立轴风力机空气动力学与结构分析

随着越来越严重的环境污染问题的出现和化石燃料有限储量减少的双重危机的日益加深,人类对可再生能源的开发和利用变得无比迫切。现有风能利用技术的快速发展已使风能成为目前最重要的一种可再生资源。现有的风能转化系统大部分将风能通过风力机装置转化为机械能,然后通过电机转化为电能,通常风力机按风轮旋转轴在空间的方向,分为水平轴风力机(Horizontal Axis Wind Turbine简称为HAWT)和立轴风力机(Vertical Axis Wind Turbine简称为VAWT)两大类,今天的VAWTs以Darrieus形式得到闻名。 考虑VAWT旋转对雷诺数的影响,局部紊流情况下叶片的动态失速效应,引入风剪效应对气动效率的影响,结合基于动量原理的双多流管气动模型,建立起获取VAWT风轮的风能利用系数、功率和气动载荷的理论方法。 对于VAWTs,获取准确的Campbell图对于结构设计起主导作用。结合有限元程序ABAQUS 6.5.1,考虑叶片梁单元陀螺效应(科氏力)和气动弹性效应,采用大型特征值求解方法获取VAWT的特征频率和振型。对于拉索系统,其对于风轮顶端的约束刚度和自身的振动特性受拉索的截面积、质量、垂度、预紧张力等因素的综合影响,拉索截面尺寸和预紧张力的确定不能从其中的某个单一因素确定拉索参数,它是一个循环确定过程。本文初步确定出拉索的截面尺寸和预紧张力,然后对风轮顶端的偏移量和拉索自身的动态特性进行分析,在满足结构设计之前对拉索的截面尺寸、预紧张力和垂度进行不断调整,使拉索满足各个影响因素综合要求。本文将提出一种结合有限元分析方法来确定拉索截面积和预紧张力。根据1MW VAWT结构初步设计,选取初步的几何参数,考虑风剪效应,采用本文中的气动理论对1MW VAWT进行了气动评价,确定1MW VAWT合适的密实度、尖速比,进而选定合理的额定风速和额定转速,并确定风轮外载随旋转方位角的变化规律。通过气动分析得到的气动载荷,结合拉索结构分析方法确定1MW VAWT拉索的截面积和预紧张力,然后简化拉索对风轮顶端的约束,对风轮进行结构动力学分析,获取风轮随转速的动态特征频率的变化,获取风轮的Campbell图,为进一步的VAWT设计服务。