大容量浓缩风能型风力发电机模型气动特性的实验研究

论文摘要

本论文的选题是国家自然科学基金资助项目《浓缩风能型风力发电机叶轮系列化的风洞实验与研究》[批准号:59776033](快速反应项目)中的一部分。研究目的是通过采用车载法对大容量浓缩风能型风力发电机相似模型的气动特性、发电功率输出特性进行实验研究,对研究结果与风洞实验结果进行对比分析,初步建立浓缩风能型风力发电机中、大容量的系列化机组的关键参数的理论设计公式。在浓缩风能型风力发电机的前期研究基础上,设计制造了大容量机组的相似模型Ⅰ。采用车载法选择10m/s、12m/s、14m/s三种风速对相似模型Ⅰ的中央流路内的6列、8排共48个特征点的总压、静压等气动参数进行了测试,对测定结果和气动特性进行了理论分析研究。研究结果得出:模型内叶轮安装处的气流流速是前方相同面积来流风速的1.31倍,气流动能增至前方相同面积来流风能的2.25倍。在相似模型Ⅰ的气动特性实验中,发现了在距相似模型Ⅰ入口565mm处(扩散管轴向长度的37.8%处),气流流速是前方相同面积来流风速的1.34倍,气流动能增至前方相同面积来流风能的2.41倍。在相似模型Ⅰ的基础上,收缩管的直线圆锥改造成母线为圆弧形的圆锥,称相似模型Ⅱ。采用车载法,选择与相似模型Ⅰ相同的实验内容和实验条件,对特征点的总压、静压等气动参数进行了测试,对测定结果和气动特性进行了理论分析研究。研究结果得出:模型Ⅱ内叶轮安装处的气流流速是前方相同面积来流风速的1.38倍,比相似模型Ⅰ提高了5.3%,气流动能增至前方相同面积来流风能的2.63倍,比相似模型Ⅰ提高了16.9%。在相似模型Ⅱ的气动特性中,发现了在距相似模型Ⅱ入口断面365mm处(扩散管入口断面处),气流流速是前方相同面积来流风速的1.40倍,比相似模型Ⅰ提高了4.5%,气流动能增至前方相同面积来流风能的2.74倍,比相似模型Ⅰ提高了13.7%。在相似模型Ⅱ的气动特性中,选取风速为12m/s时对在不同温度条件下的气动特性进行了实验研究。研究结果得出:温度对气动特性的影响与理论分析结果一致,为建立中、大容量系列化浓缩风能型风力发电机的理论设计公式提供了实验依据。在相似模型Ⅱ内设计安装了风能利用系数CP为0.182、叶轮直径为860mm的六叶片叶轮,选用了效率为0.655的100W永磁直驱式风力发电机进行了功率输出特性实验,实验结果证明:叶轮安装处的气流流速是前方相同面积来流风速的1.37倍,气流动能增至前方相同面积来流风能的2.57倍。此实验结果与气动特性实验结果一致性很高。根据相似模型Ⅰ的气动特性、相似模型Ⅱ的气动特性和功率输出特性和相似原理、气体动力学、贝茨理论、叶轮设计等理论初步建立了中、大容量系列化浓缩风

论文目录

• 1 引言
• 1.1 风力机与风力发电机技术的发展史
• 1.1.1 风与风能
• 1.1.2 风力机与风力发电机技术的发展史
• 1.2 风力发电机的分类
• 1.2.1 水平轴风力机
• 1.2.2 垂直轴风力发电机
• 1.2.3 特殊型风力发电机
• 1.3 国内外风力发电技术发展现状
• 1.3.1 并网型风力发电机组
• 1.3.2 小型风力发电机组
• 1.4 本课题研究的目的与意义
• 2 浓缩风能型风力发电机技术研究基础
• 2.1 浓缩风能的理论基础
• 2.2 浓缩风能型风力发电机的前期基础研究
• 2.2.1 明星式风力发电装置的研究
• 2.2.2 以内蒙古为对象的大容量明星式风力发电机组设计
• 2.2.3 明星式风力发电装置固定翼箱的风洞实验
• 2.3 浓缩风能型风力发电机整体实验模型的风洞实验
• 2.3.1 实验模型
• 2.3.2 实验结论与分析
• 2.4 浓缩风能型风力发电机产品的形成
• 3 浓缩风能型风力发电机相似模型Ⅰ的气动特性实验研究
• 3.1 实验模型与理论分析
• 3.1.1 实验模型
• 3.1.2 能量转换的理论分析
• 3.2 实验内容与实验方案
• 3.2.1 实验内容
• 3.2.2 实验方案
• 3.3 实验结果与分析
• 3.3.1 流速分布
• 3.3.2 压力系数分布与能量转换
• 3.4 与风洞实验模型实验结果比较
• 3.4.1 结构比较
• 3.4.2 中央流路流速分布比较
• 3.4.3 能量转换比较
• 3.5 由温度引起的误差分析
• 3.5.1 理论分析
• 3.5.2 实验误差分析
• 3.6 本章小结
• 4 浓缩风能型风力发电机相似模型Ⅱ的气动特性实验研究
• 4.1 实验模型和实验内容
• 4.1.1 实验模型
• 4.1.2 实验内容
• 4.2 实验结果与分析
• 4.2.1 流速分布
• 4.2.2 压力系数分布与能量转换
• 4.3 与相似模型Ⅰ实验结果比较
• 4.3.1 结构比较
• 4.3.2 中央流路流速分布比较
• 4.3.3 能量转换比较
• 4.4 实验误差分析
• 4.4.1 由温度变化引起误差分析
• 4.4.2 由数字压力计分辨率引起误差分析
• 4.5 温度不同时对流场测试的影响
• 4.6 本章小结
• 5 浓缩风能型风力发电机相似模型Ⅱ的发电功率输出特性实验研究
• 5.1 100W 永磁发电机输出特性实验
• 5.1.1 实验方案
• 5.1.2 测量仪器
• 5.1.3 实验结果与分析
• 5.2 模型Ⅱ功率输出特性实验
• 5.2.1 叶轮设计
• 5.2.2 车载法实验方案
• 5.2.3 测量仪器
• 5.2.4 相似模型Ⅱ发电功率输出特性实验结果与分析
• 5.3 本章小结
• 6 系列化浓缩风能型风力发电机理论设计公式的确定
• 6.1 相似理论在浓缩风能型风力发电机中的应用
• 6.2 大容量机组设计的理论模型的建立
• 7 结论与讨论
• 7.1 结论
• 7.2 讨论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者简介