毕业设计（论文）-垂直轴风力发电装置三维设计与仿真.doc

毕 业 设 计 学生姓名： XXX 学 号： XXXXXXXX 学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 题 目： 垂直轴风力发电装置三维设计与仿真 指导教师： XXX（教授） XX（讲师） 评阅教师： XXX（副教授） 20XX 年 X 月 河北科技大学毕业设计成绩评定表 姓 名XXX学 号 XXXXXXXX X 成 绩 专 业机械设计制造及其自动化 题 目垂直轴风力发电装置三维设计与仿真 指导教师评语及成绩 指导教师： 年 月 日 评阅教师评语及成绩 评阅教师： 年 月 日 答辩小组评语及成绩 答辩小组组长： 年 月 日 答辩委员会意见 学院答辩委员会主任： 年 月 日 注：该表一式两份，一份归档，一份装入学生毕业设计说明书（论文）中。 毕毕 业业 设设 计计 中中 文文 摘摘 要要 垂直轴风力发电机是一种利用风能进行发电的设备，相对于水平轴风力发电 机而言，它具有无需对风向、无噪音、安全、可靠、外形美观和维护简单等优点， 并且更适用于小型的风力发电，因此在城市中心区域的公共照明、居民家庭等领 域的应用日趋广泛。 本文参照前人的研究成果，对垂直轴风力发电装置的细节进行改进，设计出 具有自启动措施、可进行叶片自动收缩保护的一款风力发电装置，并完成了整体 结构尺寸的设计，为日后垂直轴风力发电装置的普及做出铺垫。 本课题利用高级微机 CAD 软件系统 Pro/Engineer 为平台实现垂直轴风力发电 机的三维设计，使得原来在二维图样上难以表达和设计的问题变得非常直观和易 于修改，大大简化机构的设计开发过程，缩短其开发周期，减少开发费用，同时 提高设计质量。同时完成了其虚拟的装配模拟，运动模拟，受力分析等工作，为 三维 CAD 技术在风力发电设备中的应用起到了良好作用。 关键词 垂直轴风力发电装置 三维 设计 仿真 毕毕 业业 设设 计计 外外 文文 摘摘 要要 Title Three-dimensional design and Simulation of vertical axis wind turbine Abstract The vertical axis wind turbine is a device for generating electricity by wind, relative to the horizontal axis wind turbine, it has no need to be pointed into the wind, no noise, safe, reliable, beautiful appearance and easy maintenance etc, and more suitable for small wind power, so the application of the vertical axis wind turbine in the city center area of public lighting, household and other fields is more and more widely In this paper, with reference to previous research results , the details of vertical axis wind power generation device was improved. I designed a wind power plant with self-starting measures , which can also be automatically shrink to protect the blade, and completed the overall structure size design, for the future popularity of vertical axis wind turbine to make bedding. This topic using advanced computer CAD software Pro/Engineer milling machine for the platform assembly and motion simulation of three-dimensional, making the original difficult to express in the two-dimensional drawings and designs on the kinematics becomes very intuitive and easy to modify. Greatly simplifies the process of organization design and development, shorten the development cycle and reduce development costs, while improving design quality. Meanwhile completed its virtual assembly simulation, motion simulation , stress analysis , etc., which has played a good role on improving the three-dimensional CAD technology in the application of wind power generation equipment. Key Words vertical axis wind turbine three-dimensional design simulation 本本科科毕毕业业设设计计 第 I 页 共 页 目 录 1 序论 .1 1.1 垂直轴风力发电装置设计制造国内发展概况 .1 1.2 垂直轴风力发电机三维设计的目的意义 .2 1.3 垂直轴风力发电装置设计原始参数 .3 1.4 垂直轴风力发电装置设计目标与要求 .3 2 垂直轴风力发电装置设计方案的确定 .3 2.1 总体方案设计 .3 2.2 结构设计方案的确定 .4 2.3 开发软件方案的确定 .5 3 垂直轴风力发电装置主要零件结构尺寸的确定 .6 3.1 升力型风叶叶型及相关尺寸的确定 .6 3.2 阻力型风叶叶型及相关尺寸的确定 .17 3.3 主轴结构尺寸的确定 .21 3.4 垂直轴风力发电装置塔架结构的确定 .22 4 发电机及刹车装置型号的确定及其相关计算 .24 4.1 发电机型号的选择 .24 4.2 刹车装置型号的确定及其受力计算 .25 5 垂直轴风力发电装置三维设计 .26 5.1 PRO/ENGINEER 系统三维设计方法.26 5.2 升力型风叶三维设计效果 .28 5.3 阻力型风叶三维设计效果 .28 5.4 收缩装置三维设计效果 .29 5.5 垂直轴风力发电装置塔架三维设计效果 .30 5.6 垂直轴风力发电装置所有三维零件造型列表 .30 本本科科毕毕业业设设计计 第 II 页 共 页 6 垂直轴风力发电装置的三维装配与爆炸方法与实例 .31 6.1 三维装配方法 .31 6.2 三维静态装配效果 .32 6.3 三维动态爆炸及装配方法 .32 6.4 动态爆炸及装配效果 .33 7 垂直轴风力发电装置三维运动学、动力学仿真与分析 .33 7.1 PRO/E 运动学仿真与分析方法.33 7.2 PRO/E 动力学仿真与分析方法.34 结 束 语 .35 致 谢 .36 参 考 文 献 .37 附 录 .38 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 1 页 共 38 页 1 序论序论 1.1 垂直轴风力发电装置设计制造国内发展概况垂直轴风力发电装置设计制造国内发展概况 垂直轴风力发电机是一种利用风能进行发电的装置，相对于水平轴风力机而言， 它具有无需对风向、无噪音、安全、可靠、外形美观和维护简单等优点，并且更适用 于小型的风力发电，目前已经开始应用于城市中心区域的公共照明、居民家庭、大型 户外广告、电信基站、油田、风电大楼、高速公路全程监控系统、游船、乡村电站等 领域。但是由于垂直轴风力发电技术良莠不齐，大部分垂直轴风力机相对于水平轴风 力机还有一定差距，因此，小型垂直轴风力发电机还远远没有普及，具有巨大的发展 潜力。 我国是发展中国家,对风能的开发利用十分重视。近年来，我国风电产业发展势头 强劲。2009年中国是全球累计风电装机容量仅次于美国的国家，累计风电装机2580.5万 kW；2010年，全球每新安装3台机组，就有1台在中国，当年新增风电装机容量1892.8 万kW，累计风电装机容量为4473.3万kW，超越美国成为全球新增和累计风电装机容量 最多的国家1。到2020年，中国的风电累计装机可达2.3亿kW，相当于13个三峡水电站 的规模，年总发电量约4 649亿kWh，届时风电将成为中国主要能源来源之一，在节约 资源、改善生态环境，促进社会、经济和谐可持续发展中将做出巨大贡献。 但是我国风电装备专利整体质量不高。我国整体专利申请数量很多，然而开发利 用率却很低。一方面由于整体技术含量不高，研发水平远远落后于国外风电行业；另 一方面开发利用意识不强，和国外企业技术创新模式存在一定差距2。目前，我国以推 广大功率水平轴风力发电机为主，我国风电机组主要制造商有40多家，并形成生产了 叶片、发电机、齿轮箱、偏航系统、塔架等组件的规模企业。近年来，由于特殊应用 场合的需要，也开始了垂直轴风力机的相关研究，主要集中在空气动力学特性方面, 主 要包括对垂直轴风力发电机的适用翼型空气动力学性能研究和使用各种翼型的整体空 气动力学性能研究, 取得了一定的进展3。2002年，我国开始了新型垂直轴风力发电机 的研究，由部队通讯部牵头，上海某公司为研发主体，西安军电、西安交大、同济大 学、复旦大学等高校的多位专家配合，在短短的一年时间里就生产出了首台新型垂直 轴风力发电机，并对产品进行改进，使产品走向成熟，并在海岛以及边疆大量采用以 新型垂直轴风力发电机为主要设备的风光互补系统供电4。麟风风电设备公司用在大型 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 2 页 共 38 页 垂直轴风机上的变“攻角”技术，有电动和机械两种方式，该技术使垂直轴风力发电 机的风轮在转动过程中，当叶片处于不同位置时根据风速、风向的变化情况,使叶片的 “攻角”保持受控变化,使其始终处在最佳的“攻角”位置，从而达到最大的风能利用 率5。能优异的小型风力发电机。上海MUCE公司推出的FDM系列垂直轴风力机具有 启动风速低，安全性强，噪音低，抗风能力强等优点。广州云攀风能科技有限公司推 出1KW垂直轴H型风力发电机采用永磁转子结构，有效降低发电机的阻转矩，叶轮与 发电机的匹配较好，主要用于沿海城市的市政路灯土程设施。上海麟风风力发电设各 有限公司开发出较多型号的小型风力发电机，功率范围从200WlOKW，工作风速为 44.5m/s6。 1.2 垂直轴风力发电机三维设计的目的意义垂直轴风力发电机三维设计的目的意义 1.2.1 课题研究的目的 三维 CAD 技术的发展应用对于产品开发，优化以及模拟仿真起着举足轻重的作用。 针对垂直轴风力发电机设计大多采用传统二维设计模式的现状，本课题即为垂直轴风 力发电装置三维设计与仿真，目的就是利用高级微机 CAD 软件系统 Pro/Engineer 为平 台实现垂直轴风力发电装置的三维装配和运动仿真，使得原来在二维图样上难以表达 和设计的运动学问题变得非常直观和易于修改，大大简化机构的设计开发过程,缩短其 开发周期，减少开发费用，同时提高设计质量。 1.2.2 课题研究的意义 一方面，相对于水平轴风力发电机而言，垂直轴风力发电机有噪音低，抗风能力 强，利用风速范围广等特点，而且没有对风损失，应用范围广泛，对小型垂直轴风轮 的研究对于将风力发电推广到农村城市具有十分重要的意义。 另一方面，垂直轴风力发电机三维设计与仿真，将更生动形象且省时省力的完成 垂直轴风力发电机设计工作。此外利用三维 CAD 技术还可以完成其虚拟的装配模拟， 运动模拟，受力分析等工作，将未来可产生的实际问题预先模拟出来进行分析改进， 且具有修改简便的优点。该方法可以明显提高机械设计人员的设计效率，避免不必要 的资金消耗，且垂直轴风力发电装置能以更高的效率完成工作，从而最终大大提高了 企业、单位整体的工作效率，实现更好的经济效益。因此，这项课题的成功对高级微 机 CAD 三维技术在机械行业中的应用具有重要意义，对 CAD 技术的纵深发展将起到 推动作用，并具有良好的社会效益。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 3 页 共 38 页 1.3 垂直轴风力发电装置设计原始参数垂直轴风力发电装置设计原始参数 要求所设计的垂直轴风力发电装置能够达到以下条件： 低风速启动措施； 考虑风叶数 3-4 叶，考虑其自动收缩与保护功能； 发电装置考虑直径在 1 米左右，高度在 2 米以下。 1.4 垂直轴风力发电装置设计目标与要求垂直轴风力发电装置设计目标与要求 运用计算和软件系统的三维设计手段，完成垂直轴风力发电装置总体方案设计、 三维零部件设计、装配爆炸动画、机器运动仿真、关键件应力分析等内容，摸索直接 用三维设计手段进行垂直轴风力发电装置设计过程，使整个设计过程达到三维化、数 字化的目的。设计完成的垂直轴风力发电装置要求具有结构简单、安全可靠、操作方 便、工作效率高等特点，能够满足生产实际的要求。 2 垂直轴风力发电装置设计方案的确定垂直轴风力发电装置设计方案的确定 2.1 总体方案设计总体方案设计 2.1.1 风机自启动方式 垂直轴风力发电装置的设计关键是装置的自启动装置的设计。一般的升力型垂直 轴风力机自启动性能差，这极大的影响了风力机的发电效率，针对这个问题，研究人 员已经提出了不少解决方案，比较典型的三种方案是： 1） 利用电机将风轮带动至工作转速，待风机正常工作后风轮主轴与电机主轴脱 离。这种方式需要额外设计电机的控制系统以及与风轮主轴连接的机械结构，保证风 轮达到工作转速后电机停止工作，这种方案增加了风力机的成本。 2） 利用变桨距的方式增大风力机启动阶段叶片的受风面积，从而增强风力机的 启动力矩。但该方式在风速偏低或负载较大时的自启动性能依旧不佳，同时也使风轮 支撑臂与叶片连接结构更加复杂，降低了结构的可靠性。 3） 充分利用阻力型垂直轴风力机的良好启动性能，将萨沃尼斯型风力机与直叶 片垂直轴风力机组合在一起，带动垂直轴风力机自启动。该方式风力机易启动，但阻 力型风轮也限制了整个风力机转速的提高。 由于本方案设计的工作区域为低风速区，要求自启动性能良好，本垂直轴风力发 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 4 页 共 38 页 电装置采取第三种方案。考虑到阻力叶片对整个风力机转速的影响，本方案采用可收 缩叶片。 2.1.2 垂直轴风力发电装置工作原理 垂直轴风力发电装置的工作原理确定是垂直轴风力发电装置设计过程中的开端， 也是十分重要的内容，通过需要的工作需求确定装置的主要系统组成。 垂直轴风力发电装置工作的基本原理：叶片接受风能带动风轮轴转动，再通过传 动机构驱动发电机进行发电。 实现的基本功能：升阻风叶组合实现低风速自启动，高风速时叶片自动收缩保护 实现方式：升力及阻力叶片通过支臂固定到到中间旋转机构上，中间旋转机构置 于机架上，可自由旋转，并通过传动轴与置于底面的发电机相连，当叶片转动时，通 过支臂带动中间旋转装置转动，最终通过传动轴将运动传递到发电机上，实现发电功 能。中间旋转装置内置无刷伺服电机及涡轮蜗杆传动系统，支臂上带有丝杠滑块传动 系统，丝杠一端安装涡轮，滑块上安装升力风叶，当转速超过某一定值时，无刷伺服 电机通过蜗杆涡轮带动丝杠旋转，实现升力风叶的收缩功能。 2.2 结构设计方案的确定结构设计方案的确定 1） 支臂连接方案的确定： 本方案为小型垂直轴风力发电机的设计，要求便于装拆，因此，支臂采用螺纹连 接，均用销固定，以增加结构稳定性。 2） 阻力叶片收缩方案的确定： 本方案为小型垂直轴风力发电机的设计，要求结构安全，简单，便于实现。因此， 阻力叶片采用惯性收缩，牵引块安装于叶片内侧，并于弹簧相连，当风速低时，阻力 叶片处于正常位置，随着转速的增加，弹簧由于惯性作用被拉长，实现阻力风叶的自 动收缩。 基本结构方案如下： 低风速时，阻力风叶通过中间旋转机构带动升力风叶转动，实现风机自启动。风 机正常工作时，阻力风叶收缩，以减小对升力风叶转动的阻力。当转速超过某一定值 时，收缩系统启动，升力叶片自动收缩。当瞬时转速过大时，刹车装置启动，使风轮 停止转动。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 5 页 共 38 页 2.3 开发软件方案的确定开发软件方案的确定 Pro/Engineer 操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一体化 的三维软件。Pro/Engineer 软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在三维造 型软件领域中占有着重要地位。其主要功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造 型，三维上色，实体或线框造型，完整工程图的产生及不同视图展示（三维造型还可 移动，放大或缩小和旋转） 。Pro/Engineer 是一个功能定义系统，即造型是通过各种不 同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs） 、槽（Slots） 、倒角（Chamfers）和抽 壳（Shells）等，采用这种手段来建立形体更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计 方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不像其他系统是直接指定 一些固定数值于形体，用户可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参 数改变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便并可令设计优化 更趋完美。Pro/Engineer 还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析 及后置处理等。它在单用户环境下（没有任何附加模块）具有大部分的设计能力，组 装能力（运动分析、人机工程分析）和工程制图能力（不包括 ANSI， ISO， DIN 或 JIS 标准） ，并且支持符合工业标准的绘图仪（HP，HPGL）和黑白及彩色打印机的二 维和三维图形输出。Pro/Engineer 功能如下： 1） 特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等） ； 2） 参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等） ； 3） 通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关 系来进行设计。 4） 支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列， Pro/PROGRAM 的各种能用零件设计的程序化方法等） 。 5） 贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个 地方变动） 。 综上所述，就本课题而言 ProE5.0 的功能能够很好的实现本课题的要求。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 6 页 共 38 页 3 垂直轴风力发电装置主要零件结构尺寸的确定垂直轴风力发电装置主要零件结构尺寸的确定 3.1 升力型风叶叶型及相关尺寸的确定升力型风叶叶型及相关尺寸的确定 升力型风叶是垂直轴风力发电装置的主要部件，这里将对叶片类型，参数，尺寸， 材料，受力进行主要分析。 3.1.1 叶型的选择： 叶片是利用气流通过时产生的压力差使叶轮转动的部件，具有空气动力学特性， 其设计质量对整个风力发电系统及其他零部件有直接影响，因此叶片是风力机的重要 部件。叶片的设计目标主要有： 1） 良好的空气动力外形； 2） 可靠地结构强度； 3） 合理的叶片刚度； 4） 良好的结构动力学特性和启动稳定性； 5） 耐腐蚀、方便维修； 6） 满足以上目标前提下，尽可能减轻叶片重量，降低成本。 风力机的翼型多种多样，各有各的优缺点，应用较多的有 NACA 翼型系列、SERI 翼型系列、NREL 翼型系列、RIS 翼型系列和 FFA-W 翼型系列等，其中 NACA 翼型 是美国国家宇航局（NASA）的前身国家航空咨询委员会（NACA）提出设计的翼型系 列，具有低阻力系数的特点，适合低速运行7。因此，本方案采用 NACA 系列翼型。 为了最大限度提高动效率，翼型特性应具有下列要求： 1） 升力系数斜度大； 2） 阻力系数小； 3） 阻力系数与零升角对称。 如图 3-1 所示三种 NACA 翼型的阻力系数，可以看出，NACA0012 的阻力系数较 小，具有上述特性，故选用较低阻力系数 NACA0012 对称翼型。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 7 页 共 38 页 图 3-1 几种翼型的翼型特性 3.1.2 叶片参数的选择： 1） 叶片实度 ： 实度是表征旋转叶片的密实程度的量，是风力机设计中的关键参数之一，其计算 公式为： （3.1） R NC RL NCL 22 其中 C 为叶片弦长（连接叶片前缘与后缘的直线的长度称为弦长） ，R 为风轮半径， N 为叶片个数，L 为叶片长度，取 值分别为 005、01、02、03 和 05 分析 垂直风力机的特性，见图 3-2(展弦比为 15)。可以看出实度为 0103 时，风力机 的最大功率系数值较大，因此在风力发电机设计时以实度值 0103 作为参考值8。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 8 页 共 38 页 图 3-2 实度对 H 型风力机功率系数的影响 从曲线可以看出，当 =0.2 时，H 型风力机功率系数能达到最高，故本方案选择 叶片实度 =0.2。 2） 尖速比 风轮叶片尖端线速度与风速之比称为叶尖速比，阻力型风力机叶尖速比一般为 0.3 至 0.6，升力型风力机叶尖速比一般为 3 至 8。在升力型风力机中，叶尖速比直接反映 了相对风速与叶片运动方向的夹角，即直接关系到叶片的攻角，是分析风力机性能的 重要参数。叶尖速比计算公式为： （3.2） v nR v R 60 2 其中，v 为风速， 为风轮转速。对于叶片尖速比的选择，已经进行了许多研究， 对于对称翼型来说，根据在不同叶尖速比值条件下叶片攻角值分布情况的比较分析， 如只从提高风能利用系数考虑，可以初步判断垂直轴达里厄型风力机叶尖速比应选择 为 49。 本方案为翼型为 NACA0012，为对称翼型，因此本方案叶尖速比 =4。 3） 风能利用系数 Cp 风力发电机的发电功率与输入功率的比值称为风能利用系数，是表征风力发电机 效率的参数。通过图 3-2 可以看出，当取 =0.2，=4 时，Cp=0.4。所以本方案中风能 利用系数为 0.4。 4） 展弦比 A 叶片的展向长度 b（即为风轮高度）与弦长 c 的比值称为展弦比，其计算公式为： （3.3） c b A 展弦比对风力机风能利用系数的影响如图 3-3 所示，从图中可以看出，理论上展 弦比越大，风力机的风能利用系数越大，但当展弦比为 15 以上时，H 型风机的风能利 用系数已经接近展向无限长翼型，因此，虽然受翼型展向抗风强度所限，A 不应过大， 但为了提高风力机效率，在设计中 A 的取值应不小于 158。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 9 页 共 38 页 图 3-3 展弦比对 H 型风力机风能利用系数的影响 在本方案中，叶片实度的选择是基于展弦比为 15 的翼型，可以看到，在 =4 时， Cp=0.4，与之前选择相吻合。所以，H 型叶片展弦比 A=15。 5） 叶片数量 N 直线翼垂直轴风力机可理解为将达里厄风力机的叶片由曲线变为直线，并将其沿 着旋转圆周均匀分布。叶片太少会影响风力机的功率输出，叶片太多会使各叶片之间 产生干涉，而影响叶片的气动特性，一般来说，直线翼垂直轴风力机的叶片个数为 26 枚。目前较多采用 3 叶片或 4 叶片10。叶片个数的选择主要根据所选叶片实度 而定： （3.4） C D N 其中 为叶片实度，D 为风轮直径，C 为叶片弦长。 3.1.3 叶片尺寸的确定 1） 额定风速的确定 河北省四季风速日变化特征如图 3-4 所示，全省春、夏、秋、冬季的平均风速分 别为 6.15、5.33、6.33、6.54m/s11。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 10 页 共 38 页 图 3-4 河北省四季测风塔平均风速日变化曲线 根据国家标准GBT 13981-2009 小型风力机设计通用要求：风轮扫掠面积小于 等于 40的风力机额定风速应取在 6m/s10m/s。从上图可以看出，额定风速设为 2 m 6.5m/s 能够满足大多数时间的发电要求。因此本方案额定风速 v=6.5m/s。 2） 基本尺寸的确定 风力机的输入功率：Pw （3.5） Cp P Pw 其中=0.4，P 为发电功率，本方案为小型垂直轴风力发电机设计，初定Cp P=100w，带入式 3.5 得： 250 4 . 0 100 Cp P Pw 扫风面积 S： （3.6） 3 2 v Pw S （3.7）HDS 其中，Pw 为风力机的输入功率，； 为空气密度，；取标准值W 3 /mkg 12.5；S 为扫风面积，；v 为风速，；H 为风轮高度，；D 为风轮直 3 /mkg 2 msm/m 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 11 页 共 38 页 径，。m 本方案中 Pw=250W，v=6.5，带入公式 3.6 得：sm/ 2 33 45 . 1 5 . 625 . 1 25022 m v Pw S 风轮高度与直径的比值称为风轮的高径比，研究显示，高径比在 1 附近时，风轮 的扫风面积最大，D 为风轮直径，H 为风轮高度，而叶片长度不宜超过风轮直径，所 以取 H=D。带入公式 3.7 得： 2 45 . 1 mHDS mDH2 . 145 . 1 所以，H=D=1.2m 产生的扫风面积能基本符合要求。 将 H=1.2m 带入公式 3.3 得叶片弦长： mm A H C80 15 1200 将 C=80mm 带入公式 3.4 得叶片个数： 3 80 12002 . 0 C D N 叶片横截面尺寸： NACA0012 截面形状及尺寸如图 3-5 所示，由于 NACA0012 翼型为对称翼型，图 中的左侧数据表中只给出了单边数据。图中 C 为弦长，长度为 1（单位长度） ；y 是对 应 x 位置的翼面与弦的距离，单位 y/c；x 为弦长坐标，单位 x/c。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 12 页 共 38 页 图 3-5 NACA0012 翼型参数 本方案叶片采用的弦长为 80mm，因此，本方案中叶片的截面尺寸只需将图 3-5 表 中数据适当放大即可12。 3.1.4 叶片形状及材料的确定 1） 叶片的结构方案：风叶结构采用适用于小型发电机的主梁蒙皮式，内部以发泡体 填充。 2） 叶片材料的选择： 叶片材料选择应遵守下列准则： a） 疲劳强度高； b） 静强度适当； c） 在所有环境下的可靠性； d） 重量轻； e） 成本低。 高分子纤维材料环氧玻璃钢（FRP）重量轻，强度高，耐腐蚀，而且成本低廉，是 制造风力机扇叶的常用材料，因此叶片的主梁及蒙皮材料均为 FRP，内部以聚氨酯泡 沫材料填充，其结构如图 3-6 所示。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 13 页 共 38 页 图 3-6 叶片剖面 至此，升力型风叶的基本参数可以确定，如表 3-1 所示。 表 3-1 升力型风叶基本参数 叶片类型叶片个数叶片弦长（mm）叶片长度（mm） NACA00123801200 3.1.5 叶片受力分析 1） 相关计算参数的确定 a） 叶片安装角： 叶片的弦所在直线与叶片切向速度方向所成的夹角叫做叶片的安装角，如图 3-7 所示，选择合适的安装角可以改善垂直轴风力发电机的启动特性，但也会影响风力机 的风能利用率，在不考虑自启动的情况下，一般取 0。由于本方案自启动方式为升阻 叶片混合自启动，所以本装置叶片安装角选择 0。 3-7 叶片处气流速度图 b） 叶片攻角 ： 风轮叶片转速与风速合速度方向与叶片弦方向的夹角称为叶片攻角，如图 3-7 所 示，它随着叶片位置的变化而变化。在本方案中，安装角为 0，叶片线速度（t）方向 与叶片弦方向重合，则在风速方向与叶片弦方向垂直时有最大叶片攻角。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 14 页 共 38 页 14) 4 1 (tan)(tan)(tan 111 V V t V 所以本方案升力叶片攻角范围为-1414。 c） 升力系数 Cl： 叶片所受升力与气流动压和参考面积的乘积之比称为叶片的升力系数，它与叶片 的几何形状有关，并且随着叶片攻角的变化而变化13，四种翼型的升力系数曲线如图 3-8 所示。 图 3-7 不同厚度翼型升力系数曲线 d） 阻力系数 Cd： 叶片所受阻力与气流动压和参考面积之比称为叶片的阻力系数，其值与叶片的几 何形状有关，并且随着叶片攻角的变化而变化13，四种翼型的升力系数曲线如图 3-9 所示。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 15 页 共 38 页 图 3-9 不同厚度翼型阻力系数曲线 2） 功率及受力计算 叶片在叶轮任意半径处的一个基本单元，简称为 “素” 6， 本方案中叶片安装 角为 0，其在流动空气中绕叶轮轴线转动的速度矢量俯视图如图 3-10 所示，叶素受力 如图 3-11 所示。 图 3-10 叶素的速度矢量俯视图 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 16 页 共 38 页 图 3-11 叶素的受力图 本方案中额定风速=6.5m/s，叶尖速比 =4，则叶片角速度 为： V srad R v / 3 . 43 6 . 0 5 . 64 在来流风速的作用下，根据叶素的速度矢量俯视图（如图 3-11）可以得到，叶 V 片的切向速度和法向速度分别为： （3.8） cosVRVc （3.9） sinVVn 叶片瞬时攻角： c n V V 1 tan 将式 3.8 与 3.9 带入得： （3.10） cos sin tan 1 VR V 叶素上的相对合速度为： （3.11） 222 22 sin)cos(VVRVVW nc 以 Ct 和 Cn 分别表示升力和阻力在切向和法向上合力的系数，Cl 为升力系数，Cd 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 17 页 共 38 页 为阻力系数， 为叶片攻角，则 Ct 和 Cn 的表达式分别为： （3.12）cossin dl CCCt （3.13）sincos dln CCC 以 Ft 和 Fn 分别表示单个叶片所受的切向力和法向力， 为空气密度，C 为叶片弦 长，H 为叶片高度，则 Ft 和 Fn 的表达式分别为： （3.14） 2 2 1 CHWCF tt （3.15） 2 2 1 CHWCF nn 由于 Ct 和 Cn 是关于 的函数，而在风速不变的情况下， 又可以看成是关于 的函数，则 Ft 可以看成是关于 的函数，所以，单个叶片受到的平均切向力可表 t F 示为： （3.16） 2 0 )( 2 1 dFF tt N 个叶片所受的总力矩 Q 可表示为： （3.17）RNFQ t 叶轮的总功率 P 可表示为： （3.18）QP 本方案叶片参数 N=3，R=0.6m，=1.25/m3,C=0.08m,H=1.2m,=43.3r/s 其他参数 随着风速及风轮叶片相对位置的变化而变化，取 V=6.5ms,由于升力及阻力系数随着攻 角的变化而变化，是关于 的函数，函数曲线如图 3-8 及图 3-9 所示，我们取叶片旋转 到中间位置 5攻角位置来对额定功率进行粗算，此时 Cl=0.6，Cd=0.025（如图 3-8，图 3-9 所示） 。设攻角角度不变，则升力与阻力系数均为定值，可计算出功率： tt FF 将 =5,R=0.6m,=43.3r/s,=6.5m/s 代入公式 3.10，可算出 : V cos5 . 6) 3 . 436 . 0( sin5 . 6 tan5 1 解得：=25。将其代入公式 3.11，可算出叶片的相对合速度 W： 25sin5 . 6)25cos5 . 6 3 . 436 . 0(sin)cos( 222222 VVRW 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 18 页 共 38 页 解得 W=32m/s。将 Cl=0.6，Cd=0.025，=5带入公式 3.12，可算出 Ct： )5cos025 . 0 ()5sin6 . 0(cossin dlt CCC 解得：Ct=0.027。代入式 3.14 可算出切向力 Ft： 22 322 . 108 . 0 25 . 1 5 . 0027 . 0 2 1 CHWCF tt 解得：Ft=1.65 N。代入公式 3.17 可算出总力矩 Q： 6 . 065 . 1 3RNFQ t 解得：Q=3Nm。代入公式 3.18 得： WQP 9 . 129 3 . 433 粗算结果与方案装置的初定功率相差不多，所以装置的参数正确。 3.2 阻力型风叶叶型及相关尺寸的确定阻力型风叶叶型及相关尺寸的确定 3.2.1 叶片选型 阻力型风叶的种类主要有萨渥纽斯型、风杯型、涡轮型、平板型和马达拉斯型等。 不同种类的阻力型风叶的形状不同，而不同形状的物体对风的阻力系数也不同，本方 案将从叶片形状的方向选取阻力型风叶类型。不同形状的物体对风的阻力系数如图 3- 12 所示。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 19 页 共 38 页 图 3-12 典型形状物体的阻力系数 阻力风叶的阻力系数越大，则在相同面积相同风速下产生的力矩越大，本方案中 阻力风叶的作用是在风速低时带动升力风叶，实现风力发电装置的自启动，因此应选 择阻力系数尽量大的叶片类型。从图 3-12 可以看出，半凹圆筒阻力系数最高，因此本 方案选择半凹圆筒形状的阻力风叶，即萨渥纽斯型阻力风叶，它由 2 个半圆形叶片开 口相对，组成 S 型，并在旋转中心处设有一部分重叠区，其结构如图 3-13 所示。 图 3-13 萨渥纽斯风力机结构示意图 3.2.2 叶片参数的选择 萨渥纽斯型风叶的设计需要考虑两个主要参数，即重叠比（OL）和高径比（AP） 1） 重叠比 OL 两半圆筒形风叶重叠部分与单个叶片直径的比值称为萨渥纽斯型风叶的重叠比， 其计算公式为： （3.19） d S OL 不同的重叠比对萨渥纽斯型风叶的性能影响很大，如图 3-14 所示，从图中可以看 出，叶片重叠比越小，相同尖速比下，叶片的功率系数越大，由于本方案有自动收缩 系统，所以重叠比应在不影响叶片收缩的情况下尽量小。因此，本方案取叶片重叠比 OL=0.5，d=200mm。 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 20 页 共 38 页 图 3-14 具有不同重叠比的萨渥纽斯型风力机的性能 2） 高径比 AP 萨渥纽斯型风力机高度与其阻力风叶直径的比值称为高径比，其计算公式为： （3.20） d H AP 叶片高径比对阻力型风机的性能影响也很大，一般来说，高径比越大，萨渥纽斯 型风力机的性能就越好，目前，实际应用中高径比一般选择 14，具体尺寸应根据实 际情况而定14。本方案中已知 H 型风力叶片高度 H=1200mm，所以，从阻力风机性能 及风力发电装置美观度来考虑，阻力叶片高度不应超过 500mm，因此阻力型风机的叶 片高度取 400mm，带入公式 3.20 得，高径比 AP 的值为： 2 200 400 d H AP 3.2.3 叶片的受力分析 阻力系数的计算公式为： （3.21） sv F Cd 2 2 式中，F 为叶片所受阻力（Nm） ； 为空气密度，取 =1.25；v 为空气流动 3 /mkg 速度；s 为叶片的受风面积。 由于叶片的受风面积随着叶片位置的变化而变化，在本方案中，我们取叶片的最 大受风面积进行分析，此时，叶片直径与风速矢量垂直，则受风面积为： （3.22）HDs 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 21 页 共 38 页 式中 D 为风轮直径，其计算公式为 mdOLD3 . 02 . 0)5 . 02()2( 代入式 3.22 得： 2 36 . 0 3 . 02 . 1mHDs 由公式 3.21 得： N 222 11 52 . 0 36 . 0 25 . 1 3 . 25 . 0 2 1 vvsvCF d N 222 22 27 . 0 36 . 0 25 . 1 2 . 15 . 0 2 1 vvsvCF d 其中 F1 与 F2 分别为半凹圆筒与半凸圆筒所受阻力，Cd1 与 Cd2 分别为半凹圆筒 与半凸圆筒的阻力系数，F1 与 F2 分别作用于阻力风机旋转轴的两侧，它们对阻力风 机主轴所产生的转矩分别为： Nm 22 11 052 . 0 2 . 052 . 0 5 . 0 2 1 vvdFM Nm 22 22 027 . 0 2 . 027 . 0 5 . 0 2 1 vvdFM M1 与 M2 方向相反，则阻力风机所受合力矩 M 为： Nm 2 21 025 . 0 vMMM M 的方向