【摘要】：風(fēng)力發(fā)電是通過(guò)風(fēng)力機(jī)裝置將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的，葉輪是風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵組成部分。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪設(shè)計(jì)中，獲得準(zhǔn)確的葉輪的動(dòng)力學(xué)性能是風(fēng)力機(jī)整體與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。本文以擬輸出功率為500W的H型垂直軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其葉輪的空氣動(dòng)力性能和結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能進(jìn)行了研究，主要研究?jī)?nèi)容如下： 首先，根據(jù)垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)理論，詳細(xì)介紹了單流管模型、多流管模型和渦流模型，最終采用多流管模型方法對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行受力分析，得出葉輪輸出功率和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法。結(jié)果表明：葉片安裝半徑、葉片數(shù)、葉片弦長(zhǎng)、葉片高度為影響垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪輸出功率和轉(zhuǎn)矩的主要參數(shù)。 其次，以擬輸出功率為P=500W的H型垂直軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以葉片安裝半徑、葉片數(shù)、葉片弦長(zhǎng)、葉片高度為因素，葉輪輸出功率為指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到一組最優(yōu)組合參數(shù)以及各個(gè)因素水平變化對(duì)葉輪輸出功率大小影響的趨勢(shì)。結(jié)果表明：葉片數(shù)是影響H型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪輸出功率最為顯著的影響因素，通過(guò)適當(dāng)控制葉片數(shù)量，可以達(dá)到有效提高葉輪輸出功率的目的。 然后，采用FLUENT軟件對(duì)葉輪進(jìn)行二維建模、網(wǎng)格劃分、確定邊界條件以及求解計(jì)算對(duì)葉輪流場(chǎng)進(jìn)行非定常數(shù)值模擬。比較不同位置角上、同一葉片在不同位置以及在不同來(lái)流風(fēng)速下的流場(chǎng)速度分布規(guī)律，結(jié)果表明：葉輪周?chē)牧鲌?chǎng)呈現(xiàn)出非常強(qiáng)的非定常性，在一個(gè)周期內(nèi)不同位置角的流場(chǎng)特性不同；單個(gè)葉片在一個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，翼型周?chē)牧鲌?chǎng)呈現(xiàn)周期性變化；不同風(fēng)速條件下的流場(chǎng)特性也不相同。 最后，在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)風(fēng)力機(jī)葉輪進(jìn)行了模態(tài)分析，應(yīng)用Lanczos法求解動(dòng)態(tài)方程，獲得風(fēng)力機(jī)葉輪在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的固有頻率和振型以及在不同轉(zhuǎn)速下的各階固有頻率，并繪制了葉輪的Campbell圖，結(jié)果表明：風(fēng)力機(jī)葉輪的主要振動(dòng)為彎曲振動(dòng)，葉輪的工作轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速，避開(kāi)了共振區(qū)，可以安全工作。
【圖文】：

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和非可再生能源的過(guò)渡消耗，環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題注。世界各國(guó)都在積極地探索可再生能源發(fā)展的途徑，以解決污染足的困境。開(kāi)發(fā)和大規(guī)模利用風(fēng)能便是有效的措施之一，而風(fēng)力發(fā)能利用形式受到廣泛的關(guān)注。國(guó)際上風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)速度正國(guó)，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量增長(zhǎng)速度也在明顯加快[6]。的風(fēng)能資源十分豐富，據(jù)中國(guó)氣象科學(xué)研究院估算，全國(guó)平均風(fēng)，10m 高層的風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為 32.26 億 KW，其中可實(shí)際開(kāi)發(fā)利儲(chǔ)量為 2.53 億 KW。東南沿海及附近島嶼，新疆、內(nèi)蒙古和甘肅北、華北和青藏等地區(qū)屬于我國(guó)風(fēng)資源的豐富區(qū)，每年風(fēng)速在 6m000h 左右，有些地區(qū)年平均風(fēng)速可達(dá) 7m/s 以上，具有很大的開(kāi)發(fā)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，按照風(fēng)輪主軸位置的不同可分為水平軸風(fēng)機(jī)。水平軸風(fēng)力機(jī)的葉輪圍繞一個(gè)水平軸旋轉(zhuǎn)，工作時(shí)，葉輪的旋，葉輪、變速箱及發(fā)電機(jī)一起放置于塔架的頂端，如圖 1.1 所示，為高速風(fēng)力機(jī)，，葉片數(shù)多的稱(chēng)為低速風(fēng)力機(jī)。

箱及發(fā)電機(jī)放置在靠近地面處[7]。垂直軸風(fēng)力機(jī)又可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是是動(dòng)力的阻力做功，典型的結(jié)構(gòu)是 Savonius 型風(fēng)力機(jī)，如圖 1.3 所示。它由錯(cuò)開(kāi)的半圓柱形組成，其優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，缺點(diǎn)是由于圍繞著葉輪產(chǎn)生流，從而對(duì)它產(chǎn)生側(cè)向推力。對(duì)于垂直軸二葉輪的 S 型風(fēng)力機(jī)在理想狀態(tài)下用系數(shù)為 15%左右[8]。對(duì)于較大型的風(fēng)力機(jī)，由于受偏轉(zhuǎn)與極限應(yīng)力的限制種結(jié)構(gòu)形式是比較困難的。另一類(lèi)是利用翼型的升力做功，最典型的是達(dá)arrieus)型風(fēng)力機(jī)，如圖 1.4 所示。達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)有多種形式，Φ 型、H 型、形�；旧鲜侵比~片和彎葉片兩種，以 H 型、Φ型風(fēng)力機(jī)為典型。Φ型風(fēng)用的彎葉片只承受張力，不承受離心力荷載,從而使彎曲應(yīng)力減至最小。由承受的張力比彎曲應(yīng)力要強(qiáng),所以對(duì)于相同的總強(qiáng)度，Φ型葉片比較輕,且片可以以更高的速度運(yùn)行，但是Φ型自啟動(dòng)性能很差。H 型風(fēng)輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，構(gòu)造成的離心力容易使葉片在其連接點(diǎn)處產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，另外,其葉片需要或拉索支撐，這些支撐將產(chǎn)生氣動(dòng)阻力，降低效率。
【學(xué)位授予單位】：三峽大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類(lèi)號(hào)】：TK83

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2690875