导流式涡轮型垂直轴风力机流场分析_张生龙.pdf
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1、第 39 卷第 4 期电站系统工程Vol.39 No.42023 年 7 月PowerSystemEngineering6文章编号:1005-006X(2023)04-0006-03导流式涡轮型垂直轴风力机流场分析张生龙1郭馨2(1.中国船舶集团有限公司工程管理中心,2.黑龙江省节能监测中心)摘要:导流式涡轮型垂直轴风力机结构特点和气动性能倍受关注。利用 Fluent 软件进行数值模拟,提出结合当地风玫瑰图设计设置导流叶片的思路。数值模拟证明合理设置的导流叶片不仅可以有效降低或消除逆风区来流对叶片的直接冲击而造成的阻力转矩,而且还有助于增强顺风区来流对叶片的有效冲击。透彻研究导流式涡轮型垂直轴
2、风力机复杂流场的气动特性,有助于垂直轴风力机性能的跨越式发展。关键词:垂直轴风力机;导流叶片;数值模拟;气动性能中图分类号:TK14文献标识码:AFlow Field Analysis of a Diversion Turbine VerticalAxis Wind TurbineZHANG Sheng-long1,GUO Xing2(1.Engineering Management Center of CSSC,2.Heilongjiang Energy Conservation Monitoring Center)Abstract:The structural characteristic
3、s and aerodynamic performance of a diversion turbine type vertical axis windturbine have attracted great attention.Using Fluent software for numerical simulation,the idea of designing and installingguide vanes in combination with local wind rose charts is proposed.Numerical simulation has shown that
4、 a reasonablyset guide vane can not only effectively reduce or eliminate the drag torque caused by the direct impact of upstream flowon the blade,but also help to enhance the effective impact of downstream flow on the blade.A thorough study of theaerodynamic characteristics of the complex flow field
5、 in a guided turbine type vertical axis wind turbine is helpful for theleapfrog development of vertical axis wind turbine performance.Key words:vertical axis wind turbine;guide vanes;CFD;aerodynamic performance能源是人类社会发展进步的动力和保障。随着科技的飞速发展和人类生活水平的日益提高,能源消耗与日俱增,致使传统能源日趋枯竭,而且环境污染也日渐加剧恶化。解决能源和污染是生产、生活面临的
6、最紧迫问题。风能是取之不竭、用之不尽的清洁的可再生绿色能源,风力发电是风能利用的重要形式12,也是目前可再生能源中技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。利用风能是有效缓解能源、环保问题的重要途径。风力发电技术已经非常成熟,装机容量已达可喜的成果。目前主要采用水平轴螺旋桨式风力发电机组,但存在以下难以克服的不利因素:为适应风向的变化,需配备偏航系统以使风轮扫掠面始终垂直于主风向,该系统包含有风向检测、角位移发送、角位移跟踪、闭环电力拖动等,系统复杂、成本高;变桨矩液压系统,水平轴叶片翼展各处的圆周速度和相对于风速的迎角不同,叶片需扭转和变截面,加工难度大。液压系统调节叶
7、片桨矩、阻尼、停机、刹车等,冬季要有防冻措施,以防失灵;水平轴风力发电机叶片结构相似悬臂梁,叶片上受到正面风载荷力和离心力,对叶根部弯矩应收稿日期:2022-09-15张生龙(1981-),男,高级工程师。北京,100000力要求苛刻,旋转时受惯性力和重力的综合作用,惯性力周期性变化,重力方向始终向下,交变载荷产生的交变应力对材料疲劳寿命影响大,对材料强度、刚度性能要求高;水平轴风机的机舱放置在近百米的塔顶,而且是一个可旋转 360 度的活动联接机构,重达几十吨,重心高、不稳定,且维护不便;兆瓦级风力发电机叶片长度已达 50 m 以上,加大扫风面积依靠加长叶片,进一步增加功率受限。垂直轴风力发
8、电机以其独特的优点日益受青睐37:不需结构复杂、成本高的偏航系统;发电机、齿轮箱放在底部,重心低、稳定性好、维护方便;叶片结构简单、无扭转、易设计、易制造,叶片两端固定,叶片载荷恒定、疲劳寿命长,组合结构简单可靠,造价低,目前垂直轴风力机型主要有达里厄、莎渥纽斯、涡轮型。垂直轴风力发电系统力学性能好、结构简单、成本低,具有竞争优势。但是,垂直轴风力发电技术在理论上和应用实践方面仍处于试验研究的初级阶段。还不具备确认“垂直轴风力发电机才是未来风电的发展方向”的条件8。在气动性能、总体结构等方面亟待深入研究、探讨。1导流式涡轮型风力机第 4 期张生龙等:导流式涡轮型垂直轴风力机流场分析7任何物体在
9、流动空气中都会受到阻力和升力,涡轮型风力机风轮旋转主要靠叶片受到的阻力来驱动,升力辅之,因此属于阻力型。阻力型风轮的迎风面分顺风区和逆风区,在逆风区会产生与旋转方向相反的负力矩,减小整个风轮的力矩。其特点是气流或部分气流两次流经风机叶轮。气流沿径向流入的气流在顺风区做功、在逆风区做负功,流入的气流如无轴向流出设计,又沿径向流出,流动情况和做功情况复杂,不仅有负功现象,甚至对流场形成阻塞效应。进气和排气方向处于同一平面,流场流动情况复杂,进排气情况分析难度大,尤其是还没有研究出合适的理论计算功率输出情况和风能利用系数。叶尖速比概念不如水平轴风力机明确清晰,在整个转动平面上对每一个叶尖始终是变量。
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