小型浓缩风能型风力发电机叶轮功率特性的试验研究

【摘要】： 在前期风洞实验研究和研制的600W浓缩风能型风力发电机专用六叶片叶轮的基础上,运用气体动力学理论,推导出直径为0.86m的浓缩风能型风力发电机专用六叶轮的设计参数,改变其对应位置处的弦长,采用车载法进行功率输出对比实验。研究目的是研究改变弦长对机组功率输出特性的影响。实验结果表明:1.25倍设计弦长、设计弦长叶轮、0.75倍设计弦长叶轮的起动风速为1.85m/s、2.56m/s和2.9m/s。三者分别在风速为9.96m/s、11m/s和11.72m/s时达到额定输出。在风速为9m/s时,三者的Cp都达到最大,分别为0.35、0.31和0.29。说明适当增加叶片的弦长可以提高机组的功率输出特性。同时,在保证叶轮直径不变的前提下,设计了一套三叶片螺旋桨式叶轮。在此基础上对叶片进行了修型处理,设计了修型叶片、等弦长叶片和直叶片。并将四种叶片分别放到三种轮毂上做功率输出对比实验,实验结果表明,修型叶片和理论设计叶片在相同的安装角下,功率输出特性曲线十分接近,说明采用的修型原则是可行的。并以修型叶片为例,对叶片进行强度校核,得到额定风速下叶片在垂直位置时轴根部的最大正应力为2.44×10~7Pa,水平位置的最大正应力为2.087×10~5Pa,安全可靠。以上研究结果,可为浓缩风能型风力发电机的叶轮设计进一步发展提供重要参考,为该型机的产业化和大型化奠定基础。 【关键词】：浓缩风能型风力发电机 叶轮 强度校核 风能利用系数
【学位授予单位】：内蒙古农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 1 引言7-10
• 1.1 风能利用的历史7
• 1.2 国内外风力发电发展现状和前景7-9
• 1.3 风力发电机叶轮技术的发展与现状9-10
• 1.4 本课题的研究内容和意义10
• 2. 风力发电机叶轮的工作原理及浓缩风能型风力发电机的特点10-13
• 2.1 风力发电机叶轮的工作原理10-11
• 2.2 风能和浓缩风能型风力发电机的特点11-13
• 2.2.1 风能的特点11-12
• 2.2.2 浓缩风能型风力发电机的特点12-13
• 3 风力发电机叶轮所涉及的基本概念和基本理论13-23
• 3.1 翼型的几何参数和气流角13
• 3.2 作用在运动翼型上的气动力13-14
• 3.3 风力发电机叶轮叶片的设计理论14-23
• 3.3.1 Betz 理论14-16
• 3.3.2 叶素理论16-17
• 3.3.3 简化风车理论17-19
• 3.3.4 葛劳渥旋涡理论19-23
• 3.3.4.1 风轮的旋涡系20
• 3.3.4.2 诱导速度的确定20-21
• 3.3.4.3 轴向推力和扭矩的计算21-23
• 4 浓缩风能型风力发电机专用叶轮的设计23-36
• 4.1 浓缩风能型风力发电机专用六叶轮的设计24
• 4.1.1 专用六叶轮设计的初始条件24
• 4.1.2 专用六叶轮各截面的弦长和扭角的确定24
• 4.2 浓缩风能型风力发电机螺旋桨式三叶轮的设计24-30
• 4.2.1 螺旋桨式三叶轮设计的初始条件24
• 4.2.2 螺旋桨式三叶轮尖速比的确定24-25
• 4.2.3 螺旋桨式三叶轮翼型的选择25-26
• 4.2.4 螺旋桨式叶轮功率调节方式的确定26-27
• 4.2.5 螺旋桨式三叶轮材料的选择27-28
• 4.2.6 螺旋桨式三叶轮的弦长和安装角的理论计算28-30
• 4.2.7 螺旋桨式三叶轮叶片根部与轮毂连接部分的修平处理30
• 4.3 叶片的受力分析30-34
• 4.3.1 作用在叶片上的离心力 Fc31-32
• 4.3.2 作用在叶片上的风压力 Fv32-33
• 4.3.3 作用在叶片上的气动力矩 Mb33
• 4.3.4 作用在叶片上的陀螺力矩 Mk33-34
• 4.4 叶片强度的校核34-36
• 5 浓缩风能型风力发电机功率特性实验及其结果分析36-46
• 5.1 100W 永磁发电机试验台实验36-38
• 5.1.1 实验仪器36-37
• 5.1.2 发电机实验测试系统原理简图37-38
• 5.2 车载实验及其结果分析38-46
• 5.2.1 实验仪器38-39
• 5.2.2 风力发电机输出功率测量方案39
• 5.2.3 温度、大气压力和空气密度39
• 5.2.4 皮托管工作原理39-40
• 5.2.5 起动风速v_0 的测定40
• 5.2.6 风力发电机功率曲线的绘制40-42
• 5.2.7 3 种浓缩风能型风力发电机专用六叶轮功率输出特性的比较42-43
• 5.2.7.1 功率特性的比较42
• 5.2.7.2 风能利用系数的计算42-43
• 5.2.8 4 种螺旋桨式三叶轮的功率输出特性的比较43-46
• 5.2.8.1 同一叶片在不同安装角下的功率输出特性44
• 5.2.8.2 不同叶片在同一安装角的轮毂上的功率输出特性44-46
• 5.2.9 浓缩风能型风力发电机专用六叶轮与螺旋桨式三叶轮输出功率的比较46
• 6 结论和讨论46-48
• 6.1 结论46
• 6.2 讨论46-48
• 致谢48-49
• 参考文献49-51
• 附录51-59
• 作者简介59

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