小型风力发电机主轴的疲劳分析

1、网络财富理论探讨Intemet fortuneTheory Studies小型垂直式风力发电系统的研究管荣强，杨树臣，谷冬冬（吉林工程技术师范学院，吉林 长春 130052）【摘要】风力发电系统分为水平式与垂直式，本文在以往的基础上分析了水平式与垂直式的优点和缺点，并设计出一款新型的小型垂直式风力发电系统。这种小型的垂直式风力发电系统对发电机的叶片翼型结构进行了改进，使其具有微风启动、无噪音、减少阻力、不受风向影响等性能，完全的突破了传统水平式风力发电系统启动风速大、噪音大、受风向影响等缺点。【关键词】可再生能源；垂直式风力发电；最大功率跟踪；蓄电池引言从19世纪末开始风力发电以其无污染、可再

2、生且相对造价低廉的优点登上了历史舞台，并一直在新能源的领域独占鳌头，独孤求败。然而，随着大型风电场的不断增多，占用的土地也日益扩大，产生的社会矛盾日益突出，如何解决这一难题，成为了我们的有一大困惑。风能的蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍1。我国幅员辽阔，可开发利用的风能储量约10亿kW，其中，陆地上风能储量约2.53亿kW（陆地上离地10m高度资料计算），海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW，共计10亿kW2，为可再生能源和新能源利用技术提供强大的发展空间。我国风能发电产业起步比较晚

3、，仅仅在20世纪50年代后期才开始小型风力发电系统的研究3。但发展势头极为迅猛，尤其是2006年实施可再生资源法后，几年来装机容量增长速度超过100%，已然挤入风力发电大国的行列。是世界风力发电增长最快的国家之一。1.水平轴与垂直轴风力发电机的比较尽管风力发电机多种多样，但归纳起来可分为两类：(1)水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；(2)垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。2.水平轴风力发电机水平轴风力发电机可分为升力型和阻力型两类。升力型风力发电机选抓速度快，阻力型旋转速度慢。在设计方面水平轴风力发电机的叶片设计目前普遍采用的是动量叶素理论，主要的方法有Glauer

4、t法、Wilson法等456。但是由于叶素理论忽略了各叶素之间的流动干扰，同时在应用叶素理论设计叶片时都忽略了翼型的阻力，这种简化处理不可避免的造成了结果的不准确性。3.垂直轴风力发电机垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。在设计方面垂直轴风力发电机的叶片设计以前也是按照水平轴的方法，依靠叶素理论来设计4。由于垂直轴风轮的流动比水平轴更加复杂，是典型的大分离非定常流动，不适合用叶素理论进行分析、设计，这也是垂直轴风力发电机长期得不到发展的一个重要原因。随着计算机技术的不断发展，计算流体力学（Co

5、mputational Fluid Dynamics）得到了长足的进步，从最初的小扰动速势方程，到欧拉方程，以及更加复杂的N-S方程7，目前的CFD技术完全能模拟在复杂外形下的复杂流动。对于垂直轴风轮的叶片，已经可以用CFD方法来设计8，这无疑要比叶素理论精确的多。而水平轴叶片的设计还没有办法应用CFD方法来设计，这主要是由这两种风轮结构决定的。水平轴的叶片由于每个截面的扭角，弦长以及尖速比都不同，如果要用CFD模拟的话，就必须采用三维模型，这样计算网格至少要100万个，整个计算量就会大大增加。直观的说，模拟一个工况，在采用CPU为P4 3.0G的个人电脑上，计算时间大概需要710天，如果设计

6、一个风轮可能需要几年到十几年时间，这样的代价在工业设计中是很难接受的。而垂直轴就完全不一样（仅限于Darrieus式H型风轮），叶片的每个截面都一样，这样就能简化成二维情况，网格数大大下降，计算量也随之下降，一般模拟一个工况只需要4个小时。从设计方法上讲，垂直轴风力发电机要比水平轴的先进的多。通过比较可以很容易的看出垂直轴风力发电的设计方法较水平轴风力发电要先进的多，且其具有微风启动、无噪音、不受风向影响等优点，所以本文是利用垂直轴风力发电机设计的一款新型风力发电系统。4.垂直轴风力机的主要结构垂直轴风力发电机的种类和样式多样，主要有S型、型、H型和旋翼式，风力发电机将风能转变为机器能的主要部

7、件是受风力作用而旋转的风轮，因而垂直轴风力机的结构大多按照风轮的结构形式进行区别。现对垂直轴风轮典型形式进行分析：S型（两个轴线错开的半圆柱型叶片）优点：启动转矩较大；缺点：不对称气流易产生侧向推力，尖速比小于1，不适用应用与小型风力机。型（采用Troposkien曲线叶片）优点：叶片不承受弯曲应力，叶片轻，具有更高的尖速比；缺点：不便采用变浆矩和自启技术。H型（带有横杆和拉索支撑的直叶片）优点：可变浆矩，扫风面积大，适用与小型风力机；缺点：尖速比低。旋翼式（直叶片，叶片能根据不同转速自动调节叶片迎角）优点：恒定转速，可以适应风速的变化，可以实现自启动；缺点：变浆机构复杂。不适用小型风力机。以

8、现有的设计条件，我们需要设计一种小型的可变浆矩适用与各种风向的机构，S型和旋翼式不适用与小型风力机，而型不便采用变浆矩和自启技术，所以本文选用的是H型垂直式风力机，切在原有的基础上对叶轮进行改进，使其近似与飞机的机翼，达到可以在微风启动、可变浆矩、扫风面积大、并且减少阻力的作用。5.风力机的空气动力学特征现代风力发电机采用空气动力学原理，就像飞机的机翼一样，风并非推动叶片运动，而是吹过叶片形成叶片正反面的压差，这种压差会产生升力或阻力，令叶轮不断横切风流旋转起来，长生旋转动能。度，S为气体流过截面积。风力机的第一个气动理论是由德国的Betz与1926年建立的。由于流经风轮后的风速不可能为零，因

9、此风所拥有的能量不可能完全被利用。也就是说只有风的一部分能量可能被吸收，成为桨叶的机械能。那么风轮究竟能够利用多少风能呢？经计算风力机实际能得到的有用功率P根据Betz极限理论得知，其功率损失部分可以解释为留在未留中的动能。6.风力机的输出功率特性每台风力机都规定有最高工作风速VMAX，该风速值与风力机的设计强度有关，是设计时给定的参数。介于最低风速Vmin和最高风速VMAX之间的风速叫做风力机的工作风速，相应于工作风速风力机有功率输出，风力机的输出功率达到标称功率时的工作风速称为该风力机的额定风速。为充分利用风理论探讨网络财富Theory StudiesIntemet fortune从心理学

10、角度谈中长跑比赛战术的运用吴幼林（长江大学，湖北 荆州 434020）【摘要】中长跑比赛中战术的形成需要借助于运动员行为技能的练习，同时它的发展水平也需要行为技能的验证。比赛层次越低，知识的掌握为基本前提；层次越高，比赛场景的实践将更为重要。中长跑比赛的战术形成过程有其自身的规律性，随着训练水平的提高，运动员之间的比赛成绩越来越接近，合理的中长跑战术对中长跑运动员取得好的比赛名次至关重要。【关键词】心理学；中长跑；战术1.中长跑战术的涵义中长跑比赛中的战术是指运动员根据比赛的客观实际情况，通过大脑积极思维，在正确判断的基础上采取相应的措施，完成各种技战术行为的特殊能力，是运动员在比赛中的判断能

11、力、应变能力和合理地运用技术和战术方法的能力的集合。中长跑的比赛战术应根据参赛目的和任务、个人特点与竞赛状态，以及主要对手的特点、赛制、气候、环境状态等因素制订。影响中长跑运动员在比赛中采用何种战术的因素很多，运动员可采用的战术也很多。在比赛中，速度好的运动员多采用跟随跑，在最后较短的距离靠强有力的终点冲刺以获得胜利；耐力好的运动员，多采用领先跑，起跑后就加速，在途中跑中保持较高的跑速，以拖垮对手，获得胜利；还有的运动员在平时训练中就储备了主动变速的能力，以此战术打乱对方跑的速度与呼吸的节奏，消耗对方的体力最后取胜。中长跑战术的主要思想是合理分配体力和速度，战术的运用是否合理，就成了取得理想成

12、绩的关键。2.中长跑战术的心理过程中长跑战术的形成是运动员通过观察、感觉、思维和判断来支配自己采取合理行动的过程。可以把战术的形成过程描述为：接受信息(场上观察)、瞬间判断(大脑思维)、战术行动(应激应变)。在战术的形成和运用过程中，思维起着关键作用，是战术形成的中心环节，也是思维活动在执行战术行动中的具体表现。首先是运动员正确认识和理解中长跑运动的理论知识，认识比赛规律，并由此支配自身的比赛行动的过程；其次是运动员掌握一定数量的技术和战术，并能在复杂、多变、困难的比赛条件下加以运用；第三是具备满足技、战术需要的身体素质，才能通过培养逐渐形成。第四是运动员在比赛中通过观察、判断所选择的正确行动

13、，是与同伴协调配合、准确地制定自己的行动方案以及在比赛中随机应变能力的综合表现。中长跑比赛中战术意识的获得过程，是比赛所需的知识、技能和经验的获得和积累过程，是比赛所需的能力结构的形成过程，是运动员在比赛中指导战术行为的思维活动。它在运动员头脑中形成、在行为中表现，并在比赛中遇到问题及解决问题的过程中积累经验，逐步形成和完善的特殊能力。3.中长跑比赛战术的心理层次结构中长跑比赛中战术的内容结构，主要表现在思维活动和行为活动两个大的方面。首先，比赛中的专门化运动知觉、运动注意、运动记忆和运动决策的具体表现内容之间有着密切的联系，也有着各自的不同特点，以整体效应方式共同影响着运动员比赛战术的形成过

14、程。其次，战术知识和运动技能是专项理论中两个重要的基本要素。知识和技能是能力结构的两个基本构成要素，通过获得战术基本知识和运动技能，可以完成战术意识的概念化；战术方法运用在不同层次之间的联系、联络而形成的整体，标志着战术意识内容的系统化。战术意识的概念化和系统化使得比赛中的战术意识转化为稳定的能力。3.1 中长跑战术的专门化运动知觉任何一门专门化运动技能都是由很多细节所组成的复杂结构体系，都有自己的基本规律，并对运动员有一定的身体、生理和心理方面的要求。专门化运动知觉就是专项运动对运动员心理要求的一个重要方面，它是运动员在运动实践中经长期专项训练所形成的一种精细的主体运动知觉，它能对器械、场地

15、运动媒介物质(水、空气等)以及专项运动中的时间、空间特性等做出高度敏锐和精确分化的识别和感知。在中长跑比赛中专门化运动知觉表现于运动员通过对运动场上所观察到的视觉信息进行组织加工后，在时间和空间上所得出的整体判断结果。中长跑运动员在比赛中，相对于比赛对手的依赖性强，抗干扰能力的要求更高。专门化运动知觉品质的层次性，主要表现为运动员在对比赛场景的知觉过程中，运用己有的知识、经验对比赛场景整体解释和判断的准确程度。不同知识、经验的运动员在知觉一个比赛场景时，对比赛的信息量和重要信息的依赖程度不同，知觉的结果也会不同：比赛知识经验丰富的运动员，对比赛信息需要量少、对重要信息的鉴别和理解程度高，对比赛

16、场景的整体解释和判断准确度高，战术行为恰当，表现出较高的判断能力；相反，比赛知识经验欠缺的运动员，不但对比赛信息量和重要信息的依赖程度高，而且缺乏对比赛场景的准确判断能力，表现为行动的主动性差，行动迟缓。随着比赛经验的不断积累和丰富，运动员在专门化运动知觉品质的层次上，将表现出对比赛场景整体知觉过程中，知觉信息需要量的不断减少，对重要信息选择的更加精确，同时，在对比赛场景知觉判断的准确性上会不断提高。3.2 中长跑战术的专门化运动注意中长跑比赛是高强度的身体和心理活动，对运动员的身体和心理的要求高，运动员在比赛过程中的所有活动几乎都有注意的参与。专门化运动注意在中长跑比赛中主要表现于运动员对比

17、赛信息注意的先后顺序、关注的程度以及决定比赛行为的主要信息选择。主要包括对自身和对手的位置、运动速度的注意；对特定环境下的特殊7刘沛清.空气螺旋桨理论及其应用M.北京航空航天大学出版社.力资源进行发电，应按当地的风力资源来确定风力机的起动风速和额定风速，进而选择合适的机型。7.结论本文根据理论分析得到了垂直式风力发电机较传统的水平是发电机具有微风启动、无噪音、不受风向影响等特点，并在垂直风力发电机的基础上分析了风力机的气动性及输出功率特性。的到了一款新型的风力发电系统。参考文献1汪涛.小型风光互补发电系统控制的研究J.电机与电气,2009.2钟勇.风光互补发电系统中蓄电池充放电控制器的研究J.电气工程,2006.3熊礼俭.风力发电新技术与发