基于生物翼型的小型水平轴风力机叶片仿生设计及试验研究

【摘要】基于生物翼型的小型水平轴风力机叶片仿生设计及试验研究随着世界性能源紧缺和环境危机，风能作为一种取之不尽用之不竭的可再生绿色能源，受到世界各国广泛重视。目前，风力机风能利用率约为35%左右，距贝茨理论提出的极限值59.3%仍有很大的可提高空间。风力机是风力发电的主要设备，而叶片又是风力机的关键部件，直接影响风力机的效率。叶片由一系列翼型按照特殊的序列旋转排列而成，翼型的气动性能及其排列方式对叶片的气动性能有着重要的影响。本文选取25%家燕翼型、35%家燕翼型、50%长耳鸮翼型、50%海鸥翼型四种仿生翼型。采用S-A模型，在100W小型水平轴风力机运行工况下分析不同攻角下仿生翼型和标准翼型的气动特性，结果表明：在0～20°攻角范围内，选取的仿生翼型升力系数和升阻比特性与标准翼型相比，均有较大程度提高，且失速攻角较标准叶片大，具有优良的气动特性。论文重构了100W标准风力机叶片，并根据以上研究成果，结合仿生翼型构建了6组仿生风力机叶片，分别是：25%家燕翼型改进叶片、35%家燕翼型改进叶片、50%长耳鸮翼型改进叶片、50%海鸥翼型改进叶片、50%长耳鸮翼型设计叶片和50%海鸥翼型设计叶片。对仿生叶片和标准叶片进行对比分析，强度特性模拟分析结果表明：仿生叶片最大等效应力小于标准叶片，强度性能满足设计要求。气动特性数值模拟分析结果表明：仿生叶片表面压力、距离叶根为0.4m与0.5m处翼型上下表面压力差均大于标准叶片，其中25%家燕翼型改进叶片、35%家燕翼型改进叶片和50%海鸥翼型改进叶片提高最为明显。为准确测试标准叶片和仿生叶片的实时输出功率，本文搭建了室内风力机效率测试试验台，对叶片效率进行测试。试验结果表明，50%长耳鸮翼型设计叶片在整个测试风速范围内效率没有得到提高；50%海鸥翼型设计叶片在风速大于7m/s时，叶片效率较标准风力机叶片平均提高9.5%，最大提高13.58%；50%长耳鸮翼型改进叶片在低风速下输出功率略有提高，在风速小于6.4m/s时平均提高5.92%，最大提高8.66%；在整个测试风速范围内，25%家燕翼型改进叶片、35%家燕翼型改进叶片、50%海鸥翼型改进叶片较标准叶片效率普遍提高，分别提高25.00%、26.48%和25.77%。
【作者】刘方圆；
【导师】丛茜；
【作者基本信息】吉林大学，农业机械化工程，2014，硕士
【关键词】风力机；仿生；叶片；翼型；气动特性；

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