直翼豎軸風(fēng)力機(jī)構(gòu)型與變槳控制研究.pdf

1、地球表面大氣的水平運(yùn)動稱為風(fēng)，風(fēng)是地球轉(zhuǎn)動與太陽輻射溫差等因素綜合作用的結(jié)果；地球蘊(yùn)藏的風(fēng)能資源極為豐富，目前風(fēng)能已成為產(chǎn)業(yè)化開發(fā)利用程度最高的新型能源，其能源戰(zhàn)略地位日益提升。豎軸風(fēng)力機(jī)是一種具備發(fā)展?jié)摿?、可與水平軸風(fēng)力機(jī)相媲美的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，尤其是直翼豎軸風(fēng)力機(jī)憑借無需對風(fēng)、葉片制造簡單且支撐剛度好、變速與發(fā)電裝置簡單且重心低等優(yōu)勢受到學(xué)者的青睞。但是直翼豎軸風(fēng)力機(jī)自啟動能力差、風(fēng)能利用率偏低的問題限制了該類風(fēng)力機(jī)的大規(guī)模發(fā)展；同時

2、直翼豎軸風(fēng)力機(jī)流場流動復(fù)雜，作用在葉片上的氣動力呈現(xiàn)周期性非穩(wěn)態(tài)變化，導(dǎo)致該類風(fēng)力機(jī)的基礎(chǔ)力學(xué)問題尚未得到很好的解決。因此探索直翼豎軸風(fēng)力機(jī)的流場特性、空氣動力學(xué)作用機(jī)理以及風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)，對于該類風(fēng)力機(jī)的氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的理論和實際意義。
　　本論文在對比直翼豎軸風(fēng)力機(jī)和水平軸風(fēng)力機(jī)特點的基礎(chǔ)上，確定了直翼豎軸風(fēng)力機(jī)的研究問題所在；分析國內(nèi)外針對豎軸風(fēng)力機(jī)氣動性能改善問題的研究，確立了以高徑比、弦徑比、葉片數(shù)和支撐梁

3、氣動結(jié)構(gòu)設(shè)計為研究基礎(chǔ)的風(fēng)輪構(gòu)型優(yōu)化目標(biāo)，并提出了以變槳控制來改善自啟動特性和風(fēng)能利用率的研究方案。本文通過CFD仿真和實驗相結(jié)合的研究方法分析直翼豎軸風(fēng)力機(jī)的流場與力學(xué)特性，提出了直翼豎軸風(fēng)力機(jī)的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測方案。
　　基于CFD方法研究風(fēng)輪參數(shù)對直翼豎軸風(fēng)力機(jī)性能指標(biāo)的影響。以直翼豎軸風(fēng)力機(jī)的平均風(fēng)能利用率為研究對象，建立考慮局部流場變化的風(fēng)力機(jī)力學(xué)模型，確定了風(fēng)力機(jī)性能指標(biāo)評定參數(shù)；建立直翼豎軸風(fēng)力機(jī)的二維CFD模型，

4、分析CFD建模及其參數(shù)設(shè)置對計算精度的影響，與實驗結(jié)果對比以驗證CFD計算的準(zhǔn)確性；基于CFD仿真分析確定實驗用翼型參數(shù)，對風(fēng)力機(jī)的高徑比、弦徑比、葉片數(shù)和運(yùn)行尖速比等因素展開研究，研究風(fēng)輪參數(shù)與風(fēng)力機(jī)氣動性能的關(guān)系，完成風(fēng)輪的氣動構(gòu)型研究。
　　針對風(fēng)輪支撐梁的結(jié)構(gòu)布局和氣動外形設(shè)計展開研究，分析支撐梁參數(shù)對風(fēng)力機(jī)氣動性能和結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的影響。以葉片的橫向變形為研究對象，建立葉片在不同支撐方式下的力學(xué)模型，分析不同支撐對葉片變

5、形的影響，并通過流固耦合技術(shù)研究支撐梁布局與風(fēng)輪結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的關(guān)系。通過分析支撐梁氣動外形的升阻力特性，確定比較理想的氣動外形，開展支撐梁氣動外形CFD和實驗驗證研究，并探究支撐梁的減阻方案。通過研究單支撐方式下風(fēng)力機(jī)的動力剛化和動不平衡問題，建立了直翼豎軸風(fēng)力機(jī)考慮氣動力和轉(zhuǎn)速等因素的變形方程，為風(fēng)力機(jī)的變形分析和校正奠定理論基礎(chǔ)，并提出了一種柔索預(yù)緊法來改善風(fēng)力機(jī)的變形情況。
　　在完成直翼豎軸風(fēng)力機(jī)基本構(gòu)型研究的基礎(chǔ)上，針

6、對葉片攻角、槳距角對葉片氣動參數(shù)和風(fēng)力機(jī)氣動性能的影響展開研究，為變槳控制研究奠定基礎(chǔ)，同時提出風(fēng)力機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)?；陔娮钁?yīng)力片實現(xiàn)風(fēng)力機(jī)氣動載荷和結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)的動態(tài)監(jiān)測，通過靜態(tài)載荷實驗實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)定，為實驗研究做好前期基礎(chǔ)；通過CFD分析研究葉片正弦俯仰運(yùn)動下的氣動載荷變化規(guī)律，并結(jié)合葉片流場探究動態(tài)失速的作用機(jī)理，提出葉片載荷與俯仰力矩的實驗測量方法，并通過開展CFD和實驗研究分析葉片槳距角對風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性的影響。<