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垂直轴风力机气动特性及变桨规律研究

张松  
【摘要】:风能作为新能源中产业化程度最高的一类能源,在新能源战略产业发展中占有着举足轻重的地位。垂直轴风力机虽凭借竖轴、无需对风、直叶片等特点受到青睐,但无法自启动与低效率问题大大限制了工程应用。作为有效解决方案之一的变桨式垂直轴风力机,其研究目前主要存在如下问题:叶片动态气动性能的相关实验数据获取十分困难;现有理论研究对叶片动态气动性能的认识尚未明确;基于实验的有效变桨规律尚未形成系统,变桨规律有效机制尚不明确;面向工程应用的变桨规律研究还尚未被涉及。本课题在黑龙江省自然科学基金项目“垂直轴风力发电机的变桨控制规律研究”(E201216)与中央高校基本科研业务费资助项目“竖轴风力发电机机电一体化设计及最优变桨距控制技术”(HEUCFZ1118)的资助下,主要采用实验方法针对以上问题进行研究。在分析垂直轴风力机运行机理的基础上,提出垂直轴风力机实验研究对气动实验平台的设计要求。对风力机运行环境——大气边界层底层的典型风特性进行研究,确定风洞设计指标,研制翼型实验风洞、风力机实验风洞以及相应的风场测量装置。提出翼型静态气动性能测量方案并研制翼型静态气动性能实验台。针对变桨式垂直轴风力机实验研究,提出一种风力机动态气动驱动力矩测量方案,设计两种角加速度测量方案以及相应的数据处理方法,并研制变桨式垂直轴风力机实验样机。进行系统的单叶定桨实验,测量定桨叶片在不同尖速比、不同桨距角下的动态驱动力矩。根据叶片动态驱动力矩实验数据,进行叶片受力机理研究,从动态临界失速角、驱动力矩峰值发生位置、最大驱动力矩峰值发生位置等角度分析叶片动态受力特性。根据叶片动态受力特性,修正现有动态失速模型对翼型动态失速角的取值方法。提出一种局部的随动流管假设,在双盘面单流管模型基础上结合修正后的动态失速模型,建立一种双盘面随动流管模型。采用现有垂直轴风力机的实验数据对模型计算准确性进行验证。基于叶素理论计算理论变桨规律,研究理论变桨规律与翼型静态气动特性的关系,针对理论变桨规律的突变现象研究变桨规律修正方法。根据单叶定桨实验数据,进行变桨规律拟合研究。结合拟合变桨规律与叶片动态受力特性,提炼变桨规律设计原则。提出三种桨距角过渡方案,建立三种变桨规律数学模型。进行单叶变桨实验,验证变桨规律数学模型的有效性。进行面向工程应用的变桨规律研究。实验研究叶片翼型与弦径比对叶片动态气动特性的影响。分别针对某非对称翼型与弦径比设计变桨规律,实验研究变桨规律数学模型对其他翼型、其他弦径比的适用性,并分析非翼型与弦径比对变桨叶片气动性能的影响。实验研究变桨误差对变桨叶片气动性能的影响,包括尖速比误差与方位角误差的影响,给出尖速比许可误差范围与方位角许可误差范围,为变桨误差抑制方案提供设计指标。进行变桨式垂直轴风力机实验研究。进行定桨风力机与变桨风力机的对比实验,研究变桨规律数学模型对变桨式垂直轴风力机的有效性。进行不同叶片数、不同弦径比、不同翼型下的变桨风力机性能实验,研究叶片数、弦径比与翼型对变桨式垂直轴风力机性能的影响。


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