大功率直葉片垂直軸風力機氣動特性及風輪構型研究.pdf

1、垂直軸風力機是風力機市場的一種重要機型，然而，由于其發(fā)展較晚，長期研究投入不足，因而目前技術仍不完善，其應用主要集中在中小機型上。研究表明，垂直軸風力機的風能利用率與水平軸風力機基本相同，并且具有無需偏航裝置，葉片造型簡單，疲勞載荷小等諸多優(yōu)點，因而適宜向大功率機型發(fā)展。盡管國內外對大功率垂直軸風力機進行了許多有益的探索與試驗，但兆瓦級直葉片垂直軸風力機仍處于起步階段，其理論尚需進一步完善。據此，本文在建立數學模型與改進數值計算方法的基

2、礎上，對風力機關鍵部件風輪進行氣動分析和結構分析，從而為兆瓦級大功率直葉片垂直軸風力機設計提供指導。
　　基于曲線翼垂直軸風力機的雙致動盤多流管理論，本文推導了適用于直葉片垂直軸風力機的理論模型，利用該模型，通過擬合高雷諾數下葉片翼型升阻系數離散點，進而求解功率系數的辦法，分析了尖速比、轉子半徑、實度等對大功率風力機氣動規(guī)律的影響；由于大功率風力機在實際運轉中會遇到風切變，因此，本文進一步改進理論模型，分析了風切變對風力機功率輸出

3、的影響。
　　針對理論模型無法深入分析風輪實度以及葉片各安裝參數的不足，本文進而采用二維CFD方法對風力機進行分析。分析之前，針對CFD方法計算耗時大的特點，本文首先研究了CFD方法的精度與效率平衡問題，重點分析了湍流模型、網格數目以及時間步長對計算結果的影響，提出了改進計算效率的網格劃分方法和時間步長設置方法；針對文獻中實驗樣機，分別采用理論模型與CFD方法計算功率系數，并與實驗數據對比，分析了兩種方法的可行性以及應用限制條件。

4、
　　大功率風力機應選用低實度風輪。本文應用CFD仿真方法，從功率系數、力矩系數、渦量等多個方面分析了低實度風輪在實度保持不變情況下的氣動特性，重點研究了不同葉片數目和弦長的配比對風輪氣動輸出、啟動力矩以及最大橫向力的影響，其研究表明風輪可以在不增加實度的情況下減小力矩波動，從而有效減少風輪自重；分析了葉片翼型、安裝角對風輪氣動特性的影響情況，并依據分析結果選定了風輪的各參數。
　　針對風力機主軸在疲勞載荷下壽命低的問題，為