直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)研究.pdf

1、直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)是近年來受到國際上廣泛關(guān)注的一種升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)，適合應(yīng)用在中小型風(fēng)能利用領(lǐng)域。然而當(dāng)其安裝在寒冷地區(qū)時，在低溫和潮濕條件下風(fēng)力機(jī)葉片會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。結(jié)冰會嚴(yán)重影響風(fēng)力機(jī)的性能，甚至產(chǎn)生安全事故。為了研究直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰特性，尤其是在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的葉片結(jié)冰規(guī)律，本研究利用自然寒冷氣候的結(jié)冰風(fēng)洞，對垂直軸風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)葉片和旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪模型進(jìn)行了結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)，并利用數(shù)值模擬對結(jié)冰前后的垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動特性變化進(jìn)行了數(shù)

2、值模擬計(jì)算。研究主要分為兩大部分內(nèi)容:
　　(1)垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片靜態(tài)結(jié)冰特性研究，主要采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法。結(jié)冰試驗(yàn)在采用自然低溫的小型結(jié)冰風(fēng)洞中進(jìn)行。葉片翼型采用直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)常用的NACA0018（對稱翼型）和NACA7715（非對稱翼型）。試驗(yàn)包括在不同攻角下的葉片結(jié)冰分布測試和在零度攻角下葉片長時間結(jié)冰過程測試。利用高速攝像記錄結(jié)冰過程，利用電子天平測試結(jié)冰質(zhì)量。
　　(2)垂直軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰特性研究，主要

3、采用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法。設(shè)計(jì)制作了一臺采用NACA0018翼型的直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪模型，葉片個數(shù)為2葉片和3葉片兩種，測試了風(fēng)輪在不同水滴流量和葉片減速比下的旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰分布。分析了葉片結(jié)冰面積，結(jié)冰質(zhì)量，結(jié)冰率等。另外，將結(jié)冰后的葉片形狀輸入，旋轉(zhuǎn)模型以及結(jié)冰前后的葉片進(jìn)行模擬計(jì)算，探討結(jié)冰前后的葉片氣動特性變化，結(jié)冰前后的旋轉(zhuǎn)模型功率系數(shù)、力矩系數(shù)變化，結(jié)冰前后旋轉(zhuǎn)模型速度場、壓力場的變化。
　　在本研究條件下

4、得到的主要結(jié)論如下:
　　(1)在零度攻角下NACA0018翼型結(jié)冰是由前緣開始逐步向兩側(cè)爬行生長。NACA7715翼型結(jié)冰分為兩部分，一部分由前緣像兩側(cè)爬行生長，另一部分由后緣向前緣爬行生長。NACA0018翼型結(jié)冰面積速度趨勢是逐漸下降的，NACA7715翼型結(jié)冰面積速度趨勢是先升高后下降。NACA0018翼型和NACA7715翼型前緣結(jié)冰厚度生長的速度趨勢都隨時間的增加而減小。NACA0018翼型兩側(cè)結(jié)冰厚度開始沒有生長，結(jié)

5、冰中期開始生長，生長到一定程度后速度逐漸減緩。NACA7715兩側(cè)結(jié)冰厚度增長較為穩(wěn)定。NACA0018翼型和NACA7715翼型結(jié)冰效果速度的總體趨勢是下降的。
　　(2)在一定風(fēng)速下，葉片表面結(jié)冰受攻角變化的影響較大。當(dāng)葉片攻角在-90°～-10°之間時，結(jié)冰主要出現(xiàn)在葉片背部。當(dāng)葉片攻角在0°時，結(jié)冰主要出現(xiàn)在葉片前緣。當(dāng)葉片攻角在10°～90°之間時，結(jié)冰主要出現(xiàn)在葉片的腹部。在流量較大時，低風(fēng)速的結(jié)冰量總體大于高風(fēng)速的結(jié)

6、冰量。NACA0018翼型結(jié)冰面積比總體大于和NACA7715翼型的結(jié)冰面積比。
　　(3)直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰發(fā)生整個葉片表面，與靜態(tài)葉片結(jié)冰有很大不同。葉片結(jié)冰情況隨著LWC、尖速比的增大而越顯著。葉片結(jié)冰面積比隨時間增加而增加，呈一定的線性變化規(guī)律。在相同條件下小風(fēng)力機(jī)實(shí)度越大單葉片結(jié)冰率越小，對整機(jī)而言，實(shí)度越大結(jié)冰率越高。
　　(4)數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰后的升力系數(shù)降低，阻力系數(shù)增大，且隨著尖速