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垂直轴风力机变桨距控制参数优化选择的研究

作　者: 郑树育
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: 垂直轴风力机 计算流体力学 攻角 桨距角 风能利用率
分类号: TK83
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 112次
引　用: 1次
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内容摘要


随着人类社会环境问题和能源问题的日益严峻,风能等可再生能源开始被人类大规模开发。风力发电是风能最主要的一种利用形式,风力发电机按主轴与地面的相对位置分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两类。目前水平轴风力机研究应用最为广泛,其理论已经比较成熟。近几十年来,垂直轴风力机的研究和应用开始受到世人的关注,但风能利用率低的缺点始终制约着它的发展。本文就是以升力型垂直轴风力机为研究对象,以提高其风能利用率为目的而进行研究。为提高升力型垂直轴风力机的风能利用率,本文将变桨距技术应用于升力型垂直轴风力机中,对风力机不同方位角下的桨距角进行优化选择,得到变桨距角曲线,通过改变桨距角的大小,使叶片在不同的位置获得合适的攻角,进而获得较大的转动力矩,从而改善其气动性能,达到提高垂直轴风力机的风能利用系数的目的。论文首先介绍了风力机设计的基本理论,然后详细分析了垂直轴风力机变桨距原理;接着利用计算流体力学软件Fluent,对垂直轴风力机叶片进行了气动性能仿真,分析了攻角对风力机叶片气动性能的影响规律;对不同桨距角下的定桨距垂直轴风力机进行了气动性能仿真,得到了定桨距垂直轴风力机单叶片扭矩曲线和风能利用率—叶尖速比曲线(Cpλ曲线);通过分析垂直轴风力机单叶片扭矩的变化规律,确定了桨距角的优化选择原则,得到了不同叶尖速比下的变桨距角曲线。最后利用Fluent对变桨距垂直轴风力机进行气动性能仿真,得到其最大风能利用率为0.495,与定桨距垂直轴风力机相比提升率达32.4%。为了与仿真结果进行对比验证,论文设计、研制了垂直轴风力机实验样机,同时进行了叶片气动性能实验,得到的实验结果与仿真结果基本一致。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-15
  1.1 研究的目的和意义  8
  1.2 垂直轴风力机的研究进展  8-11
  1.3 垂直轴风力机的优点及存在的问题  11-12
    1.3.1 垂直轴风力机的优点  11
    1.3.2 垂直轴风力机存在的问题  11-12
  1.4 垂直轴风力机变桨距控制技术的研究现状  12-13
  1.5 本文的主要研究内容  13-15
第2章 垂直轴风力机变桨距控制的原理  15-24
  2.1 风力机设计的基本理论  15-20
    2.1.1 翼型的空气动力特性  15-16
    2.1.2 贝茨理论  16-17
    2.1.3 风机性能评价参数  17-20
  2.2 垂直轴风力机变桨距原理分析  20-23
    2.2.1 垂直轴风力机的工作原理分析  20-22
    2.2.2 叶片攻角变化分析  22
    2.2.3 垂直轴风力机变桨距原理分析  22-23
  2.3 本章小结  23-24
第3章 垂直轴风力机叶片气动性能的仿真研究  24-29
  3.1 数值计算平台的选择  24-25
  3.2 仿真模型的建立  25-27
    3.2.1 模型网格划分  25
    3.2.2 计算条件设定  25-26
    3.2.3 计算结果处理  26-27
  3.3 攻角对叶片气动性能影响规律的研究  27-28
  3.4 本章小结  28-29
第4章 垂直轴风力机桨距角优化选择的研究  29-42
  4.1 仿真模型的建立  29-34
    4.1.1 模型简化及网格划分  29-31
    4.1.2 计算条件设定  31-32
    4.1.3 瞬态模型建立  32-33
    4.1.4 计算结果处理  33-34
  4.2 桨距角对垂直轴风力机气动性能影响规律的研究  34-38
    4.2.1 桨距角对垂直轴风力机风能利用率影响规律的研究  34-35
    4.2.2 桨距角对垂直轴风力机单叶片扭矩影响规律的研究  35-38
  4.3 变桨距角的优化选择模型  38-39
  4.4 变桨距风力机气动性能的比较分析  39-41
  4.5 本章小结  41-42
第5章 风力机实验样机设计及叶片气动性能实验  42-47
  5.1 垂直轴风力机实验样机的设计与制造  42-43
  5.2 垂直轴风力机叶片气动性能实验研究  43-45
  5.3 垂直轴风力机风洞实验方案设计  45-46
  5.4 本章小结  46-47
结论  47-48
参考文献  48-51
附录  51-54
致谢  54

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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 风能、风力机械 > 风力机械和设备
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