叶片附着物对直线翼垂直轴风力机性能的影响
日期：2009-12-29 14:13:57 点击：
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直线翼垂直轴风力机(SB2VAWT) [1 ] 是达里厄 风力机(Darrieus wind t urbine) [2 ] 的一种形式,区别 是将其曲线叶片变为直线翼型,这样可改善其自起 动性能、简化叶片结构及降低加工成本. 与达里厄风力机的大型商业化并网发电的主要用途相比,直线 翼垂直轴风力机主要被用在中小型容量离网型风能 利用系统中,其大型机还处于研究开发阶段. 该种风 力机被提出后,世界上的许多研究机构和大学都对 其进行了大量的研究,尤其在加拿大,美国和日本等 地[325 ] . 虽然当时我国的一些学者也进行了这方面的 研究[ 6 ,7 ] ,但随着螺旋桨式水平轴风力机的快速发 展并成为大型风力发电的主流,有关垂直轴风力机 的研究没有得到足够重视. 近年来,随着能源紧缺与 环境污染问题的日益严重,各种新能源,尤其是风能 受到了广泛关注. 在大型并网风力发电得到迅猛发 展的同时,小型离网型风电的需求也逐渐增大,于是 风电发达国家又将目光投向了直线翼垂直轴风力机 上,例如在日本,近几年有关直线翼垂直轴风力机的 研究和应用已经超过了水平轴风力机,大量样机被 安装在全国各地进行现场试验[8 ] . 从运行报告中可 以发现,当该种风力机被安装在寒冷地区时,叶片表 面会出现结冰、积雪等附着物存在的现象,这些附着 物可引起叶片翼型和质量的变化,导致风力机的性 能受到影响. 因此,探明风力机叶片表面的结冰机 理、消除和预防叶片表面结冰对保证风力机的性能 稳定十分重要. 鉴于叶片表面结冰情况复杂、影响因 子较多,笔者以叶片表面最易结冰的前缘为研究对 象,利用黏性和变形性好的黏土作为附着物,粘接在 叶片表面前缘以模拟该处的结冰情况,通过风洞试 验分析了叶表附着物对直线翼垂直轴风力机转速和 输出功率特性的影响.
1 试验部分
1. 1 直线翼垂直轴风力机风轮模型
为进行风洞试验,笔者设计制作了1 台直线翼 垂直轴风力机模型. 该模型为1 个原理性试验模型, 即不以某个型号风力机为模型进行缩小,目的是使 试验具有普遍性. 通常,直线翼垂直轴风力机的叶片 为3～5 枚,翼型大多采用NACA 系列的薄翼型. 为 此,本试验模型采用了3 叶片结构控制工程网版权所有,叶片翼型为代表 性的NACA0018 ,叶片材料为木质,表面涂漆以保 证其光滑度. 叶片结构及尺寸示于图1 和表1.
1. 2 叶片附着物
参照有关直线翼垂直轴风力机的运行报告[8 ] , 当风力机处于静止状态时,整个叶片均容易结冰积 雪;而当风力机处于正常运转时,叶片的前缘最容易 结冰,其原因类似于飞机在飞行时机翼与迎面飞来 的水滴撞击而形成结冰的机理,其结冰的形状主要 有霜状、瘤状以及混合状等[9 ,10 ] . 笔者以叶片表面前 缘结冰形状较规则的霜状结冰为研究对象,采用黏 土作为附着物粘接在叶表前缘以模拟该处的结冰情 况,通过风洞试验测试附着物对其性能的影响.
当黏土附着在叶片表面时,叶片的翼型和质量 均发生改变,因此有必要探明二者的变化对风力机 性能的影响程度. 本研究中黏土与叶片的粘接分为 2 种模式:一是粘接在叶片前缘处模拟结冰,这时翼 型和质量二者均发生变化;二是将同等质量的黏土 嵌入叶片上下两端的内部,使叶片翼型不变而只有 质量变化. 通过对比试验来分析二者对风力机性能 的影响程度.
黏土附着于叶片表面和嵌入叶片上下两端内部 的情况示于图2. 为保证黏土在叶片表面附着均匀, 沿着叶片翼展方向选取10 个测试点来测量黏土的 厚度和形状. 其次,黏土的质量与对应厚度也分为2 种情况(表2) ,用来对比不同的黏土质量与附着厚 度对风力机性能的影响. 另外,本试验采用5 种风速 模式,以研究附着物在不同风速下对风力机性能影 响的程度和趋势.
1. 3
测试系统与试验方法
风洞试验是利用日本鸟取大学地域学部的热扩 散风洞完成的. 图3 为试验测试系统示意图. 风力机 被固定在风洞吹出口下流方向0. 5 m 处控制工程网版权所有,风力机中 心与风洞的吹出口中心一致. 风力机由诱导马达带 动,转数由频率控制器调控,并由电磁式转数传感器 检测. 力矩仪和转数传感器由日本小野计测公司生 产,型号分别为SS2002 (精度±0. 2 %) 和MP2981. 试验内容包括2 项: ① 在不同风速下,附着物对风 力机转速特性的影响; ②在一定风速下,附着物对 风力机输出
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1 试验部分
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1. 1 直线翼垂直轴风力机风轮模型
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为进行风洞试验,笔者设计制作了1 台直线翼 垂直轴风力机模型. 该模型为1 个原理性试验模型, 即不以某个型号风力机为模型进行缩小,目的是使 试验具有普遍性. 通常,直线翼垂直轴风力机的叶片 为3～5 枚,翼型大多采用NACA 系列的薄翼型. 为 此,本试验模型采用了3 叶片结构控制工程网版权所有,叶片翼型为代表 性的NACA0018 ,叶片材料为木质,表面涂漆以保 证其光滑度. 叶片结构及尺寸示于图1 和表1.
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1. 2 叶片附着物
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参照有关直线翼垂直轴风力机的运行报告[8 ] , 当风力机处于静止状态时,整个叶片均容易结冰积 雪;而当风力机处于正常运转时,叶片的前缘最容易 结冰,其原因类似于飞机在飞行时机翼与迎面飞来 的水滴撞击而形成结冰的机理,其结冰的形状主要 有霜状、瘤状以及混合状等[9 ,10 ] . 笔者以叶片表面前 缘结冰形状较规则的霜状结冰为研究对象,采用黏 土作为附着物粘接在叶表前缘以模拟该处的结冰情 况,通过风洞试验测试附着物对其性能的影响.
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当黏土附着在叶片表面时,叶片的翼型和质量 均发生改变,因此有必要探明二者的变化对风力机 性能的影响程度. 本研究中黏土与叶片的粘接分为 2 种模式:一是粘接在叶片前缘处模拟结冰,这时翼 型和质量二者均发生变化;二是将同等质量的黏土 嵌入叶片上下两端的内部,使叶片翼型不变而只有 质量变化. 通过对比试验来分析二者对风力机性能 的影响程度.
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黏土附着于叶片表面和嵌入叶片上下两端内部 的情况示于图2. 为保证黏土在叶片表面附着均匀, 沿着叶片翼展方向选取10 个测试点来测量黏土的 厚度和形状. 其次,黏土的质量与对应厚度也分为2 种情况(表2) ,用来对比不同的黏土质量与附着厚 度对风力机性能的影响. 另外,本试验采用5 种风速 模式,以研究附着物在不同风速下对风力机性能影 响的程度和趋势.
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测试系统与试验方法
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风洞试验是利用日本鸟取大学地域学部的热扩 散风洞完成的. 图3 为试验测试系统示意图. 风力机 被固定在风洞吹出口下流方向0. 5 m 处控制工程网版权所有,风力机中 心与风洞的吹出口中心一致. 风力机由诱导马达带 动,转数由频率控制器调控,并由电磁式转数传感器 检测. 力矩仪和转数传感器由日本小野计测公司生 产,型号分别为SS2002 (精度±0. 2 %) 和MP2981. 试验内容包括2 项: ① 在不同风速下,附着物对风 力机转速特性的影响; ②在一定风速下,附着物对 风力机输出
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