升阻组合式垂直轴风轮的气动性能与结构研究

《升阻组合式垂直轴风轮的气动性能与结构研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、硕士学位论文升阻组合式垂直轴风轮的气动性能与结构研究RESEARCHONAERODYNAMICPERFORMANCEANDSTRUCTUREOFLIFT-DRAGHYBRIDVERTICALAXISWIND-WHEEL王景元哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TK83学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工程硕士学位论文升阻组合式垂直轴风轮的气动性能与结构研究（应用型）硕士研究生：王景元导师：曲建俊教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Class

2、ifiedIndex:TK83U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONAERODYNAMICPERFORMANCEANDSTRUCTUREOFLIFT-DRAGHYBRIDVERTICALAXISWIND-WHEEL(ApplicationType)Candidate：WangJingyuanSupervisor：Prof.QuJianjunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：Mec

3、hanicalEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要与水平轴风轮相比，垂直轴风轮具有无需对风偏航装置的天然优势；但目前却少有兆瓦级以上的大功率垂直轴风力机出现，主要原因在于：升力型风轮运行效率高但起动性能差、阻力型垂直轴风轮起动性能好但运行效率差、升阻组合式垂直风轮是改善起动性能

4、的解决方案但运行效率降低。为了更好的解决此问题，本文针对设计的不同方案的升阻组合式垂直轴风轮进行气动性能与结构研究。基于垂直轴风力机的运行特性，对垂直轴风轮的运行阶段进行了明确的划分，研究了其整个运行阶段的关键性问题；从理论角度分析了升力叶片与阻力叶片的运行特点及组合式垂直轴风轮的运行原理；推导出适用于升阻组合式垂直轴风轮的力矩系数与功率系数的计算公式，为后续章节的气动性能分析与结构设计提供理论指导。为了解决升力风轮与阻力风轮更好的匹配性问题，利用FLUENT流体仿真软件对单种叶片进行气动性能研究，确定了升力叶片的NACA0015翼型与阻

5、力叶片的半圆形翼型。为了得到一种起动性能佳且可以改善运行效率的风轮组合方案，利用FLUENT的“滑移网格技术”对阻力叶片相对升力叶片环向角度的不同分为四种组合方案进行数值模拟仿真，分别研究起动性能、运行效率、切出风速与极限载荷的四种气动性能关键问题，最后获得阻力叶片相对升力叶片的环向位置为45度的最佳组合方案。为了获得既满足强度、刚度又轻质的叶片，首先利用FLUENT仿真结果分析叶片的载荷类型与大小，确定了叶片的内部支撑结构；然后利用ACP铺层仿真软件对叶片铺层材料与铺层方案进行选择并对两叶片进行了铺层区域划分与厚度确定，得到了两叶片的重

6、量分别为14.2吨与0.98吨；最后利用ANSYS对设计的叶片进行了模态分析，确定了叶片的结构振动特性，升力叶片与阻力叶片的最小振动频率分别为0.22671Hz与6.6739Hz，均超过叶片旋转角速度对应的频率0.1404Hz，避免了叶片共振现象的发生。为了获得完整的风轮结构设计方案，确定风轮支撑臂与斜支臂、主轴与轮毂的结构参数并对压臂进行了稳定性分析；利用ANSYS对设计的风轮结构进行模态振型分析，风轮的一阶固有频率最小为0.52958Hz大于风轮运行对应的频率0.1404Hz，可以有效的避免了整个风轮的共振发生，确保了整个风轮运行的可

7、靠性与安全性。关键词：升阻组合式；垂直轴风轮；气动性能；叶片铺层；风轮结构-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractComparedwiththehorizontal-axiswindwheel,thevertical-axiswindwheelhasthenaturaladvantagethatnowindyawdeviceisneeded;however,therearefewhigh-powervertical-axiswindturbinesabovethemegawattlevel.Themainreasonsare:

8、lift-typewindturbineshavehighoperatingefficiencybutpoorstartability,resistance-typevertical-axis