优秀毕设垂直轴风机叶片翼型的空气动力分析Word格式文档下载.docx

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李东华

2014年6月19日

哈尔滨理工大学

毕　业　设　计

题　　目：

垂直轴风机叶片的空气动力分析

院、　系：

建筑工程学院工程力学系

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系主任：

李东华

2014年6月19日

垂直轴风机叶片的空气动力分析

摘要

随着化石能源的过度消耗以及环境问题，风能越来越受到重视，各国都在努力开发风能资源。

近几年我国的风能发电事业有了很大的发展，但我国关于风力发电技术的研究仍远落后于先进国家，尤其是对叶片的研究。

本文所研究的是一个应用于H型三叶片垂直轴风力机上的叶片，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，主要工作和成果如下:

（1）回顾风力发电的研究背景，介绍以往垂直轴风力机的研究工作，并阐述了垂直轴风力机的空气动力学设计理论，给出了垂直轴风力机的流管理论模型，分析了垂直轴风力机的运行状态。

（2）应用动量-叶素理论中的双盘多流管模型计算分析了相同雷诺数情况下多种应用较广泛的翼型。

由此筛选出了较适合本文设计目标的翼型，并确定了用来进一步验证叶片性能的风轮结构的主要结构参数。

（3）利用Gambit软件建模、FLUENT软件进行流场分析，改变雷诺数、攻角和叶片翼型，通过对叶片升力、阻力、升阻比的变化趋势，得出NACA0012，NACA0018，NACA2415，NACA4415四种翼型中最适用于叶片制造的翼型。

关键词：

垂直轴风机；

叶片翼型；

气动性能；

数值模拟

AerodynamicAnalysisOfVerticalAxis

WindTurbineBlades

Abstract

Withexcessiveconsumptionoffossilenergyandenvironmentalissues,peopleareincreasinglypayattentiontothewindenergy,somecountriesaretryingtodevelopthewindenergyresources.Inrecentyears,China'

swindpowerbusinesshasbeengreatlydeveloped,butourresearchonwindpowertechnologyisstillfarbehindtheadvancedcountries,especiallyinthestudyoftheblade.ItisstudiedinthispaperisappliedtothebladesofaH-typethree-bladedverticalaxiswindturbineonthetheoreticalanalysisandnumericalsimulationmethods,themainworkandresultsareasfollows:

（1）Reviewofwindpowerresearchbackground,previousresearchworkintroducesaverticalaxiswindturbine,andexpoundedthetheoryofaerodynamicsdesignverticalaxiswindturbine,giventhecurrentadministrationontheverticalaxiswindturbinemodels,analyzestheverticalaxiswindturbineoperation.

（2）ItisappliedisMomentum-Doublebladeelementtheoryofmulti-modelanalysisoftheflowtubeatthesameReynoldsnumberairfoilswidervarietyofapplications.Thusscreenedoutmoresuitedtothisarticleairfoildesigngoals,andidentifiedthemainstructuralparametersusedtofurthervalidatetheperformanceofthewindturbinebladestructure.

（3）TheuseofGambitsoftwaremodeling,FLUENTsoftwareflowfieldanalysis,changingtheangleofattackvaneairfoilsand,throughtheblades,lift,drag,lift-dragratio,torqueandtrendsaroundthebladepressure,velocitysummarywasNACA0012,NACA0018,NACA2415,NACA4415theairfoilbladeairfoilisidealformanufacturing.

Keywords：

Verticalaxiswindturbine；

Bladeairfoil；

Aerodynamicperformance；

NumericalSimulation

第1章绪论

1.1论文研究的背景

目前人类发展和生存面临的最紧迫的问题就是能源和环境问题。

改革开放以来，中国经济在发展快速，对能源的需求也日益增长，因此确保能源供应而且要低碳环保已成为中国经济发展过程中的重点问题。

从近期来看，能源工业不可避免面临着全球环境污染的压力；

从远期来看，能源工业会面临资源耗尽的问题。

环境问题已经使得中国经济正在失去持续增长的潜能，中国经济在高速增长的同时正在对环境产生严重的破坏与不利影响。

各个国家和国际组织都在努力寻找可持续发展的道路。

由于风力发电具有储量丰富、施工周期短、投资灵活、占地少、以及具有良好的社会和经济上的效益，在众多的可再生能源中，风能以其巨大的优越性和发展潜力受到人们的青睐[1]。

风能很早就被人类利用，两千多年以前，已经有人类利用风能创造出了风车、风帆、和风磨，在新世纪风力发电将会得到更大规模的开发和利用。

风力发电机组是一种将风能转化为电能的机械。

风力机中最主要的部件是风轮，风轮由桨叶和轮毅组成。

桨叶必须要有较好的空气动力外形，才能在空气气流作用下产生足够的空气动力使风轮旋转，从而将风能转换成了机械能，最后再通过齿轮箱驱动发电机转变成为电能。

图1-1水平轴风机

风轮在风力作用下转动，是风力机中将风能转变为机械能的主要部件。

风力机按照风轮的结构及其在气流中的位置一般可分为两大类:

一类是水平轴风力发电机，如图1-1所示；

第二类是垂直轴风力发电机，如图1-2和图1-3所示。

其中水平轴风力发电机研究的已经比较多，相关资料也很多，是目前技术最成熟、生产量最多的一种。

垂直轴风力机发展则相对滞后，相应其空气动力学及结构构造力学方面积累相对不足，大型商用机型发展步伐缓慢。

但两者究竟孰优孰劣至今仍无定论[2]。

与水平轴风力机相比，垂直轴有很多优点：

（l）不需要偏航装置，可以接受任意方向的来风，这样可以省去水平轴中复杂的偏航装置，降低机组的成本，提高系统的可靠性。

（2）安装、维护简单。

垂直轴的发电机等重要设备都可以安装在地面上，不同意水平轴需要安装在塔架顶部，这样的好处是降低了机组安装及运行维护成本，同时使发电机等重要设备运行更安全。

（3）噪声小。

水平轴叶尖在扫过气流时会产生很大的噪声，这也是现在水平轴风力机市场化过程中不妥的地方，而垂直轴运行过程中噪声很低。

（4）没有塔影效应。

塔影效应影响风力机的动力性能，是功率产生波动，由于垂直轴叶片与塔身之间距离较远，塔影效应较小。

（5）风轮受力简单、寿命长。

水平轴风机叶片只在根部与塔身相连，受力情况类似于悬臂梁，根部由弯矩产生的压力较大。

轮毅处还交替性的受到叶片重力产生拉力与挤压力。

水平轴的风力机的叶片还受到周期性的风剪作用，受力情况比较恶劣。

垂直轴风力机叶片及轮毅受力则比较简单、稳定。

（6）叶片形状简单，加工成本低。

水平轴风力机的叶片沿展向法向需要扭转和变截面，加工成本较高。

垂直轴风轮结构相对简单，对于直叶片垂直轴风机叶片更简单[3]。

虽然垂直轴风力机相较于水平轴结构简单、运行维护成本低，但当前其发展却滞后于水平轴风力机是不争的事实。

主要是考虑到他的风能利用率比水平轴的低，但这正是由于其基本研究积累不够导致优化工作不够深入所致。

在近年来，在水平轴风力机占据大部分市场份额的同时，垂直轴风力机的研发也从来没有停止过脚步，经过各国研究者的不懈努力，现在垂直轴式风力机的尖速比可以达到5，风能利用率与水平轴式风力机的差距不断在缩小，在加上垂直轴风力机具有水平轴式风力机所没有的众多优点，相信今后垂直轴风力机的发展会越来越迅速[4]。

图1-2Φ型垂直轴风机

图1-3H型垂直轴风机

1.2垂直轴风机的介绍

相对水平轴风机而言，若叶轮的旋转轴垂至于地表面（或来流），则称为垂直轴风机（VAWT）[5]。

垂直轴风车在中国已有2000多年的历史，而有详细记载的是建于公元1219年垂直轴风车，如图1-4所示。

一般地，按照风对风机叶轮的推动方式可以将垂直轴风机分为阻力型和升力型两种。

图1-4垂直轴风车示意图（建于1219年，中国）

人类历史上早期的垂直轴风车机构基本上属于阻力型。

阻力型风机主要是利用气流在叶片前后形成的压强差来推动叶轮工作。

因此，为了获取较大的阻力，需尽量增大叶片的迎风面积。

当前被广泛应用的阻力型风机是1922年由芬兰工程师S.J.Savonius发明的Savonius风机，图1-5（a）和图1-5（b）分别给出了Savonius风机结构及工作原理。

设计良好的Savonius风机在低风速时能获得很好的功率输出。

但是同其它阻力型风机一样，Savonius风机存在固有的缺陷，即:

工作速比范围很小，通常为0<

λ<

1，而且叶片在逆风区时会产生较大的反向力矩，降低了转动轴的总力矩，故其能量利用率较低。

从20世纪20年代开始，很多学者对Savonius风机的气动性能进行了大量的风洞实验研究。

结果表明，Savonius风机的最大能量利用率系数仅能达到0.3左右。

因此，Savonius风机通常只适合于小型垂直轴风电机组，用来给抽水设备等供电[6]。

图1-5Savonius风机结构及工作原理

由于阻力型风机的上述局限性，很难实现商业化运作，而升力型风机则恰恰克服了阻力型的缺陷，现实中得到广泛应用，典型的垂直轴升力型风机有H型、Darrieus式Φ型等。

升力型垂直轴风力机主要是利用风吹过叶片后产生的升力来工作的。

它的基本工作原理如图1-6，首先假设在风轮快速旋转或静止时，来风在经过风轮后方向不发生变化