机。基于CFD方法计算典型工况下叶片交叠布置垂直轴风力机的功率,结果表明,在相同几何尺寸和工况下叶片交叠布置垂直轴风力机的功率系数高于麦克马斯特大学H型垂直轴风力机,在尖速比为1.6时,最大功率系数达到0.338。最后分析了风场的涡强和风速分布特性,得出叶片交叠布置对于减少尾流影响具有显著作用的结论。     

直线翼垂直轴风力机静态叶片结冰的观测与分析

设计制作了采用NACA0015翼型的直线翼垂直轴风力机叶片,安装于寒冷地区的室外.冬季,对雨雪等在静止叶片表面的附着情况进行了现场观测.将获得到的叶片表面结霜和结冰(霜状冰和瘤状冰)的观测结果与温度、湿度、风速和风向等气象条件进行了对比分析,研究了静止叶片表面结霜和结冰的产生机理与气象条件的影响关系.针对翼型表面瘤状结冰情况下翼型改变前后的静态升阻力系数进行了数值模拟计算,分析了翼型改变对升阻力特性和静态特性的影响.     

关于C型多叶片垂直轴风力机的设想

<正>一引言随着全球能源危机日趋严峻,风能作为一种可再生能源已成为各国关注的焦点,风力发电技术日趋成熟,其中风力机不断被改进。笔者研究了风力机的平板型和S型两种叶片的构造、作用和优缺点,受两者的启发,取两者之长,避两者之短,设计了一种新式的C型多叶片垂直轴风力机,敬请各位专家指正。     

垂直轴风力机非对称翼型叶片变攻角方法

分析了H型垂直轴风力机非对称翼型叶片在一定雷诺数下的升力系数和阻力系数的变化,给出了叶片攻角的合理变化范围。通过分析风轮旋转一周叶片攻角的变化,给出了不同叶尖速比下叶片攻角随其方位角变化的规律。利用Origin软件计算出上下风区叶片的安装角与攻角的对应关系,并确定合适的安装角。分析表明,通过改变风轮叶片的安装角来调整叶片的攻角,能使风力机始终保持较高的功率输出。     

垂直轴风力机叶尖速比分析研究

分析了垂直轴风力机叶尖速比选择的特点和影响因素;给出了垂直轴风力机叶片攻角与旋转位置的关系式;计算并分析了各种叶尖速比下的攻角分布情况;得出了垂直轴风力机最佳叶尖速比和相应的叶片设计要求。如果只考虑提高风能利用系数,垂直轴达里厄型风力机叶尖速比值应选择4。     

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.     

拉索式垂直轴风力机结构分析

轻量化是垂直轴风力机设计的主要内容。垂直轴风力机叶片与叶片回转面垂直,叶片转动产生的离心力与叶片长度方向垂直,离心力对叶片受力和变形影响很大,叶片容易产生弯曲变形。要尽量减轻回转件的重量,减少离心力对叶片变形的影响。针对该情况提出了一种拉索式垂直轴风力机设计,通过外伸横梁实现在叶片内外两侧同时用拉索拉紧叶片,使叶片固定在横梁上,减少了钢制刚性横梁的使用,极大减少了垂直轴风力机回转结构的重量,达到了垂直轴风力机轻量化目的。分析了拉索式垂直轴风力机的结构特点,对拉索施加合适的预紧力的计算提出仿真要点。     

基于响应面法的仿生风力机叶片可靠性分析

根据风力机的基本理论和相似理论在有限元软件ANSYS中建立了一个翼型为SG6050,半径为1m的小型风力机叶片模型,运用结构仿生学原理,对所设计的风力机叶片进行铺层,其角度范围介于5°～90°之间,为体现中轴的对称性,正负铺层同时出现。利用基于响应面法的可靠性理论,比较了不同铺层方式下风力机叶片的可靠性。计算结果表明:可靠指标较高的角度集中在40°～70°之间,而以65°铺层可靠指标最大,即其失效概率最小,而在5°与90°附近的铺层其可靠指标相对较小。     

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。     

叶片附着物对直线翼垂直轴风力机性能影响的风洞试验

直线翼垂直轴风力机是一种升力型风力机,多被作为离网型风能利用装置。在寒冷地区的冬季,风力机叶片表面结冰、积雪以及附着其他物质会影响风力机的性能。文章介绍了采用粘土作为附着物模拟叶片表面前缘结冰的风洞试验,研究了叶表附着物对风力机的转速和输出功率性能的影响。     

H型垂直轴风力机启动性能分析

以H型垂直轴风力机为研究对象,从最基本的启动特性入手,采用三维CFD技术,结合剪切应力输运SST κ-ω湍流模型,模拟分析了全尺寸垂直轴风力机的安装半径、叶片弦长、安装角度和叶片数目四个参数对其自启动性能的影响。结果表明,上游叶片和塔筒的尾流对下游叶片气动特性具有影响,当叶片处于上游尾流区内时,牵引力急剧减小,当气流从两叶片之间穿过时,风力机启动力矩可达到最大值;风轮的静态启动力矩随叶片安装半径的增加而增加,即叶片安装半径越大,自启动性能越好;当叶片弦长从0.1 m增至0.4 m时,启动力矩增长较快,当叶片弦长大于0.4 m时,力矩随叶片弦长增加的幅度明显减小;不同的叶片安装角度对垂直轴风力机启动性能的影响较小,当安装角从1°增至8°时启动力矩也随之缓慢增加,当安装角达到9°时启动力矩迅速减小;叶片数目越多,风轮的最大启动力矩越大,自启动性能越好。     

不同小翼对H型垂直轴风力机叶片压力分布的影响

以翼型为NACA0012的单叶片H型垂直轴风力机为研究对象,采用数值模拟的研究方法,分析叶片两端未安装小翼和安装3种不同叶尖小翼对H型垂直轴风力机叶片表面压力分布和叶尖涡的影响。结果表明:安装小翼均可提高H型垂直轴风力机的最大转矩系数,其中安装Winglet可提高H型垂直轴风力机起动力矩;增加叶尖小翼均对消除叶尖涡有利;H型垂直轴风力机叶片两端安装Winglet小翼较其他两种小翼效果好。     

大型垂直轴风力机的塔影效应分析

塔影效应对大型垂直轴风力机的流场有显著影响,研究大型垂直轴风力机的塔影效应具有重要应用价值。采用雷诺时均(RANS)方法,在剪切流大气环境下,计算分析5 MW大型垂直轴风力机的功率、转矩、切向力、法向力和表面压力,揭示了塔筒对大型垂直轴风力机的塔影效应。计算结果显示:塔影效应会明显降低垂直轴风力机的平均功率系数,在270～280°相位角附近显著降低叶片前缘的负压强度和负压范围;随着塔筒直径的减小,叶片前缘的负压强度和负压区范围增大,转矩系数的波动幅度减小,单叶片转矩系数增大,叶片空气动力性能改善,发电效率提高。相关结论对大型垂直轴风力机的设计具有一定参考价值。     

基于CFD的二维垂直轴风力机性能计算

采用计算流体力学方法(CFD)针对垂直轴风力发电机,开展简化的二维绕流特性研究。首先,基于开放型转子和增强型转子,研究网格节点数和壁面y+、计算时间步长和湍流模型等的变化对计算结果的影响,对计算模型和方法进行确认。随后,计算分析增强型垂直轴风力机与开放型垂直轴风力机的特性。结果表明,与开放性垂直轴风力发电机相比,增强型垂直轴风力发电机的功率系数和转矩系数有明显增加,且达到最大值的位置向叶尖速比增大的方向移动。然后对增强型垂直轴风力机发电机在不同来流风速下进行计算,发现增强型垂直轴风力发电机的转子转矩随来流风速增加,而转矩系数和功率系数与来流风速无关。最后,针对定子叶片在不同的方向开展计算研究。结果表明,定子叶片在不同方向时,增强型垂直轴风力机的转子转矩不同,且转矩到达峰值的位置也不同;在当前3个方向角中,叶片处于0°方向角时风力机具有最高的转矩系数,即具有最佳的功率系数。