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(dòng)稱為風(fēng)，風(fēng)是地球轉(zhuǎn)動(dòng)與太陽(yáng)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(kāi)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(wú)需對(duì)風(fēng)、葉片制造簡(jiǎn)單且支撐剛度好、變速與發(fā)電裝置簡(jiǎn)單且重心低等優(yōu)勢(shì)受到學(xué)者的青睞。但是直翼豎軸風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)能力差、風(fēng)能利用率偏低的問(wèn)題限制了該類風(fēng)力機(jī)的大規(guī)模發(fā)展；同時(shí)

2、直翼豎軸風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)流動(dòng)復(fù)雜，作用在葉片上的氣動(dòng)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(wèn)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(chǎng)特性、空氣動(dòng)力學(xué)作用機(jī)理以及風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，對(duì)于該類風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的理論和實(shí)際意義。
　　本論文在對(duì)比直翼豎軸風(fēng)力機(jī)和水平軸風(fēng)力機(jī)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，確定了直翼豎軸風(fēng)力機(jī)的研究問(wèn)題所在；分析國(guó)內(nèi)外針對(duì)豎軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能改善問(wèn)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(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(lái)改善自啟動(dòng)特性和風(fēng)能利用率的研究方案。本文通過(guò)CFD仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法分析直翼豎軸風(fēng)力機(jī)的流場(chǎng)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(cè)方案。
　　基于CFD方法研究風(fēng)輪參數(shù)對(duì)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(duì)象，建立考慮局部流場(chǎng)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(píng)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(duì)計(jì)算精度的影響，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比以驗(yàn)證CFD計(jì)算的準(zhǔn)確性；基于CFD仿真分析確定實(shí)驗(yàn)用翼型參數(shù)，對(duì)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(kāi)研究，研究風(fēng)輪參數(shù)與風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的關(guān)系，完成風(fēng)輪的氣動(dòng)構(gòu)型研究。
　　針對(duì)風(fēng)輪支撐梁的結(jié)構(gòu)布局和氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)展開(kāi)研究，分析支撐梁參數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的影響。以葉片的橫向變形為研究對(duì)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(duì)葉片變

5、形的影響，并通過(guò)流固耦合技術(shù)研究支撐梁布局與風(fēng)輪結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的關(guān)系。通過(guò)分析支撐梁氣動(dòng)外形的升阻力特性，確定比較理想的氣動(dòng)外形，開(kāi)展支撐梁氣動(dòng)外形CFD和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究，并探究支撐梁的減阻方案。通過(guò)研究單支撐方式下風(fēng)力機(jī)的動(dòng)力剛化和動(dòng)不平衡問(wèn)題，建立了直翼豎軸風(fēng)力機(jī)考慮氣動(dòng)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(lái)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(duì)葉片攻角、槳距角對(duì)葉片氣動(dòng)參數(shù)和風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響展開(kāi)研究，為變槳控制研究奠定基礎(chǔ)，同時(shí)提出風(fēng)力機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?；陔娮钁?yīng)力片實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)載荷和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)靜態(tài)載荷實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定，為實(shí)驗(yàn)研究做好前期基礎(chǔ)；通過(guò)CFD分析研究葉片正弦俯仰運(yùn)動(dòng)下的氣動(dòng)載荷變化規(guī)律，并結(jié)合葉片流場(chǎng)探究動(dòng)態(tài)失速的作用機(jī)理，提出葉片載荷與俯仰力矩的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法，并通過(guò)開(kāi)展CFD和實(shí)驗(yàn)研究分析葉片槳距角對(duì)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性的影響。<