多叶片阻力型垂直轴风力机的特性及优化设计

发布时间：2020-09-16 20:48

　　社会的发展伴随着大量能源的消耗,现有的能源结构越来越无法满足人们对于能源日益增长的需要。能源问题已逐渐成为制约着社会发展的重要因素。风能利用是新能源开发利用的主要选项之一,风力机的开发和研究已受到十分广泛的关注。本文利用CFD,利用计算流体力学软件FLUENT,计算模拟了垂直轴阻力型风力机的动力特性。在整个模拟计算中,使用到了滑动网格技术和PISO算法等。本文的主要研究内容如下:1)根据垂直轴五叶片阻力型风力机的工作方式及其与流体相互作用的特点,选取了合适的计算模拟数值方法。通过分析计算模拟结果,研究了风速和风机转速对计算区域尺寸的要求;2)通过模拟计算获得不同风速下阻力型垂直轴五叶片风力机的力矩、风力机功率、能量利用率与计算区域之间的依赖关系;并研究风速、转速对风力机功率、能量利用率的影响;3)对比分析了采用全面计算、正交试验法、均匀法,对四叶片、五叶片及六叶片垂直轴风力机进行优化所得参数和风轮性能之间的相互关系。
【学位单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TK83
【部分图文】：

装机容量,全球,风电

机进行结构上的优化；针对前期全面计算中计算量大、计算结果精确度不高的缺点，逡逑引入均匀试验法和正交试验法，通过对模拟值求回归方程，并获得精确度相对而言更逡逑高的解析解，与此同时，引入均匀试验法和正交试验法也简化了计算过程。逡逑１．２我国风能利用现状逡逑２００５年起，我国的风电总累计装机量实现了连续五年翻番的历史壮举。逡逑２00９年，我国以２．５８ｘｌ0８Ｗ的总累计装机容量超越德国，排名升至全球第二，逡逑与排名第一的美国仍有近ｌｘｌ0８Ｗ的差距。逡逑２０１０年，我国风电行业保持了其一直以来的迅速发展态势，总累计装机容量比逡逑０９年增加约６２邋％。逡逑到２０１１年初为止，我国全年风力发电新增装机高达１．６ｘｌ0８Ｗ，累计装机容量高逡逑达４．邋１８２７ｘｌ0８Ｗ，第一次超越美国，全球排名升至第一位，至此我国成为世界风电逡逑装机容量最多的国家以及风电设备制造的大国。逡逑Ｔｏｔａｌ邋ｉｎｓｔａｌｌｅｄ邋Ｃａａｃｉｔ２０１３ＭＷ

水平轴风力机

￣２０１３年，国家能源局采取了诸多措施以推动中国风能产业健康、持续的发展。逡逑如图１．１所示，０３年一年，中国的风电新增并网容量以及累计并网容量分别为逡逑１．４４９ｘｌ0８Ｗ和７．７１６ｘｌ0８Ｗ，与往年同比增长了约２３％，年发电量达到１．３４９ｘｌ0１５Ｗ，逡逑与往年同比增长了约３４邋％。逡逑中国在风力发电设备业设计制造等领域也取得了突出的进展。目前，中国已有在逡逑全国二十余个省、自治区、直辖市内的设置了电力公司的相关机构。全国范围内共组逡逑建九十一处风力发电场，其中建设规模在一万千瓦以上的风电场约有十八处［８］。逡逑１．３风力机的类型逡逑风力发电机又称风车，是将风能转变成机械能、热能以及电能的一种用于能量转逡逑换的设备。将风力发电机据风轮转轴与风向的位置关系分为垂直轴、水平轴风力逡逑机两类ｍｉ。逡逑１．３．１水平轴风力机逡逑风力机的叶轮旋转轴与地表面相互平行，那么称该形式的风力发电机为水平轴风逡逑力机（ＨＡＷＴ）。多种样式的水平轴风力机如下图１．２所示ｔ１２Ｉ邋：逡逑１邋１人栜馨邋＾逡逑ａ）单叶邋ｂ）双叶式ｃ）三叶式邋ｄ）多叶式邋ｅ）邋＆行车车轮式逦ｆ）风帆式逡逑＜＝＞逡逑」？」＜！■式逦ｈ＞下风式逦ｉ＞邋筚扩eW逦分集风式逡逑图１．２水平轴风力机逡逑叶片数为１２－２４片的风力机称为低速风力机，由于其具有启动力矩大，启动风速逡逑较低的特征而适用于提水灌溉，它在风速低时能获得较大的转矩以及较高的风能利用逡逑率；叶片数为２－５片的风力机为高速风力机

风机,风力机

逦升力型与Ｓ型台并型逦捷其智逦三角升力型逡逑图１．３垂直轴风力机逡逑根据工作原理可以进一步将垂直轴风机细分为两类：垂直轴阻力型风力机、垂直逡逑轴升力型风力机，其代表机型分别为：Ｓａｖｏｎｉｕｓ型风力机和Ｄａｒｒｉｅｕｓ型风力机。接下逡逑来，对两种典型的风机简单说明一下。逡逑Ｓａｖｏｎｉｕｓ型风力机，如图１．４所示。该风力机在结构上是由２个半圆柱形叶片组逡逑合而成，２个半圆柱形叶片的轴线相互错开该风力机具有无需安设调向装置、逡逑启动性能优良、结构较精简、造价低廉、后期维护容易等优势。但由于其工作速比范逡逑围小，且在风机叶片的旋转中，在部分攻角区段可能会出现反转的现象。经实验表明，逡逑其能量利用率通常难以达到２０邋％，故Ｓａｖｏｎｉｕｓ型风力机常用于小型垂直轴风电机组。逡逑／｜，逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１．４萨渥纽斯型风机逡逑Ｄａｒｒｉｅｕｓ型风力机。１９２５年

【参考文献】