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多叶片Savonius垂直轴轴力机的设计与数值分析

作　者: Binyet Emmanuel Mbondo（仁飘零）
导　师: 王军
学　校: 华中科技大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: SAVONIUS风力机 CFD 垂直轴风力机 VAWT
分类号: TK83
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 14次
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内容摘要

垂直轴风力机分为两大类:DARRIEUS(升力型,简称H型)和SAVONIUS(阻力型,简称S型)。两叶片的升力型风力机启动转矩低但效率较高,阻力型风力机具备高的启动转矩但效率很低。现在流行设计混合型风力机(将S型和H型风力机的设计思想综合在同一模型上),它能够利用升力与阻力。许多学者利用低成本的办法来单独提高启动转矩和效率。最常见的措施是改变叶片数以及优化叶型。SAVONIUS风力机总成本低,制造和维修简单,虽然效率较低,但它适用于风速低的居民区。本文研究的目标就是设计一台高效低成本的阻力型垂直轴风力机,并选用六个叶片的SAVONIUS型式。SAVONIUS风力机的转子在风速很低的情况下开始向外输出功率,在风速很高的情况下依然能够持续输出。因为利用风速的范围很广,虽然效率低,但是这种风力机还是很受欢迎。由于SAVONIUS风力机基本上能够一直输出功率,它的年发电量远远高于同尺寸的水平轴风力机。原装SAVONIUS的输出功率较低有两个原因:(1)风打到叶片凸面上引起负转矩;(2)随着转子的旋转,其转矩由高到低变化幅度很大。两叶片SAVONIUS风力机的最大缺点是:随着转子的旋转,转矩会下降到为接近零的程度。在某一些角度下,转子无法启动,而多叶片能够确保转矩的稳定性。本文所介绍的提高效率的方法为:(1)增加叶片数目和优化设计(2)不让来流风打到叶片的凸面上,即可以用一种“盾”或导叶把叶片的凸面盖住。目前的阻力型风力机,尚未看到含“盾”或挡风板的型式,所以本文以这种含“盾”的风力机为研究对象,开展风力机的CAD设计、CFD分析和样机制造等工作。二维CFD计算的结果显示,这种新型的风力机比常规垂直轴风力机效率高出约20%。从样机的制造角度来看,含导风结构的风力机有弊病,即进口须保持对风以及稳定性,减少摩擦;要达到这种要求将带来设计和运行的复杂化。另外,单独采用转子的风力机型式的效率并不低,而且简单方便,可以接受任何角度的风源而不需要对风的条件。因此,开展转子的优化设计研究工作非常有必要。本研究设计出了一种效率高且成本低的垂直轴风力机。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1. Introduction  8-19
  1.1 Role of Wind Power  8-9
  1.2 Comparing Wind Turbines  9-14
  1.3 Optimized Types of the Savonius Wind Turbine  14-18
  1.4 Scope of the present thesis  18
  1.5 Summary  18-19
2.Design of the Wind  19-29
  2.1 Rotor  19-20
  2.2 Mobile Shield  20-23
  2.3 Stator  23-24
  2.4 Roller bearings  24-26
  2.5 Base  26
  2.6 Generator  26-28
  2.7 Summary  28-29
3.Numerical Study using Computational Fluid Dynamic  29-75
  3.1 CFD Modeling  29-45
  3.2 “S”rotor principle  45-55
  3.3 Adding external devices to improve efficiency  55-63
  3.4 Rotor Optimization  63-67
  3.5 Full and Half Shield Optimized Rotor  67-69
  3.6 Standard Savonius Rotor  69-71
  3.7 Optimized Rotor with Stator  71-72
  3.8 Efficiency -Tip Speed Ratio  72-74
  3.9 Summary  74-75
4.Experiment  75-81
  4.1 Installation  75-76
  4.2 Measurements  76-79
  4.3 Coupling with the generator  79-80
  4.4 Summary  80-81
5.Future Work  81-82
6.Conclusi  82-84
  6.1 Summary  82-83
  6.2 Achievements  83
  6.3 Acknowledgments  83-84
参考文献  84-87
附录作者作作期作发表的论文  87

多叶片Savonius垂直轴轴力机的设计与数值分析

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