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水平轴马格努斯风力机叶片的气动性能研究

作　者: 吴金明
导　师: 姚英学
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 马格努斯 升阻比 气动性能 组合叶片
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 21次
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内容摘要


风能是一种非常有潜力的清洁的可再生能源，对其利用的规模也越来越大。水平轴翼型叶片风力机是最常用的风能转换设备，其风能利用率高，但翼型叶片形状复杂，加工成本高。因此一种基于马格努斯效应的马格努斯风力机得以受到人们的关注，该类型风机的圆柱叶片形状简单，加工成本低，而且具有更大的升力系数，可以通过减小叶片弦长减轻风力机的重力载荷，但由于其升阻比低导致风力机的风能利用率低。为了提高马格努斯风力机的风能利用率，本文研究了改进圆柱叶片气动性能的方法并提出了一种组合叶片，能够有效提高马格努斯风力机叶片的升阻比，提高马格努斯风力机的风能利用率。本文首先研究了旋转运动减小绕流圆柱阻力的原因，在此基础上探讨了减小绕流旋转圆柱阻力的方法；分析了翼型头和尾翼对叶片气动性能的影响，确定了组合叶片的结构方案；制定了尾翼的具体尺寸对组合叶片气动性能影响的正交试验方案，最终确定了尾翼的最优尺寸。根据得到的最优组合叶片形状，利用Fluent软件详细计算了周速比、雷诺数、风速、直径和攻角的变化对组合叶片气动性能的影响，得到了适合组合叶片截面的风力机叶片的设计方法。为了验证仿真结果的真实性，设计了组合叶片机械结构并进行了风洞实验，实验结果表明仿真结果与实验结果具有相同的变化趋势。综上所述，本文基于马格努斯效应提出了一种组合叶片，并通过仿真和实验分析了其气动性能。结果表明，组合叶片能够保持形状简单和高升力系数等优势，同时具有较高的升阻比，能够较大程度地提高马格努斯风力机的风能利用率，因此本论文的研究具有十分重要的理论价值和实际应用价值。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-18
  1.1 研究目的和意义  8
  1.2 水平轴翼型叶片风力机的发展现状  8-11
  1.3 风力机叶片翼型的研究现状  11-15
    1.3.1 NACA 风力机翼型  11
    1.3.2 风力机专用翼型  11-15
  1.4 水平轴马格努斯风力机的研究现状  15-17
  1.5 本文的主要研究内容  17-18
第2章 风力机叶片的基本理论及仿真环境的建立  18-28
  2.1 翼型叶片的空气动力特性  18-20
  2.2 马格努斯圆柱叶片的空气动力特性  20-22
  2.3 圆柱叶片与翼型叶片的气动性能比较  22-24
    2.3.1 圆柱叶片与翼型叶片的气动性能随攻角的变化  22
    2.3.2 圆柱叶片和翼型叶片的气动性能随雷诺数的变化  22-23
    2.3.3 圆柱叶片的气动性能随周速比的变化  23-24
    2.3.4 圆柱叶片的气动性能随表面线速度和风速的变化  24
  2.4 仿真环境的建立  24-27
  2.5 本章小结  27-28
第3章 马格努斯风力机叶片气动性能的改进方法研究  28-40
  3.1 绕流圆柱的阻力分析  28-30
    3.1.1 绕流圆柱的流场分析  28
    3.1.2 绕流旋转圆柱阻力降低的机理研究  28-30
  3.2 翼型头对旋转圆柱流场影响的研究  30-31
  3.3 尾翼对旋转圆柱流场的影响研究  31-35
    3.3.1 覆盖尾涡对流场影响的研究  31-32
    3.3.2 阻断尾翼下侧漩涡对流场影响的研究  32-33
    3.3.3 圆柱下侧漩涡的尺寸对流场影响的研究  33-34
    3.3.4 改变尾翼上切入点角度对流场影响的研究  34
    3.3.5 改变尾翼上侧直线斜率对流场影响的研究  34
    3.3.6 改变尾翼下侧直线斜率对流场影响的研究  34-35
  3.4 翼型头和尾翼对流场综合影响的研究  35-36
  3.5 间隙对流场影响的研究  36
  3.6 马格努斯组合叶片几何参数的优化  36-39
  3.7 本章小结  39-40
第4章 马格努斯组合叶片气动性能的影响因素研究  40-49
  4.1 周速比对组合叶片气动性能影响的研究  40-42
  4.2 雷诺数对组合叶片气动性能影响的研究  42-43
  4.3 风速对组合叶片气动性能影响的研究  43-44
  4.4 圆柱直径对组合叶片气动性能影响的研究  44-46
  4.5 攻角对组合叶片气动性能影响的研究  46-48
  4.6 本章小结  48-49
第5章 马格努斯组合叶片气动性能的实验研究  49-62
  5.1 实验装置的设计  49-55
    5.1.1 组合叶片的结构设计  49-50
    5.1.2 测力仪  50
    5.1.3 实验装置的强度校核  50-54
    5.1.4 圆筒的动平衡试验  54-55
  5.2 实验系统的组成  55-57
  5.3 实验数据分析  57-61
    5.3.1 仿真结果与实验结果的对比  57-60
    5.3.2 实验结果误差分析  60-61
  5.4 本章小结  61-62
结论  62-63
参考文献  63-66
攻读硕士期间发表的论文及其他成果  66-68
致谢  68

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 发电机、大型发电机组（总论） > 风力发电机
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