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。     

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。     

水平轴风力机叶片扭角和弦长的理想分布

为得到风力机功率、转矩和推力等性能随尖速比和翼型升阻比变化的极限公式,需求解叶片的理想扭角和弦长沿翼展变化的解析表达式,同时这项研究也可为叶片外形设计提供理论参考。为此首先从效率最大化的原则出发,用极值的微分算法证明最佳攻角就是使翼型升阻比最大的攻角;其次利用最佳攻角和入流角公式推导出叶片理想扭角沿展向的解析表达式;然后根据动量-叶素理论,推导出叶片理想弦长沿展向的解析表达式。研究表明:叶片理想扭角是设计尖速比、最佳攻角和风轮半径的函数,叶片理想弦长是设计尖速比、风轮半径以及对应最佳攻角的升力和阻力系数的函数。这两个表达式均可表示为显函数的形式。     

关于风力机异步变桨的初步研究

由于存在风速的高度切变,使同步变桨距风力机风轮的各个叶片并非都处于最佳升阻比状态,影响了风力机功率的输出和减少了风力机的使用寿命。通过对风力机叶片的空气动力学分析,提出要使叶片始终处于最佳升阻比的基本原理以及实现这一目标时变桨系统所应达到的要求。     

风力机异步变桨的初步研究

针对当前同步变桨距式风力机的变桨特点,总结同步变桨距式风力机缺点,提出要使叶片始终处于最佳升阻比状态必须实现风力机的异步变桨这一观点。通过对风力机组工作状态的理论分析,得出实现这一目标变桨系统所应达到的要求。     

安装角变化下垂直轴风力机气动性能的研究

建立了3D垂直轴风力机模型,应用FLUENT软件求解三维非定常不可压缩N-S方程和RNGκ-ε湍流模型,采用SIMPLE算法并结合滑动网格技术,数值模拟了安装角变化下垂直轴风力机的三维非定常流场,分析了不同时刻的速度、涡量分布、风力机总转矩的变化规律及风能利用系数。结果表明,计算区域流场复杂,垂直轴风力机的转矩呈周期性变化,风能利用系数随安装角变化而变化。     

垂直轴风力机流场主动控制方法研究

针对垂直轴风力机叶片攻角连续性变化导致的非稳定流动,提出一种改善叶片攻角的主动变桨控制方法。首先通过实验验证数值模拟方法的可行性及有效性,其次对变桨控制前后风力机流场进行二维数值模拟,得到风力机在不同变桨条件下的气动特性及流场结构,计算结果表明:变桨控制可使叶片在不同方位角下处于更合适的攻角,进而获得较优的气动性能,变桨控制后的风能利用系数有所增加。随着最大变桨角度的增加,风能利用系数先增大后减小,最大可提高33.2%,同时主动变桨可抑制叶片尾缘流动分离,使得叶片尾涡耗散轨迹更贴合风轮旋转圆周。从而降低转矩系数波动幅值,提高风力机运行寿命。     

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。     

风力机叶片三角襟翼构型及气动特性数值研究

为研究三角襟翼对风力机叶片翼型气动特性的影响,将三角襟翼加至NACA4412翼型尾缘,建立其二维襟翼计算模型,基于CFD数值模拟方法分析不同宽度和长度的三角襟翼在0°~18°攻角范围内的气动特性,得到了各攻角下升阻力系数、升阻比及翼型壁面压强分布曲线。结果表明:增加襟翼长度,使得翼型升阻比减小,失速攻角提前,增加襟翼宽度,使得翼型升阻比增大,失速攻角延后,因此适当减小三角襟翼的长度和增加其宽度有助于提高翼型的气动特性,将翼型尾缘5%部分作为空间生成襟翼,与传统襟翼相比,节省了制造材料和空间。