【摘要】：為了改善直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的低風(fēng)速起動性問題和提高風(fēng)力機(jī)輸出功率,設(shè)計了一種可安裝于風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪上下兩端的圓臺型聚風(fēng)罩,利用上下聚風(fēng)罩形成的變截面通道對來流進(jìn)行導(dǎo)流,提高風(fēng)輪入口流速,減少葉片尖端流動損失,整流風(fēng)輪內(nèi)部流場,從而提高風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)起動特性和動態(tài)功率輸出性能。研究采用了理論分析、數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗相結(jié)合的方法,主要進(jìn)行了兩部分研究內(nèi)容:(1)聚風(fēng)罩對風(fēng)力機(jī)靜態(tài)起動性能影響研究,主要采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法。首先利用流體力學(xué)基本原理對聚風(fēng)罩聚風(fēng)原理進(jìn)行理論分析,初步設(shè)定聚風(fēng)罩結(jié)構(gòu)形式;然后對聚風(fēng)罩多個結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析,通過二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計方法與三維數(shù)值計算相結(jié)合手段,對聚風(fēng)罩主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,計算在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下聚風(fēng)罩對風(fēng)力機(jī)靜態(tài)起動力矩影響,找出較優(yōu)聚風(fēng)罩結(jié)構(gòu)參數(shù);最后通過分析有無聚風(fēng)罩風(fēng)輪的周圍流場不同,揭示聚風(fēng)罩的作用機(jī)理。(2)聚風(fēng)罩對風(fēng)力機(jī)動態(tài)輸出功率性能影響研究,主要采用風(fēng)洞試驗的方法,將在計算中得到的較優(yōu)聚風(fēng)罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,制作了1臺直徑600mm、高500mm的風(fēng)輪模型和圓臺型聚風(fēng)罩,進(jìn)行了風(fēng)洞試驗,測試了在不同風(fēng)速下,具有不同葉片個數(shù)的有無聚風(fēng)罩風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速特性和輸出功率特性,驗證聚風(fēng)罩的有效性。在本研究條件下得到的主要結(jié)論如下:(1)針對本研究設(shè)定風(fēng)力機(jī)模型,通過數(shù)值模擬獲得了一組可有效提高風(fēng)力機(jī)靜態(tài)起動性的聚風(fēng)罩結(jié)構(gòu)參數(shù):聚風(fēng)罩傾角為46°,高度為299mm,距風(fēng)輪距離36mm。風(fēng)洞試驗結(jié)果表明帶有聚風(fēng)罩風(fēng)力機(jī)在各旋轉(zhuǎn)角下的起動力矩均有不同程度提高,在15°旋轉(zhuǎn)角時靜力矩最高提升了30%。同時,帶有聚風(fēng)罩風(fēng)力機(jī)起動時間縮短,轉(zhuǎn)速增長快,可達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速高。驗證了該圓臺型聚風(fēng)罩對風(fēng)力機(jī)起動性能改善的有效性。(2)通過對有無聚風(fēng)罩風(fēng)力機(jī)的動態(tài)性能風(fēng)洞試驗表明,帶有聚風(fēng)罩的風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下的最大輸出功率系數(shù)均有不同程度提高,且隨風(fēng)速的增大而增大,最高提升35%。試驗結(jié)果還表明聚風(fēng)罩對2葉片和4葉片的風(fēng)力機(jī)性能提升都有一定效果,說明了聚風(fēng)罩對具有不同葉片個數(shù)的直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)性能提高均有一定的適用性。(3)通過數(shù)值計算獲得了三維流線圖和不同平面上的速度分布情況,聚風(fēng)罩對風(fēng)輪入口處增速效果明顯,風(fēng)速最高提升了36.7%;聚風(fēng)罩對流經(jīng)葉片尖端和風(fēng)輪內(nèi)部的渦旋均有不同程度改善,一定程度上減少了能量損失,從而改善了風(fēng)輪周圍流場特性。本研究通過計算和試驗驗證了提出的圓臺型聚風(fēng)罩對直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)起動性能改善和輸出功率提高的有效性,為開發(fā)結(jié)構(gòu)更緊湊,效果更好的聚風(fēng)裝置提供了研究基礎(chǔ),為開發(fā)出高性能的直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)提供了有益的探索。本研究所采用的數(shù)值模擬與正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計方法,為研究具有類似多結(jié)構(gòu)參數(shù)垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計提供了參考。
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK83

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9 朱

本文編號：2729013