小型风力发电机偏心轴叶片设计与计算

小型风力发电机偏心轴叶片设计与计算

第28卷增 刊 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2009年9月 Vol.28 Suppl. Journal of Liaoning Technical University（Natural Science） Sept 2009

文章编号：1008-0562(2009)0增刊Ⅱ-0286-03

小型风力发电机偏心轴叶片设计与计算

路 畅，李成全，王碧珺

（辽宁工程技术大学 力学与工程学院, 辽宁 阜新 123000）

摘 要：为了小型风力发电达机达到微风启动，强风制动的特点，对发电机叶片结构形式采用偏心轴式设计。首先叙述了偏心叶片的设计机理和特点，其次基于空气动力学基本理论，在一定简化条件下，推导出水平式风力发电风速和风压的计算关系式。以此为基础首次计算得出带有新型偏心轴叶片的小型风力发电机切入风速、切出风速、额定转速、最优偏转角度、偏心距等重要技术参数。该结果为小型风力发电机偏心轴式叶片设计提供一定的理论基础和指导意义。 关键词：风力发电；偏心轴叶片；结构设计

中图分类号：TK 83 文献标识码：A

Design and calculation of small wind power machine Partial blades

LU Chang，LI Chengquan，WANG Bijun

(College of Mechanics and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000 China)

Abstract：For making the small scaled wind power machine attaining light breeze start and the strong breeze system dynamic characteristics, the structure form adoption of the generator leaf's slice lacks of impartiality a stalk type a design.First, this text describes design mechanism and characteristics of lack of impartiality leaf's slice.Secondly, according to the basic theories of the aerodynamicist, at certain simplification under the condition, it deduces the wind power wind velocity of a level type the moderate breezes press of calculation relation type.Taking this as foundation, for the very first time, it compute correspond wind velocity and slice a wind velocity, sum to certainly turn soon, superior deflect angle and lack of impartiality to be apart from etc. For the design and calculation of the small wind power machine Partial blades, it provides theories foundation. Key words：wind power；partial blades；the structure design

所示，本文简化弹簧拉力作用点为直接作用在叶片

0 引 言 偏心一侧。风轮上的叶片是径向安置的，与旋转轴

相垂直，并与风轮的旋转平面成一角度α(如图c)。

由于风的能量与风速的三次方成正比[1]，所以

由于此小型风力发电采用下风式，这起到了自动描

一台额定风速为6米/秒的风车，当在18米/秒的风速

风，定向的作用。

下运行时，为设计工况的27倍，如果没有稳定可靠

α 的限速机构，风车是极易损坏的[2]。基于这个原因，

研制了一种结构简单的自动偏转叶片。此系统由于转轴与叶片中心有一定的偏心距e，因此叶片会自

动随着风速的增加而偏向一侧。当系统遇到破坏风

(a) (b) (c)

速时，叶片的偏转角可达到90°，叶片法向方向与来

图1 实体结构

风方向垂直，从而叶片不受力达到自动停机的目

Fig.1 Entity structure

的。在小于破坏风速时，叶片会在弹簧的拉力下自

由伯努利方程 [3-4]

动拉回，满足系统的恒定运行的要求。

1 偏心轴叶片结构设计

偏心轴叶片结构形式如图1，转轴与叶片轴心的距离是偏心距e（如图a），回弹簧结构形式如图b

V∞2P∞VB2PB

+ U=+ U （1） 2ρ2ρ

简化后得出风压计算公式为

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1

P=P∞ PB=ρV∞2 （2）

2

式中，P∞为风轮前压力；PB为风轮后压力；P为作用在叶片上的风压；ρ为空气密度；V∞,VB为风轮前方的风速和叶片扫掠后的风速；U为重力势能。

力[5]

FX=0.613 Vf2 sin2θ（ a+b） L （7） FY=0.613 Vf2 cos2θ（ a+b） L （8）

F是一个分布力，为了简化问题，可以把分布力F化为作用在O点上的集中力和以O点为转轴的力矩M0，那么，F0=FY，M0=FY e

2 叶片受力分析

基于以上分析对叶片的受力分析（如图2，3）：偏心叶片宽AB=0.2 m，AO=a，OB=b，长L=2m，偏心距OO1=e，叶片与X0轴夹角为θ，风速为

M0是使叶片旋转的力矩，此力与弹簧的拉力所

产生的力矩ML平衡即，FY e=ML。

将FX，FY沿X0轴和Y0轴方向分解可得到动力FX0和阻力FY0，FX0作用在叶片支撑轴旋转平面上，是使得风车转动的力，因此FX0越大越有利于风车的转动。FY0与风速方向相反，是叶片支撑结构破坏的主要原因。

动力项：

Vf，以叶片中心点O1为圆点，在平行叶面 垂直叶

面方向建立直角坐标系XO1Y，风密度

ρ=1.225kgm3，弹簧拉力FL。

Vf在X轴速度分量：VX=Vf sinθ （3）

Vf在Y轴速度分量：VX=Vf cosθ （4）

阻力

FX0=FY sinθ FX cosθ=0.613 Vf2 (a+b) L

L (cos2θ sinθ sin2θ cosθ) （9）

阻力项：

FY0=FY cosθ+FX sinθ=0.613 Vf2 (a+b) L

(cos3θ+sin3θ) （10）

图2受风力作用的计算 图3 俯视

3 参数的优化

为了让风车获得最大的能量，同时对系统的破坏程度最小，这就要求动力项最大，阻力项最小。动力项和阻力项随θ的变化规对于恒定的风速Vf，

律如图4。当取θ=35时即可满足要求，此时可令风速Vf=6 m/s为额定风速VR。

Fig.2 the oar leaf is subjected to the Fig.3 look down calculation diagram of breeze function diagram

将（3）和（4）代入式（2）中得

X轴方向的压强为

1

PX= ρ VX2=0.613 Vf2 sin2θ （5）

2

Y轴方向的压强为：

1

PY= ρ VY2=0.613 Vf2 cos2θ （6）

2

风压×面积后得到沿x轴作用力和沿y轴作用

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288 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第28卷

阻力曲线

Vc=2.7s。同理令初始偏转角θ=θ2=85D，

可计算出切出风速为VF=29.27ms。由于叶片频繁偏转对系统的稳定性会受到影响，因此偏心距不宜过大，可取e=0.04m，将额定风速VR=6s和所

（角度）

动力曲线

图4 动力项和阻力项随θ的变化规律

Fig.4 motive item and resistance item with variety

对应的偏转角θ=35D以及偏心距e=0.04 m代入式

（1-14），可得满足以上条件的弹簧刚度N=114.75Nm。以上结果如表1。

表1 计算结果 Tab. 1 compute result

参数

叶片

宽度

长度

距

风速 2.7

风速 22

风速 6

偏角10

偏心

切入

切出

额定

初始

θ

数值

2 0.2 0.04

14 结 论

基于空气动力学基本理论，对风流场和小型风力发电偏心轴叶片结构的简化，推导出风力发现叶

图5 叶片受力分析

Fig.5 force analytical of leaf's slice

对叶片受力分析如图5，

拉力：FL=K 2 sin弹簧X1轴方向的分力，

θ

2

a （11）

片所受的风压强为P=

1

ρ V∞2。以此为基础，对2

叶片进行受力分析并给出数学表达式。从动力项和阻力项随偏角变化曲线中，得出了最优偏转角

1800 θ

FLX1=K 2 sin a sin()（12）

22

θ

θ=350。对叶片所受力矩分析后，得出了弹簧的

弹性系数。此系数满足初始偏角为10度时，在切入风速2.7m（相当于二级风速）时微风启动，以及在切出风速22m时，叶片偏转角度约为90度的强风制动特点。由于叶片采用了较小的偏心距

和带有一定安装角的下风式结构，这就满足了系统稳定并且自动描风，定向的作用，为小型风力发电偏心轴叶片设计提供了理论基础。 参考文献：

[1] 王乘煦,张源主编.风力发电[M].北京：中国电力出版社.2002.8. [2] 阮 志,坤周敏,王五一,曲炳元,张宏文.小型水平轴风车侧偏限速机

构的设计计算[J].太阳能学报,1988.

[3] 林建忠等编著.流体力学[M].北京：清华大学出版社，2005,9. [4] 童秉纲,孔祥言,邓国华.气体动力学[M].北京：高等教育出版社，

1990,5.

[5] 藏俊霞. 便携式小型风力发电机的结构优化设计[D].河北：燕山大

学，2002，3.

由式FY e=ML可得

1800 θ

ML=K 2 sin a sin() a=

22

θ

FY e （13）

1800 θ

K 2 sin a sin() a=0.613 Vf2

22

cos2θ (a+b) L e （14） 令θ分别等于θ1和θ2，对应的风速为Vf1和

θ

Vf2代入式（1-14）并将两式相比可得

2

sinθ1Vf1cos2θ1

（15） =2 2

sinθ2Vf2cosθ2

将额定风速VR=6ms和所对应的偏转角

θ=350代入式（1-15），并令初始偏转角θ=θ2=100，来求切入风速Vc，经计算可得

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