本文關(guān)鍵詞：Darrieus垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片螺旋變異優(yōu)化研究

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【摘要】：近些年來(lái),日益嚴(yán)重的能源危機(jī)促使了新能源的快速發(fā)展,風(fēng)能是一種清潔的可再生能源,其無(wú)污染、分布范圍廣、儲(chǔ)存量豐富等優(yōu)點(diǎn)使其日益得到關(guān)注,風(fēng)力發(fā)電已成為快速發(fā)展的朝陽(yáng)行業(yè)。Darrieus垂直軸風(fēng)力機(jī)憑借其良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能,以及啟動(dòng)風(fēng)速低、噪聲低、不受風(fēng)向限制、無(wú)需偏航裝置、安裝和維護(hù)容易、維修費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn)在中小型風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域逐漸得到廣泛的應(yīng)用和普及。但其也有一些不足之處,針對(duì)Darrieus直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)葉片動(dòng)轉(zhuǎn)矩周期波動(dòng)性大,動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線震蕩劇烈,造成對(duì)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)主軸強(qiáng)烈沖擊,風(fēng)力機(jī)功率輸出不穩(wěn)定等問(wèn)題,本文對(duì)傳統(tǒng)的Darrieus風(fēng)力機(jī)直葉片進(jìn)行變異優(yōu)化設(shè)計(jì),論文研究的主要內(nèi)容如下：首先,為了改善風(fēng)力機(jī)葉片的動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出性能,本文提出對(duì)Darrieus垂直軸風(fēng)力機(jī)傳統(tǒng)直葉片進(jìn)行螺旋扭曲變異設(shè)計(jì),添加新的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)螺旋扭曲角,并結(jié)合風(fēng)輪實(shí)度、葉尖速比等結(jié)構(gòu)參數(shù)完成初始參數(shù)的設(shè)定,利用Matlab矩陣運(yùn)算功能并結(jié)合Solidworks曲線特征建模特點(diǎn)完成對(duì)風(fēng)力機(jī)變異葉片的參數(shù)化三維模型建立。其次,探尋風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪系統(tǒng)的數(shù)值模擬方法,在ANSYS Workbench中構(gòu)建數(shù)值模擬仿真體系,在ICEM CFD中實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪模型和風(fēng)場(chǎng)模型的網(wǎng)格劃分,利用FLUENT對(duì)變異Darrieus風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真計(jì)算,并在CFD-Post中完成對(duì)計(jì)算結(jié)果的后處理,提取后文分析所需的數(shù)據(jù)及流場(chǎng)細(xì)節(jié)特征。再次,安排單因素試驗(yàn)研究螺旋扭曲角對(duì)葉片動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出性能的影響,綜合評(píng)價(jià)風(fēng)力機(jī)葉片輸出的動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線變化、動(dòng)轉(zhuǎn)矩周期標(biāo)準(zhǔn)差以及平均動(dòng)轉(zhuǎn)矩等指標(biāo),分析和對(duì)比不同螺旋扭曲角下葉片的動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出性能,驗(yàn)證了螺旋扭曲策略的合理性,并確定一個(gè)合理的螺旋扭曲角分布范圍。然后,利用多因素正交試驗(yàn)法對(duì)風(fēng)輪葉片不同結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理的試驗(yàn)安排,通過(guò)綜合分析和對(duì)比葉片螺旋扭曲角、風(fēng)輪實(shí)度、葉尖速比等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)葉片動(dòng)轉(zhuǎn)矩系數(shù)變化、動(dòng)轉(zhuǎn)矩系數(shù)周期標(biāo)準(zhǔn)差、平均動(dòng)轉(zhuǎn)矩系數(shù)和功率系數(shù)的影響程度和影響規(guī)律,最終確定風(fēng)力機(jī)葉片各結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化分布區(qū)間；結(jié)合葉片附近的流場(chǎng)特征情況,探討各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出性能的影響原因。最后,研究Darrieus風(fēng)力機(jī)變異風(fēng)輪的振動(dòng)特性,對(duì)變異風(fēng)輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,得到變異葉片與風(fēng)輪其他構(gòu)件耦合后的固有頻率及相應(yīng)振型變化規(guī)律；研究不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行下風(fēng)輪的固有頻率變化規(guī)律,求解出臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn),給系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的控制提供依據(jù),計(jì)算結(jié)果表明變異風(fēng)輪的額定工作轉(zhuǎn)速在臨界轉(zhuǎn)速12%的范圍之外,不易發(fā)生共振。本文通過(guò)對(duì)葉片采用合理的螺旋扭曲變異設(shè)計(jì),大幅降低了葉片動(dòng)轉(zhuǎn)矩周期波動(dòng)性,提高了平均動(dòng)轉(zhuǎn)矩水平,達(dá)到改善風(fēng)輪葉片的動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出性能的目標(biāo)；研究過(guò)程中得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果可為工程中風(fēng)力機(jī)葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一些數(shù)據(jù)支持,以及各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)葉片動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出性能的影響原因分析也可為后續(xù)的研究提供一些理論支持。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM315

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本文編號(hào)：1219302