新型自啟動垂直軸風力機設計與實驗.pdf

1、直葉片垂直軸風力機作為最簡單的結(jié)構(gòu)形式,不需要對風調(diào)節(jié),并且能直接將風能通過旋轉(zhuǎn)軸傳遞到地面設備,因此廣泛的應用于提水、加熱、提純、充電等,還可以作為小型發(fā)電站獨立使用。高效率的達里厄(Darrieus)風力機因其不能自啟動而無法應用于以上各項目中。早期人們試圖用優(yōu)化葉片幾何參數(shù)的方式提高其自啟動能力,包括:改進風力機實度、改進葉片弧度和厚度、調(diào)節(jié)葉片槳距角和攻角;后來又提出了另外改進風力機自啟動能力的方法如:帶弧形截面的葉片、傾斜葉片

2、、柔性帆、薩沃紐斯和達里厄型混合型風力機、可調(diào)槳距角葉片。盡管這些方法在一定程度上能夠增加啟動力矩,但是較低的峰值效率和正常工作的風速范圍仍是需要解決的主要問題。
　　本文通過對傳統(tǒng) NACA翼型改進來提高垂直軸風力機的自啟動性能,提出了三種可以提高風力機自啟動性能的方案:組合翼型、可展開式翼型和帶傾斜拖尾翼型。組合翼型的前30％弦長段采用 NACA0018翼型,后70%弦長采用 NACA0015翼型,通過這種組合方式來產(chǎn)生自啟動

3、所需要的轉(zhuǎn)矩;對于可展開式翼型方案,當葉尖速比較低時,將傳統(tǒng)的 NACA0018翼型展開,這時風力機相當于阻力型風力機,使用此時產(chǎn)生的阻力來使風力機進行自啟動,風力機開始旋轉(zhuǎn),達到較高葉尖速比后,閉合翼型葉片,風力機相當于升力型風力機,這時可進行正常的風力發(fā)電;帶傾斜拖尾翼型是將傳統(tǒng) NACA0018翼型分割成翼型主體和尾翼兩部分,尾翼長度為整個翼型長度的30%,安裝在翼型主體尾部,并且可繞翼型主體尾部旋轉(zhuǎn),風力機靜止時,尾翼與翼型主體

4、成一定角度,這樣風力機可以產(chǎn)生較高的升力來實現(xiàn)低葉尖速比時實現(xiàn)自啟動,風力機開始旋轉(zhuǎn)后,通過彈簧和離心力的作用實現(xiàn)較在高葉尖速比時使葉片尾部可以回到正常位置。采用計算流體力學商業(yè)軟件 Fluent來模擬計算上述三種方法的自啟動能力和工作效率,仿真結(jié)果表明在上述三種方法之中,帶傾斜拖尾翼型方法表現(xiàn)出了較好的自啟動性能,同時風能利用率可達到33%。因此本文根據(jù)帶傾斜拖尾翼型方案來進行樣機的研制。
　　本文分析了風力機原型的工作原理并建

5、立了數(shù)學模型,設計參數(shù)并初步仿真,根據(jù)初步仿真結(jié)果以及風洞實驗環(huán)境要求,設計了自啟動垂直軸風力機的原型樣機。根據(jù)風力機樣機的特點,開發(fā)了在實驗室中加工葉片的方法,以方便地、經(jīng)濟地制造加工風機葉片和傾斜拖尾翼;并應用該方法設計并制造了用于加工葉片的模具,同時使用激光跟蹤儀和空間分析軟件檢查風機葉片和傾斜拖尾翼的加工質(zhì)量,以玻璃纖維為原材料自主制造了風機葉片和傾斜拖尾翼,完成試驗樣機整機的研制。
　　本文設計并進行了風洞實驗,為了方便

6、測試,風力機旋轉(zhuǎn)軸設計成與發(fā)電機軸直接相連的形式,同時使用電爐絲作為載荷來評估風力機在不同角速度下的性能。風洞測試結(jié)果表明:在較高的風速下改進的翼型和傳統(tǒng)的翼型一樣都能啟動風力機,拖尾傾斜角超過一定值時,隨著拖尾傾斜角的增加,風力機的啟動風速也將增加,同時改進的翼型也降低了旋轉(zhuǎn)速度。實驗結(jié)果顯示:改變可傾斜尾翼的角度增加了風機啟動所需的風速值,可傾斜尾翼的角度為30°時,風機甚至不能啟動,而風力機在啟動之后其轉(zhuǎn)速在負載作用下的變動范圍也