豎軸葉輪的流體動力分析與性能優(yōu)化方法的改進與應用.pdf

1、風能與潮流能開發(fā)利用一直是新能源領域的研究熱點,我國風能與潮流能儲量豐富,開發(fā)利用價值巨大。豎軸葉輪以其結構形式簡單、葉片制造與整機維護方便的特點成為特別適合海島經濟體的主要能源補給。
　　由于豎軸輪機葉片在旋轉過程中產生的流場十分復雜,它的流體動力特性直接決定了輪機的能量轉換效率與葉片載荷,因此發(fā)展行之有效的豎軸輪機的流體性能預報、載荷分析及工程設計優(yōu)化方法,用于研究該類輪機的性能與流場形成機理,提高輪機的能量利用率,指導工程實

2、踐有重要意義。
　　本文以國家科技支撐計劃“150KW潮流能電站關鍵技術研究與示范”項目為背景,以風能與潮流能開發(fā)利用中的豎軸輪機為研究對象,旨在研究該類輪機的流體性能預報、載荷分析與性能優(yōu)化方法。
　　論文第一章介紹了當前國內外主流豎軸發(fā)電裝置的基本原理與結構形式、豎軸葉輪的流體動力分析與優(yōu)化方法的研究進展;第二章建立了豎軸輪機轉子的運動學和動力學,闡述了輪機的工作原理,統(tǒng)一定義了輪機幾何學、運動學與動力學參數(shù),簡要分析了

3、速比與葉片偏角對輪機能量利用律的影響;第三章首先建立了基于動量定理的流管模型,并將計算結果與公開發(fā)表的豎軸風機和課題組研制并測試的潮流能水輪機實驗數(shù)據進行了對比,指出了流管模型的適用范圍與缺陷,接著對輪機能量利用率曲線在動態(tài)失速區(qū)和第二效應區(qū)做了相應的修正,最后建立了湍流風下的流管模型,對葉片載荷的時間歷程進行了模擬;第四章以機翼尾緣上下表面存在壓力差的Kutta條件結合漩渦理論在前人工作基礎上發(fā)展了有限渦模型,用于計算多葉片非定常運動

4、的機翼受力,分析了渦與葉片干擾的機理,通過機翼做突然啟動、升沉俯仰等典型運動的算例,分析了新生渦參數(shù)、渦核半徑、尾渦合并的方式、渦與葉片碰撞等因素對計算結果造成的影響,捕捉了葉片做中高頻率升沉運動產生Knoller-Betz效應時的非線性尾渦結構;第五章使用有限渦方法對固定偏角型輪機和變偏角型輪機進行了載荷預報,通過計算結果和模型試驗結果的對比,證明了該方法具有較好的精度,然后以課題組模型試驗的輪機為原型,詳細分析了速比、葉片安裝角、密