Design and Analysis of Different Types of Rotors for Pico-Turbine

Small-scale vertical axis wind turbine (VAWT) rotor is developed for use in areas lacking adequate energy infrastructure. The materials and methods of construction are selected to minimize cost as much as possible. The paper describes the design of different kinds of vertical axis wind turbine rotors having different number of blades and twist angle. The aim of the work is to study the influence of the different designs on rotational speed and power of rotor in different wind speed.

同轴双转子H-Darrieus型潮流能水轮机起动扭矩研究

在各种潮流能水轮机中,垂直轴直叶片的H-Darrieus型水轮机结构简单、易于制造,而且具有适应不同方向来流的突出优点。但它的缺点是在低流速时自起动能力较差。为了克服这个缺点,文章把两个三叶片HDarrieus型水轮机转子同轴安装,且两转子对应叶片之间有一定夹角。利用数值模拟的方法,对这种双转子的H-Darrieus型水轮机的自起动性能进行了研究,表明双转子的安装夹角为60°时,水轮机的自起动性能最好。

H-VAWT翼型的抛物线翼型理论及气动特性研究

具有良好气动特性的翼型是风力机高效获能的关键。为提高H型垂直轴风力机(H-VAWT)的获能效率,文章提出了空气重量比拟空气压差建立H-VAWT抛物线对称翼型设计理论。随着常数C增大,抛物线翼型母线的相对厚度先迅速增大到25%后逐渐减小至1%,最大厚度位置从45.8%弦长处逐渐靠近前缘至26.1%弦长处。将选取的抛物线翼型母线等比为与NACA4系列对称翼型厚度相对应的翼型,利用XFOIL进行数值模拟和对比研究。结果表明:当C=10.21时,抛物线PWX0007MX-xx系列翼型的气动性能最高,其中分别等比为t/c=9%,t/c=12%,t/c=15%,t/c=18%和t/c=21%时,相较于常用NACA00XX系列同厚度翼型,最大升阻比分别提高了9.45%,5.56%,6.59%,6.59%和2.42%,最大升力系数分别提高了10.59%,9.79%,8.32%,8.65%和7.90%。

H-VAWT设计参数对其叶尖损失的影响

为了探讨在H-VAWT叶片上增加叶尖小翼或增大展弦比对风力机整体气动性能的作用和影响,计算和分析研究了不同设计参数对其叶尖损失的影响.首先以有限展长H-VAWT的气动性能为基准,将无限展长H-VAWT与之相比较所得到的气动性能的相对差值来分析设计参数—实度和翼型对其所生成的H-VAWT叶尖损失的影响,又通过比较不同展弦比所生成的H-VAWT的气动性能,分析总结了展弦比对H-VAWT叶尖损失改进的效果.结果表明:无论生成H-VAWT的设计参数(实度和翼型)如何,当H-VAWT工作在较高尖速比下(λ≥1.60),更适合使用改善叶尖损失的措施来改善H-VAWT的气动性能;当H-VAWT实度比较大(σ≥0.96)或生成H-VAWT的翼型较厚时,有必要增加叶尖小翼或加大叶片展弦比来减少叶尖损失的不利影响,改善H-VAWT气动性能;加大叶片展弦比对H-VAWT气动性能的改善是有限的,基于设计要求及其他几何参数的限制,H-VAWT展弦比在5≤μ≤20范围内较合适.

基于叶片弦长的小型H型垂直轴风机气动性能分析

针对不同弦长下的小型H型垂直轴风轮模型,建立风轮外流场CFD(Computational Fluid Dynamic)模型,采用移动网格技术,选用RNG两方程湍流模型和基于压力的隐式Couple算法进行瞬态计算,获得风轮气动性能曲线,进而分析叶片弦长对小型H型垂直轴风力机风轮气动性能的影响。

H型垂直轴风力机启动性能分析

以H型垂直轴风力机为研究对象,从最基本的启动特性入手,采用三维CFD技术,结合剪切应力输运SSTκ-ω湍流模型,模拟分析了全尺寸垂直轴风力机的安装半径、叶片弦长、安装角度和叶片数目四个参数对其自启动性能的影响。结果表明,上游叶片和塔筒的尾流对下游叶片气动特性具有影响,当叶片处于上游尾流区内时,牵引力急剧减小,当气流从两叶片之间穿过时,风力机启动力矩可达到最大值;风轮的静态启动力矩随叶片安装半径的增加而增加,即叶片安装半径越大,自启动性能越好;当叶片弦长从0.1m增至0.4m时,启动力矩增长较快,当叶片弦长大于0.4m时,力矩随叶片弦长增加的幅度明显减小;不同的叶片安装角度对垂直轴风力机启动性能的影响较小,当安装角从1°增至8°时启动力矩也随之缓慢增加,当安装角达到9°时启动力矩迅速减小;叶片数目越多,风轮的最大启动力矩越大,自启动性能越好。

不同对称翼型H型风力机气动性能数值模拟研究

风轮是风力发电机利用风能的核心部件,而翼型作为风轮的关键零件,其结构参数的选择的不同会对风力机性能造成极大的影响.文中选取3种常用的H型垂直轴风力机NACA系列对称翼型的绕流流动,建立其湍流流场的模型,采用移动网格技术对其进行数值分析与计算,得出风轮的力矩系数、功率及风能利用率的变化规律,在此基础上,分析了不同的对称翼型对垂直轴风力机风轮气动性能的影响.根据其气动性能曲线,拟合出给定工况下,风能利用率随尖速比的变化公式.

H型风轮流动控制的实验研究

为了提高H型风轮的气动性能,将上游来流引入叶片尾缘并在尾缘缝隙形成射流的被动流动控制方法应用到H型风轮并在低速风洞进行风洞实验,得到了原型风轮与流动控制下风轮的基本气动性能。实验结果表明:原型风轮的气动性能系数(扭矩系数Cm、风能利用系数Cp)均随着尖速比λ的增大先增大,在尖速比λ>1时取得最大值,然后再减小,随着来流风速的增大,气动性能系数增大,且气动性能系数最大值对应的尖速比λ增大;相对于原型风轮,流动控制下风轮的气动系数均有提高,尤其是尖速比λ>1.2,气动性能系数显著增加,随着来流风速的增大,流动控制效果减弱,在尖速比λ<1.2时,流动控制效果减弱明显。

拉挤复合材料在H型垂直轴风机叶片上的应用

H型垂直轴风机叶片是翼型等截面制品,采用拉挤复合材料能够满足其外形尺寸要求。本文主要分析了拉挤工艺生产叶片具有质量稳定、成本低、生产效率高等优点,同时也需要解决产品定型、叶片结构设计等问题。

基于改进PSO的H型垂直轴风力机风轮优化设计

气动模型以双向多流管理论为基础,考虑风场的风速概率密度分布函数,以风力机发电机组的年平均输出功率最大为设计目标,采用改进的粒子群优化算法进行全局寻优搜索.利用开发的Matlab优化设计程序,在额定功率和额定风速一定时,针对特定风场优化设计H型垂直轴风力机风轮,得出风力机风轮的最佳匹配参数.与初步设计的风力机相比,优化后年平均输出功率增加了11.8%,且优化设计结果在气动性能方面有明显的优越性,说明该优化模型的实用性和有效性.

小型H型垂直轴风机变桨距机构研究

升力型垂直轴风力发电机的风能利用率低以及自启动性能差等问题影响着它的应用和发展,针对上述问题,采用变桨距控制方法,并且设计了一套风机独立变桨机构,通过对H型垂直轴风机变桨距的数学建模和机构设计进行了分析与研究。在理论分析上,对风机静止时和旋转时的受力分析分别得出了静止时的变桨结论和旋转时的变桨算法;在机构设计上,采用了独立变桨机构,利用伺服电机带动蜗轮蜗杆减速机,达到精确简便的目的。

小型H型垂直轴风机安装角度的CFD数值模拟与分析

主要采用基于计算流体力学的数值模拟方法,利用有限体积法对H型风力发电机的气动性能进行计算,获得不同安装角度的风轮气动性能曲线,并在此基础上确定了最佳安装角度,对小型H型垂直轴风机运行过程中得到最优功率提供了指导。

H型垂直轴风力发电机变桨控制策略研究

针对垂直轴风力发电机自启动能力差和风能利用效率低的问题,提出了自动变桨控制策略,并搭建了H型垂直轴风力发电机实验平台。基于叶素理论对叶片进行分析,得出了叶尖速比λ<1情况下的变桨规律。将定桨距模型和自动变桨距模型进行对比,结果表明:采用自动变桨距方案可以有效的提高垂直轴风力机的自启动能力和风能利用效率。

Φ型与H型Darrieus垂直轴风力透平性能比较

采用单盘多流管模型作为Darrieus垂直轴风力透平的空气动力学性能预测模型,在相同密实度和相同高宽比的条件下,计算得到了Φ型与H型Darrieus垂直轴风力透平功率系数-尖速比曲线和功率-尖速比曲线.分析了Φ型与H型Darrieus垂直轴风力透平尖速比对功率系数及功率的影响,得到不同尖速比范围下两风力透平功率系数与功率的变化规律.

1.5kW H型垂直轴试验风机空气阻力试验

风能这种可再生能源正在成为新能源的重要力量。随着风电技术的快速发展,垂直轴风机无需对风,无变浆偏航装置,结构简单的优点逐渐被人们所认知。H型垂直轴风机具有扫风面积更大、质量轻、惯量小、结构简单等特点。实验对不同实度和支撑结构的1.5 kW H型垂直轴风轮进行了无风条件下的电动拖动试验。通过对不同试验风轮空气阻力扭矩的测量和比较,初步了解了不同结构对H型垂直轴风机性能的影响,为今后兆瓦级垂直轴风机的设计提供了优化方向和参考依据。

1.5kW H型垂直轴试验风机数据采集系统

风能这种可再生能源正在成为新能源的重要力量。随着风力发电技术的快速发展,垂直轴风机无需对风,无变浆偏航装置,结构简单的优点逐渐被人们所认知。现介绍一种在垂直轴试验风机测试中采用的数据采集系统方案,该方案已成功应用到1.5kW H型垂直轴试验风机的风洞试验中,取得了良好的效果,为H型垂直轴风机的研发提供了有力的试验数据支持。

基于数值模拟Savonius风力机性能优化研究

提出了螺旋形Savonius风轮,采用计算流体力学,从高径比(H/D)、叶片数、偏心系数(e/d)、叶片扭转角度θ4个参数对风轮进行了三维数值分析和性能优化。结果显示两叶片风轮性能高于三叶片的性能,当H/D=6、e/d=0.3、θ=180°和叶尖速比为0.75时,风能转化率达0.2;模拟结果与试验结果吻合良好,证明模拟结果具有可参考性。

直线翼垂直轴风力机气动特性研究综述

直线翼垂直轴风力机是当前升力型垂直轴风力机的典型代表,凭借着无需对风、结构简单、造型独特等优点在中小型风能利用领域受到越来越多的关注。但由于其气动特性复杂,且研究时间相对较短,尚有许多问题需要研究,还有很广阔的发展空间。本文以直线翼垂直轴风力机的气动特性研究为对象,介绍了风力机气动特性研究历程、研究现状、主要工作原理,及气动特性分析理论、常用的研究方法,尤其是对如何改善直线翼垂直轴风力机在低风速下的起动特性问题和高转速下的气动特性发挥问题的国内外研究进展进行了分析和总结,并对今后的研究趋势进行了展望。

组合型垂直轴风力机气动特性的模拟计算与实验研究

为改善直线翼垂直轴风力机在低风速下的起动性,设计一种以Savonius风轮作为起动机与直线翼垂直轴风力机相组合构成的组合型垂直轴风力机。首先采用空气动力学原理和风洞实验经验结果设计开发垂直轴风力机空气动力特性计算软件,并进行风力机性能模拟计算,然后利用风洞实验测试组合型风力机和单独型直线翼垂直轴风力机的力矩和功率特性。将实验结果与采用气动模拟计算出的风力机气动特性结果进行对比分析,结果表明组合型风力机可在较低风速起动,可改善直线翼风力机起动特性,且最大功率系数有一定提高。但在高风速下,在风速大于8.0m/s时,组合型风力机的功率特性开始降低,特别是10.4m/s以后,阻力风轮对风力机的功率输出产生一定影响。

小型垂直轴风力发电机的气动噪声数值模拟与试验验证

为了降低小型垂直轴风力发电机的气动噪声,对其噪声产生机理进行了分析。首先,在瞬态计算时运用大涡模拟(LES)模型对在一定工况下的三维风轮周围的流场进行分析;其次,在声学计算时运用FW-H方程对风轮产生的气动噪声进行分析并得出频谱;最后,通过实例验证了该方法能有效预测其气动噪声。结果表明:小型垂直轴风力发电机的气动噪声主要是涡流噪声;监测点的噪声值随着离风轮旋转轴半径的增加而减小,且在垂直于叶轮旋转轴的平面上具有指向性。小型垂直轴风力发电机的气动噪声分析为其进一步低噪声优化提供了依据。