【摘要】：與水平軸風(fēng)輪相比,垂直軸風(fēng)輪具有無需對風(fēng)偏航裝置的天然優(yōu)勢;但目前卻少有兆瓦級以上的大功率垂直軸風(fēng)力機出現(xiàn),主要原因在于:升力型風(fēng)輪運行效率高但起動性能差、阻力型垂直軸風(fēng)輪起動性能好但運行效率差、升阻組合式垂直風(fēng)輪是改善起動性能的解決方案但運行效率降低。為了更好的解決此問題,本文針對設(shè)計的不同方案的升阻組合式垂直軸風(fēng)輪進行氣動性能與結(jié)構(gòu)研究�；诖怪陛S風(fēng)力機的運行特性,對垂直軸風(fēng)輪的運行階段進行了明確的劃分,研究了其整個運行階段的關(guān)鍵性問題;從理論角度分析了升力葉片與阻力葉片的運行特點及組合式垂直軸風(fēng)輪的運行原理;推導(dǎo)出適用于升阻組合式垂直軸風(fēng)輪的力矩系數(shù)與功率系數(shù)的計算公式,為后續(xù)章節(jié)的氣動性能分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論指導(dǎo)。為了解決升力風(fēng)輪與阻力風(fēng)輪更好的匹配性問題,利用FLUENT流體仿真軟件對單種葉片進行氣動性能研究,確定了升力葉片的NACA0015翼型與阻力葉片的半圓形翼型。為了得到一種起動性能佳且可以改善運行效率的風(fēng)輪組合方案,利用FLUENT的“滑移網(wǎng)格技術(shù)”對阻力葉片相對升力葉片環(huán)向角度的不同分為四種組合方案進行數(shù)值模擬仿真,分別研究起動性能、運行效率、切出風(fēng)速與極限載荷的四種氣動性能關(guān)鍵問題,最后獲得阻力葉片相對升力葉片的環(huán)向位置為45度的最佳組合方案。為了獲得既滿足強度、剛度又輕質(zhì)的葉片,首先利用FLUENT仿真結(jié)果分析葉片的載荷類型與大小,確定了葉片的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu);然后利用ACP鋪層仿真軟件對葉片鋪層材料與鋪層方案進行選擇并對兩葉片進行了鋪層區(qū)域劃分與厚度確定,得到了兩葉片的重量分別為14.2噸與0.98噸;最后利用ANSYS對設(shè)計的葉片進行了模態(tài)分析,確定了葉片的結(jié)構(gòu)振動特性,升力葉片與阻力葉片的最小振動頻率分別為0.22671Hz與6.6739Hz,均超過葉片旋轉(zhuǎn)角速度對應(yīng)的頻率0.1404Hz,避免了葉片共振現(xiàn)象的發(fā)生。為了獲得完整的風(fēng)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,確定風(fēng)輪支撐臂與斜支臂、主軸與輪轂的結(jié)構(gòu)參數(shù)并對壓臂進行了穩(wěn)定性分析;利用ANSYS對設(shè)計的風(fēng)輪結(jié)構(gòu)進行模態(tài)振型分析,風(fēng)輪的一階固有頻率最小為0.52958Hz大于風(fēng)輪運行對應(yīng)的頻率0.1404Hz,可以有效的避免了整個風(fēng)輪的共振發(fā)生,確保了整個風(fēng)輪運行的可靠性與安全性。
【圖文】：

圖 1-1 陸上風(fēng)場的風(fēng)力機[5]圖 1-2 國內(nèi)最大的海上風(fēng)力機[5]目前，國內(nèi)外市場上流行的水平軸風(fēng)力機主要分為半直驅(qū)雙饋風(fēng)力機與永磁直驅(qū)風(fēng)力機。前者傳動鏈中需要增速箱、并網(wǎng)需要變頻器，優(yōu)點是成本較低，缺點是故障率高、并網(wǎng)損失較大；后者不需要增速箱與變頻器，優(yōu)點是可靠度高、并網(wǎng)損失小，缺點是成本增高、體積較大。1.2.2 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機垂直軸風(fēng)力機葉輪回轉(zhuǎn)軸在豎直方向，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動與風(fēng)向無關(guān)，因此不需要水平軸風(fēng)力機的偏航裝置就可以捕風(fēng)獲取風(fēng)能。垂直軸風(fēng)力機可分為 3 個主要類型:阻力型垂直軸風(fēng)力機、升力型垂直軸風(fēng)力機與升阻組合式垂直軸風(fēng)力機。阻力型葉輪是利用空氣動力的阻力做功，升力型葉輪是利用翼型的升力做功，升阻組合式葉輪是利用阻力葉片的阻力與升力葉片的升力分別做功。阻力型垂直軸風(fēng)力機主要有Savonius 型、風(fēng)杯型等，其中 Savonius 型和渦輪型是阻力型垂直軸風(fēng)力機的典型代表。升力型垂直軸風(fēng)力機主要有 Darrieus 型風(fēng)力機Φ型、H 型。研究與應(yīng)用的主流形狀基本上是直葉片和彎葉片，以 H 型和Φ型風(fēng)輪最為典型[6-8]，，升阻組合式垂

圖 1-1 陸上風(fēng)場的風(fēng)力機[5]圖 1-2 國內(nèi)最大的海上風(fēng)力機[5]目前，國內(nèi)外市場上流行的水平軸風(fēng)力機主要分為半直驅(qū)雙饋風(fēng)力機與永磁直驅(qū)風(fēng)力機。前者傳動鏈中需要增速箱、并網(wǎng)需要變頻器，優(yōu)點是成本較低，缺點是故障率高、并網(wǎng)損失較大；后者不需要增速箱與變頻器，優(yōu)點是可靠度高、并網(wǎng)損失小，缺點是成本增高、體積較大。1.2.2 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機垂直軸風(fēng)力機葉輪回轉(zhuǎn)軸在豎直方向，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動與風(fēng)向無關(guān)，因此不需要水平軸風(fēng)力機的偏航裝置就可以捕風(fēng)獲取風(fēng)能。垂直軸風(fēng)力機可分為 3 個主要類型:阻力型垂直軸風(fēng)力機、升力型垂直軸風(fēng)力機與升阻組合式垂直軸風(fēng)力機。阻力型葉輪是利用空氣動力的阻力做功，升力型葉輪是利用翼型的升力做功，升阻組合式葉輪是利用阻力葉片的阻力與升力葉片的升力分別做功。阻力型垂直軸風(fēng)力機主要有Savonius 型、風(fēng)杯型等，其中 Savonius 型和渦輪型是阻力型垂直軸風(fēng)力機的典型代表。升力型垂直軸風(fēng)力機主要有 Darrieus 型風(fēng)力機Φ型、H 型。研究與應(yīng)用的主流形狀基本上是直葉片和彎葉片，以 H 型和Φ型風(fēng)輪最為典型[6-8]，升阻組合式垂
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM315

【參考文獻】

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本文編號：2644287