地球表面大氣的水平運(yùn)動稱為風(fēng),風(fēng)是地球轉(zhuǎn)動與太陽輻射溫差等因素綜合作用的結(jié)果;地球蘊(yùn)藏的風(fēng)能資源極為豐富,目前風(fēng)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(fēng)力機(jī)是一種具備發(fā)展?jié)摿Α⒖膳c水平軸風(fēng)力機(jī)相媲美的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備,尤其是直翼豎軸風(fēng)力機(jī)憑借無需對風(fēng)、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(xué)者的青睞。但是直翼豎軸風(fēng)力機(jī)自啟動能力差、風(fēng)能利用率偏低的問題限制了該類風(fēng)力機(jī)的大規(guī)模發(fā)展;同時直翼豎軸風(fēng)力機(jī)流場流動復(fù)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(dǎo)致該類風(fēng)力機(jī)的基礎(chǔ)力學(xué)問題尚未得到很好的解決。因此探索直翼豎軸風(fēng)力機(jī)的流場特性、空氣動力學(xué)作用機(jī)理以及風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng),對于該類風(fēng)力機(jī)的氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的理論和實(shí)際意義。本論文在對比直翼豎軸風(fēng)力機(jī)和水平軸風(fēng)力機(jī)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,確定了直翼豎軸風(fēng)力機(jī)的研究問題所在;分析國內(nèi)外針對豎軸風(fēng)力機(jī)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)和支撐梁氣動結(jié)構(gòu)設(shè)計為研究基礎(chǔ)的風(fēng)輪構(gòu)型優(yōu)化目標(biāo),并提出了以變槳控制來改善自啟動特性和風(fēng)能利用率的研究方案。本文通過CFD仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法分析直翼豎軸風(fēng)力機(jī)的流場與力學(xué)特性,提出了直翼豎軸風(fēng)力機(jī)的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測方案�；贑FD方法研究風(fēng)輪參數(shù)對直翼豎軸風(fēng)力機(jī)性能指標(biāo)的影響。以直翼豎軸風(fēng)力機(jī)的平均風(fēng)能利用率為研究對象,建立考慮局部流場變化的風(fēng)力機(jī)力學(xué)模型,確定了風(fēng)力機(jī)性能指標(biāo)評定參數(shù);建立直翼豎軸風(fēng)力機(jī)的二維CFD模型,分析CFD建模及其參數(shù)設(shè)置對計算精度的影響,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比以驗(yàn)證CFD計算的準(zhǔn)確性;基于CFD仿真分析確定實(shí)驗(yàn)用翼型參數(shù),對風(fēng)力機(jī)的高徑比、弦徑比、葉片數(shù)和運(yùn)行尖速比等因素展開研究,研究風(fēng)輪參數(shù)與風(fēng)力機(jī)氣動性能的關(guān)系,完成風(fēng)輪的氣動構(gòu)型研究。針對風(fēng)輪支撐梁的結(jié)構(gòu)布局和氣動外形設(shè)計展開研究,分析支撐梁參數(shù)對風(fēng)力機(jī)氣動性能和結(jié)構(gòu)動力學(xué)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(xué)模型,分析不同支撐對葉片變形的影響,并通過流固耦合技術(shù)研究支撐梁布局與風(fēng)輪結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的關(guān)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(fēng)力機(jī)的動力剛化和動不平衡問題,建立了直翼豎軸風(fēng)力機(jī)考慮氣動力和轉(zhuǎn)速等因素的變形方程,為風(fēng)力機(jī)的變形分析和校正奠定理論基礎(chǔ),并提出了一種柔索預(yù)緊法來改善風(fēng)力機(jī)的變形情況。在完成直翼豎軸風(fēng)力機(jī)基本構(gòu)型研究的基礎(chǔ)上,針對葉片攻角、槳距角對葉片氣動參數(shù)和風(fēng)力機(jī)氣動性能的影響展開研究,為變槳控制研究奠定基礎(chǔ),同時提出風(fēng)力機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)�；陔娮钁�(yīng)力片實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)氣動載荷和結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)的動態(tài)監(jiān)測,通過靜態(tài)載荷實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)定,為實(shí)驗(yàn)研究做好前期基礎(chǔ);通過CFD分析研究葉片正弦俯仰運(yùn)動下的氣動載荷變化規(guī)律,并結(jié)合葉片流場探究動態(tài)失速的作用機(jī)理,提出葉片載荷與俯仰力矩的實(shí)驗(yàn)測量方法,并通過開展CFD和實(shí)驗(yàn)研究分析葉片槳距角對風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性的影響�；谥币碡Q軸風(fēng)力機(jī)的力學(xué)模型提出變槳規(guī)律,并進(jìn)行變槳規(guī)律的CFD仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。針對統(tǒng)一變槳規(guī)律,開展CFD研究以分析該規(guī)律對NACA0018翼型的適應(yīng)性,并進(jìn)行發(fā)電實(shí)驗(yàn);通過對比分析獨(dú)立變槳與定槳運(yùn)行模式下風(fēng)力機(jī)的氣動性能、力學(xué)參數(shù)和流場特性,對獨(dú)立變槳規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計,對比分析不同擬合方法對風(fēng)力機(jī)發(fā)電性能的影響,最終確定變槳規(guī)律數(shù)學(xué)模型,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該變槳規(guī)律的可行性,并分析風(fēng)力機(jī)在變槳控制下的結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TK83
【部分圖文】：

[18]。由于中國政府的政策支持以及中國本土風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)不斷壯大，中國超越五個風(fēng)電強(qiáng)國，裝機(jī)容量躍居世界首位。圖1.1為目前全球風(fēng)電十強(qiáng)國，中國無論在新增裝機(jī)容量還是總裝機(jī)容量都處于領(lǐng)先。(a) 新增裝機(jī)百分比 (b) 累計裝機(jī)容量百分比圖 1.1 全球風(fēng)電新增裝機(jī)和累計裝機(jī)前十名國家[18]Fig.1 Top ten countries of the new added and total installed capacity of global wind power目前全球風(fēng)電市場呈現(xiàn)以下特征：(1) 亞洲成為新興市場，中印持續(xù)增長。在良好政策的支持下，亞洲風(fēng)電市場強(qiáng)勁增長抵消了歐美地區(qū)的疲軟，中國風(fēng)電市場以占全球新增裝機(jī)容量一半的姿態(tài)領(lǐng)跑，印度也幾乎實(shí)現(xiàn)翻倍增長。(2) 歐盟風(fēng)電穩(wěn)步發(fā)展，海上風(fēng)電興起。盡管德國、西班牙和丹麥等傳統(tǒng)風(fēng)電強(qiáng)國的發(fā)展明顯減速，但是英國等歐洲國家開始實(shí)施海上風(fēng)電項(xiàng)目，歐盟國家風(fēng)電的累計裝機(jī)容量仍穩(wěn)步增長，并貢獻(xiàn)了 93%的海上風(fēng)電裝機(jī)容量。(3) 美國風(fēng)電市場大幅度下滑。美國受到生產(chǎn)稅抵減法案的影響，新增市場縮水近 50%。根據(jù)我國風(fēng)能發(fā)展規(guī)劃

直翼豎軸風(fēng)力機(jī)特征

[30]，深入開展直翼豎軸風(fēng)力機(jī)的研究對于風(fēng)電市場的長遠(yuǎn)發(fā)展具有重要意義，圖1.3為水平軸風(fēng)力機(jī)和豎軸風(fēng)力機(jī)的典型應(yīng)用。圖 1.3 水平軸風(fēng)力機(jī)和豎軸風(fēng)力機(jī)的典型應(yīng)用Fig.1.3 Typical application of horizontal and vertical axis wind turbines
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本文編號：2866669