垂直軸螺旋形風(fēng)力葉輪的特性研究.pdf

1、風(fēng)力發(fā)電對(duì)于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減少化石能源消耗、緩解環(huán)境污染、降低溫室氣體排放等方面發(fā)揮著極為重要的作用。作為一種從自然界中汲取風(fēng)能的轉(zhuǎn)化裝置，風(fēng)力機(jī)逐漸成為研究的熱點(diǎn)對(duì)象之一。水平軸風(fēng)力機(jī)的技術(shù)較為成熟，其風(fēng)能利用效率較高，適合于大型風(fēng)場(chǎng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，而近年來(lái)垂直軸風(fēng)力機(jī)以其使用便捷、安全性高、氣動(dòng)噪聲小、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，在中小功率發(fā)電場(chǎng)合得到重視，擁有更加廣闊的市場(chǎng)前景。同時(shí)垂直軸風(fēng)力機(jī)在空氣動(dòng)力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)特征和系統(tǒng)的可靠性等方

2、面研究較少，理論探索尤其缺乏，目前尚未形成一套成熟、可靠的理論設(shè)計(jì)方法，具體參數(shù)的確定仍依靠經(jīng)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累。
　　 本文提出由FIN-MP翼型組成的垂直軸螺旋形風(fēng)力葉輪結(jié)構(gòu)，利用螺旋上升的葉片產(chǎn)生對(duì)氣流的阻力和葉片截面形狀在不同攻角來(lái)流條件下產(chǎn)生的升力，使氣流的能量被有效截獲的同時(shí)，產(chǎn)生對(duì)葉輪旋轉(zhuǎn)有貢獻(xiàn)的動(dòng)力，保證風(fēng)力葉輪啟動(dòng)性能好、風(fēng)能利用率高、力矩輸出穩(wěn)定；同時(shí)采用三維非定常模擬和性能實(shí)驗(yàn)兩種方法，較系統(tǒng)全面地分析了

3、所設(shè)計(jì)的風(fēng)力葉輪的運(yùn)行性能。
　　 本文開(kāi)展的主要工作和得到的結(jié)論如下：
　　 1、對(duì)比分析了NACA0015翼型和FIN-MP翼型在不同攻角時(shí)的氣動(dòng)性能，選用具有較好氣動(dòng)特性的FIN-MP翼型作為本文葉片設(shè)計(jì)的基本翼型，同時(shí)根據(jù)風(fēng)力機(jī)的具體參數(shù)設(shè)計(jì)了一種新型螺旋形風(fēng)力葉輪。
　　 2、采用CFD方法，選取SST k-ω湍流模型，模擬對(duì)比了新型螺旋形風(fēng)力葉輪和傳統(tǒng)直線型風(fēng)力葉輪的運(yùn)行特性。螺旋形風(fēng)力葉輪相比直線型

4、風(fēng)力葉輪的力矩波動(dòng)幅度要小，平均力矩系數(shù)較大，產(chǎn)生的正力矩遠(yuǎn)大于負(fù)力矩，風(fēng)力葉輪的作功性能更加穩(wěn)定；由于螺旋形風(fēng)力葉輪的葉片是扭曲的，各個(gè)截面的攻角、速度分布、壓力系數(shù)和湍動(dòng)能存在明顯的差異。
　　 3、獲得了螺旋形風(fēng)力葉輪周圍三維流動(dòng)特征，優(yōu)化了新型垂直軸風(fēng)力葉輪的幾何參數(shù)。風(fēng)力葉輪的扭角越大、力矩系數(shù)的波動(dòng)幅度越小，葉片扭角為60°的風(fēng)力葉輪，力矩波動(dòng)幅度較小，風(fēng)力機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，效率較高；螺旋形風(fēng)力葉輪弦長(zhǎng)越大，最大力矩系數(shù)差

5、別不大，但最小力矩系數(shù)越小，且葉片翼型間的干擾就越強(qiáng)烈，其影響范圍也相對(duì)較大；隨著風(fēng)力葉輪葉片數(shù)的增加，力矩系數(shù)的波動(dòng)幅度在逐漸減小，且尾流速度的干擾作用和葉片間的湍動(dòng)能也越強(qiáng)烈；同時(shí)螺旋形風(fēng)力葉輪的空間三維形狀，導(dǎo)致各個(gè)水平截面的葉片攻角不同，湍動(dòng)能及渦量分布也有很大差別，部分流線甚至脫離了葉片表面；而直線型風(fēng)力葉輪不同截面的渦量分布較為一致。
　　 4、對(duì)風(fēng)力葉輪進(jìn)行了車載實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試了空載、負(fù)載條件下風(fēng)力葉輪的運(yùn)行特性，