savonius风力机叶片主要参数优化设计研究

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1、第一章绪论第一章绪论1.1课题研究的背景和意义随着我国社会主义现代化进程的不断推进、国民人均GDP水平的稳步提高，可以说我国正处于一个经济快速发展的时期。但在另一方面，2012年我国一次能源消费总量已达到36.2亿吨标准煤成为能源消费大国，且能源需求增长的趋势依然猛进，尽管这是我国在工业化、城镇化推进道路中必经的过程，但也亟需社会关注[1]。在能源需求日益增加的趋势下，目前以煤碳等一次能源为主的能源结构决定了我国终究会产生生态破坏的问题，雾霾、大气污染等影响经济可持续发展的问题必定会日益凸显，可以说保护生态迫在眉睫。在国家建设生态文明的

2、指引下，全国的能源产业正在进行一次彻底性的能源结构革新，清洁能源的开发利用越来越受到重视，风能发电技术必定是未来能源探索的方向。风能利用是一种颇有发展前景的技术，从风电行业的总体发展情况来讲，国家从多个方面对风电行业给予大力支持，这使得业内人员对今后风电产业的走向充满信心。发展风电能够间接的降低传统能源消耗量，所以风电产业的发展对于国家能源结构的调整而言是重要的一环[2]。若要从根本上解决困扰我国多个地区的雾霾现象，风电有望成为一剂良药，与太阳能、燃气、水能、生物能等一起组成清洁能源队伍，从减少对传统能源的依赖入手，最终实现建设优质生态

3、环境、创建生态文明社会的目标。1.2风力机的类型风力机是用于捕获大气层中的动能，再将所得到的动能转换成机械能或电能的装置。依据风力机的转动轴方向将风力机分为两类：水平轴风力机(horizontalaxiswindturbine,HAWT)和垂直轴风力机(verticalaxiswindturbine,VAWT）。1.2.1水平轴风力机水平轴风力机(HAWT)作为风力发电领域中技术较为完善的风力机，在生产发电中占主要部分。之所以称为水平轴风力机是因为风力机的旋转轴与地面平行（即成水平状态），如图1-1所示风轮的旋转面与来流风向相互相垂直[

4、3]。图1-1左侧风机为上风向风力发电机，风轮所处位置在塔架前侧，在运行中通过尾翼调整迎风面；图1-1右侧风机为下风向风力发电机，风轮所处位置为塔架之后，通过叶片的阻力来调整迎风面。从图中不难看出，下风向风力机的来流会先流经塔架然后到达风轮，这就会产生风能损失降低风力机效率，考虑到上风向风力机尾翼结构1万方数据内蒙古工业大学硕士学位论文也较为简单，因此在生产应用上多采用上风向风力发电机。另外针对于多叶片的水平轴风力机来说，结合其动力特性通常应用于提水，如图1-2所示。图1-1上风式与下风式水平轴风力机转子部件Fig1-1Thecompo

5、nentsofHorizontalaxiswindturbine图1-2多叶片提水风力机Fig1-2TheMulti-bladesturbineuseforcarrywater1.2.2垂直轴风力机垂直轴风力机是指风轮转轴与来流风向成90°的风力机(即垂直于地面)。依据不同的做功原理将垂直轴风力机大体分为升力型风机和阻力型风机，升力型风机的做功来源是叶片产生的升力作用，与之相反阻力型风机则主要通过空气阻力做功[4]。2万方数据第一章绪论1.2.2.1升力型风机升力型风机的典型代表结构是Darrieus型风机，在1931年工程师Darri

6、eus自主设计了这款风机[5]。风机主要是由固定连接的叶片组成，叶片可围绕着与地面垂直的转轴呈周期性旋转，实物图如图1-3所示。图1-3Darrieus型风力机Fig1-3Darrieuswindturbine依据叶片形状可将Darrieus风力机分为直叶片型和弯叶片型，Ф形为弯叶片的代表，Δ形和H形则是直叶片的典型形式，其中H形更受到学术上的关注，叶片形状如图1-4所示。从受力上分析，弯叶片风机不受离心力只受到表面的张力，此结构对于提高叶片稳定性有很大作用，但由于叶片形状是固定，这会在改变桨距和转速控制上存在一定的劣势，另外Ф形叶片的

7、制作成本较高；直叶片风机受离心力载荷作用，一般采用拉索结构对叶片支撑达到降低离心力载荷的目的，而且拉索结构又有助于减少叶片的弯曲变形，但会增大空气阻力导致风机的效率降低。Darrieus风机具有较高的风能利用率适用于生产发电，缺点就是启动性能较差，而Savonius风力机正好可弥补这一缺点通常联合在一起使用[6]。图1-4不同叶片形状Darrieus型风力机Fig1-4DifferentbladeshapeofDarrieuswindturbine3万方数据内蒙古工业大学硕士学位论文1.2.2.2阻力型风力机阻力型风机包括风杯(如图1-

8、5)、平板风机(如图1-6)和Savonius风机(如图1-7)等，其中Savonius风机为其典型代表。图1-5风杯式风机图1-6平板型风机Fig1-5ThecupstypewindturbineFig1