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垂直轴风力机翼型研究现状及对策

垂直轴风力机翼型研究现状及对策
垂直轴风力机翼型研究现状及对策

阻力型垂直轴风力发电机

阻力型垂直轴风力发电机概述 早在1300多年前,中国就已经出现一种古老的垂直轴风车,它利用风力来灌溉,如下图所示,它是由8个风帆组成的风轮。而在1000年前,波斯也建造了垂直轴的风车来带动他们磨谷的 石磨。水平轴风力发电机最早出现在欧洲,要比垂直 轴风力发电机晚很多年,所以垂直轴风力发电机可以 称为所有风力发电机的先驱。而垂直轴风力发电机根 据驱动力的不同又可以分为升力型和阻力型垂直轴风 力发电机,本文主要介绍阻力型垂直轴风力发电机。 1.阻力型风力发电机的工作原理 阻力型垂直轴风力发电机风轮的转轴周围,有一对或者若干个凹凸曲面的叶片,当它们处于不同方位时,相对于它的来风方向所受的推力F是不同的。风力作用于上述物体上的空气动力差别也很大。作用力F可表示为:F=1/2?ρ?S·V??C 其中ρ——空气密度,一般取1.25(kg/m?) S——风轮迎风面积 V——来流风速 C——空气动力系数 以半球为例,当风吹到半球凹面一侧,c值为1.33,当风吹到半球凸面一侧时,c值为0.34。对于柱面,当风吹向凹面和凸面时,系数c分别为2.3和1.2。由于组成风轮的叶片不对称性和空气阻力的差异,风对风轮的作用就形成了绕转轴的驱动力偶,整个风轮随即转动。 阻力型风力发电机的种类及其性能 1.杯式风速计是最简单的阻力型风力发电机。

https://www.sodocs.net/doc/568289631.html,fond风轮 这是受到离心式风扇和水力机械中的banki涡轮启示而设计成的一种阻力推进型垂直轴风 力发电机,它的名称是根据它的发明者——法国的lafond的名字而得名的。 这种叶片形状的凹面及凸面在受到风力作用后,空气阻力系数差别很大,加上叶片在风里运转时,先使气流吹向一侧,然后运动着的叶片又使气流流向另一侧,这样就产生了一个附加驱动力矩,故这种风轮有较大的启动力矩,它在风速2.5M/s时就能正常起动运转,但是效率较低,能量输出大概是同样迎风面积的水平轴风力发电机的一半。 3.savonius(萨沃尼斯)式风轮(简称“s”轮) 这种风力发电机是在1924年由芬兰工程师savonius发明的,并于1929年获得专利。这种风轮最初是专为帆船提供动力而设计的。它由两个半圆筒组成,其各自中心相错开一段距离。其中D为风轮直径,d为叶片直径,e为间隙。最早形式的结构其相对偏置量为:e/d=1/3。s型风轮是阻力型风力发电机。凹凸两叶片上,风的压力有一个差值,而其气流通过叶片时要转折180°,形成一对气动力偶。阻力型风轮的旋转速度都不会大于风速,也就是尖速比不会超过1。一般情况下,S型的尖速比在0.8和1之间,它的起动力矩大,所以气动性能好,

垂直轴风力发电机研究报告

垂直轴风力发电机研究报告 1.垂直轴与水平轴对比 垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机相比,有其特有的优点: ①水平轴风力发电机组的机舱放置在高高的塔顶,而且是一个可旋转360 度的活动联接机构,这就造成机组重心高,不稳定,而且安装维护不便。垂直轴风力发电机组的发电机,齿轮箱放置在底部,重心低,稳定,维护方便,并且降低了成本。 ②风力发电机的客户越来越需要使用寿命长、可靠性高、维修方便的产品。垂直轴风轮的翼片在旋转过程中由于惯性力与重力的方向恒定,因此疲劳寿命要长于水平轴风轮;垂直轴风力发电机的构造紧凑,活动部件少于水平轴风力机,可靠性较高;垂直轴系统的发电机可以放在风轮下部甚至地面上,因而便于维护。 ③风力发电机由于高度限制和周围地貌引发的乱流,常常处于风向和风强变化剧烈的情况,垂直轴风力发电机有克服“对风损失”和“疲劳损耗”上有水平轴风力发电机不可比的优点,且理论风能利用率可达40%以上.因此在考虑了较小的启动风速和对风力机影响较大的“对风损失”之后,从而提高垂直轴风轮的风能实际利用率。 ④水平轴风力发电机组机仓需360度旋转,达到迎风目的。这个调节系统包含有旋转机构,风向检测,角位移发送,角位移跟踪等系统。垂直轴风力机不要迎风调节系统,可以接受360度方位中任何方向来风,主轴永远向设计方向转动。 ⑤水平轴风力发电机的翼片受到正面风载荷力,离心力,翼片结构相似悬臂梁。翼片根部受到很大弯矩产生的应力。而且翼片在旋转一周的过程中,受惯性力和重力的综合作用,惯性力的方向是随时变化的,而重力的方向始终不变,这样翼片所受的就是一个交变载荷,这就要求翼片有很高的的疲劳强度,因此大量事故都是翼片根部折断。而垂直轴风机的翼片主要承受拉应力,不易折断,寿命长。 ⑥水平轴风力发电机组翼片的尖速比高,一般在5~7左右,在这样的高速下翼片切割气流将产生很大的气动噪音,导致噪声污染。垂直轴风力机翼片的尖速比较水平轴的要小的多,这样的低转速基本上不产生气动噪音,无噪音带来的好处是显而易见的,以前因为噪音问题不能应用风力发电机的场合(城市公共设

风力机设计原理

第二章风力机设计理论 2.1 翼型基本知识 翼型几何参数: 如图所示在风轮半径:处取一宽度为dr的叶素,翼型的气动性能直接与翼型外形有关。通常,翼型外形由下列几何参数确定: (l)翼的前缘: 翼的前头A为一圆头; (2)翼的后缘: 翼的尾部B为尖型; (3)翼弦:翼的前缘左与后缘B的连线称翼的弦,左B的长是翼的弦长 (4)翼的上表面: 翼弦上面的弧面; (5)翼的下表面: 翼弦下面的弧面; (6)翼的最大厚度h: 翼上表面与下表面相对应的最大距离; (7)叶片安装角e: 风轮旋转平面与翼弦所成的角; (8)迎角(攻角)a: 翼弦与相对风速所成的角度; (9)入流角功: 旋转平面与相对风速所成的角。

2.2叶片设计的空气动力学理论 2.2.1贝茨理论 世界上第一个关于风力发电机叶轮叶片接受风能的完整理论是1919年由德国的贝茨(Bee)建立的。贝茨理论的建立,是假定叶轮是“理想”的:全部接受风能(没有轮毂),叶片无限多;对空气流没有阻力;空气流是连续的、不可压缩的;叶片扫掠面上的气流是均匀的;气流速度的方向不论在叶片前或叶片后都是垂直叶片扫掠面的(或称平行叶轮轴线的),这时的叶轮称“理想叶轮”。其计算简图如图。

V1——距离风力机一定距离的上游风速; V ——通过风轮时的实际风速; V2——离风轮远处的下游风速。 风力贝茨理论计算模型: 风作用在风轮上的力可由Euler 理论(欧拉定理) )(12V V SV F -=ρ 风轮所接受的功率为: )(122V V SV FV P -==ρ 经过风轮叶片的风的动能转化: )(2 12221V V SV T -=?ρ 由2和3式得到 221V V V += 因此风作用在风轮叶片上的力F 和风轮输出的功率P 分别为 )(2 1 2221V V S F -=ρ

小型垂直轴风力发电机设计

小型垂直轴风力发电系统设计 [摘要]本文介绍了一种小型垂直轴风力发电系统的设计方案,本系统主要面向沿海高层建筑或边远地区用户。经过查阅大量文献资料结合必要的理论计算,系统采用四片NACA0012型叶片构成H型达里厄风力机,利用永磁直驱同步发电机将机械能转化为电能,经过电力电子电路对蓄电池进行充电。文中对主要支撑件和传动件进行了必要的结构校核,对所用的两个角接触球轴承进行了使用寿命校核。最后以垂直轴风轮和永磁直驱发电机为主要对象,用solidworks软件建立三维模型,设计风力发电系统主要零部件,并简要介绍其控制电路、选择蓄电池型号。 [关键字] 垂直轴风力发电机达里厄 NACA0012翼型

Design of the Vertical Axis Wind Turbine [Abstract]This is a design of a kind of vertical axis wind turbine which was used in removed rural area or highrise in seaside city based on related theories. By consulting reference sources and necessary mathematical operation,four NACA0012 air-foil blades were used as the compoments of the H-type Darrieus. The lead-acid bettery was charged by the electrical energy which was generated by a permanent magnet synchronous motor with the operation of power electronic circuits. In this article,some constructures such as the main suppoting parts and the angular contact ball bearings were vertified on the intensity and life. By using of the solidworks2006 software,every important part has a 3D model. We also design a control circuit and bettery breifly. [Keywords] Vertical axis Wind turbine Darrieus NACA0012 air-foil

阻力型垂直轴风力机资料

屏障平板式风力机(垂直轴阻力式风力机之一) 一个垂直于风向的平板会受到一个与风向相同的力,我们称这个力为阻力。屏障平板式风力机就是利用风的阻力做功的风力机。 这是一个屏障平板式风力机的叶片转子(叶轮),在转轴上分布着六个平板叶片。 当风吹向风叶转子时,转子并不会旋转,因为风在转子两侧的阻力相同。 如果在轴的一侧装上挡风的屏障。

在挡风屏障一侧的风将绕屏障外面通过,不对叶片产生推力;而另一侧接受风力,叶片转子就会旋转。 叶片转子的轴垂直于地面安装,结构简单,维护方便。 当风向变化时,为了保证屏障总在转子旋转逆风一面,屏障是可绕轴旋转的,在屏障后侧装有尾舵。安有尾舵的屏障可保证在任何风向下叶片转子都朝一个方向旋转。

风叶片可以是平板,也可以是别的形状,这个屏障式风力机的叶片是弧面的。 屏障平板式风力机对风的利用效率不高,在叶尖速比λ值为0.2至0.6时出力最大。由于结构简单,增速箱与发电机可安装在地面,方便安装维护,适合在小型风电应用,。 平板摆转式风力机(垂直轴阻力式风力机之二) 一个垂直于风向的平板会受到一个与风向相同的力,我们称这个力为阻力。平板摆转式风力机是利用风的阻力做功的风力机。 这是平板摆转式风力机的叶片,在叶片一边有轴

把叶片装在转子支架上,可以旋转,在支架上有挡杆限止叶片的转动角度。在转子支架上安装六个可转动的叶片。 当风吹向风叶转子时,在上侧的叶片顺风摆动,对风不产生阻力;在下侧的叶片在风力作用下,转向挡杆限定的位置,并继续受到风力的作用,于是风叶转子就旋转起来。 叶片转子的轴垂直于地面安装,由于风叶转子结构的对称性,各个方向的风力均可推动它旋转。

垂直轴风力发电机设计

毕业设计(说明书) 2012 届 题目垂直轴风力发电机设计 专业机械设计制造及其自动化 学生姓名╳╳╳ 学号 指导教师╳╳╳ 论文字数 完成日期 湖州师范学院教务处印制

原创性声明 本人郑重声明:本人所呈交的毕业论文,是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等,均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外,不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名:日期:

关于毕业论文使用授权的声明 本人在指导老师指导下所完成的论文及相关的资料(包括图纸、试验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等),知识产权归属湖州师范学院。本人完全了解湖州师范学院有关保存、使用毕业论文的规定,同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权湖州师范学院可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用任何复制手段保存和汇编本毕业论文。如果发表相关成果,一定征得指导教师同意,且第一署名单位为湖州师范学院。本人离校后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时,第一署名单位仍然为湖州师范学院。 论文作者签名:日期: 指导老师签名:日期:

垂直轴风力发电机设计 摘要:本次毕业设计主要是完成垂直轴风力发电机设计。风力发电现今发展飞速,其中小型发电机组以其设备简单、成本较低、风能利用率高、启动、制动性能好等优点,得到越来越多青睐。本论文主要介绍了小型风力发电机的机械结构部分,从独立型风力发电机组的构成特点、运行特点、保护措施等各方面,介绍了实现机组无人值守全自动运行的设计思想和实施办法。 本设计利用机电一体化设计使整个系统组成简单,结构精巧,控制方便,性能可靠,应用前景广阔。 关键词:垂直轴,风力发电机,设计

风力机空气动力学

第三章风力机气动力学 §3.1 总论 风力机功率的产生依赖于转子和风的相互作用。 风由平均风和附加于上的强烈的湍流脉动合成。 风力机的平均功率输出和平均载荷等主要性能由平均气流的气动力决定。周期性的气动力是疲劳载荷源和风力机峰值载荷的一个因素。周期性的气动力可以由切变风、偏轴风(off-axis winds)、转子旋转、由空气紊流和动力学影响诱发的随机脉动力引起。 本章首先关注的是稳态运行的空气动力学现象,关于非稳态空气动力学的复杂现象将在本章结尾简要介绍。 本章为读者提供理解翼型产生功率的背景,以计算一个优化的叶片形状作为设计叶片的起点,对已知翼型特性线和叶型的转子分析其气动性能。 本章的大部分内容详细说明了采用古典分析方法分析水平轴风力机。动量理论和基元叶片理论(blade element theory)构成了片条理论(strip theory)或基元叶片动量理论(BEM)。以此计算转子环形截面的特性,然后通过积分就可以获得整个转子的特性。 内容分为:1、理想风力机的分析(Betz极限) 2、翼型的运行和一般气动力概念 3、重点放在水平轴风力机的经典分析方法和一些应用和例子 §3.2 一维动量理论和贝兹极限 控制体积和理想透平如图,气流通过透平只产生压力不连续,并假设 ●气流均匀,不可压缩,定常流 动 ●气流无磨擦阻力 ●透平具有无限多叶片 ●推力均匀作用在转子叶轮旋转 面上

● 尾流无旋转 ● 转子远上游和远下游静压等于无干扰时环境的静压 设T 为风作用于风力机上的力,由动量定理可知,透平对风的作用力为: 4114()()T mU mU m U U ??? =---=- (3.2.2) 对于稳态流动,14()()AU AU m ρρ==,m 是质量流量,这里ρ是空气密度, A 是横截面,U 是空气速度。 此外,还由理想流体伯努利方程可知: 22 11221122 p U p U ρρ+=+ (3.2.3) 22 33441122 p U p U ρρ+=+ (3.2.4) 因为14p p =,且通过透平的前后速度一样(23U U =)。 由实际作用力223()T A p p =- (3.2.5) 利用3.2.3式和3.2.4式求得23()p p -,将其带入3.2.5式,得到: 222141 ()2 T A U U ρ= - (3.2.6) 从式3.2.2和式3.2.6得到推力值,设质量流量是22A U ,得到: 14 22 U U U += (3.2.7) 定义诱导速度(induction factor )a 为: 12 1 U U a U -= (3.2.8) 21(1)U U a =- (3.2.9) 且 41(12)U U a =-

升力型垂直轴风力机

达里厄风力机(升力型垂直轴风力机之一) 阻力型的垂直轴风力机虽然简单可靠,安装维修方便,但其叶尖速比在0.5左右才能获得较高的功率输出,也就是说叶片速度较低,仅为风速的一半,若风轮直径较大时,转速会很低,再说阻力型的垂直轴风力机最大功率系数不超过15%,这就限制了阻力型风力机在大型风力机中的应用。目前大中型风电主要采用水平轴风力机,属升力型风力机,具有转速高、风的利用率较高的优点,其叶尖速比通常在4以上,转速高,最大功率系数可达50%。 垂直轴风力机也有升力型风力机,法国航空工程师达里厄(Darrieus)在1931年发明了升力型垂直轴风力机,后人习惯把升力型垂直轴风力机统称为达里厄风力机(D式风力机),下面介绍这种风力机的原理与结构。 叶轮由两片垂直的叶片阻成,叶片截面为流线型的对称翼型,以相反方向安装在转轴两侧。注:为适合图中表示,叶片长度与支架长度都较实际比例缩小。 在下面图中列举了从0度到315度八个位置的叶片,风从左边进入,浅蓝色的矢量v是风速、绿色的矢量u 是叶片圆周运动的线速度反向(即无风时叶片感受到的气流速度)、蓝色的矢量w是叶片感受到的合成气流速度(即相对风速)、紫色的矢量L是叶片受到的升力。 我们分析一下叶片在这八个角度的受力情况,在90度与270度的位置,相对风速不产生升力,在其它六个位置上叶片受到的升力均能在运动方向产生转矩力,这也是达里厄风力机能在风力下旋转的道理。

实际上情况要复杂得多,前面分析图是理想状态,是在理想的叶尖速比与没有叶片的阻力时的状态。叶片推动风轮旋转的转矩力是升力与阻力的合成力在叶片前进方向的分力。我们取315度时的情况分析一下有阻力的情况,图中黑色的矢量D为叶片受到的阻力,棕色的矢量F是升力L与阻力D的合成力,该力在叶片前进方向的分力M才是实际的转矩力,显然此时的转矩力明显小于理想状况。 而且在180度与270度附近的角度内,升力与阻力的合成力产生的是反向转矩力。

垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机对比

垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机 风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视。其蕴藏量巨大,全球风能资源总量约为2.74×109兆瓦,其中可利用的风能为2×107兆瓦。中国风能储量很大、分布面广,开发利用潜力巨大。 中国风力装机容量达到1000万千瓦的速度令人惊叹。如果中国能够利用其土地上大约30亿千瓦的风能的话,将能够满足几乎所有中国当前的电力需求,短时期内这是不可能的,不过中国有可能将2020年风电总装机目标由3000万千瓦调高至1亿千瓦。在国际效率标准下运行的话,这能够满足5%的中国电力需求,并且使中国成为世界最大的风能发电国,只要中国采取更进取而有理智的方针,就能最大限度地利用其国家的风能。 当然风能的利用离不开风力发电机,风力发电机的品质和价格成为了人们关注的焦点。 当前风力发电机有两种形式:1 水平轴风力发电机(大、中、小型);2 垂直轴风力发电机(大、中、小型)。 水平轴风力发电机技术发展的比较快,在世界各地人们已经很早就认识了,大型的水平轴风力发电机已经可以做到3-5兆瓦,一般由国有大型企业研发生产,应用技术也趋于成熟。小型的水平轴风力发电机一般是一些小型民营企业生产,对研发生产的技术要求比较低,其技术水平也是参差不齐。 小型水平轴风力发电机的额定转速一般在500-800r/min,转速高,产生的噪音大,启动风速一般在3-5m/s,由于转速高,噪音大,故障频繁,容易发生危险,不适宜在有人居住或经过的地方安装。 垂直轴风力发电机技术发展的较慢一些,因为垂直轴风力发电机对研发生产的技术要求比较高,尤其是对叶片和发电机的要求。近几年垂直轴风力发电机的技术发展很快,尤其小型的垂直轴风力发电机已经很成熟。 小型的垂直轴风力发电机的额定转速一般在60-200r/min,转速低,产生的噪音很小(可以忽略不计),启动风速一般在1.6-4m/s。 由于转速的降低,大大提高了风机的稳定性,没有噪音,启动风速低等优点,使其更适合在人们居住的地方安装,提高了风力发电机的使用范围。 参数对比: 序号性能水平轴风力发电机垂直轴风力发电机 1 发电效率50-60% 70%以上 2 电磁干扰(碳刷)有无 3 对风转向机构有无 1

风力机的基本参数与理论

风力发电机风轮系统 2.1.1 风力机空气动力学的基本概念 1、风力机空气动力学的几何定义 (1)翼型的几何参数 翼型 翼型本是来自航空动力学的名词,是机翼剖面的形状,风力机的叶片都是采用机翼或类似机翼的翼型,与翼型上表面和下表面距离相等的曲线称为中弧线。下面是翼型的几何参数图 1)前缘、后缘 翼型中弧线的最前点称为翼型的前缘,最后点称为翼型的后缘。 2)弦线、弦长 连接前缘与后缘的直线称为弦线;其长度称为弦长,用c表示。弦长是很重要的数据,翼型上的所有尺寸数据都是弦长的相对值。 3)最大弯度、最大弯度位置 中弧线在y坐标最大值称为最大弯度,用f表示,简称弯度;最大弯度点的x坐标称为最大弯度位置,用x f表示。 4)最大厚度、最大厚度位置 上下翼面在y坐标上的最大距离称为翼型的最大厚度,简称厚度,用t表示;最大厚度点的x坐标称为最大厚度位置,用x t表示。

5)前缘半径 翼型前缘为一圆弧,该圆弧半径称为前缘半径,用r1表示。 6)后缘角 翼型后缘上下两弧线切线的夹角称为后缘角,用τ表示。 7)中弧线 翼型内切圆圆心的连线。对称翼型的中弧线与翼弦重合。 8)上翼面凸出的翼型表面。 9)下翼面平缓的翼型表面。 (2)风轮的几何参数 1)风力发电机的扫风面积 风轮旋转扫过的面积在垂直于风向的投影面积是风力机截留风能的面积,称为风力机的扫掠面积,下图是一个三叶片水平轴风力机的扫掠面积示意图。 下图是一个四叶片的H型升力垂直轴风力发电机的扫掠面积示意图。 根据前面两表可由所需发电功率估算出风力机所需的扫风面积,例如200W的升力型垂直轴风力发电机工作风速为6m/s,全效率按25%计算所需扫风面积约为6.2m2,如果工作风速为10m/s则所需扫风面积约为1.4m2即可;例如10kW的升力型垂直轴风力发电机工作风速为10m/s,全效率按30%计算所需扫风面积约为56m2,如果工作风速为13m/s则所需扫风面积约为25m2即可。按高风速设计的风力机体积小成本相对低些,但必须用在高风速环境,例如把一台设计风速为10m/s的风力机放在风速为6m/s的环境工作,其功率会下降80%;按风速

达里厄风力机

达里厄风力机 达里厄风力机 Darrieus Type Wind Turbine 2013年11月重新编辑(加一动画)阻力型垂直轴风力机虽然简单可靠,安装维修方便,但其叶尖速比在0.5至0.9左右才能获得较高的功率输出,也就是说叶片速度较低,风轮外沿线速度仅为风速的一半多,若风轮直径较大时,转速会很低,再说阻力型的垂直轴风力机功率系数一般不超过15%,S型阻力风力机虽可达25%,但其巨大的风叶生产制造、运输、安装都很困难,这就限制了阻力型风力机的广泛应用。目前大中型风电主要采用水平轴风力机,属升力型风力机,具有转速高、风的利用率较高的优点,其运行叶尖速比通常在4以上,转速高,最大功率系数可达50%。 垂直轴风力机也有升力型风力机,法国航空工程师达里厄(Darrieus)在1931年发明了升力型垂直轴风力机,后人习惯把升力型垂直轴风力机统称为达里厄风力机(D式风力

机),达里厄风力机的原始机型是φ形结构,在国外已运行的大中型达里厄风力机是φ形结构,中小型采用H形结构。在国内目前一些小微型升力阻力结合风力机采用φ形结构,大一些的达里厄风力机多采用H形结构,下面就H形结构达里厄风力机的原理进行介绍。 图1是H形达里厄风力机风轮结构图,风轮由两片与转轴平行的叶片阻成,叶片截面为流线型的对称翼型,以相反方向安装在风力机转轴两侧,风轮绕风力机转轴旋转。为较清晰表示其结构,图中将叶片弦长较实际比例进行夸大。图1--H 型达里厄风力机的风轮下面是H形达里厄风力机的旋转动画。垂直的叶片是如何带动风轮旋转呢,通过图2来分析其原理,风轮轴在叶轮径向线上,叶片随风轮旋转沿翼片轨迹运动到上风面某位置,来风从左边进入,浅蓝色的矢量v 是外来风速、绿色的矢量u是叶片圆周运动的线速度(其箭头方向是无风时翼片感受到的气流方向与速度)、紫色的矢量w 是叶片感受到的合成气流速度(即相对风速)、紫色的矢量L 是叶片受到的升力,黑色的矢量D为叶片受到的阻力,棕色的矢量F是升力L与阻力D的合成力,合成力在叶片前进方向的分力M就是是推动风轮旋转的力,该力形成对风轮转轴的转矩。图2--达里厄风力机叶片受力分析图叶片随风轮旋转到不同角度是否都有推动风轮旋转的转矩呢,图3是叶片随风轮旋转到不同角度的受力图,通过该图来看H形达里厄

垂直轴风力机

垂直轴风力发电机 垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风,在这点上相对丁水平■轴风力发电机是一大优势,它不仅使结构设计简化,而且也减少了风轮对风时的陀螺力。 垂直轴风力发电机的分类 尽管风力发电机多种多样,但归纳起来可分为两类:①水平轴风力发电机,风轮的旋转轴与风向平行;②垂直轴风力发电机,风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。 利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型,其中有利用平板和被子做成的风轮,这 是一种纯阻力装置;S型风车,具有部分升力,但主要还是阻力装置。这些装置有较大的启动力矩,但尖速比低,在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下,提供的功率输出低。 达里厄式风轮是迎ILG.J.M达里厄于19世纪30年代发明的。在20世纪70年代,加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究,现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。达里 厄式风轮是一种升力装置,弯曲叶片的剖面是翼型,它的启动力矩低,但尖速比可以很高,对于给定的风轮重量和成本,有较高的功率输出。现在有多种达里厄式风力发电机,如①型,△型,Y型和H型等。这些风轮可以设计成单叶片,双叶片,三叶片或者多叶片。 其他形式的垂直轴风力发电机有马格努斯效应风轮,他由自旋的圆柱体组成,当它在气流中工作时,产生的移动力是由于马格努斯效应引起的,其大小与风速成正比。有的垂直轴风轮使用管道或者漩涡发生器塔,通过套管或者扩压器使水平气流变成垂直气流,以增加速度,偶写还利用太阳能或者燃烧某种燃料,是水平气流变成垂直方向的气流。 垂直轴风力发电机发展 垂直轴风力发电机——使风电建筑一体化成为可能 风力发电和太阳能发电一样,最初是为了解决应急电源和边远地区供电而开发出 来的产品,因而在最初发展并不是很快。 到了上个世纪二、三十年代,全球经济危机带来的能源紧张,让世界各国的专家 想到了以风力发电作为补充能源的可行性。第二次世界大战后,各国纷纷进行研究, 由于当时的技术水平较差,启动风速要求较高,发电噪音也很大,所以只能将风力发电机放在人迹罕至的地方或风力较大的地方。设备也是往大型风力发电机发展,专门建设大型风力发电场,由于水平轴风力发电机的特性,小型风力发电在相当长的时间里未得到较好的发展。 现在,各个发达国家均大力发展新能源产业,而太阳能一直是新能源商业化的首选,因为太阳能的设置地点较灵活,不会产生噪音,可以和建筑进行一体化设计。而

垂直轴风力发电机结构研究进展

1001-3997( 2011 )08-0084-03 垂直轴风力发电机结构研究进展 陈兴华吴国庆曹阳茅靖峰张旭东张玉梅迟晓妮 (南通大学机械工程学院江苏省风能应用技术工程中心,南通226019) Structural research of vertical axis wind turbine  CHEN Xing-huaWU Guo-qingCAO YangMAO Jing-fengZHANG Xu-dongZHANG Yu-meiCHI Xiao-ni [摘要]与水平轴风力发电机相比,垂直轴风力发电机具有结构对称、风能利用率高、噪音低等优 点,有着较为广阔的市场前景。首先对垂直轴与水平轴风力机作了比较,分析了垂直轴风力发电机的特 点,简要地概述了垂直轴风力机的先后发展,分别介绍了常见的萨渥纽斯阻力型、达里厄型及其变形结构等垂直轴风力机的结构,阐述了国内外学者对垂直轴风力机结构的研究现状,最后简要地分析了设计垂直轴风力机所面临的主要问题。 垂直轴风力发电机;风力发电;聚能装置 TH122;TK89A 2010-10-07江苏省科技支撑计划项目( BE2008074),江苏省科技支撑计划项目(BE2009090), 南通大学研究生科技创新计划项目(YKC09011) 万方数据

万方数据

@@[1]孙云峰,田德,王海宽,等.垂直轴风力发电机的发展概况及趋势[J].农 村牧区机械化,2008(2):42-44. @@[2]李岩.叶片重叠比对Savonius风力机性能的影响[J].可再生能源, 2008,26(3):31-33. @@[3]田海姣,王铁龙,王颖.垂直轴风力发电机发展概述[J].应用能源技术, 2006(11):22-27. @@[4]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社,2007: 11-33 @@[5]梁昌鑫,贾廷纲,陈孝祺.国内外风电的现状和发展趋势[J].上海电机 学院学报,2009,12(1 ):73-77. @@[6]郎晓飞.高效垂直轴风力发电机:中国,200610052892.5[P ].2006-08- 10[ 2008-02-13]. @@[7]严强.垂直轴风力发电机的叶片支持翼结构:中国,200610117017.0 [P].2006-10-11 [2007-10-11]. @@[8]蒋超奇,严强.水平轴与垂直轴风力发电机的比较研究[J].上海电力, 2007(2):163-165. 万方数据

垂直轴风力机的实度

垂直轴风力机的实度 垂直轴风力机的实度 在水平轴风力机栏目中风轮实度一节中讨论过风轮实度问题,垂直轴风力机的实度虽不是一个有确定值的参数,但是一个重要的参考数,实度大了不光是功率系数会降低,还可能无法正常运行。 下面简介垂直轴风力机的实度问题,内容主要来自《垂直轴风力机原理与设计》一书,供大家参考。该书主要介绍Φ型垂直在风力机,叶片数2或3个,但工作原理与直叶片的H 型风力机相同。 大型的Φ型垂直轴风力机通常采用双叶片或三叶片结构,图1是一个3叶片的Φ型垂直轴风力机风轮立体构造图。图中R是风轮的半径,H是风轮高度的一半,c是叶片截面的弦长。图1 三叶片Φ型垂直轴风力机风轮 大型的Φ型垂直轴风力机叶片较多使用对称翼型,即2叶片,因叶片较长,为加大强度一般采用较厚的NACA0015与NACA0018翼型。大部分的叶片较窄,有些叶片的弦长只有

风轮周长的1/100。 两个或三个叶片弯曲结合成Φ型,弯曲的形状多为抛物线型与悬链线型。 垂直轴风力机的实度定义为Ncl/S,其中N为叶片数,c为叶片翼型的弦长,l为叶片长度,S为风轮的迎风面积。为简单起见,通常认为垂直轴风力机的实度为Nc/R。 图2是气流通过风轮的流线图,上图是气流通过实度小的风轮时流线图;下图是气流通过实度大的风轮时流线图。可看出当风轮实度大时气流如遇到一个旋转的圆柱,绕开而行,通过风轮的气流少了、速度慢了,风轮得到的风功率小了。(注:本图不是气流的瞬时图,是一段时间的平均值图;两图的风轮没有显示实度的不同,仅是风轮的示意图)。图2 气流通过实度不同的风轮的流线图 大型Φ型垂直轴风力机风轮实度一般在0.2左右,不小于0.1。图3是不同实度的风轮在不同叶尖速比时的功率系数曲线图,显示了实度从0.1到0.4时的功率系数随尖速比的变化。实度大的适应风速变化范围窄,实度小的适应风速变化范围大。图3 不同实度的风轮在不同叶尖速比时的功率系数曲线

垂直轴风力发电机

垂直轴风力发电机 增加概述及概述图片垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风,在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势,它不仅使结构设计简化,而且也减少了风轮对风时的陀螺力。 目录 垂直轴风力发电机的分类 垂直轴风力发电机发展 风力发电设备行业的发展 新型垂直轴风力发电机(H型)一、技术原理 二、功率特性 三、结构 附:现有垂直轴风力发电电源比较: 垂直轴风力发电机的特点 现状垂直轴风力发电机的分类 垂直轴风力发电机发展 风力发电设备行业的发展 新型垂直轴风力发电机(H型)一、技术原理 二、功率特性 三、结构 附:现有垂直轴风力发电电源比较: 垂直轴风力发电机的特点 现状 展开编辑本段垂直轴风力发电机的分类 尽管风力发电机多种多样,但归纳起来可分为两类:①水平轴风力发电机,风轮的旋转轴与风向平行;②垂直轴风力发电机,风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型,其中有利用平板和被子做成的风轮,这是一种纯阻力装置;S型风车,具有部分升力,但主要还是阻力装置。这些装置有较大的启动力矩,但尖速比低,在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下,提供的功率输出低。达里厄式风轮是法国G.J.M达里厄于19世纪30年代发明的。在20世纪70年代,加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究,现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。达里厄式风轮是一种升力装置,弯曲叶片的剖面是翼型,它的启动力矩低,但尖速比可以很高,对于给定的风轮重量和成本,有较高的功率输出。现在有多种达里厄式风力发电机,如Φ型,Δ型,Y型和H型等。这些风轮可以设计成单叶片,双叶片,三叶片或者多叶片。其他形式的垂直轴风力发电机有马格努斯效应风轮,他由自旋的圆柱体组成,当它在气流中工作时,产生的移动力是由于马格努斯效应引起的,其大小与风速成正比。有的垂直轴风轮使用管道或者漩涡发生器塔,通过套管或者扩压器使水平气流变成垂直气流,以增加速度,偶写还利用太阳能或者燃烧某种燃料,是水平气流变成垂直方向的气流。 编辑本段垂直轴风力发电机发展 垂直轴风力发电机——使风电建筑一体化成为可能风力发电和太阳能发电一样,最初是为了解决应急电源和边远地区供电而开发出来的产品,因而在最初发展并不是很快。到了上个世纪二、三十年代,全球经济危机带来的能源紧张,让世界各国的专家想到了以风力发电作为补充能源的可行性。第二次世界大战后,各国纷纷进行研究,由于当时的技术水

风力机叶片翼型的研究现状与趋势

风力机叶片翼型的研究现状与趋势 风能作为一种可再生能源,在煤、石油和天然气等非可再生能源日益耗竭以及全世界对可持续发展要求的情况下,正越来越来受到世界各国的关注。风电技术复杂,风力发电机组的叶片作为捕获风能最直接的部件,其价值占到整机价值的25%左右。叶片的直径、弦长、各截面翼型选择、纵向的扭角分布等都会影响到叶片的气动性能,进而影响风轮的功率输出。而叶片的结构、材料和工艺直接影响风机的强度、疲劳、震动、载荷及成本等。因此,设计良好的叶片,翼型应该具有较佳的空气动力学性能,良好的结构和制造工艺,这样风力发电机组才能稳定运行并具有高的功率输出[1-3]。目前,因为风力发电机组向着更高的额定功率发展,最大的叶轮直径已经达到125m,风电机组对叶片的气动性能、结构和工艺提出了更高的要求。 一、国外发展与研究状况 风机翼型的设计分析理论从根本上决定风机整体的功率特性和载荷特性。因为其重要性,翼型设计分析理论的研究一直是世界各国专家和学者的科研热情所在。风机翼型的发展来源于低速应用的翼型,如滑翔机翼型。早期的低速翼型运用在风机上有WortmannFX-77翼型和NASALS翼型。在20世纪80年代,因为美国国家可再生能源实验室(NREL)的Tangler和Somers发展了许多的NREL翼型,对促进风机翼型的发展做出了很大贡献。同时,他们也提出了翼型的反设计方法。对NREL系列翼型的相关阐述可以在NREL一系列报告中找到。后续的瑞典的Bj·rkA发展了FFA-W系列的翼型,荷兰代尔夫特理工大学的TimmerWA和vanRooij也对风机翼型的发展做出了贡献,发展了DU系列的翼型。20世纪90年代中期,丹麦Risφ风能重点实验室开始研制新的风机翼型,到目前为止已经发展出了Risφ-A1,Risφ-P和Risφ-B1三种翼型系列。 翼型研究包括两方面,翼型分析和翼型优化设计。翼型分析是研究翼型气动性能,是翼型优化设计的基础。翼型设计有两种方法,包括直接数值优化设计方法和反设计方法。直接数值优化设计方法将CFD跟最优化设计理论结合起来,以升力或者升阻比为目标函数,通过不断修正翼型的几何形状,获得目标函数所要求的气动性能最佳的翼型几何形状。反设计方法的目标函数主要是目标压力分布,首先要给定一个基础翼型,通过翼型几何和流体控制方程,不断逼近所需的目标压力分布,从而得到满足给定流场分布的翼型几何。Jacobs的翼型设计方法是最早的翼型反设计方法,用这种方法设计的NACA6系列的翼型至今都在用。德国的学者Mangler(1938)和英国学者Lighthill(1945)首先提出基于保角变换的翼型反设计方法,但是计算冗长。Mangler和Lighthill的方法而且有三个重要缺点:基于保角变化的翼型反设计方法只能指定需要的翼型表面速率分布作为翼型保角变换后圆角坐标的一个函数,而不是翼型表面弧长的一个函数;并且因为指定的速率分布有三个积分限,需要定义三个自由参数,会导致不合理的速率分布和不合理的翼型形状;理论本身是单点反向翼型设计方法(速率分布只能在单个攻角下获得),不满足多点反设计的需要。20世纪60年代后,随着计算机技术的发展,翼型反设计方法更多地强调通过计算机辅助翼型设计。美国NREL的Eppler和Somers编了一个

垂直轴风力机

垂直轴风力发电机 垂直轴风力发电机的分类 尽管风力发电机多种多样,但归纳起来可分为两类:①水平轴风力发电机,风轮的旋转轴与风向平行;②垂直轴风力发电机,风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。 利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型,其中有利用平板和被子做成的风轮,这是一种纯阻力装置;S型风车,具有部分升力,但主要还是阻力装置。这些装置有较大的启动力矩,但尖速比低,在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下,提供的功率输出低。 达里厄式风轮是法国G.J.M达里厄于19世纪30年代发明的。在20世纪70年代,加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究,现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。达里厄式风轮是一种升力装置,弯曲叶片的剖面是翼型,它的启动力矩低,但尖速比可以很高,对于给定的风轮重量和成本,有较高的功率输出。现在有多种达里厄式风力发电机,如Φ型,Δ型,Y型和H型等。这些风轮可以设计成单叶片,双叶片,三叶片或者多叶片。 其他形式的垂直轴风力发电机有马格努斯效应风轮,他由自旋的圆柱体组成,当它在气流中工作时,产生的移动力是由于马格努斯效应引起的,其大小与风速成正比。有的垂直轴风轮使用管道或者漩涡发生器塔,通过套管或者扩压器使水平气流变成垂直气流,以增加速度,偶写还利用太阳能或者燃烧某种燃料,是水平气流变成垂直方向的气流。 垂直轴风力发电机——使风电建筑一体化成为可能 风力发电和太阳能发电一样,最初是为了解决应急电源和边远地区供电而开发出来的产品,因而在最初发展并不是很快。 到了上个世纪二、三十年代,全球经济危机带来的能源紧张,让世界各国的专家想到了以风力发电作为补充能源的可行性。第二次世界大战后,各国纷纷进行研究,由于当时的技术水平较差,启动风速要求较高,发电噪音也很大,所以只能将风力发电机放在人迹罕至的地方或风力较大的地方。设备也是往大型风力发电机发展,专门建设大型风力发电场,由于水平轴风力发电机的特性,小型风力发电在相当长的时间里未得到较好的发展。 现在,各个发达国家均大力发展新能源产业,而太阳能一直是新能源商业化的首选,因为太阳能的设置地点较灵活,不会产生噪音,可以和建筑进行一体化设计。而

风力机空气动力学常识

风力机空气动力学常识 作者:曹连芃 关键字:翼型,升力,阻力,相对风速,攻角,失速迎角,叶尖速比,贝茨极限,雷诺数,实度 风能曾是蒸汽机发明之前最重要的动力,数千年前就有了帆船用于交通运输,后来有了风车用来磨面与抽水等。近年来,由于传统能源逐渐枯竭、对环境污染严重,风能作为清洁的新能源得到人们的重视,风力发电已成为重要的新能源。对于想学习风力发电的朋友应该学习一些风力机空气动力学的基础知识。 升力与阻力 风就是流动的空气,把一块薄的平板放在流动的空气中会受到气流对它的作用力。 我们先分析一下平板与气流方向垂直时的情况,此时平板受到的阻力最大,D为阻力,当平板静止时,受阻力虽大但气流并未对平板做功;只有平板在阻力作用下运动,气流才对平板做功;如果平板运动速度方向与气流相同,气流相对平板速度为零,则阻力为零,气流也没有对平板做功。一般说来受阻力运动的平板速度是气流速度的20%至50%时能获得较大的功率。 当平板与气流方向平行时,平板受到的作用力为零。 当平板与气流方向有夹角时,在平板的向风面会受到气流的压力,在平板的下风面会形成负压区,平板两面的压差就产生了侧向作用力F,该力可分解为阻力D与升力L,阻力与气流方向平行,升力与气流方向垂直。

当夹角较小时,平板受到的阻力D较小;此时平板受到的作用力主要是升力L。 飞机的翼片是用来产生升力的,一般翼片上表面弯曲,下表面平直,即使翼片与气流方向平行也会有升力,因为翼片上表面弯曲,下表面平直,上方气流速度比下方快,跟据流体力学的伯努利原理,上方气体压强比下方小,翼片就受到向上的升力作用。由于飞机翼片截面为流线型,受气流阻力很小。 当翼片与气流方向有夹角(该角称攻角或迎角)时,升力会增大,阻力也会增加,适当选择翼片的攻角可获得最大的升力,尽量小的阻力。

垂直轴风力发电机

垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风,在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势,它不仅使结构设计简化,而且也减少了风轮对风时的陀螺力。 垂直轴风力发电机(vertical axis wind turbine VAWT)从分类来说,主要分为阻力型和升力型。阻力型垂直轴风力发电机主要是利用空气流过叶片产生的阻力作为驱动力的,而升力型则是利用空气流过叶片产生的升力作为驱动力的。 由于叶片在旋转过程中,随着转速的增加阻力急剧减小,而升力反而会增大,所以升力型的垂直轴风力发电机的效率要比阻力型的高很多。 1.阻力型风力发电机的工作原理 阻力型垂直轴风力发电机风轮的转轴周围,有一对或者若干个凹凸曲面的叶片,当它们处于不同方位时,相对于它的来风方向所受的推力F是不同的。风力作用于上述物体上的空气动力差别也很大。作用力F可表示为: F=1/2?ρ?S·V??C 其中ρ——空气密度,一般取1.25(kg/m?) S——风轮迎风面积 V——来流风速 C——空气动力系数 以半球为例,当风吹到半球凹面一侧,c值为1.33,当风吹到半球凸面一侧时,c值为0.34。对于柱面,当风吹向凹面和凸面时,系数c分别为2.3和1.2。 由于组成风轮的叶片不对称性和空气阻力的差异,风对风轮的作用就形成了绕转轴的驱动力偶,整个风轮随即转动。 2.升力型垂直轴风力发电机原理 在下面图中列举了从0度到315度八个位置的叶片,风从左边进入,浅蓝色的矢量v是风速、绿色的矢量u是叶片圆周运动的线速度反向(即无风时叶片感受到的气流速度)、蓝色的矢量w是叶片感受到的合成气流速度(即相对风速)、紫色的矢量L是叶片受到的升力。 我们分析一下叶片在这八个角度的受力情况,在90度与270度的位置,相对风速不产生升力,在其它六个位置上叶片受到的升力均能在运动方向产生转矩力,这也是达里厄风力机能在风力下旋转的道理。 实际上情况要复杂得多,前面分析图是理想状态,是在理想的叶尖速比与没有叶片的阻力时的状态。叶片推动风轮旋转的转矩力是升力与阻力的合成力在叶片前进方向的分力。我们取315度时的情况分析一下有阻力的情况,图中黑色的矢量D为叶片受到的阻力,棕色的矢量F是升力L与阻力D的合成力,该力在叶片前进方向的分力M才是实际的转矩力,显然此时的转矩力明显小于理想状况。 而且在180度与270度附近的角度内,升力与阻力的合成力产生的是反向转矩力。

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