大功率直叶片垂直轴风力机气动特性与风轮构型-研究

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1、摘要摘要垂直轴风力机是风力机市场的一种重要机型，然而，由于其发展较晚，长期研究投入不足，因而目前技术仍不完善，其应用主要集中在中小机型上。研究表明，垂直轴风力机的风能利用率与水平轴风力机基本相同，并且具有无需偏航装置，叶片造型简单，疲劳载荷小等诸多优点，因而适宜向大功率机型发展。尽管国内外对大功率垂直轴风力机进行了许多有益的探索与试验，但兆瓦级直叶片垂直轴风力机仍处于起步阶段，其理论尚需进一步完善。据此，本文在建立数学模型与改进数值计算方法的基础上，对风力机关键部件风轮进行气动分析和结构分析，从而

2、为兆瓦级大功率直叶片垂直轴风力机设计提供指导。基于曲线翼垂直轴风力机的双致动盘多流管理论，本文推导了适用于直叶片垂直轴风力机的理论模型，利用该模型，通过拟合高雷诺数下叶片翼型升阻系数离散点，进而求解功率系数的办法，分析了尖速比、转子半径、实度等对大功率风力机气动规律的影响；由于大功率风力机在实际运转中会遇到风切变，因此，本文进一步改进理论模型，分析了风切变对风力机功率输出的影响。针对理论模型无法深入分析风轮实度以及叶片各安装参数的不足，本文进而采用二维CFD方法对风力机进行分析。分析之前，针对CF

3、D方法计算耗时大的特点，本文首先研究了CFD方法的精度与效率平衡问题，重点分析了湍流模型、网格数目以及时间步长对计算结果的影响，提出了改进计算效率的网格划分方法和时间步长设置方法；针对文献中实验样机，分别采用理论模型与CFD方法计算功率系数，并与实验数据对比，分析了两种方法的可行性以及应用限制条件。大功率风力机应选用低实度风轮。本文应用CFD仿真方法，从功率系数、力矩系数、涡量等多个方面分析了低实度风轮在实度保持不变情况下的气动特性，重点研究了不同叶片数目和弦长的配比对风轮气动输出、启动力矩以及最

4、大横向力的影响，其研究表明风轮可以在不增加实度的情况下减小力矩波动，从而有效减少风轮自重；分析了叶片翼型、安装角对风轮气动特性的影响情况，并依据分析结果选定了风轮的各参数。针对风力机主轴在疲劳载荷下寿命低的问题，为减小风轮扭矩波动和最大横向力，本文研究了风轮层数布置方案和旋转臂支撑方案；在分析选定风轮结构参数和布置方案的基础上，设计并校核了叶片主梁、支撑臂以及支撑轴等风轮主要结构；为避免风轮在额定转速下发生共振，对单层风轮进行了模态分析。关键词：垂直轴风力机；直叶片；大功率；理论模型；CFDIAb

5、stractAbstractTheverticalaxiswindturbine(VAWT)isanimportantproducttypeofwindturbinemarket,however,becauseoflongterminsufficiencyininvestmentandresearchafteritsappearance,sotherelevanttechnologyisnotmatureanditsapplicationisalmostconcentratedonsmalland

6、medium-sizedproducts.Studiesshowthattheverticalaxiswindturbinehassimilarabilityofutilizingwindenergytohorizontalaxiswindturbine,anditalsohasotheradvantageslikenoyawmechanism,simplebladestructureaswellaslowfatigueloadandsoon,thereforeitisrecommendedtod

7、eveloplarge-scaleproducts.Althoughmanycountriesaroundtheworldhaveexploredandinvestigatedlarge-scaleVAWT,multi-megawattstraight-bladeverticalaxiswindturbinesaresofarindesign,whosetheoryisstillneededtobeenhanced.Basedonanalysisabove,thispaperwillfirstly

8、establishsuitablemathematicalmodelforVAWTandimprovethemethodofCFDsimulation,thentheaerodynamicandstructuralanalysisfortherotorofwindturbinewillberesearchedwithbothmathematicalmodelandCFDsimulation.Theresultscanguidethefurtherdesignoflarge-scal