针对伞形风力机输出特性方面的不足,结合伞形风力机结构的特点,提出收缩角影响因子,并以片条理论为基础构建数学模型,利用MATLAB软件在全年风速为8m/s的风场下以年发电量最大为优化目标,对伞形风力机叶片的弦长、扭角参数进行全局优化。为保证功率计算的准确性,通过CFD的大涡模拟进行功率计算,并将优化结果与原叶片进行比较。结果表明该方法设计的叶片具有良好的输出特性,在低风速区优化效果显著。在年发电量上优势明显,较原叶片年发电量增加13%。

为验证伞形风力机在实际运行过程中的结构安全性,对5 kW伞形风力发电机的测试样机进行振动试验,研究风速及收缩角对伞形风力机振动特性的影响。分析结果表明45°及60°收缩角下,由于叶片气动弹性及惯性作用,塔筒不同高度垂直径向振幅在5~7 m/s风速段内出现突增,随着风速增大,叶片转速增大,振幅出现下降趋势。由于叶片在收缩角增大过程中逐渐靠近中心涡,塔筒不同高度水平径向振幅随之增大。对比分析塔筒垂直径向与水平径向振动加速度幅值可知,塔筒主要体现为水平径向弯振。发电机垂直径向振动加速度在45°收缩角下达到峰值,其振动能量主要分布在2.335 Hz。依据VDI-3834对振动特性分析结果进行评估,分析发现,塔筒振动速率及发电机振动幅值均小于警告阀值,验证了伞形风力发电机结构安全性。