基于savonius结构的叶片可展式垂直轴风力机性能研究

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1、国内图书分类号：TK83学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学博士学位论文基于Savonius结构的叶片可展式垂直轴风力机性能研究博士研究生：汤志鹏导师：姚英学教授申请学位：工学博士学科：机械制造及其自动化所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年3月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TK83U.D.C:621DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringASTUDYONTHEPERFORMANCEOFVERTICALAXISWINDTURBINEWITHEXPANDABLEBLAD

2、ESBASEDONTHESTRUCTUREOFSAVONIUSTURBINECandidate：TangZhipengSupervisor：Prof.YaoYingxueAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MechanicalManufacturingandAutomationAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：March,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstitute

3、ofTechnology摘要摘要随着近年来社会的发展和人们的生活对能源的需求日益增加，传统能源诸如煤炭、石油遭到了过度开发利用，不仅导致了环境的污染，而且使得能源枯竭问题日益严重。因此，新型可再生能源的研发与利用成为国家长期发展的战略需求。风能是发展较为成熟的新能源之一，风力机性能以及发电效率直接影响着风电的利用与发展。由于水平轴风力机的叶片设计制造和安装难度较大，叶片对风向和攻角的敏感性较大，对启动风速要求较高，使得人们一直没有放弃对垂直轴风力机的研究和发展。为了进一步改善垂直轴风力机的性能，本文利用Savonius型风力机结合整流罩以及翼型叶片，提出了两种新型的垂直

4、轴风力机结构，针对所提出的结构，开展性能分析和结构参数优化的研究。本文利用Fluent软件模拟计算了Savonius型风力机叶轮绕流流场的变化以及力矩特性变化。分析了静力矩系数变化规律及其对风力机启动的影响；动力矩系数变化规律及其对风力机风能利用率的影响，阐明了Savonius型风力机性能所存在的问题。研究了Savonius型风力机在不同叶尖速比条件下的流场变化，分析了流场的变化规律及其对Savonius型风力机的影响，得出了制约Savonius型风力机风能利用率低的原因，为Savonius型风力机的改进提供了理论支持。提出了两种针对Savonius型风力机的改进方案，

5、在Savonius型风力机叶轮外围增加整流罩结构和用翼型叶片代替Savonius型风力机弧形叶片。分析了风力机整流罩结构参数对流场的影响；同时研究了叶轮弧形叶片结构参数对流场的影响。通过仿真计算，获得了整流罩内外径比以及导流板倾角等整流罩的结构参数以及叶片数目、叶片弦长和叶片倾角等弧形叶片的结构参数对风力机风能利用率的影响规律。建立了翼型叶片代替弧形叶片的风力机几何模型，选择了对称翼型NACA0012及其在流场中的运动方案。计算了翼型叶片在流场中的运动分析，应用流管法求出模型中风速影响因子，通过计算得出翼型叶片单边展角、叶片打开的公转角、叶片闭合的公转角等参数对风力机风

6、能利用率的影响。最后通过计算获得了翼型叶片各个参数对风能利用率的影响规律，分析了几何模型计算的可行性。设计了一套用于测量风力机气动性能的测试系统，利用其测试了可展式叶片风力机气动性能，分析了该风力机不同结构参数的影响，并与仿真结果和计I哈尔滨工业大学工学博士学位论文算结果进行了比较，分析了实验中误差产生的原因，并提出了改进意见。综上所述，本文提出了两种改进型Savonius风力机的整流罩结构和翼型叶片结构，这两种风力机风能利用率相比于Savonius型风力机有较大的提升。相比于其它类型的风力机，利用该整流罩以及翼型叶片改进的风力机仍然具有较高的自启动性能，同时该风力机叶

7、片在高度方向上为等截面，可以采用直叶片生产形式，降低了制造成本。改进型风力机不仅适用于大中型风场，对风能资源相对贫瘠的地区也能够有较好的应用。关键词：垂直轴风力机；整流罩；翼型叶片；风能利用率IIAbstractAbstractInrecentyears,withtheincreasingdemandonenergyforsocialdevelopmentandpeople'slives,conventionalenergysourcessuchascoal,oilareoverexploitedandused,whichnotonlyl