直翼豎軸風力機構型與變槳控制研究.pdf

1、地球表面大氣的水平運動稱為風，風是地球轉動與太陽輻射溫差等因素綜合作用的結果；地球蘊藏的風能資源極為豐富，目前風能已成為產(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。豎軸風力機是一種具備發(fā)展?jié)摿?、可與水平軸風力機相媲美的風力發(fā)電設備，尤其是直翼豎軸風力機憑借無需對風、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)勢受到學者的青睞。但是直翼豎軸風力機自啟動能力差、風能利用率偏低的問題限制了該類風力機的大規(guī)模發(fā)展；同時

2、直翼豎軸風力機流場流動復雜，作用在葉片上的氣動力呈現(xiàn)周期性非穩(wěn)態(tài)變化，導致該類風力機的基礎力學問題尚未得到很好的解決。因此探索直翼豎軸風力機的流場特性、空氣動力學作用機理以及風輪的結構動力學響應，對于該類風力機的氣動與結構設計具有重要的理論和實際意義。
　　本論文在對比直翼豎軸風力機和水平軸風力機特點的基礎上，確定了直翼豎軸風力機的研究問題所在；分析國內外針對豎軸風力機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、氣動結構設計為研究基礎的風輪構型優(yōu)化目標，并提出了以變槳控制來改善自啟動特性和風能利用率的研究方案。本文通過CFD仿真和實驗相結合的研究方法分析直翼豎軸風力機的流場與力學特性，提出了直翼豎軸風力機的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測方案。
　　基于CFD方法研究風輪參數(shù)對直翼豎軸風力機性能指標的影響。以直翼豎軸風力機的平均風能利用率為研究對象，建立考慮局部流場變化的風力機力學模型，確定了風力機性能指標評定參數(shù)；建立直翼豎軸風力機的二維CFD模型，

4、分析CFD建模及其參數(shù)設置對計算精度的影響，與實驗結果對比以驗證CFD計算的準確性；基于CFD仿真分析確定實驗用翼型參數(shù)，對風力機的高徑比、弦徑比、葉片數(shù)和運行尖速比等因素展開研究，研究風輪參數(shù)與風力機氣動性能的關系，完成風輪的氣動構型研究。
　　針對風輪支撐梁的結構布局和氣動外形設計展開研究，分析支撐梁參數(shù)對風力機氣動性能和結構動力學特性的影響。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研究支撐梁布局與風輪結構動力學特性的關系。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力機的動力剛化和動不平衡問題，建立了直翼豎軸風力機考慮氣動力和轉速等因素的變形方程，為風力機的變形分析和校正奠定理論基礎，并提出了一種柔索預緊法來改善風力機的變形情況。
　　在完成直翼豎軸風力機基本構型研究的基礎上，針

6、對葉片攻角、槳距角對葉片氣動參數(shù)和風力機氣動性能的影響展開研究，為變槳控制研究奠定基礎，同時提出風力機的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)?；陔娮钁ζ瑢崿F(xiàn)風力機氣動載荷和結構動力學響應的動態(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)的標定，為實驗研究做好前期基礎；通過CFD分析研究葉片正弦俯仰運動下的氣動載荷變化規(guī)律，并結合葉片流場探究動態(tài)失速的作用機理，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力機運行特性的影響。<