涡流机.doc

一种新颖垂直轴风力机开发和分析保罗库珀 伍伦贡大学paul_.au奥利弗c肯尼迪 伍伦贡大学oliver_.au出版的细节：保罗库珀,和奥利弗c肯尼迪, (2004)。一种新颖垂直轴风力机开发和分析。太阳能2004 -生活学报,宇宙和可再生能源(页码：1 - 9)。珀斯,澳大利亚:澳大利亚和新西兰太阳能协会(anzses)。在伍伦贡大学在线研究的一种开放典藏，为进一步的信息联系伍伦贡大学图书馆:.au一种新颖垂直轴风力机开发和分析保罗库珀,和奥利弗c肯尼迪机械学院，卧龙岗大学材料与机电工程卧龙岗大学,卧龙岗,新南威尔士2522,澳大利亚电子邮件:.au文摘本文描述了这种新颖垂直轴风力机发展及其用于教学和研究的目的。该装置的多流管的分析已开发和对性能的数值预测本文给出了装置。该装置是工作在较低的叶尖速度比和对称翼弦的叶片。叶片是通过一个机械系统, 主要转子每旋转一次则每个叶片弦长的旋转180。它的一个好处是设备自起动和产生相对较高的扭矩。并且在调试和现场测试的原型进行了描述,并提出了一些初步的性能结果和讨论1. 介绍风力发电正在迅速成为一个最具成本效益的可再生能源，每年世界各地报道的装机容量都有显著增加。人们喜欢用的水平轴风力机发电，涡轮（风力机）与低硬度比（叶面积扫掠面积比）和高叶尖速度比，=r / vwind，其中r是叶片和vwind半径风速。这种类型的风力机具有效率高、性能系数，cp，但扭矩较低的。相比之下，传统的“美国式”或“南十字”，是一种高硬度，低的叶尖速比的装置，产生一个适用于相对简单的机械泵系统的直接驱动大扭矩 在澳大利亚和美国抽水的目的，第二风力机的类型主要是垂直轴风力机（vawts）。各种各样的垂直轴风力机的配置已经被提出，从波斯vawts用于磨粒一千多年前，通过对达里厄涡轮机，发明于1926由乔治斯大流士，已被广泛用于发电。事实上，其中一个最大的风力机建造了96m 64m直径ole达里厄建成不久，魁北克，加拿大，与额定输出功率3.8mw和转子重100tonnes。其他的垂直轴风力机的配置包括savonius风力发电机，这是受欢迎的原因，制造简单，和直叶vawts。后者包括马斯格罗夫涡轮开发高潮在英国，在卡马森湾的一个500kw装置成功的测试（和平，2004）。在澳大利亚，教会（1998）报道了他的广泛的测试和分析的一些“giromill”与叶片桨距控制以优化气动角式vawts攻击叶片翼型在逆风和顺风的叶片通过。教会的工作了两个装置，用于发电的开发和现场测试。在新西兰，solwind公司开发的，用于发电的营销一些vawts。hawts主宰的几个原因，包括发电市场低成本。然而，可以包括几个vawts hawts固有的优势：vawts不需要有一种“偏航”（绕垂直轴旋转）跟着改变风向；发电机（或其他动力输出装置）可以位于在地面上，降低支撑塔架的结构要求。然而，最不利的垂直轴风力机配置的事实是，他们无论是低的或微不足道的起动转矩，使例如darrieus型设备的情况下，转子，必须加快速度或者使用发电机作为电动机或通过一个小的二次转子的手段，如桶形，安装在模拟主轴。本工作最初是设计作为一个学生项目审查的可能性一个小规模的发展，高扭矩，自启动的应用程序如抽水的垂直轴风力机。在下面我们列出的新的涡轮机的概念的发展；发展一个装置的理论模型；并设计，制造，调试和初步该器件的测试2。新的涡轮机的概念发展的“伍伦贡汽轮机启动时，当地的发明家的发展，约翰先生布士曼，接近目前的作者提供一个用于风力涡轮机和一个工作的概念一个扫掠面积约0.25m2模型。工作模式有一个水平轴和三叶片的轴保持平行主旋翼轴转子。叶片简单的平板，其音高是由链条和链轮装置控制安排使叶片绕自己的纵向轴线的只有180每主旋翼的旋转。叶片的运动示意图如图1所示。通过布士曼文献检索发现，一种类似于初始方法之后概念（与链驱动叶片桨距控制）提出了戈尔丁（1976）但没有证据可以找到这样的设备已从理论上详细建模或建图1。计划期叶片和风力发电机转子定位原理的小说虽然乍一看，这个装置似乎是一个“拖”装置的刀片2图1a是清楚的采取有效行动，为垂直于风干扰流板，同样清楚的是，在所有的三个叶片liftforces必须行动产生积极的扭矩在一个潜在的转子的彻底革命。水平轴的装置的工作模式进行了风洞和在外地的里金尔（1999）。结果是有前途的比较该模型的构建，与性能系数（效率）之间测得的0.2和0.3。因此，决定调查的概念进一步以提供最后一年的荣誉工程学生感兴趣的研究项目的研究基本的空气动力学问题。转子的轴是由布士曼水平位于原方案显然不是一个理想的工作装置从机器就要进风的偏航一些方法，这将是昂贵的和结构上的困难。两个主要的创新设计设计带来的概念，一个可行的配置。首先，转子轴带与风向垂直方向安装在控制轴定位叶片改变风向。其次，波士顿（2000）设计了一个锥齿轮系统取代在原有的工作模式，控制叶片的俯仰链。因此，本器件结构的转化与叶片的垂直取向的风向标图2和图3a所示的间距机制。3 实际执行实际执行的装置上面概述的是作为一个设计运动作为一个示范使用可持续能源技术教育的概念工程学院的课程，卧龙岗大学。的主要尺寸转子叶片系统如下：叶片长度，l = 2.4米；叶片弦长，c =为转子半径；（轴支承刀片），r = 1.0m；叶片数，n = 3。一个原始的概念后面的设备的配置，叶片可以相对简单建设。然而，由于叶片旋转360相对于风在叶片资料选择必须对中弦平面对称。虽然这意味着平板可以用它决定的结构和空气动力方面的原因，使用一个更合适的叶型气动。三个叶片是由皮肤0.8mm铝片形成在桅杆安装空心铝条贯穿中心叶片的。叶片轮廓，图3b中，基本上是一个naca上游的一半001065部分反映出对中期和弦。图2。示意图风力机的设计。图3。一）的桨距控制机构计划安装在上支撑臂。b）截面通过叶片。叶片被停职的上部和下部的支撑臂之间，其中，依次为安装在一个139毫米od“主轴”的两个同心的内轴。风叶安装在里面的“风向”轴。这是机械锁定的“中间轴上安装“控制锥齿轮”激活的叶片桨距机制。相对方向的风的方向和中间传动轴的设计，他们可以通过90调整使叶片变成“收拢”位置，从而提供了一种手段降低转子的输出转矩为零，如图4所示。整个转子系统被安装在一个巨大的3m高钢格构式塔架可倾斜的液压油缸装置允许容易进入转子组件和使涡轮可以降低时，不进行现场试验。由于安全的原因安排是位于顶部的一个多层停车场约10m高。扭矩从主转子轴通过两级14:1带传动，专门修建的三相，240v，永磁交流发电机。目的建立控制系统的连接在发电机和负载电阻，从而控制系统可以保持近似恒定的汽轮机转速不同的风速。交流输出从发电机转换成直流，然后喂给负载电阻，通过脉冲宽度调制晶闸管。从转子的机械功率输出测定安装对耳轴轴承的发电机，传递给发电机轴的扭矩可以通过一个扭臂和负载细胞。测量了轴角速度一个编码器装置。一种测定仪50数据采集系统是用来监测以下参数：发电机的转矩和转速的涡轮叶片；风的方向；和风速、风向和空气温度从位于约500万个气象站汽轮机。这些测量的采样率为1hz，然而，更高的速度数据采集利用索尼电脑208ax dat录音机在100hz速度进行了。图4。一）电力生产风叶片排列。b）叶组叶片“收拢”位置。4。理论分析多流管模型是一种成熟的技术的性能预测对vawts和在许多方面类似于用于hawts。这种类型的目的分析同时确定的力作用在叶片的涡轮叶片的”元分析”和减缓由于从空气中提取能量，发生的风流通过涡轮通过“驱动器带”理论（夏普，1990）。作为风力机的转子旋转的叶片，微量的垂直缸被称为“油缸的路径”。当风相交这缸必须缓慢和任何给定的矩形截面流道部分必须扩大水平示意图如图5所示。图5。的“作动筒”用来分析vawts计划（夏普，1990）。多流管的分析是相对简单的概念，但有点复杂，即使是有固定刀片vawts需要许多的迭代计算。在以“伍伦贡式”的三角，导致叶片的配方元素分析和作动筒的事实，叶片旋转更复杂相对于转子半径。然而，惠顿（2002），开发了一个跟踪系统为一个单一的叶片的转子轴旋转的几何参数示意图图6和图7，升力和阻力的力量，l和d，分别，并不能确定因此，转矩，转子的输出功率和机械效率可以确定。在这里符号代表桨叶方位角，合成风速度之间的夹角，w，叶片速度（r），是迎角，是叶片螺距角、之间的角度的流管和转子半径。分析由惠顿（2002）必须被视为初步数的原因，包括事实上的升力和阻力的数据是不可用的对称的叶片在实践中应用简介。作为一个起点惠滕用电梯的拖动数据naca0012h叶片（sheldahl和klimas，1981）和插值的迎角和雷诺兹数。他的分析其他的限制包括，没有提示的损失包括。的性能系数由惠顿的预测涡轮转子图8展示了它的分析显示cp作为尖速比函数，一三叶片的转子建立了转子的尺寸（但升力和阻力数据naca0012h叶片简介）。三风的速度了显示较强的影响雷诺兹数对涡轮叶片性能。应该指出的是这些性能预测不包括气动损失（如在非流线型风阻损失支撑臂）或其他摩擦损失。惠顿估计，这将进一步降低性能cp，最大 0.15。有人可能会想，该装置预测生产有用的输出功率只有低叶尖速度比（1）由于大的损失会出现否则（如 1叶片2在图1b会可移动的速度比原状风）。最大效率约0.2的 0.65，这是公布的数据相比很低其他的配置，只等效的桶形转子（如阿克曼和德，2002）。然而，伍伦贡汽轮机预测具有高起动转矩由于叶片的主动推销图9。在实际的实现新型垂直轴风力发电机。5。现场试验伍伦贡涡轮机的原型是安装在卧龙岗大学工程创新和教育中心，如图9所示。一些初步的测试已在设备上进行，它已成功运作。特别是，本装置具有较低的叶尖速度比一个非常强大的扭矩特性，这意味着它是自起动可以借给自己的应用如抽水。此外，转子产生非常小的气动噪声由于低的叶尖速度。然而，困难与调试扭矩的测量和控制系统的延迟确定试验采集数据的日期。此外，试验在试验现场的风况是远远不够理想的自建筑物和其他地形特征在一个高度动荡附近的结果存在，这使得稳态性能测试非常困难。在图10中显示的数据是初步的性能数据，有一个例子是来自于原始的风和转矩/速度从收集的数据由帕克涡轮（2003）。cp图10所示的数值已经从原始风速计算，转矩和转速变化的涡轮机旋转速度数据的会计时间，因此存储的转动动能。原位试验确定惯性，irotor实质的时刻，该转子和发电机系统（irotor105kg-m2）。以确定了涡轮的角加速度计算原始数据的使用道格拉斯avakian数值微分方法。一块转子效率，cp，与尖端速度比，如图11所示。这是由于部分湍流数据中的一个大的散射政权在试验现场，然而，涡轮被证明是在约操作区域显示的多流管的分析预测。图11。从涡轮其中cp是系数现场测试的初步结果性能和是叶尖速度比。虚线的预测效率在10ms的whitten多流管分析涡轮（2002）。该项目已被证明是一个非常有用的高级机械工程教育的工具学生在可持续能源技术的工作感兴趣。事实上，一个学生参与示范装置的调试进行了项目管理一个最大的风电场在澳大利亚的发展。6.结论一种新型垂直轴风力发电机已开发的概念和实践证明。涡轮转子的叶片的对称和旋转中的和弦180关于这一点转子的每一个完整的革命。的理论分析的概念已被使用多流管/叶片元素进行分析，具有表明设备可能与cp 0.25阶只有轻微的最大效率。然而，该装置已被证明具有高启动转矩，可适用于应用，如抽。该装置的实际演示已被设计和建造的学生。初步的试验证实，装置确实具有高转矩自启动，并产生有用的在0.2和0.8之间的一个尖端速度范围功率。进一步的试验来证实这些最初的测试。该项目已被证明为非常成功的训练在风能工程本科学生。7。致谢作者要感谢的imb社区提供经济援助在这个项目的发展基础。我们也要感谢学生技术人员，致力于发展示范项目（尤其是格雷戈格雷戈里金尔，波士顿，安得烈weidner，将艾夫斯，加文惠滕，rob耶茨，柯林帕克，狮子座尔迪莱，斯坦kyselov，斯图尔特罗德，罗恩马歇尔，史提夫塞尔比和基思迈瓦尔特）。8.参考文献1阿克曼，t.和der，l.（2002），2002的风能现状概述，可再生能源持续能源评论，没有6，pp 67-128。2波士顿，g（2000），一个新的风力发电机组的发展，大学生（机械）论文，卧龙岗大学。3戈尔丁，e和哈里斯，r（1976）。风力发电，e和f公公司，伦敦。4基克，b。（1998），自启动的垂直轴风力发电机单独为评价应用，格里菲斯大学博士学位论文，澳大利亚。5帕克，c（2003），调试和一个积极的间距垂直轴风性能测试涡轮，大学生（机械）论文，wollon