V形ダリウス風車のピッチ角制御手法の開発と風荷重・後流特性に関する研究

V型Darius风力机桨距角控制方法开发及风载荷及尾流特性研究

基本信息

批准号：
21K04963
负责人：
河野孝昭
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Kanazawa University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、可変ピッチ式V形ダリウス風車について、風車出力を大幅に向上するピッチ角制御手法を開発し、さらに風車の風荷重特性および風車後流特性を明らかにすることを目的としている。2022年度は、固定ピッチ式V形ダリウス風車について、翼枚数および流入風の乱流特性が風車出力特性に与える影響を把握することを目的として風洞実験と数値流体力学解析を実施した。供試風車のブレードは、3Dプリンタにより作成し、ブレードの翼回転角αrを変化させることによりブレードのピッチ角を変化させた。また、ブレードはストレート翼とねじり翼に加えて通常翼を対象とした。全ての翼の翼型は、ブレード先端から中間点にかけてNACA0018とし、中間点からブレード下端にかけて強度を高めるためにNACA0050へ滑らかにシフトさせてある。ストレート翼とねじり翼はαr=0°のときの上から見た翼型がNACA0018等の翼型であり、通常翼は翼回転軸に直交する断面形状がNACA0018等の翼型となっている。流入風は、一様流に加えて、二重動的乱流格子により作成した乱流強度18%で積分スケールの異なる3種類の乱流を対象とした。一様流の風洞実験の結果、翼枚数が3枚の場合の方が2枚の場合よりも最適周速比が明らかに高くなることが確認された。また、通常翼よりもストレート翼やねじり翼の方が最適周速比および最大出力係数は明らかに高くなった。数値解析の結果、翼形状の違いによって，翼前縁付近で正の翼回転軌道接線方向に力が働く領域や正の翼回転軌道接線方向に働く力と負の翼回転軌道接線方向に働く力の割合に違いが生じ、それらが出力特性に大きな影響を及ぼしている可能性が高いことが分かった。乱流の風洞実験の結果、一様流の場合と比較して最適周速比が低くなった。さらに、積分スケールが風車直径程度の場合には、最適周速比がより低くなることが確認された。

本研究的目的是开发一种用于变桨距V型Darius风力发电机的桨距角控制方法，显着提高风力发电机的出力，并阐明风力发电机的风载特性和尾流特性。 2022财年，我们对固定桨距V型Darius风力发电机进行了风洞实验和计算流体动力学分析，旨在了解叶片数量和来风湍流特性对风力发电机输出特性的影响。测试风力机的叶片是使用3D打印机制作的，通过改变叶片的旋转角度αr来改变叶片的桨距角。除了直刀片和扭曲刀片外，普通刀片也成为目标。所有机翼的翼型轮廓从叶片尖端到中点均为NACA0018，并从叶片中点到底部平滑转变为NACA0050以增加强度。当αr=0°时从上方观察时，直翼和扭曲翼具有诸如NACA0018的翼型形状，而正常翼具有诸如NACA0018的垂直于叶片旋转轴线的横截面形状。除均匀流动外，入流风还针对三种不同积分尺度的湍流，由双动态湍流网格产生18%的湍流强度。均流风洞实验结果证实，叶片数量为三时的最佳周速比明显高于叶片数量为两时的最佳周速比。此外，直翼和扭曲翼的最佳圆周速度比和最大输出系数明显高于正常翼。数值分析结果表明，由于叶片形状的不同，在叶片前缘附近存在一个作用力沿与正叶片旋转轨迹相切方向的区域，力沿与叶片正旋转轨迹相切的方向作用。正叶片旋转轨迹和作用于负叶片旋转轨迹切向方向的力的比率存在差异，并且这些可能对输出特性产生很大影响。湍流风洞实验结果表明，最佳圆周速度比低于均匀流情况。此外，还确认了当积分尺度约为风力涡轮机的直径时，最佳圆周速度比变低。