新型自啟動(dòng)垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn).pdf

1、直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)作為最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式,不需要對(duì)風(fēng)調(diào)節(jié),并且能直接將風(fēng)能通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸傳遞到地面設(shè)備,因此廣泛的應(yīng)用于提水、加熱、提純、充電等,還可以作為小型發(fā)電站獨(dú)立使用。高效率的達(dá)里厄(Darrieus)風(fēng)力機(jī)因其不能自啟動(dòng)而無(wú)法應(yīng)用于以上各項(xiàng)目中。早期人們?cè)噲D用優(yōu)化葉片幾何參數(shù)的方式提高其自啟動(dòng)能力,包括:改進(jìn)風(fēng)力機(jī)實(shí)度、改進(jìn)葉片弧度和厚度、調(diào)節(jié)葉片槳距角和攻角;后來(lái)又提出了另外改進(jìn)風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)能力的方法如:帶弧形截面的葉片、傾斜葉片

2、、柔性帆、薩沃紐斯和達(dá)里厄型混合型風(fēng)力機(jī)、可調(diào)槳距角葉片。盡管這些方法在一定程度上能夠增加啟動(dòng)力矩,但是較低的峰值效率和正常工作的風(fēng)速范圍仍是需要解決的主要問(wèn)題。
　　本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng) NACA翼型改進(jìn)來(lái)提高垂直軸風(fēng)力機(jī)的自啟動(dòng)性能,提出了三種可以提高風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)性能的方案:組合翼型、可展開(kāi)式翼型和帶傾斜拖尾翼型。組合翼型的前30％弦長(zhǎng)段采用 NACA0018翼型,后70%弦長(zhǎng)采用 NACA0015翼型,通過(guò)這種組合方式來(lái)產(chǎn)生自啟動(dòng)

3、所需要的轉(zhuǎn)矩;對(duì)于可展開(kāi)式翼型方案,當(dāng)葉尖速比較低時(shí),將傳統(tǒng)的 NACA0018翼型展開(kāi),這時(shí)風(fēng)力機(jī)相當(dāng)于阻力型風(fēng)力機(jī),使用此時(shí)產(chǎn)生的阻力來(lái)使風(fēng)力機(jī)進(jìn)行自啟動(dòng),風(fēng)力機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn),達(dá)到較高葉尖速比后,閉合翼型葉片,風(fēng)力機(jī)相當(dāng)于升力型風(fēng)力機(jī),這時(shí)可進(jìn)行正常的風(fēng)力發(fā)電;帶傾斜拖尾翼型是將傳統(tǒng) NACA0018翼型分割成翼型主體和尾翼兩部分,尾翼長(zhǎng)度為整個(gè)翼型長(zhǎng)度的30%,安裝在翼型主體尾部,并且可繞翼型主體尾部旋轉(zhuǎn),風(fēng)力機(jī)靜止時(shí),尾翼與翼型主體

4、成一定角度,這樣風(fēng)力機(jī)可以產(chǎn)生較高的升力來(lái)實(shí)現(xiàn)低葉尖速比時(shí)實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng),風(fēng)力機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)后,通過(guò)彈簧和離心力的作用實(shí)現(xiàn)較在高葉尖速比時(shí)使葉片尾部可以回到正常位置。采用計(jì)算流體力學(xué)商業(yè)軟件 Fluent來(lái)模擬計(jì)算上述三種方法的自啟動(dòng)能力和工作效率,仿真結(jié)果表明在上述三種方法之中,帶傾斜拖尾翼型方法表現(xiàn)出了較好的自啟動(dòng)性能,同時(shí)風(fēng)能利用率可達(dá)到33%。因此本文根據(jù)帶傾斜拖尾翼型方案來(lái)進(jìn)行樣機(jī)的研制。
　　本文分析了風(fēng)力機(jī)原型的工作原理并建

5、立了數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)參數(shù)并初步仿真,根據(jù)初步仿真結(jié)果以及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求,設(shè)計(jì)了自啟動(dòng)垂直軸風(fēng)力機(jī)的原型樣機(jī)。根據(jù)風(fēng)力機(jī)樣機(jī)的特點(diǎn),開(kāi)發(fā)了在實(shí)驗(yàn)室中加工葉片的方法,以方便地、經(jīng)濟(jì)地制造加工風(fēng)機(jī)葉片和傾斜拖尾翼;并應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)并制造了用于加工葉片的模具,同時(shí)使用激光跟蹤儀和空間分析軟件檢查風(fēng)機(jī)葉片和傾斜拖尾翼的加工質(zhì)量,以玻璃纖維為原材料自主制造了風(fēng)機(jī)葉片和傾斜拖尾翼,完成試驗(yàn)樣機(jī)整機(jī)的研制。
　　本文設(shè)計(jì)并進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),為了方便

6、測(cè)試,風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)成與發(fā)電機(jī)軸直接相連的形式,同時(shí)使用電爐絲作為載荷來(lái)評(píng)估風(fēng)力機(jī)在不同角速度下的性能。風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果表明:在較高的風(fēng)速下改進(jìn)的翼型和傳統(tǒng)的翼型一樣都能啟動(dòng)風(fēng)力機(jī),拖尾傾斜角超過(guò)一定值時(shí),隨著拖尾傾斜角的增加,風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速也將增加,同時(shí)改進(jìn)的翼型也降低了旋轉(zhuǎn)速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:改變可傾斜尾翼的角度增加了風(fēng)機(jī)啟動(dòng)所需的風(fēng)速值,可傾斜尾翼的角度為30°時(shí),風(fēng)機(jī)甚至不能啟動(dòng),而風(fēng)力機(jī)在啟動(dòng)之后其轉(zhuǎn)速在負(fù)載作用下的變動(dòng)范圍也