【摘要】：與水平軸風(fēng)輪相比,垂直軸風(fēng)輪具有無(wú)需對(duì)風(fēng)偏航裝置的天然優(yōu)勢(shì);但目前卻少有兆瓦級(jí)以上的大功率垂直軸風(fēng)力機(jī)出現(xiàn),主要原因在于:升力型風(fēng)輪運(yùn)行效率高但起動(dòng)性能差、阻力型垂直軸風(fēng)輪起動(dòng)性能好但運(yùn)行效率差、升阻組合式垂直風(fēng)輪是改善起動(dòng)性能的解決方案但運(yùn)行效率降低。為了更好的解決此問(wèn)題,本文針對(duì)設(shè)計(jì)的不同方案的升阻組合式垂直軸風(fēng)輪進(jìn)行氣動(dòng)性能與結(jié)構(gòu)研究�；诖怪陛S風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性,對(duì)垂直軸風(fēng)輪的運(yùn)行階段進(jìn)行了明確的劃分,研究了其整個(gè)運(yùn)行階段的關(guān)鍵性問(wèn)題;從理論角度分析了升力葉片與阻力葉片的運(yùn)行特點(diǎn)及組合式垂直軸風(fēng)輪的運(yùn)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(jì)算公式,為后續(xù)章節(jié)的氣動(dòng)性能分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(wèn)題,利用FLUENT流體仿真軟件對(duì)單種葉片進(jìn)行氣動(dòng)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(dòng)性能佳且可以改善運(yùn)行效率的風(fēng)輪組合方案,利用FLUENT的“滑移網(wǎng)格技術(shù)”對(duì)阻力葉片相對(duì)升力葉片環(huán)向角度的不同分為四種組合方案進(jìn)行數(shù)值模擬仿真,分別研究起動(dòng)性能、運(yùn)行效率、切出風(fēng)速與極限載荷的四種氣動(dòng)性能關(guān)鍵問(wèn)題,最后獲得阻力葉片相對(duì)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(qiáng)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(duì)葉片鋪層材料與鋪層方案進(jìn)行選擇并對(duì)兩葉片進(jìn)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(duì)設(shè)計(jì)的葉片進(jìn)行了模態(tài)分析,確定了葉片的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性,升力葉片與阻力葉片的最小振動(dòng)頻率分別為0.22671Hz與6.6739Hz,均超過(guò)葉片旋轉(zhuǎn)角速度對(duì)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(jì)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(duì)壓臂進(jìn)行了穩(wěn)定性分析;利用ANSYS對(duì)設(shè)計(jì)的風(fēng)輪結(jié)構(gòu)進(jìn)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(yùn)行對(duì)應(yīng)的頻率0.1404Hz,可以有效的避免了整個(gè)風(fēng)輪的共振發(fā)生,確保了整個(gè)風(fēng)輪運(yùn)行的可靠性與安全性。
【圖文】：

圖 1-1 陸上風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)力機(jī)[5]圖 1-2 國(guó)內(nèi)最大的海上風(fēng)力機(jī)[5]目前，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上流行的水平軸風(fēng)力機(jī)主要分為半直驅(qū)雙饋風(fēng)力機(jī)與永磁直驅(qū)風(fēng)力機(jī)。前者傳動(dòng)鏈中需要增速箱、并網(wǎng)需要變頻器，優(yōu)點(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)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(diǎn)是可靠度高、并網(wǎng)損失小，缺點(diǎn)是成本增高、體積較大。1.2.2 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪回轉(zhuǎn)軸在豎直方向，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)與風(fēng)向無(wú)關(guān)，因此不需要水平軸風(fēng)力機(jī)的偏航裝置就可以捕風(fēng)獲取風(fēng)能。垂直軸風(fēng)力機(jī)可分為 3 個(gè)主要類型:阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)、升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)與升阻組合式垂直軸風(fēng)力機(jī)。阻力型葉輪是利用空氣動(dòng)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(jī)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(jī)的典型代表。升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)主要有 Darrieus 型風(fēng)力機(jī)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(chǎng)的風(fēng)力機(jī)[5]圖 1-2 國(guó)內(nèi)最大的海上風(fēng)力機(jī)[5]目前，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上流行的水平軸風(fēng)力機(jī)主要分為半直驅(qū)雙饋風(fēng)力機(jī)與永磁直驅(qū)風(fēng)力機(jī)。前者傳動(dòng)鏈中需要增速箱、并網(wǎng)需要變頻器，優(yōu)點(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)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(diǎn)是可靠度高、并網(wǎng)損失小，缺點(diǎn)是成本增高、體積較大。1.2.2 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪回轉(zhuǎn)軸在豎直方向，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)與風(fēng)向無(wú)關(guān)，因此不需要水平軸風(fēng)力機(jī)的偏航裝置就可以捕風(fēng)獲取風(fēng)能。垂直軸風(fēng)力機(jī)可分為 3 個(gè)主要類型:阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)、升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)與升阻組合式垂直軸風(fēng)力機(jī)。阻力型葉輪是利用空氣動(dòng)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(jī)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(jī)的典型代表。升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)主要有 Darrieus 型風(fēng)力機(jī)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM315

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2644287