家用新型变桨矩风力发电机设计

某某学院毕业设计

某某学院毕业设计(论文）

家用新型变桨矩风力发电机设计

某某

班 级 某某 专 业 某某 所 在 系 指导老师 某某

完成时间2012年12月10日至2013年6月16日

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目 录

摘 要 ............................................................................................................................. 4 引 言................................................................................................................................................6 1.风机总体设计方案 .................................................................................................. 12

1.1叶片的气动力分析......................................................................................... 12 1.2翼型的几何参数与气动特性......................................................................... 14

1.2.1翼型的空气动力特性........................................................................... 15 1.2.1.1作用在翼叶上的气动力.................................................................... 15 1.2.1.2翼型的升力和阻力系数变化曲线.................................................... 16 1.2.2与翼型参数有关的风轮空气动力学几何定义................................... 17 1.3垂直轴风力机的工作原理............................................................................. 17

1.3.1阻力型风力机的工作原理.............................................................. - 17 - 1.3.2升力型风力机的工作原理.............................................................. - 18 - 1.4垂直轴风力机变浆矩运行方式的分析......................................................... 18

1.4.1叶片的攻角变化分析...................................................................... - 18 - 1.4.2变桨矩运行方式................................................................................... 20 1.4.3变桨矩方式结果分析........................................................................... 22 1.5风轮的基本功能设计..................................................................................... 22 2.风轮参数设计及计算 .............................................................................................. 24

2.1风轮设计特点................................................................................................. 24 2.2风轮的参数确定............................................................................................. 24

2.2.1尖速比................................................................................................... 24 2.2.2风能利用系数....................................................................................... 25 2.2.3风机电机的确定................................................................................... 25 2.2.4风机额定风速的确定........................................................................... 25 2.2.5启动风速的确定................................................................................... 25

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2.2.6风轮半径R及风轮高度 ...................................................................... 25 2.2.7叶片数以及叶片弦长的确定............................................................... 26 2.2.8风轮实度?的选取............................................................................... 26

3.风轮的结构设计 ...................................................................................................... 27

3.1变浆矩机构设计............................................................................................. 27 3.2叶片的结构设计............................................................................................. 28 3.3离心锤的设计................................................................................................. 29 3.4支撑杆结构设计............................................................................................. 30

3.4.1支撑杆材料确定................................................................................... 30 3.4.2支撑杆的截面形状的确定................................................................... 30 3.5轮毂的结构设计............................................................................................. 31 4.风机布局确定 .......................................................................................................... 32

4.1风机布局确定................................................................................................. 32

4.1.1轮毂的确定........................................................................................... 32 4.1.2套筒的确定........................................................................................... 32 4.1.3塔架的确定........................................................................................... 32 4.1.4塔架高度的确定................................................................................... 32 4.2力学性能......................................................................................................... 33

4.2.1螺栓的校核........................................................................................... 33 4.2.2通轴的校核........................................................................................... 33 4.3风机基本参数................................................................................................. 34 5.建模与虚拟仿真 ...................................................................................................... 36 结 论 ......................................................................................................................... 39 致 谢 ......................................................................................................................... 40 参考文献 ................................................................................................................ - 41 -

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摘 要

风能凭借其无污染，可循环利用等优点受到世界各国的重视。现代风力发

电机技术面临的挑战主要在于如何进一步提高效率、增加强度、降低成本这三方面。传统的垂直轴风力机由于启动性能较差、风能利用率较低没有得到大规模的应用。

本文针对现有的小型风力发电机结构存在的启动性能较差、风能利用率较低不足，设计一种的新型风力发电机结构。主要研究如下：初步设计一种小型变浆矩垂直轴风力机，能够提高转矩和风能利用率。根据性能要求进行了风轮的主要参数计算，设计出风轮的结构，进一步对风机整体进行结构设计并讨论变浆矩结构对风机性能的影响、发电机落地安装的可行性，并建立参数化三维模型，完成虚拟装配，建立风机的虚拟样机。

关键词:小型风力发电机；垂直轴；变浆矩；风轮的结构

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ABSTRACT

Modern wind turbine technology challenges is how to further improve efficiency,r- educe cost, increase the strength of these three aspects. Wind power by virtue of its no pollution, recycling and other merits attention all over the world. Horizontal axis wind turbine and vertical axis wind turbine are the two basic forms ofwindturbine.The trad- itional vertical axis wind turbine due to the initiation of poor performance, wind ener- gy utilization ratio is low have not been large-scale application.

This article in view of the existing small wind generator structure problems, to des- ign a small wind generator structure. The main studies areasfollows:the preliminary design of a small variable pitch wind turbine with vertical axis, can improve the torq- ue and energy utilization rate. According to the performance requirements of the wind wheel main parameters calculation, design the structure of the wind wheels, further to the blower fan integral structure design and discussion of pitch structure effect of fan performance,the generator is installed on the floor of the feasibility, and the establish- ment of parametric3D model, complete the virtual assembly, virtual prototype build fan.

Keywords: Small wind generator; Vertical axis; pitch; Zhe wind wheel structure

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引 言

1.课题研究的目的

众所周知，地球上可供人类开发和使用的化石能源是有限的，且是不可能再

生的。然而随着全球工业化进程的逐步展开并加速，世界各国对能源的需求急剧上升，而常见的煤炭、石油和天然气三大化石能源日渐枯竭，根据联合国能源署报告，这些能源仅可供全世界消耗大约170年。换句话说，如果不加以控制，人类将在接下来的两百年内消耗地球存储了若干亿年的化石能源，同时大量使用的化石能源对我们所赖以生存的地球生态环境造成了严重的破坏，如燃烧化石能源所排放出的二氧化碳和含氧硫化物直接导致了温室效应和酸雨的产生。面对社会和经济可持续发展的挑战，如何解决日益紧张的能源危机并缓和环境恶化，是当今人类社会发展的重大课题。

我国幅员辽阔，陆疆总长达２万多公里，还有1800多公里的海岸线，边缘海中有岛屿5000多个，风能资源丰富。我国现有风电场场址的年平均风速均达到6m/s以上。一般认为，可将风电场分为三类：年平均风速6m/s以上时为较好；7m/s以上为好；8m/s以上为很好。可按风速频率曲线和机组功率曲线，估算标准大气状态下该机组的年发电量。我国相当于6m/s以上的地区，在全国范围内仅仅限于较少数几个地带。就内陆而言，大约仅占全国总面积的1/100，主要分布在长江到南澳岛之间的东南沿海及其岛屿，这些地区是我国最大的风能资源区以及风能资源丰富区，包括山东、辽东半岛、黄海之滨，南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛，内蒙古从阴山山脉以北到大兴安岭以北，新疆达阪城，阿拉山口，河西走廊，松花江下游，张家口北部等地区以及分布各地的高山山口和山顶。

我国沿海水深在2-10的海域面积很大，而且风能资源好，靠近我国东部主要用电负荷区域，适宜建设海上风电场。

我国风能丰富的地区主要分布在西北、华北和东北的草原或戈壁，以及东部和东南沿海 及岛屿，这些地区一般都缺少煤炭等常规能源。在时间上，冬春季风大、降雨量少，夏季风小、降雨量大，与水电的枯水期和丰水期有较好的互

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补性（见表1—1）。

表 1—1

省区 风力资源／万千瓦 6178 3433 1723 1143 638 612 606 省区 风力资源/万千瓦 内蒙古 新疆 黑龙江 甘肃 吉林 河北 辽宁 山东 江西 江苏 广东 浙江 福建 海南 394 293 238 195 164 137 64 我国风能资源是丰富的，潜在可利用风力资源约为250GW，居世界前列。最近颁布的《可再生能源法》，为我国利用风能发电奠定了政策基础，这些有利条件将促进国内的风电迅速发展。但风力发电不同于常规的发电生产方式，突出的特点表现在：风力发电的生产成本较高，据初步测算，目前风力发电的单位千瓦投资多在7500-10000元之问，远高于常规的能源发电(如火力发电造价在4000元／千瓦左右)。据初步分析，导致风力发电成本高的主要原因，是风电设备的投资在电力生产成本的构成中占很大比例，但目前风电机组的价格昂贵，性价比有待改善。虽然风力发电运行成本和后期维护费用相对火力发电要低得多，且随着煤电联动政策取消，以火电为主的常规能源成本上涨，同时考虑到常规能源的后期用于环保方面费用，可以部分减小风电成本和常规能源之间的差距。但要加快风力发电的步伐，必须进一步降低风电设备的成本，提供更高性价比的风力机。

2.国内外研究现状与发展趋势

2.1国外风力发电的情况

世界上第1台用于发电的风力机于1891年在丹麦建成，但由于技术和经济等方面原因，风力发电一直未成为电网中的电源。直到1973年发生石油危机，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，投入大量经费，研制现代风

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力发电机组，80年代开始建立示范风电场，风电从此成为电网新电源。到了90年代对环境保护的要求日益严格，特别是根据《京都议定书》的国际协定兑现减排C02等温室效应气体的承诺，促使风电发展越来越迅猛。

自上世纪 80 年代风电技术成功实现产业化开发以来，风电经历了30 余年的发展已成为重要的电力能源。根据中国行业咨询网研究部的统计，1996 年至2009 年期间，世界风机累计装机容量的平均增长速度为28.6%，2004 年到2009 年新增装机容量的平均增长速度为36.1%。2009 年，全球风电新增装机容量达3,820.9 万KW，增长高达44.4%。2010 年全球风电新增装机容量为3,940 万KW，增长率为3.1%，首次呈现放缓趋势。风电增速放缓的主要因素还是受经济复苏缓慢的拖累，美国政策导向不明，加之欧洲等国债危机的影响，风电传统强国的发展速度明显放缓。世界风电发展区域分布集中在欧洲、美洲和亚洲ZEX中国行业咨询网_行业报告_行业分析_市场调研_第三方市场数据和调查报告提供商。界风电发展的支柱地区在欧洲、美洲和亚洲。截止2010年底，世界上有100多个国家开始发展风电，累计装机超过100万KW的国家有20个，排位前十名国家的累计装机都超过了300万KW，且均来自于欧洲、美洲和亚洲地区，其装机容量占全球累计总装机容量的85.8%。

2010年全球半年3,940.4万KW的新增装机中，新增装机容量前十名的国家均来自于欧洲、美洲和亚洲地区。新增装机容量前十名的国家新增装机容量占2010年新增总装机容量的86.8%，除上述国家外，其它国家如拉丁美洲的巴西、非洲的肯利亚等国的风电市场发展也在加速，但总体累计装机容量和新增装机容量的比重都较小，上述美国、中国以及部分欧洲国家现阶段仍然左右着世界风电发展的大局。

2.2风力发电技术的发展

现代风力机起源于十九世纪末期，即1891年丹麦人P011l lalour发明了第一台风力发电机，在1900～1960年期间，已生产出10～200kW的各种类型的风力 机，有些大型的风力机已和电力系统并网，其中以丹麦的盖瑟(Gedser)200kW 风力机最为出色。但随后由于风力机的运行故障以及事故，这一新生事物并未在全世界受到人们的关注，直到1984年，差不多经历了长达90多年时间，全世界风电装机的容量也不过27．4万kW。由于化石资源的短缺和环境污染的日益严

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重，风能作为清洁的可再生资源又受到全世界的重视，吸引了大批的研究人员和生产厂家的加入。美国科罗拉多州建立罗克福莱茨(Rocky Flats)风力发电机组试验场，此外还有美国国家风能研究中心(National Wind technology center，简称NWTC)；丹麦有罗斯基勒的黑绍(Riso)实验室；荷兰有荷兰风能研究中心(EcN)：日本有武丰、安中和金泽三个试验点；德国有北海派勒沃木岛的试验场；搬拿大在爱德华王予袅上有大莲洋风力机组试验蛄。特别在二卡世纪九十年代后，风电有着迅猛的发展。风力发电机单机容量朝着大型化，目前兆瓦级风力机已经是国际风电场上载主流产品，美国7兆瓦风力机已经研制成功，而英国正在研制10兆瓦的巨型风力机。随着风力机大型化的发展，风力发电技术也得到很大的进步。风力发电机系统的两个主要部分是风力机和发电机，变桨矩功率调节和发电机的变速恒频技术是风力发电中的两项关键的技术。在风速低于额定风速时，调节笈电机转子转速，尽可能最大地捕获风能，同时稳定发电机输出电能的频率，这就是变速恒频；而当风速高于额定风速时，由于风电自身机械电气强度的限制，以及电网对供电晶质的要求，希望发电机输出功率稳定在额定功率左右，这就是功率控制。功率控制的方式一般可以分为定浆矩控制和变桨矩控制。定浆矩控制，风力机的功率调节完众依靠叶片的气动特性，在风速高于额定风速是，由于浆叶结构设计发生失速效应使功率减小，但由于失速点的设计，很难保证风力机在失速后能维持输出功率的恒定，所以一般失速后输出功率都降为小于额定功率；而变浆矩控制，随着风速的变化调节浆叶节矩角，稳定发电机的输出功率。 在并网过程中，变桨矩控制还可实现快速无冲击并网，而紧急关机时，变桨矩机构调节桨叶节矩角为90°，使桨叶逆桨，风轮转速降低，减小对风力机负载冲击，提高系统寿命。变桨矩控制系统与变速恒频技术相配合，最终提高了整个风力发电系统的发电效率和电能质量。变桨矩控制研究对变速恒频风力机组的研制有着重要的意义。国外大型尤其是兆瓦级以上的变速恒频风力机组基本上地采用了变桨矩控制技术，例如Vestas的V66—1．65MW、V80—2MW，Enercon的E-66-1.8MW、E一58—1MW，Enron Wind的1．5s—I．5MW，Nordex的S77/1500kW、N80/2500kW，Dewind的D6—1.25MW都采用变桨矩控制方式。 其实在风力机研制的初期，设计人员就已经考虑到控制桨叶节矩角，但由于一开始设计对空气动力学特性和运行的工况认识不足，风力机设计的变矩机构可

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靠性远不能满足风力机组正常工作的要求，所以灾难性的飞车事故不断发生。经过了10多年的研究实践，设计人员对风力机组的空气动力学特性和各种运行工况已有深刻了解。在20世纪90年代以后，变桨矩机构重新受到了设计人员的重视并得到广泛应用。变桨矩控制方式一般可以分为两种，一种是电机执行机构；另一种是液压执行机构。液压执行机构通过液联系统推幼桨叶转动，改变桨叶节矩角。该机构以其响应频率块、扭矩大、便于集中布置和集成化等优点在目前的变浆矩机构中占有主要的地位，特别适合于大型风力机的场合。国外著名的风力机厂丹麦的Vestas、德陵静Dewind、Repower等等都采用液压变浆矩方式，目前美国研制最大的容量7MW的风力机也采用液压执行机构。电机变桨矩执行机构利用电动机对浆叶进行单独控制。由于其机构紧凑，可靠，没有象液压变桨矩机构那样传动结构相对复杂，存在非线性，泄露、卡涩时有发生，所以也得到许多生产厂家的青睐。但其动态特性相对较差，有较大的惯性，特别是对于大功率风力机。而且电机本身如果连续频繁地调节桨时，将产生过量的热负荷使电机损坏。国外比较具有代表性的公司如德国的Cnordex和GE Wind Energy公词等。 此外美国国家风能技术中心目前正在研制的自适应变浆矩风力机，力图通过桨叶材料上进行设汁，桨叶在低于额定风速下，风力机桨叶保持最优捕获风能状态；当风速高于额定风速时，在风力的作用下，根据风速的大小作出相应的变形，从而自动改变桨叶的节矩角。

2.3国内风电技术发展

我国的风电技术发展虽相对滞后，但其成就亦令人瞩目。我国自20世纪50年代开始研制小型和微型风电机组，80年代开始大量应用。1972年研制出18kWwfd一13型风力发电机组；1975年研制了FD—1.5风力发电扭组，它结构简单，适于牧区使用；1976年研制适于牧区使用的FD—4风力提水机；1978年研制FD4-LBl45提水机。当时的风力机主要用于提水灌溉或蓄电电池储能。1989年从国外开始引进55kW和100kw的并网型风力发电机。现柱，在小型风电机组的生产和应用方面，我国以15万台拥有量居世界首位；但在大型并网风力发电方面，起步较晚，发展速度不尽人意，但仍然取得了可观的成绩。目前我国风场中使用的风力机95％都来自国外，如内蒙吉辉腾锡勒风场，设备几乎全都是进口的。为了建立自己的风电工业，提升国产风力机组生产能力和应用比重，近

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几年我国进一步加强了风力机组制造行业的建设，并在全国形成了一批风电设备制造

随着电力电子技术和计算机控制技术的不断进步，具有投资少、能量损失小、低发电成本、低噪声、低维护费用、可靠性高等优点的直驱式风力机，会成为未来变速恒频风力发电的重要趋势。

3.课题研究的意义

本课题的研究目标，是研究一种新型垂直轴风力机的基本原理和结构技术方案，使其具有较高的风能利用率和较好的启动性能，为日后高性价比的新型风力机的研制和开发提供必要的解决方案。这对于降低风电设备的成本，促进风力发电领域的技术进步，加快风力发电的步伐无疑具有重要的意义。

4.课题的研究内容

水平轴风力机采用变桨矩技术，通过改变叶片的桨矩角来改变叶片的升力与阻力，从而获得较高的风能利用率，得到了广泛的应用。借鉴水平轴风力机这一成功经验，如果能将变桨矩技术与垂直轴风力机很好的结合起来，提高垂直轴风力机的启动性能和风能利用率，开发一种新型高效的垂直轴风力机，由于垂直轴风力机制造成本低廉、维护费用低，这种新型的风力机将会进一步降低风力发电的成本，对风电产业的快速发展起强有力的促进作用。

开发这种新型的变桨矩垂直轴风力机，需要做很多的研究工作，本文的主要研究内容如下：

（1）根据性能要求，进行风轮主要参数计算； （2）对风机进行总体设计，确定功能模块布局；

（3）对风机整体进行详细设计，讨论变浆矩结构对风机性能的影响，并设计合理的变浆矩风轮结构；；

（4）建立主要零部件的参数化三维模型，完成虚拟装配设计，消除可能出现的设计问题，建立风机的虚拟化样机，并经过必要的评估校核；

（5）输出完整规范的风机主要零部件与装配总成图纸，为制造与安装调试打下基础。

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1.风机总体设计方案

国外风力机研制的初期就考虑过采用变桨矩机构，但由于对变桨矩控制理论并未进行深入研究，导致了许多故障。本章在对变桨矩风力机空气动力学方面进行分析的基础上，提出了变桨矩控制规律。通过对整个变桨矩风力机进行机理建模，为最终仿真结果验证了变桨矩控制规律的合理性，为变桨矩机构设计提供理论基础。

1.1叶片的气动力分析

图2—1表示的是垂直轴风力机的一个叶片在某一位置时的气动力分析，i

?是桨矩角，?是方位角，是攻角，并规定?以减小攻角i的方向为正。令I?i??，并设叶片的弦长为C，作用在叶片上的气动压力为q?1?W2。 2

图2—1气动力分析图

此时，气动力作用在翼弦垂直方向的分量dN以及与翼弦平行方向的分量dT为：

dN?(CIcosI?CdsinI)qCdz (1-1) dT?(CIsinI?CdcosI)qCdz (1-2)

式中CI、Cd分别为翼型的升力系数和阻力系数。令Cn?CIcosI?CdsinI，

CI?CIsinI?CdcosI，其中Cn和CI分别为垂直和平行于翼弦方向的利兰热尔气

动系数。则，

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dN?CnqCdz (1-3) dT?CnqCdz (1-4)

沿作用于风轮的流向力dF

dF?dNsin??dTcos??作用在叶素上的空气动力的转矩dM

1?W2c(Cnsin??Ctcos?)dz (1-5) 2dM?dT?r (1-6)

由于作用在单个叶片微段上的力dF、dM随风轮的转动是变化的，所以必须计算其名义值，设风轮叶片弦长C和叶片数B为常数,得作用在风轮上的推力F以及扭矩M为：

F?BC?H2?12?W(Cnsin??Ctcos?)d?dz (1-7) ???H02?2BC?H2?2C?Wrd?dz (1-8) t2???H?0P?M? (1-9)

M?风力机的功率：

由式可知，垂直轴风力机扭矩随方位角?的变化情况可以通过研究系数Ct来获得。

为了便于讨论风力机的叶片在旋转一周过程中扭矩的变化情况，本文取叶片翼型的升力、阻力系数曲线如图2—2所示。为了便于计算叶片所受的扭矩，需要对翼型的升力系数和阻力系数进行多项式拟合，对升力系数拟合时为了提高拟合精度，往往需要进行分段拟合，否则由于计算机计算精度的原因，可能会出现计算机返回值为?的现象，而在对阻力系数进行拟合时，不需分段。本文以0°攻角为分界点，取(-30，-0.25)，（-20，-0.3），（0，0.3），（15,1.1），（40，0.65）进行分段拟合，得翼型的升力系数曲线

?0.0012i2?0.0533i?0.3,i?0Ct=? (1-10) 2?0.0018i?0.0801i?0.3,i?0?取（-30，.025）,（0，0.05）,（30,0.25）进行拟合，得翼型的阻力系数曲线多项式为，Cd?0.0002i2?0.05

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当?'?3时，得风力机系数Ct的变化情况如图2—6所示。

图2—2系数

Ct的变化曲线

由图2—2可以看出，叶片在0°

CP=P1?VI3S2 （1-11）

式中

P——风力机实际获取的功率，W； ?——空气密度，kg/m3； S——风轮的扫风面积，m2； VI——上游风速，m/s；

可知，当风轮转速一定时，垂直轴风力机的功率主要由处于上风向位置的叶片提供，并且垂直轴风力机的风能利用系数在上风向和下风向位置时是不同的，下风向位置的风能利用系数小于上风向位置的风能利用系数，并且往往会削弱上风向位置的风能利用系数。

1.2翼型的几何参数与气动特性

翼型的气动性能直接与翼型外观有关。通常，翼型外形由下列几何参数决定。 中弧线：翼型周线内切圆圆心的连接线称为中弧线。 1.翼的前缘：翼型中弧线的最前点。

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2.翼的后缘：翼型中弧线的最厚点。

3.翼弦：翼型前后缘之间的连接线称为翼弦，翼弦的长度称为弦长。 4.翼的上表面：翼弦上面的弧面。 5.翼的下表面：翼弦下面的弧面。

6.翼的最大厚度：翼的上表面与下表面相对应的最大距离。

7.翼的弯度：中弧线到弦线的最大垂直距离称为翼型的弯度，弯度与弦长的比值称为相对弯度。

图2—3翼型几何参数

1.2.1翼型的空气动力特性 1.2.1.1作用在翼叶上的气动力

假定翼叶静止处于均匀来流速度V中，此时作用在翼叶表面上的空气压力是不均匀的，上表面的压力减小，下表面的压力增大，根据伯努利理论，上表面的气流速度将会增大，下表面气流速度将会减小。因此，围绕翼叶的流动可以看成两个流动的组成：一个是围绕翼叶的无升力流动，一个是环绕翼叶表面的流动，如图2—2所示。正是由于翼叶表面上存在着速度环量导致了翼叶的升力。作用在翼叶上的作用力如图2—4所示。其中F是翼叶所受的气动力，其方向与相对速度的方向有关。F可以分解为两不分：分量Fd与速度V平行，称为阻力：分量Fl与速度垂直，称为升力。对于升力型风力机，主要由翼叶的升力提供风轮的转矩，而对于阻力型风力机则翼叶的阻力提供风轮的转矩。

图2—4气流围绕翼叶的流动

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图 2—5翼叶上下边面压力差及以翼叶受力图

1.2.1.2翼型的升力和阻力系数变化曲线

如图2—5所示，升力系数的变化，分为直线和曲线两部分。升力曲线呈线性变化的部分，斜率可由薄翼理论得，

dC1=2? （1-12） di

图2—6翼叶的升力和阻力系数

当攻角(也称为迎角)增大到一定程度时，图2—6中的C/max气流开始分离，此时对应的攻角称为失速点。超过失速点后，升力系数下降，阻力系数迅速上升。在负攻角时，升力系数呈曲线形，C/通过一个最低点C/max。阻力系数的变化情况相对简单，它的最小值对应着一个确定的攻角值。

不同翼型截面形状对升力系数和阻力系数的影响很大。当翼型弯度或是厚度增加时，升力和阻力都有显著的增加，但阻力比升力增加的更快，使升阻比下降。当翼型的前缘抬高时，负攻角时阻力系数变化不大；当翼型的前缘低垂时，负攻角时阻力系数会迅速增加。当叶片出现失速后，噪声会突然增加，引起风力机的振动和运行不稳定等现象。因此，在风力机设计时，往往不取失速点作为设计点，而是取(O.8～O.9)

C/max作为设计点。

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1.2.2与翼型参数有关的风轮空气动力学几何定义

1．叶片桨矩角：风轮旋转平面与翼弦所夹的角，又称为安装角。 2．攻角：翼弦与相对风速所夹的角，又称迎角。 3．倾角：叶轮旋转平面与相对风速所夹的角。

1.3垂直轴风力机的工作原理

垂直轴风力机按驱动力的性质可分为升力型风力机和阻力型风力机。一般情况下，升力型风力机的驱动力矩主要由气动升力提供，风力机转速较高，常用于风力发电；阻力型风力机的驱动力矩主要由气动阻力提供，风力机转速较低，常采用多叶片形式用于风力提水。

1.3.1阻力型风力机的工作原理

阻力型风力机是由于风力机的运动部件在迎风方向形状不对称，引起空气阻力不同，从而使风产生一个绕中心轴的力矩，使风轮转动，如图2—5中a所示。风产生的驱动力可以用下式表示：

F?1?SV2? (1-13) 2 式中

?—— 空气密度，kg/m3； S——风轮的截面积，m2； V——风速，m/s； ?——空气动力系数；

不同的迎风形状，对应着不同的空气动力系数，当迎风形状为半球的凹面时，

?为1.33，当迎风形状为半球的凸面时?为O.34。因此，当迎风向风轮的截面积不同时可以产生一个阻力差使风轮转动。

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a阻力型风力机的工作原理 b升力型风力机的工作原理

图2—7垂直轴风力机的工作原理

1.3.2升力型风力机的工作原理

图2-7中b所示，V是风速，W是相对于叶片的风速，Vt是叶片的圆周速度，W与叶片弦线的夹角是有效攻角。由空气动力学的相关知识可知，当气流流过有攻角的翼型时，将产生垂直于W的升力和平行于W的阻力，二者的合力为F，。由W=V-,Vt，如果V和Vt已知，则可求得W和叶片所受到的气动力F。对叶片在不同方位的速度三角形的研究表明，除了当叶片处于与风向平行或近似平行的位置外，在其它方位的气动力都产生一个驱动风轮旋转的力矩。当风轮静止时，相当于Vt=0，这时相对风速W与来流风速V一致，叶片的攻角很大，甚至大于失速攻角，使得风力机的启动转矩非常低。因此，传统的垂直轴风力机启动性能比较差，不易自启动。

1.4垂直轴风力机变浆矩运行方式的分析

本文将通过分析垂直轴风力机叶片旋转一周时攻角变化情况以及气动力特点，结合翼型的空气动力特性，给出一种能够提高垂直轴风力机转矩的攻角变化方式，并以这种优化的攻角变化方式为基础，制定出垂直轴风力机变桨矩运行方式。

1.4.1叶片的攻角变化分析

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a风轮的几何特性 b叶片叶素 c速度分析

图2—8垂直轴风力机特性分析

如图2—8中a所示，叶片绕固定坐标系oxyz的oz轴旋转，旋转半径为r，设来流风速为V，设风轮高b=2H。研究图2.3中b所示中心点为M、弦长为C的叶素，令r为叶素中心点M至转轴的距离，?为oyz平面与叶片所在位置oM平面之间的夹角，称之为方位角。将叶素截取出来，如图2．3中c所示，设流过叶片的风速为V，风轮的切向速度为Vt，相对速度为W，令r垂直于叶弦，并过M点作垂直于r的辅助线t，则W沿t方向的分量Wt=Vt?Vcos?=?r?Vcos? (从前缘指向后缘)，W沿f方向的分量Wt=Vsin?。

由此，用来确定作用在叶片上力的大小的相对速度W可以写成

2W2?(?r?Vcos?）?V2sin2? (1-14)

式中?为风轮旋转的角速度，则攻角i可由下式给出

tgi=WrVsin?sin?= (1-15)

Wt?r?Vcos??r/V+cos?令?'??r/V，可得垂直轴风力机叶片在旋转一周时，攻角i的变化情况，如图2—4所示。

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图2—9垂直轴风力机攻角变化情况

从图2—9中可知，叶片旋转一周时，攻角随方位角的变化情况可用萨弦函数近似表示，并且随着?'的增大，攻角的变化范围逐渐减小。当?'=2时，叶片攻角的变化范围在-30°～+30°之间，变化范围较大。由叶尖速比?=?r/V1，可得???'V/V1，由于风流过风轮时，部分风能被风轮吸收转化为机械能，所以流过叶片的风速V必然小于来流风V1速，即?

1.4.2变桨矩运行方式

根据对叶片翼型的研究结果可知，垂直轴风力机风能利用系数的变化分布与叶片处于上风向和下风向有关，叶片在下风向的风能利用系数要小于上风向的风能利用系数，而且往往是减弱上风向的风能利用系数。这是由于传统的垂直轴风力机，当叶片运行在下风向时，所产生阻力力矩较大。因此变桨矩方案的设计，应该提高上风向的升力力矩，降低下风向的阻力力矩。结合垂直轴风力机攻角的变化情况以及气动力分析，本文采取的方法是，根据叶片翼型的气动特性，确定失速点，并控制叶片的攻角变化范围始终在失速点以内，以此束输出较大的气动转矩，进而提高风力机的风能利用系数。

设A为叶片翼型的失速点，根据垂直轴风力机叶片旋转一周攻角变化的特点，本文采用以A?sin?作为优化的攻角变化的方案，由

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tgI?Vsin?sin? (1-16) ?'?r?Vcos???cos?I?i?? (1-17)

以及优化的攻角变化i=A?sin?，可得

??tg?1(sin?)?A?sin? (1-18)

?'?cos? 由于?'??VI/V，所以式(2—14)实际上体现了叶片的桨矩角?、方位角?以及尖速比?之间的关系，而这些参数，对于风力机的性能非常重要。当A=10。垂直轴风力机桨矩角的变化情况如图2—7所示。

图2—10浆矩角变化曲线

从图2—10中可以得出垂直轴风力机的变浆矩规律：

(1).当风力机低速运行时，即?'较小时，风力机浆矩角的变化范围随?'的增大而减小。

(2)当?'小于某一值时，本文对应的是?'?5，当风力机叶片处于上风向位置时，即0°

(3)当?'大于某一值时，本文对应的是?'> 6矩角?的变化方向正好相反，但变化幅值较小。

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1.4.3变桨矩方式结果分析

对本文提出的变桨矩方式进行验证分析。当?'=3时，得到定桨矩、变桨矩Ct系数的对比结果，如图2—8所示，可以看出，采用本文制定的变浆矩方式，在45°

图2—11定浆距、变浆距的

1.5风轮的基本功能设计

通过上述分析，所开发的新型垂直轴风力机是直叶片的达里厄垂直轴风力机，此风力机的风轮通过安装变桨矩机构，能够提高风力机的风能利用率和启动性能。本文以基本垂直轴风力机的气动原理和变桨矩运行方式为基础，设计了一种适用于变桨矩垂直轴风力机的风轮，如图2—12所示该风轮的特点是： (1)风力机叶片为直叶片，并且能够绕自身轴线偏转，不可沿叶片展向偏转。 (2)叶片采用中间单杆支撑，这种结构简单，便于研究分析。若是单机容量大的风力机，叶片可以采用上下双杆两端支撑，可以改善受力情况，适用于大型垂直轴风力机。

(3)采用一种特殊的改变叶片桨矩角的运行方式。与传统垂直轴风力机相比，叶片采用这种变桨矩的方式能够减小风力机转矩的波动，提高风力机的启动性能以及风能利用率。

Ct系数对比图

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图2—12变浆矩垂直轴风力机风轮

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2.风轮参数设计及计算

2.1风轮设计特点

风轮是风力机最重要的部件之一，是风能转化为机械能最主要的装置。风力机的气动性能主要表现为风轮的气动性能，因此风轮的设计对风力机的性能具有重大影响。本章以第一章介绍的翼型空气动力特性、叶素理论、动量理论为基础，探讨了基于风速分布函数设计垂直轴风力机叶轮的设计方法，并设计一种适用于变桨矩垂直轴风力机的风轮，如图2—1所示。该风轮的特点是： 1.风力机叶片为直叶片，并且能够绕自身偏转。

2.叶片采用上下杆支撑，叶片受力情况较好，可用于小型风力机。

3.采用一种特殊的改变叶片桨矩角的运行方式。与传统垂直轴风力机相比，叶片采用这种变桨矩角的方式能够减小风力机转矩的波动，提高风力机的自启动性能以及风能利用率。

风轮设计主要包括确定风力机的特征风速与功率、计算风轮尺寸、确定风轮轮的叶片数、选取叶片翼型、确定变桨矩方式等方面的内容。

2.2风轮的参数确定 2.2.1尖速比

风轮叶片尖端的线速度与该风速之比称为尖速比，通常用?表示，也有用TSR(Tip Speed Ratio)表示的，可用下式计算：

?=?RV?2?nR (2-1) 60V式中：?—旋转角速度，rad／s；R—风轮的半径，m；n—风轮转速，r／mira V—风速，m／s。

现代风力发电机希望尖速比尽量大一些，尖速比大意味着风轮转速增加。一方面齿轮箱的增速比可以减少，使齿轮箱的研制变得容易一些；另一方面风轮产生相同功率时的转矩较小，主轴和发电机的重量可以减轻；还有随着尖速比的增加，使风轮实度减小，叶片材料减少，成本降低。但是，如果尖速比太高，需采用昂贵的碳纤维材料来满足其强度和刚度的要求。

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2.2.2风能利用系数

风能利用系数是指风轮从自然风中获得的能量与风轮扫掠面积内的未扰动气流所含的动能之比。它表明风轮从风中获得的有用能量的比例。

根据风力发电机设计理论可知，水平轴风力发电机的理想风能利用系数Cp，最大值为0．593；达里厄H型风力发电机的理想风能利用系数Cp，最大值为0．536。说明即使在理想状态下，风力发电机从自然风中所能索取的能量是有限的。对于实际使用的风力发电机来说，空气流动是可压缩的和叶片是有轮毂的，所以风能利用系数会有所下降。一般，高性能螺旋桨式风力发电机的CP值是0.45，阻力型风力发Cp值只有0.15左右。Cp值越大，表示风力发电机能够从自然中获得的能量百分比越大，风力发电机的效率越高，风力发电机对风能的利用率越高。

2.2.3风机电机的确定

根据性能要求本文选定Y100L1—4立式电机，其额定功率为P=2.2KW。

2.2.4风机额定风速的确定

根据性能要求本文选定额定风速为：VN=10m/s；

2.2.5启动风速的确定

启动风速是风力机风轮由静止开始转动并能连续运动的最小风速。目前国内外100多种风力机，启动风速的范围是2-6m/s，这一范围能满足风能丰富区、较丰富区、可利用区的不同需要。风力机的启动风速可以参照风场出现概率最大的风速珞，也可以根据成熟机型的启动风速进行选择。

2.2.6风轮半径R及风轮高度

在确定风轮的额定功率后，风力机的直径可由式进行计算：

13PN=Cp?SVN? (2-2)

2D?8PN (2-3) 3?CP?VN- 25 -

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2ih.html