为提高H型垂直轴风力机的气动性能,提出在风力机外部加装聚风挡板的设计方法。首先利用Fluent软件对垂直轴风力机进行流体力学仿真,再采用正交试验设计法,研究聚风挡板的长度、水平布置距离、垂直布置距离和偏转角这4个设计参数对风力机性能的影响,按各参数影响从小到大依次计算。研究结果表明当聚风挡板的水平布置距离为R,垂直布置距离为2.5R,长度为0.9H(H为风轮高度)和偏转角为25°时,风力机风能利用率最大,其风能利用率相比于原型风力机提高了5.46%;聚风挡板能够有效增大风力机运转区域内部的流场速度,并明显缩短风力机速度较低的尾迹区,进而增大叶片内外表面压力差,也能够在对主轴合成力影响较小的前提下,提升叶片的力矩系数和风力机的风能利用率。

从动量模型、数值计算和测试试验等3方面介绍目前H型垂直轴风力机的变桨距研究方法,给出各类分析方法的优点和不足。着重围绕机械传动变桨和液压传动变桨2方面阐述垂直轴风力机的变桨距实现方案,指出现有中小型垂直轴风力机在整体响应时间、1周实时变桨、下风区流场计算及动态失速下可靠变桨等方面存在的难点。最后对未来变桨距垂直轴风力机的发展趋势进行展望。

为提高垂直轴风力机的气动性能,针对小型双叶片H型垂直轴风力机,提出3种涡流发生器在叶片表面安装位置方案。建立风力机整机仿真模型并进行了网格独立性验证。利用ANYSY FLUENT软件对垂直轴风力机进行三维流体力学仿真研究。研究结果表明:在上风区叶片内表面和下风区叶片外表面加装涡流发生器均可提高叶片的转矩系数,但分析流场显示下风区流场紊乱,下风区叶片外表面加装涡流发生器提升效果变差。3种方案中,叶片内外表面加装涡流发生器时垂直轴风力机风能利用率CP提升效果最好,与原型风力机相比CP提升6.4%。

为提高垂直轴风力机的气动性能,提出在小型3叶片垂直轴风力机叶片尾缘加装开裂襟翼的设计方案。首先,根据CFD数值模拟和正交设计得到偏转角对风力机气动性能影响最大;然后,进一步分析了叶尖速比分别为1.5和2.5时襟翼偏转角对风力机气动性能的影响和增升机理;最后,提出了襟翼偏转角调节规律。研究结果表明:襟翼的较优参数组合为长度l=20%c、偏转角β=10°和布置位置t=90%c。当叶尖速比TSR分别为1.5和2.5时,较小的襟翼偏转角(0°<β<10°)能提升叶片平均切向力系数CTavg,其中,襟翼偏转角β=10°时,风力机的风能利用率CP分别提升了7.7%和4.6%;与原型风力机相比,应用襟翼偏转角调节规律后,风能利用率CP分别提升12.4%和10.4%。