定常吸气对垂直轴风力机性能影响研究

定常吸气装置可有效提高垂直轴风力机气动性能,改善风轮流场结构及翼型动态失速特性。基于CFD方法对垂直轴风力机进行数值模拟,研究不同叶尖速比（TSR）下定常吸气对风力机气动及流场特性的影响,对比分析原始风力机及定常吸气作用下的风能利用率、整机转矩系数及涡量分布。结果表明：不同尖速比下定常吸气均可显著提高风力机气动性能,减小风轮载荷波动,降低最佳叶尖速比,提高风力机运行稳定性;叶尖速比为2.51时,风能利用系数增加34.69%;定常吸气削弱了风轮叶片间尾涡脱落的影响,抑制叶片前缘涡的形成,减缓了叶片的动态失速现象,对风轮流场有良好的改善效果。     

全向导叶作用下叶片实度对垂直轴风力机气动特性的影响

为研究全向导叶作用下不同实度对垂直轴风力机气动性能的影响,通过改变叶片数及弦长调整实度并分析其对全向导叶垂直轴风力机气动性能的作用。结果表明：全向导叶使垂直轴风力机周围流体提速效果显著,最大风能利用率和力矩系数较原始垂直轴风力机分别提高41.6%和25%;随实度增大时,全向导叶垂直轴风力机最佳尖速比降低;改变弦长时,风能利用率峰值随弦长增大呈现先增后减的趋势,且在小尖速比工况下,高实度全向导叶垂直轴风力机力矩系数较高,最大可达0.192;改变叶片数时,风能利用率峰值随叶片数增多而降低,且大尖速比下的低实度全向导叶垂直轴风力机力矩系数较大,但不同实度的全向导叶垂直轴风力机最大力矩系数相差较小。     

基于不同叶片安装角的小型垂直轴风轮气动性能分析

针对不同安装角下的小型垂直轴风轮模型,建立风轮外流场CFD模型,采用移动网格技术,选用SST二维湍流模型和基于压力隐式耦合算法进行瞬态计算,获得风轮气动性能曲线,进而分析不同叶片安装角对小型H型垂直轴风力机风轮功率特性的影响,得出不同尖速比下使风轮获得最大风能利用率的最佳安装角。     

挡流板对垂直轴风力发电机性能影响规律研究

合理开发利用风能是缓解当前化石能源危机的一个重要途径,为了提高风机的风能利用率,并为垂直轴风力机优化设计提供方法,提出了一种针对垂直轴风力发电机气动性能提升的结构改进方案,即将2台H型垂直轴风力发电机设置为反向旋转,并在上游区域设置一块挡流板。通过研究挡流板的设置参数对2台垂直轴风力发电机获取能量的影响,发现能量获取受到挡流板宽度影响最大,并且其风能利用效率随挡流板宽度增加呈现出先增后减的趋势,而随着两台垂直轴风力发电机轴之间的距离与风轮直径比l/d增加,风机可获得的最大风能利用率逐渐下降。选择合适导流板参数下的最大风能利用率为0.45,与没有挡流板时相比提升了36%。     

自适应垂直轴风力机翅叶夹角优化的数值模拟

在传统的Savonius型风力机的基础上,提出了一种具有自适应功能的柔性叶片垂直轴风力机,该风力机在达到一定风速时,会通过减小叶片的迎风面积减小受力,当风速降低时,又可以增大叶片迎风面积,获取更多风能,同时该风力机具有阻力型风力机的优点——启动力矩大,在低风速下便可启动。文章对该风力机进行简化,运用计算流体动力学对风力机进行三维数值计算,分析不同翅叶夹角在不同尖速比下风力机的转矩特性,从而得到最佳夹角,并分别对不同夹角工况下的压力场进行分析。结果表明,在翅叶夹角为15°时,风轮的转矩特性最好。     

大型垂直轴风力机的塔影效应分析

塔影效应对大型垂直轴风力机的流场有显著影响,研究大型垂直轴风力机的塔影效应具有重要应用价值。采用雷诺时均(RANS)方法,在剪切流大气环境下,计算分析5 MW大型垂直轴风力机的功率、转矩、切向力、法向力和表面压力,揭示了塔筒对大型垂直轴风力机的塔影效应。计算结果显示:塔影效应会明显降低垂直轴风力机的平均功率系数,在270～280°相位角附近显著降低叶片前缘的负压强度和负压范围;随着塔筒直径的减小,叶片前缘的负压强度和负压区范围增大,转矩系数的波动幅度减小,单叶片转矩系数增大,叶片空气动力性能改善,发电效率提高。相关结论对大型垂直轴风力机的设计具有一定参考价值。     

直径比对组合型垂直轴风力机气动特性影响仿真计算

与Savonius风轮组合使用是解决直线翼垂直轴风力机启动性不佳的主要手段。Savonius风轮与直线翼垂直轴风力机直径的比值(简称直径比),是影响组合型垂直轴风力机性能的重要因素。为了研究直径比对组合型垂直轴风力机气动特性的影响,对直径比分别为0.25,0.33,0.5的组合型风力机以及直线翼垂直轴风力机进行仿真计算。计算基于二维定常不可压缩流体的方程,采用标准模型,计算风速为12 m/s。计算包括直线翼垂直轴风力机及3种直径比的组合型风力机的动态输出力矩,同时,对动态输出力矩最优的组合型风力机与直线翼垂直轴风力机的静态启动力矩进行计算与分析。结果表明,组合型垂直轴风力机的最佳直径比为0.5,此时组合型风力机的最大风能利用系数相对于直线翼垂直轴风力机提高了7.1%,平均启动力矩提高了约2倍。     

不同小翼对H型垂直轴风力机叶片压力分布的影响

以翼型为NACA0012的单叶片H型垂直轴风力机为研究对象,采用数值模拟的研究方法,分析叶片两端未安装小翼和安装3种不同叶尖小翼对H型垂直轴风力机叶片表面压力分布和叶尖涡的影响。结果表明:安装小翼均可提高H型垂直轴风力机的最大转矩系数,其中安装Winglet可提高H型垂直轴风力机起动力矩;增加叶尖小翼均对消除叶尖涡有利;H型垂直轴风力机叶片两端安装Winglet小翼较其他两种小翼效果好。     

带有挡流板的垂直轴风力发电机性能优化研究

为提高风力机的风能利用系数,并为垂直轴风力机优化设计提供方法,提出一种针对垂直轴风力发电机气动性能提升的结构改进方案,即在2台转向相反的H型垂直轴风力发电机的上游区域放置一块挡流板,研究挡流板各参数对2台垂直轴风力发电机能量获取的影响,结果表明:挡流板宽度对风能的获取影响最敏感,而挡流板到两台风力机轴之间的距离以及大于风轮高度的挡流板高度对垂直轴风力发电机风能的获取始终为正面影响,选择合适导流板参数下的最大风能利用系数为0.45,与无挡流板时相比提升了36%。     

垂直轴螺旋型风轮-光伏电池互补发电装置

提出一种新型的垂直轴式阻力差螺旋型风轮一光伏电池互补智能化控制发电照明系统。风力机由相互缠绕的两螺旋面叶片构成。通过优化螺旋面的曲率、螺距、风轮高度等几何参数,优化设计风速下风力机的叶尖速比值,提高了风能利用率;通过智能化控制不同风速下的风一光互补性能,提高了灯具的整体节能水平与智能化控制效果,延长了蓄电池的使用寿命。该垂直轴螺旋型风轮一光伏电池互补发电技术可向偏远村落、海岛渔民供电等应用领域拓展。     

可变叶片安装角立轴风力机的转动力矩计算

为提高市轴风力机的效率,对可变叶片安装角的立轴风力机进行了分析,根据机翼升力与阻力的理论,在固定来流风速和旋转速度下计算了叶片在每个方位角上产生力矩最大的最佳安装角的变化规律,为了更好的运行,对最佳安装角的变化规律进行了一定修改.计算比较了固定安装角度的叶片与可变安装角度的叶片旋转一周产生的力矩,结果表明叶片在最佳安装角下运行时,每一转的正力矩都有明显增大,平均力矩町提高14倍.多个叶片在最佳安装角下运行时的力矩变化较平稳.可变叶片安装角立轴风力机是一种有发展前途的动力设备.     

叶片转角对小型Savonius风机气动性能的影响

Savonius风机是一种典型的垂直轴风力发电机,通过对其进行流固耦合分析,研究叶片转角对风机气动性能的影响。利用ANSYS的CFX流体模块,流体湍流模型选择基于RANS的标准k-ε湍流模型,对风轮进行流固耦合分析,从而获得叶片产生的力矩情况,并计算了风机的功率特性。利用求解结果,得到了力矩系数与叶片转角之间的关系。分析了风机叶片在旋转一周中所产生的最大扭矩以及负扭矩所处的位置和范围。通过分析转角对风机性能的影响,可为今后的Savonius风机叶片形状优化和效率提升提供参考。     

摇摆式垂直轴风力机气动特性数值模拟

针对垂直轴风力机无需对风,湍流风风向不断变化的情况,提出转轮轴向力随风向摇摆的垂直轴风力机,利用摇摆产生的切向风和来流风共同作用下的风能,提高气动性能。采用RNG k-ε湍流模型对三叶片摇摆式风力机进行模拟,研究风向变化的周期、幅角以及摇摆迟滞时间对固定式和摇摆式垂直轴风力机力矩系数的影响规律。结果表明：与固定式垂直轴风力机相比,该摇摆式垂直轴风力机能有效改善部分方位角的力矩系数,增大风力机的输出功率。     

Effect of blade number on performance of drag type vertical axis wind turbine

The effect of blade number on performance of drag type vertical axis wind turbine (VAWT) is studied by Ansys numerical simulation, it involves 3-blade, 5-blade and 6-blade VAWTs. The optimized width of blade for each VAWT at maximum power efficiency is obtained, and simulation for the wind turbine with different number of blade is conducted for the VAWTs with turbine radius of 2 m at the inlet wind speed 8 m/s. By simulations, it gets the evolution curve of torque with respect to time, and the cyclical characteristics for these wind turbines. The results show that the maximum power efficiency and the stability of the wind turbine increase with the number of blade of the wind turbine, however the optimal d/D decreases with the number of blade of the wind turbine. The maximum power efficiencies are 20.44, 24.30 and 26.82% for 3-blade, 5-blade and 6-blade wind turbines, and the correspondingly optimal d/D are 0.66, 0.40 and 0.35, respectively. While the optimal rotational rate of turbine decreases with blade number.     

兆瓦级H型垂直轴风力发电机气动设计方案的数值模拟研究

为解决兆瓦级H型垂直轴风力发电机气动设计过程中实验和数值模拟方面耗费巨大的问题,基于升力线模拟方法完成了兆瓦级H型垂直轴风力发电机的气动设计,并利用该方法研究不同垂直轴风力机翼型设计方案对整机气动性能的影响,研究结果表明:基元翼型选用NACA0015和NACA0018对称翼型能够获得更高的风能利用率;整机叶片造型方案中,前掠翼型性能优于直叶片,前掠翼型方案的最大风能利用率随掠角增大而小幅上升,完整旋转周期内的风能利用率则随掠角增加先增大后减小,且在掠角3°时可取到整体最大风能利用率;后掠翼型性能差于直叶片,风能利用系数随掠角增大而减小;前掠与后掠组合翼型方案性能稍好于直叶片,但不如前掠叶片;不同方案之间存在性能差异的原因可能在于不同翼型的叶片分离涡在竖直方向上的旋涡脱落顺序方面存在差异,其中上部较早脱落的前掠方案有助于风能利用系数提升,下部较早脱落的后掠方案则会对风能利用系数产生负面影响。     

格尼襟翼垂直轴风力机风场研究

为研究垂直轴风力机风场中机组气动性能受格尼襟翼的影响,采用TSST湍流模型对直线翼垂直轴风力机进行数值模拟研究。结果表明：风场上游风力机组尖速比越大,机组间流体加速效果越显著,使风力机组气动性能高于单风力机;在中低尖速比时,格尼襟翼可有效提升单个风力机气动效率,在尖速比较高时,提升效果并不明显;在风力机组中安装格尼襟翼且可优化上游风力机组尾迹流场并提高机组间流体的加速效果,使下游风力机获得更高的风能利用率;当格尼襟翼风力机组采用交错排布方式时,下游风力机可利用阻塞效应和格尼襟翼的双重优势,叶片平均切向力较单风力机大幅提升,且风场中3台风力机切向力的平均值高于单台风力机,风场中机组整体性能得到提高。     

Study on power performance for straight-bladed vertical axis wind turbine by field and wind tunnel test

In this paper, the power performance of straight-bladed VAWT is experimentally investigated by wind tunnel experiment and field test. The test rotor is two-bladed with NACA0021 airfoil profile. A survey of varying unsteady wind parameters is conducted to examine the effects of blade pitch angle, Reynolds number and wind velocity on the power performance of VAWT. Moreover, the flow field characteristics are obtained through measuring the wind velocity by Laser Doppler Velocimeter (LDV) system in the wind tunnel experiment and three-cup type anemometers in field test. Power and torque performance are obtained through a torque meter installed in rotor shaft of the wind turbine. Experimental results estimated from the measured values from field test and wind tunnel experiment are compared. In this research, power performance and flow field characteristics are discussed and the relationship between operating conditions and wind velocity are verified. These results provided a theoretical guiding significance to the development of VAWT simplified.     

新型变桨立轴风力机涡效应分析

该文旨在通过变桨来改善升力型立轴风力机叶片气动特性,提高风力机最大运行效率。针对设计尖速比下风能利用系数较低的问题,提出减小叶片小攻角范围,增大叶片大攻角工作范围,以重点改善叶片低性能区域的气动特性为出发点,提高风能利用系数新变桨思路。以采用NACA0012翼型、2 m高和2 m旋转直径的两叶片H型风力机为研究对象,从涡理论来分析和比较在最佳尖速比为5的条件下,附着涡、尾随涡、脱体涡和桨距角对攻角、切向力和功率输出的影响规律。研究结果表明:变桨后,叶片的攻角、切向力和输出功率在原最大值两侧均有明显提高,拓宽了叶片高性能的工作区域;涡系中脱体涡对叶片气动特性影响最大,其中在上盘面影响较小,在下盘面影响较大;变桨前后涡系对上盘面的差异较小,对下盘面的影响差异较明显;变桨后,下盘面的叶片的涡尾迹弯曲程度在加大。     

基于CFD的二维垂直轴风力机性能计算

采用计算流体力学方法(CFD)针对垂直轴风力发电机,开展简化的二维绕流特性研究。首先,基于开放型转子和增强型转子,研究网格节点数和壁面y+、计算时间步长和湍流模型等的变化对计算结果的影响,对计算模型和方法进行确认。随后,计算分析增强型垂直轴风力机与开放型垂直轴风力机的特性。结果表明,与开放性垂直轴风力发电机相比,增强型垂直轴风力发电机的功率系数和转矩系数有明显增加,且达到最大值的位置向叶尖速比增大的方向移动。然后对增强型垂直轴风力机发电机在不同来流风速下进行计算,发现增强型垂直轴风力发电机的转子转矩随来流风速增加,而转矩系数和功率系数与来流风速无关。最后,针对定子叶片在不同的方向开展计算研究。结果表明,定子叶片在不同方向时,增强型垂直轴风力机的转子转矩不同,且转矩到达峰值的位置也不同;在当前3个方向角中,叶片处于0°方向角时风力机具有最高的转矩系数,即具有最佳的功率系数。     

加装后缘小翼的垂直轴风力机输出特性研究

为了研究H型垂直轴风力机后缘加装小翼的输出特性变化规律,文章以NACA0012翼型叶片为例,采用风洞试验与数值模拟的方法,对加装后缘小翼的风力机进行了研究。模拟结果表明,加装后缘小翼的风力机的单叶片扭矩系数及功率性能要优于未加装小翼的风力机,整体功率较未加装小翼的风力机略有提升。风洞实验结果表明:加装后缘小翼可以提高风力机的最大输出功率,其中径长比对于加装小翼的垂直轴风力机功率提升的影响较大;当转速小于300 r/min时,安装径长比为0.6的后缘小翼的风力机输出功率最高;当转速超过300 r/min时,径长比为0.4的后缘小翼的风力机输出功率最高。