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变桨垂直轴风力机需根据不同运行工况采用不同变桨策略,以改善气动效率与载荷特性,而目前可执行多种变桨策略的试验风力机方案匮乏,制约了叶片变桨技术的工程化.为此,提出并测试了一种叶片独立变桨垂直轴风力机方案.结构上,以集成变桨驱动、支承与监测组件的叶片独立变桨机构为核心,形成了整机结构.控制上,协同叶片方位角识别、桨距角调控及多参数采集的硬件功能,基于可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)搭建了叶片独立变桨控制系统.风洞试验表明,叶片独立变桨垂直轴风力机可灵活实现多种叶片变桨策略,通过叶片变桨显著提升了气动效率.该工作为变桨策略验证与后续机型优化提供了有效支撑与实践参考.
垂直轴风力机叶片独立变桨变桨机构可编程逻辑控制器控制风洞试验
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为了解决城市风能利用、风力机安装位置受限的问题,建立一种建筑延展的变实度垂直轴风力机数值模型,其内部包含建筑物并通过改变风轮半径实现实度的变化,采用计算流体动力学结合Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)声学方法,分析该模型的气动性能和噪声性能.结果表明,随着叶片旋转速度的降低,叶片上产生的压力波动减小,可使声压级(SPL)降低.随着实度的增加,叶片涡流的脱落被抑制,也可使声压级降低.而随着实度的减少,风力机工作范围变得更宽,叶片之间及叶片与建筑物之间的气动干扰减少,风能利用系数(CP)的最大值增长了 21.14％.改变风力机实度和叶尖速比对功率系数和噪声水平均有显著影响,风力机运行可采用较高实度以改善噪声性能,或采用较低实度以提升气动性能.
垂直轴风力机建筑风能气动性能噪声性能风力机实度数值模拟
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基于改进型延迟分离涡模拟(IDDES)与 Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)声学类比方法,对采用主动控制的近壁圆柱翼型的垂直轴风力机(VAWT)开展气动噪声特性研究.结果表明:该近壁圆柱结构有效抑制了叶片边界层流动分离,显著降低了尾迹区监测点的压力脉动,并随尖速比 λ 增大(λ=1.68 → λ=3.08)显著缩短了系统动态响应时间(2.14 s → 1.16 s);在较低尖速比(λ=1.68)时,近壁圆柱翼可有效降低中低频段噪声;在中等尖速比(λ=2.50)时,实现较显著的全频段降噪,500 Hz 时,监测点 A 处的最大降幅达到 13.8 dB;当尖速比继续增大(λ=3.08)时,其对高频噪声的抑制效果有所减弱.声场指向性分析进一步表明:在中等尖速比(λ=2.50)时,近壁圆柱翼明显优化了 VAWT 周向噪声分布;声辐射机制随尖速比增加呈现由单极子向偶极子主导的转变.
垂直轴风力机噪声特性近壁圆柱翼流动分离
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为减弱叶尖扰流,改善螺旋型风力机叶片的气动性能,提出一种在螺旋型Darrieus3叶片垂直轴风力机对称翼型NACA0015叶片端部加装端板的设计方案.利用Fluent软件对加装端板前后的风力机叶片进行三维流体仿真,采用正交实验设计法及单因素实验法相结合的方法,研究端板的高度、形状和弦长对翼型气动性能的影响.研究结果表明:最佳的端板设计参数为高度48 mm(0.4c,c为叶片弦长),长度168 mm(1.4c),端板形状为和翼型同系列的对称翼型NA-CA0012,端板的高度和弦长过大和过小均不能有效降低阻力和提高风力机的效率.叶片两端添加合适尺寸的端板有助于减小叶尖扰流,改善风力机叶片叶梢附近表面的压力分布,有助于风力机稳定运行.
螺旋型Darrieus3风力机叶片端板风能利用率气动性能
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漂浮式垂直轴风力机(vertical axis wind turbines,VAWT)发展尚处于初级阶段,缺乏专用平台设计及其气水动耦合的研究.为揭示漂浮式 VAWT 在风浪载荷下的动态响应特性,该文以尚处于技术探索与工程验证阶段的 Spar型 VAWT 为研究对象,建立基于 Spar 平台的大型漂浮式VAWT 全尺度数值模型,采用计算流体力学方法对漂浮式VAWT 在风浪载荷下的气-水-系泊动力学耦合特征展开研究.结果表明,在风浪载荷下,漂浮式 VAWT 平均功率系数大于固定式,但功率系数响应曲线波动更加剧烈;风载荷作用下,由风轮旋转产生的侧向力增大了横荡响应幅值,使系泊 2、3 张力呈现交替相反的振荡模式;纵摇响应对漂浮式VAWT功率系数及尾迹特征产生显著影响.
漂浮式垂直轴风力机单柱式平台气-水-系泊耦合计算流体动力学动态响应
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叶片覆冰会降低风力机的发电效率,采用电加热防冰技术可以维护风机的安全稳定运行.由于叶片在电加热防冰时叶表的温升情况存在差异,会出现叶表不同部位温差过大、局部温度过高等问题.针对上述情况,以H型垂直轴风机叶片为研究对象,对风机静止状态下叶表流场分布及叶表散热情况进行分析.建立了基于流体—热力场的叶片电加热防冰二维耦合数值仿真模型,提出按照迎、背风侧叶表平均风速的比值来分配两侧防冰功率的策略,并对处于不同攻角下的风机叶片进行了仿真验证.结果表明,当叶片一直处于0°或180°攻角下时,叶表温度分布较均衡.其余攻角下,叶表不同位置温度相差较大,相比于不分区防冰,差异化防冰策略在缩小叶表温差、降低叶表局部最高温度方面取得了较好的效果.
垂直轴风力机防冰策略流热耦合差异化防冰
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针对大容量垂直轴风力机旋转过程中的强非定常动态失速问题,以及翼型气动选型与变桨系统设计之间缺乏匹配准则的工程需求,本文开展了翼型气动特性及变桨轴心位置对变桨力矩的影响规律研究.采用考虑转捩的 Transition SST 四方程湍流模型与滑移网格技术,建立兆瓦级 H 形双叶片垂直轴风力机高精度非定常数值计算模型,并采用高雷诺数斜坡型俯仰动态失速经典实验数据验证了方法的可靠性.针对 NACA0021、S1046、DU250 3 款典型翼型,系统分析了设计尖速比 λ=6 工况下的气动性能,以及 7 组弦向、2 组径向偏移变桨位置对应的变桨力矩全周期特性.结果表明:非对称翼型 DU250 风能捕获效率最优,功率系数(CP)达 0.410,较 NACA0021 提升 6.77%,但其扭矩与变桨力矩幅值最大;S1046 翼型可实现发电效率与载荷稳定性的最优平衡;0.25 倍弦长位置为变桨转轴最优理论设计位置,可显著降低变桨力矩幅值与波动,径向偏移会显著放大变桨力矩.本文研究揭示了翼型几何特征对垂直轴风力机气动性能的影响机理,量化了变桨位置与变桨力矩的映射关系,可为大容量变桨型垂直轴风力机在设计尖速比附近的气动优化设计提供理论支撑.
垂直轴风力机变桨力矩数值模拟翼型动态失速
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垂直轴风电机组因其具有较低的制造安装成本以及结构简单等优点而展现出广阔的发展前景.但其风能转化效率通常低于水平轴风电机组,使其在实际使用中受到一定限制.通过研究垂直轴风电机组气动优化设计方法,基于双致动盘多流管模型开发了气动仿真程序,与主流软件进行了对比验证.在此基础上,以某50kW小型垂直轴风电机组为例,系统分析了风轮实度、高径比、叶片数及翼型弯度对整机气动性能的影响,采用NSGA-II优化方法进行双目标优化设计,优化目标为最大化功率系数与低风速下最大启动力矩.通过响应面模型研究发现,实度、高径比、叶片数对功率系数存在耦合影响,全参数优化下相比于实度、高径比、叶片数分别取最佳时提升了0.3%.该提升量在大型风场集群中可带来显著发电量提升.同时,优化后的方案在起动性能上表现更佳,使机组在低风速区的有效运行时间有所提升,对于提高机组年发电量具有重要实际意义.
垂直轴风电机组双致动盘流管模型
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针对目前垂直轴风力机变桨控制与翼型相互独立的串行设计,不能最大限度地提升风力机的气动性能,提出了基于Beddoes-Leishman(B-L)模型和零风速阻力系数的修正致动圆柱模型(actuator cylinder model,ACM),并通过试验数据验证了该修正模型的准确性.其次,提出了基于修正 ACM 模型与新型双正弦变桨规律的垂直轴风力机翼型优化设计方法,并利用粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)对其进行优化设计,采用类别形状函数变换(class-shape transformation,CST)方法对翼型进行参数化表征,以CST 系数及变桨三角函数系数作为设计变量,以功率系数的最大化为目标函数进行优化.优化结果表明:优化得到新翼型,其最大升力系数相比原始翼型提升了9.60%,平均升阻比相比原始翼型增加了20.82%.相比零桨距角和原始翼型的垂直轴风力机,同步优化翼型和变桨距角的垂直轴风力机,其功率系数为0.352 2,提升了20.66%.同步优化变桨距规律与翼型对性能提升的效果显著,验证了该方法的可行性,为垂直轴风力机变桨距规律与翼型的设计提供了新的思路.
垂直轴风力机致动圆柱模型优化算法翼型变桨距规律
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学位论文]作者：
熊聪
力学 安徽理工大学 2026(学位年度)
