風(fēng)力發(fā)電機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)

冶:人季天目學(xué)院TIANMUCOLLEGEOFZHEJIANGA&FUNIVERSITY本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（2011屆）工程技術(shù)系題目：林內(nèi)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)葉的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：周杰學(xué)號(hào)：200708310313專業(yè)班級(jí):機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化071班指導(dǎo)教師：職稱：職稱：林內(nèi)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)葉的設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化071班周杰指導(dǎo)老師徐云杰摘要：能源是人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的動(dòng)力和保障，也是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，煤炭、石油、天然氣等常規(guī)能源快速、大量的消耗，讓人類不但面對(duì)資源日趨枯竭的壓力，而且受到環(huán)境不斷惡劣的威險(xiǎn)［1］。能源和環(huán)保已成為人類生存和發(fā)展所需解決的緊迫問題。因此，改善能源結(jié)構(gòu)、利用可再生能源、減輕環(huán)境污染、提高人民生活質(zhì)量，已成為全球能源工業(yè)關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)［2］。風(fēng)能是一種情結(jié)的可再生能源，儲(chǔ)量豐富、取之不盡、用之不竭。目前在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要技術(shù)上，我國尚處于較低的水平，尤其是對(duì)于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，由于缺乏足夠的工程可供借鑒，也沒有成熟的規(guī)范可供參考，其設(shè)計(jì)仍然停留在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。本文分別對(duì)升力型葉片和阻力型葉片進(jìn)一步的分析，通過組合創(chuàng)新結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出適合在林內(nèi)使用的小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，有效利用自然資源，為人類創(chuàng)造更大財(cái)富。關(guān)鍵詞：垂直型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)葉Abstract:Windisrenewableandcleanenergy,sowindpowergenerationisanimportantmeanstoeaseenergyshortagesandenvironmentalpressures.Atpresent,aboutthemaindesigntechnologyofwindturbine,Chinaisstillatarelativelylowlevel,especiallyforverticalaxiswindturbine.Sincethereisnoadequateengineeringpracticetodrawonandnomaturestandardforreference,itsdesignisstillstuckinthetraditionalstructure.Keyboard:目錄緒論錯(cuò)誤!未定義書簽。1.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展的歷史背景錯(cuò)誤!未定義書簽。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向錯(cuò)誤!未定義書簽。1.3產(chǎn)品特點(diǎn)及應(yīng)用范圍錯(cuò)誤!未定義書簽。1.4課題的研究?jī)?nèi)容及目的錯(cuò)誤!未定義書簽。2設(shè)計(jì)方案擬定錯(cuò)誤!未定義書簽。2.1設(shè)計(jì)的思路和目的112.2總體方案的構(gòu)思和擬定錯(cuò)誤!未定義書簽。2.3下料機(jī)構(gòu)系統(tǒng)方案的擬定錯(cuò)誤!未定義書簽。大傾角皮帶輸送機(jī)下料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)133.1輸送機(jī)的工作機(jī)理錯(cuò)誤!未定義書簽。3.2改向壓輪錯(cuò)誤!未定義書簽。3.3托輥錯(cuò)誤!未定義書簽。3.4機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。3.4.1機(jī)頭架錯(cuò)誤!未定義書簽。3.4.2中間架錯(cuò)誤!未定義書簽。3.5清掃裝置的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。3.6頭部漏斗設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。4關(guān)鍵部位零件的計(jì)算錯(cuò)誤!未定義書簽。

4.1電動(dòng)滾筒的選擇4.1電動(dòng)滾筒的選擇4.2軸的選擇計(jì)算錯(cuò)誤!未定義書簽。錯(cuò)誤!未定義書簽。5設(shè)計(jì)總結(jié)錯(cuò)誤!未定義書簽。致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。參考文獻(xiàn)錯(cuò)誤!未定義書簽。附錄錯(cuò)誤!未定義書簽。AUTO-CAD繪圖工程圖錯(cuò)誤!未定義書簽。1緒論1.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展的歷史背景：面對(duì)日益嚴(yán)峻的能源形勢(shì)一化石燃料日益枯竭、不可再生資源的持續(xù)無節(jié)制消耗、環(huán)境污染的加劇，節(jié)能環(huán)保已成為當(dāng)今世界最重要且永恒的主題。大力發(fā)展清潔能源（可再生能源）是人類社會(huì)文明進(jìn)步的表現(xiàn)和保護(hù)環(huán)境的需要。風(fēng)能等可再生能源的開發(fā)已經(jīng)越發(fā)引起了世界各國的重視，風(fēng)能發(fā)電在各種可再生能源利用技術(shù)中也比較成熟。風(fēng)能利用，已有數(shù)千年的歷史。最早的利用方式是“風(fēng)帆行舟”。埃及尼羅河上的風(fēng)帆船、中國的木帆船，都有兩三千年的歷史記載。唐代有“乘風(fēng)破浪會(huì)有時(shí)，直掛云帆濟(jì)滄?！痹娋?，可見那時(shí)風(fēng)帆船已廣泛用于江河航運(yùn)。最輝煌的風(fēng)帆時(shí)代是中國的明代，14世紀(jì)初葉中國航海家鄭和七下西洋，龐大的風(fēng)帆船隊(duì)功不可沒。在蒸汽機(jī)應(yīng)用之前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組械一直是動(dòng)力機(jī)械的重要組成部分。之后隨著煤炭、石油、天然氣等能源的大規(guī)模開發(fā)利用，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組械由于成本高、效率低、使用不便等缺點(diǎn)被淘汰。第一個(gè)現(xiàn)代型的風(fēng)力發(fā)電裝置于1890年在丹麥建成。1973年石油危機(jī)爆發(fā)以后，世界上許多發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家開始尋求化石能源的替代能源，投入了大量經(jīng)費(fèi)研制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)能的開發(fā)利用又重新被重視起來，風(fēng)能的開發(fā)利用進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代［2、3］。世界上風(fēng)能儲(chǔ)備豐富。盡管到達(dá)地球的太陽能僅有2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，但其總量十分可觀。全球可實(shí)際利用的風(fēng)能約2X107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大十倍，而且我國幅員遼闊，海岸線長(zhǎng)，風(fēng)力資源豐富，居世界第三位，據(jù)有關(guān)專家測(cè)算，我國風(fēng)力理論可開發(fā)總量為32.26億KW，實(shí)際可供開發(fā)量為2.53億KW，居世界首位［4］。中國風(fēng)能資源豐富，可開發(fā)利用的風(fēng)能資源總量約為2.53億千瓦。國內(nèi)最著名的風(fēng)電場(chǎng)，是新疆烏魯木齊附近的達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)，總裝機(jī)容量1.68萬千瓦。世紀(jì)之交，中國制定了風(fēng)力發(fā)電的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展計(jì)劃，提出2000年風(fēng)電裝機(jī)40兆瓦以上的目標(biāo)，為21世紀(jì)大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電打下了良好的基礎(chǔ)。風(fēng)能是一種潔凈的可再生能源，開發(fā)風(fēng)電，不會(huì)產(chǎn)生輻射或環(huán)境污染，不會(huì)引起溫室效應(yīng)，不會(huì)像日本地震福島發(fā)生核泄漏一樣對(duì)人類產(chǎn)生危險(xiǎn)，這個(gè)世界各國努力開發(fā)風(fēng)電的主要原因。1.2國外研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向早在兩千年前，人類就開始利用風(fēng)能做功，發(fā)明了風(fēng)帆、風(fēng)磨和風(fēng)車。歷史上風(fēng)能利用的勝衰同能源供應(yīng)狀況緊密相依。歐洲工業(yè)初興時(shí)期，風(fēng)力機(jī)在工農(nóng)業(yè)動(dòng)力中占相當(dāng)大的比例。19世紀(jì)丹麥用于工業(yè)的風(fēng)力機(jī)占當(dāng)時(shí)工業(yè)總動(dòng)力的25%；用于農(nóng)業(yè)的風(fēng)力機(jī)是工業(yè)的兩倍［3］。第二次世界大戰(zhàn)后，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)復(fù)蘇，能源短缺，歐美各國對(duì)風(fēng)能的利用又有了較大發(fā)展，出現(xiàn)了百千瓦級(jí)和兆瓦級(jí)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。但是，由于技術(shù)不成熟，使用壽命都不長(zhǎng)。后來，由于機(jī)電動(dòng)力在工農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用，以及在20世紀(jì)50年代中東油田的大量開發(fā)，使風(fēng)能的發(fā)展基本上停頓下來。20世紀(jì)70年代初期出現(xiàn)了“能源危機(jī)”，尋求潔凈的可再生能源又成了一些的戰(zhàn)略措施，風(fēng)能再次受到重視。一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國家，如美國、德國、英國、丹麥、瑞典、日本等在70年代末期，先后制定了風(fēng)能發(fā)展規(guī)劃，每年有大量投資用于風(fēng)能開發(fā)，并采用相應(yīng)的鼓勵(lì)政策，從而促進(jìn)了風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近年來，風(fēng)力發(fā)電在世界能元年總量中所占的比例逐漸提高。國際風(fēng)電將界長(zhǎng)期致力于提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)安全性、可靠性、發(fā)電效率和開發(fā)更大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)及超大型近海專用風(fēng)力發(fā)電機(jī)、采用新型機(jī)組結(jié)構(gòu)和控制方式及材料、改善風(fēng)電場(chǎng)選址和設(shè)計(jì)技術(shù)，以不斷降低風(fēng)力發(fā)電成本和擴(kuò)大可經(jīng)濟(jì)利用風(fēng)能資源量。特別是由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使風(fēng)能技術(shù)也有了心的進(jìn)步，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)已列為機(jī)械產(chǎn)品一個(gè)重要項(xiàng)目。目前，兆瓦級(jí)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)已完全商品化。另外，風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)已列為電力工業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)重要任務(wù)。根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[6],截至2008年底，世界裝機(jī)容量已達(dá)120791MW，2008年新增裝機(jī)容量為27056MW。世界各國累計(jì)裝機(jī)容量最多的前五位國家分別是美國、德國、西班牙、中國、印度。中國由2007年的第5位上升為第4位（如圖1、圖2）。閨1總蔻機(jī)容屋莉十位國家^2瞞年全味總泰機(jī)容重1.3國內(nèi)研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向近年來，新興市場(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)市場(chǎng)發(fā)展迅速。在國家政策支持和能源供應(yīng)緊張的背景下，中國的風(fēng)電特別是風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)也迅速崛起，已經(jīng)成為全球風(fēng)電最為活躍的場(chǎng)所。風(fēng)力發(fā)電機(jī)市場(chǎng)分析研究報(bào)告提到，中國巨大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)市場(chǎng)以及廉價(jià)的勞動(dòng)力成本，吸引了大量國外風(fēng)電巨頭紛紛在中國設(shè)廠，或采取與國內(nèi)企業(yè)合資的方式，生產(chǎn)的產(chǎn)品都被貼上了中國制造的標(biāo)簽。中國制造的風(fēng)電設(shè)備產(chǎn)品占據(jù)越來越大的市場(chǎng)份額，風(fēng)機(jī)產(chǎn)品正在經(jīng)歷一個(gè)由全球制造向中國制造的轉(zhuǎn)變。研究報(bào)告指出，風(fēng)力發(fā)電的功率完全由風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率決定，總想選購大一點(diǎn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，而這是不正確的。目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)只是給電瓶充電，而由電瓶把電能貯存起來，人們最終使用電功率的大小與電瓶大小有更密切的關(guān)系。功率的大小更主要取決于風(fēng)量的大小，而不僅是機(jī)頭功率的大小。在內(nèi)地，小的風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)比大的更合適。因?yàn)樗菀妆恍★L(fēng)量帶動(dòng)而發(fā)電，持續(xù)不斷的小風(fēng)，會(huì)比一時(shí)狂風(fēng)更能供給較大的能量。當(dāng)無風(fēng)時(shí)人們還可以正常使用風(fēng)力帶來的電能，也就是說一臺(tái)200W風(fēng)力發(fā)電機(jī)也可以通過大電瓶與逆變器的配合使用，獲得500W甚至1000W乃至更大的功率出。市場(chǎng)調(diào)查分析可知，使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)，就是源源不斷地把風(fēng)能變成我們家庭使用的標(biāo)準(zhǔn)市電，其節(jié)約的程度是明顯的，一個(gè)家庭一年的用電只需20元電瓶液的代價(jià)。而現(xiàn)在的風(fēng)力發(fā)電機(jī)比幾年前的性能有很大改進(jìn)，以前只是在少數(shù)邊遠(yuǎn)地區(qū)使用，風(fēng)力發(fā)電機(jī)接一個(gè)15W的燈泡直接用電，一明一暗并會(huì)經(jīng)常損壞燈泡。而現(xiàn)在由于技術(shù)進(jìn)步，采用先進(jìn)的充電器、逆變器，風(fēng)力發(fā)電成為有一定科技含量的小系統(tǒng)，并能在一定條件下代替正常的市電。山區(qū)可以借此系統(tǒng)做一個(gè)常年不花錢的路燈;高速公路可用它做夜晚的路標(biāo)燈;山區(qū)的孩子可以在日光燈下晚自習(xí);城市小高層樓頂也可用風(fēng)力電機(jī)，這不但節(jié)約而且是真正綠色電源。家庭用風(fēng)力發(fā)電機(jī)，不但可以防止停電，而且還能增加生活情趣。在旅游景區(qū)、邊防、學(xué)校、部隊(duì)乃至落后的山區(qū)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)正在成為人們的采購熱點(diǎn)。1.3產(chǎn)品特點(diǎn)及應(yīng)用范圍我們準(zhǔn)備選擇垂直軸風(fēng)機(jī)作為該設(shè)計(jì)的核心，其優(yōu)點(diǎn)是在風(fēng)向改變的時(shí)候無需對(duì)風(fēng)。這不僅使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，而且也減少了風(fēng)輪對(duì)風(fēng)時(shí)的陀螺力，而且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)等裝置在地面或低空，便于維修。水平軸風(fēng)機(jī)機(jī)倉放置在高高的塔頂，而且是一個(gè)可旋轉(zhuǎn)360度的活動(dòng)聯(lián)接機(jī)構(gòu)，自身重達(dá)十幾噸或幾十噸，葉片上隨機(jī)風(fēng)荷載達(dá)幾十噸，重心高、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的齒輪箱在底部，重心低、噪音小、運(yùn)行穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、抗臺(tái)風(fēng)能力較強(qiáng)、發(fā)電曲線飽滿（啟動(dòng)風(fēng)速低、在中低風(fēng)速運(yùn)行時(shí)發(fā)電量較大）；另一方面就是其外觀精美，可做成多型式的外形，體積輕巧、外觀獨(dú)特精美，適應(yīng)各地使用；應(yīng)用范圍：由于垂直軸風(fēng)機(jī)的特性，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用方式、應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)生了改變。水平軸風(fēng)機(jī)由于噪聲、對(duì)風(fēng)向等問題，風(fēng)機(jī)要么用于風(fēng)電場(chǎng)，要么用于邊遠(yuǎn)地區(qū)解決無電問題，這些應(yīng)用場(chǎng)合都遠(yuǎn)離城市中心區(qū)域,但垂直軸風(fēng)機(jī)將擴(kuò)展新的應(yīng)用領(lǐng)域。比如，除了風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用以外，還可以充分利用大型建筑物的集風(fēng)作用和大型建筑物頂層的空間、高度建造風(fēng)電大樓和零能耗大樓。在這方面上海由于擁有H型垂直軸風(fēng)機(jī)技術(shù)這一得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)該有條件和能力走在前列，其次，城市公共照明和高速公路亦可以通過風(fēng)/光互補(bǔ)方式大量應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)。另外,具有風(fēng)資源條件的企事業(yè)單位也可以大量應(yīng)用日型垂直風(fēng)機(jī),比如靠海邊的海水淡化裝置、油田采油機(jī)和海上鉆井平臺(tái)等1.4課題的研究?jī)?nèi)容及目的本課題的主要研究?jī)?nèi)容包括：1）總體設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)思路的提出和論證；2）設(shè)計(jì)方案的比較和確定；3）詳細(xì)設(shè)計(jì)方案的提出及設(shè)計(jì)；4）具體結(jié)構(gòu)的確定，零部件的尺寸設(shè)計(jì)、校核計(jì)算；5）工程圖紙的繪制；6）設(shè)計(jì)總結(jié)及展望。課題研究的目的：隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，能源危機(jī)的陰影正日益困擾著人類的生產(chǎn)和生活，因此人們開始把目光風(fēng)能這個(gè)取之不盡、用之不竭的清潔能源，若風(fēng)力發(fā)電機(jī)跟森林中的監(jiān)測(cè)傳感器配合，則能有效利用自然資源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。2設(shè)計(jì)方案擬定2.1設(shè)計(jì)的思路和目的在研究林內(nèi)小型風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)工作原理和工作特性的基礎(chǔ)上，針對(duì)小型發(fā)電機(jī)現(xiàn)有風(fēng)頁部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以維修，效率低、制造安裝困難等的問題，提出較為完整的解決方案，為林內(nèi)傳感器及測(cè)量裝置提供所需電能提供一種有效的方法，為林內(nèi)信號(hào)發(fā)射及檢修提供基礎(chǔ)，并完成相關(guān)工程圖紙的繪制。2.2總體方案的構(gòu)思和擬定圖2.7Darrieus中型風(fēng)輪典型結(jié)構(gòu)2.3風(fēng)葉參數(shù)的擬定額定功率pn，由于檢測(cè)系統(tǒng)屬于電子元件，其消耗的電能極其有限，又考慮到在原始森林或大面積森林中，研究人員可能需要短時(shí)間的駐扎以對(duì)林區(qū)進(jìn)行研究和采樣，因此我們擬采用50W的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在保證檢測(cè)系統(tǒng)供電的前提下，又能為研究人員提供短期的電力，以保證正常的工作。N額定轉(zhuǎn)速nN:由于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是600r/min，減速箱的傳動(dòng)比是4:1，則風(fēng)葉主軸的額定轉(zhuǎn)速設(shè)為150r/min。

參數(shù)單位參考值功率(Power)W30-70翼型(Airfoilperformance)-NACA18風(fēng)輪密實(shí)比(RotorSolidity)%15風(fēng)輪直徑(RotorDiameter)mm200風(fēng)輪中心高度(RotorDiameter)mm150高徑比(H/D)-1.5控制模式(OperatingRange)-變速控制葉片支撐類型(Struts)-Minirigid結(jié)構(gòu)可靠度(Reliability)%0.999主軸直徑(TowerDiameter)mm20主軸壁厚(Towerwallthickness)mm23風(fēng)力機(jī)的葉片的設(shè)計(jì)葉片是風(fēng)力機(jī)吸收風(fēng)能的重要元件，葉片的形狀設(shè)計(jì)，葉片變形及葉片的動(dòng)力學(xué)參數(shù)性質(zhì)一直受到人們的關(guān)注。本論文主要針對(duì)小型發(fā)電機(jī)現(xiàn)有風(fēng)頁部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以維修，效率低、制造安裝困難等的問題，提出較為完整的解決方案，為林內(nèi)傳感器及測(cè)量裝置提供所需電能提供一種有效的方法，為林內(nèi)信號(hào)發(fā)射及檢修提供基礎(chǔ)。2建立達(dá)里厄風(fēng)輪的氣動(dòng)模型從上述可知，要對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)性能進(jìn)行分析，必須了解風(fēng)輪處的流場(chǎng)，才能進(jìn)而分析產(chǎn)生的氣動(dòng)力、轉(zhuǎn)矩和功率。為此一定要建立達(dá)里厄風(fēng)輪的氣動(dòng)模型，可采用旋渦理論和動(dòng)量理論兩種方法。2.1旋渦理論“旋渦理論”是本世紀(jì)七十年代末、八十年代初發(fā)展起來的。和水平軸風(fēng)輪一樣，先建立達(dá)里厄豎軸風(fēng)輪的尾渦系統(tǒng)，然后用比奧-沙伐（Biot-Savat）定理計(jì)算尾渦系產(chǎn)生的誘導(dǎo)速度。將誘導(dǎo)速度疊加到來流風(fēng)速上，便建立了風(fēng)輪附近各處的速度流場(chǎng)。假設(shè)一個(gè)具有細(xì)長(zhǎng)升力葉片的豎軸風(fēng)輪，其葉片并不繞軸作圓形路線運(yùn)動(dòng)，而是被約束著沿一個(gè)正方形路線以恒定速度運(yùn)動(dòng)，葉片相對(duì)于路線攻角為零，當(dāng)一個(gè)葉片在背風(fēng)測(cè)向向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)凱爾文定理，為保持環(huán)量守恒，它要脫出一個(gè)啟動(dòng)渦和一對(duì)尾渦。當(dāng)葉片運(yùn)動(dòng)到前部時(shí)，假設(shè)升力為零，而脫出附著渦。繼續(xù)到迎風(fēng)側(cè)部，情況相似。當(dāng)尖速比和葉片數(shù)目增加時(shí)，尾渦的流向渦向渦量分量消失，形成環(huán)狀渦系。當(dāng)葉片繞著一固定轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，其攻角連續(xù)變化，即繞葉片的環(huán)量不變化，所以渦量要連續(xù)到脫落至風(fēng)輪的尾流中。對(duì)于D葉輪尾流旋渦系統(tǒng)的研究，最成功的事1979年Strickland等人的理論。它是三維的旋渦模型，除考慮環(huán)量隨時(shí)間變化引起旋渦脫落到尾流中外，還考慮環(huán)量隨展向變產(chǎn)（即葉尖損失）所引起的旋渦脫落。用渦流模擬葉片，沿展向分段，每段且有均勻環(huán)量，用線渦絲格網(wǎng)模擬尾流，包括每一葉片脫落的渦面。先假設(shè)未產(chǎn)生尾流，風(fēng)輪以確定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過某一等角度后，尾流狀態(tài)改變，從而確定了每一葉素上的誘導(dǎo)速度，并由翼型數(shù)據(jù)的升力系數(shù)求出葉片環(huán)量。然后再旋轉(zhuǎn)一個(gè)等角度，重復(fù)以上過程，直到大量旋轉(zhuǎn)后，使得葉片上的誘導(dǎo)速度在相鄰兩圈中不變?yōu)橹?，既可以為?jì)算過程收斂了。由于達(dá)里厄風(fēng)輪的旋渦系統(tǒng)很復(fù)雜，這里只對(duì)其思路簡(jiǎn)要介紹。2.2動(dòng)量定理“單流管方法”是最簡(jiǎn)單的動(dòng)量理論，它假設(shè)風(fēng)輪被包含在一個(gè)流管中，當(dāng)流管通過風(fēng)輪時(shí)，風(fēng)輪上風(fēng)速處處相等，即風(fēng)輪掃掠的整個(gè)體積上，誘導(dǎo)速度均勻不變，根據(jù)動(dòng)量定理，風(fēng)輪上的阻力等于通過風(fēng)輪氣流的動(dòng)量變化率，然而將流管中風(fēng)輪處風(fēng)速表示為未擾動(dòng)風(fēng)速的函數(shù)。在估算小載荷葉片的總體性能時(shí)，運(yùn)用單流管方法效果較佳，但如果要計(jì)及通過風(fēng)輪的風(fēng)速變化以及來流剪切的影響時(shí)，就不行了。為此需采用“多流管方法”，它是將通過風(fēng)輪的流動(dòng)分成無數(shù)的平行管（從上游到下游），每個(gè)流管看成一個(gè)單流管，即每一流管中誘導(dǎo)速度不變（見圖2-17），而整個(gè)風(fēng)輪上誘導(dǎo)速度的分布，與來流方向垂直的兩個(gè)空間坐標(biāo)成函數(shù)關(guān)系。它比較真實(shí)的反映了葉片上氣動(dòng)力的分布，還考慮了來流剪切的影響，對(duì)估算總體性能效果較好。這種“多流管方法”是1975年到1976年，由Wilson-Lissaman等人提出的。

圖2-17多流管分析示意圖1980年由Read和Sharper等人研究提出，進(jìn)一步考慮了多流管通過風(fēng)輪時(shí)出現(xiàn)的擴(kuò)張現(xiàn)象，即不僅考慮了誘導(dǎo)速度在橫流方向的變化，還考慮了順流方向的變化。在總體性能估算上雖然改進(jìn)不多，但卻精確估算了葉片各處的誘導(dǎo)速度，這樣可以詳細(xì)了解葉片受力變化。以下用多流管理論對(duì)達(dá)里厄豎軸風(fēng)輪氣動(dòng)性能進(jìn)行計(jì)算，稱之為線性理論。2.3線性理論為簡(jiǎn)化分析，故作線性假設(shè)，亦即將葉片翼型的升力系數(shù)視為簡(jiǎn)單的平板特性?，F(xiàn)將分析所作假設(shè)列于下：葉片無安裝角，B=0無粘性流，CD=0線性氣動(dòng)力Cl=0小實(shí)度，大展弦比，C<<R風(fēng)輪為圓柱形直葉片(葉素法線與旋轉(zhuǎn)平面夾角Y=0)，見圖2-18(b)(a)(b)圖2-18直葉片風(fēng)輪線性分析示意圖取一葉素，單位高度dz=1，由庫塔一可夫斯基升力定理從升力系數(shù)定義可知，葉素產(chǎn)生的升力，二,1、一一dF=p?W?「=(—p?w2)C?C(2-8)2L一C…一則環(huán)量r=—W?C^(2-9)由假設(shè)CL=2兀sina貝g「=兀?C?W?sina?K(2-10)由圖2-18(b)知W=-V?sin0/-(V—V?cosO)j(2-11)W?sina=V?sin0(2-12)r=KCVsinOk(2-13)由式(2-11)和(2-13)寫出庫塔一儒可夫斯基定理的矢量形式dF=p?k?C[-VVt(a)(b)圖2-18直葉片風(fēng)輪線性分析示意圖取一葉素，單位高度dz=1，由庫塔一可夫斯基升力定理從升力系數(shù)定義可知，葉素產(chǎn)生的升力，二,1、一一dF=p?W?「=(—p?w2)C?C(2-8)上式中的Va與Vt和水平軸風(fēng)輪分析一樣匕二匕(1-a)(2-15)匕=RQ(2-16)AV=-2aV(2-17)3用動(dòng)量定理對(duì)流向力(d「=dF?j)分析，導(dǎo)出誘導(dǎo)因子a。由圖2-15，流管寬dx，葉素從角度位置0轉(zhuǎn)到0+d0

(2-18)dx=7?<iO|sinO|這種運(yùn)動(dòng)每周重復(fù)一次，即周期為2ji/Q,在2Ji/Q時(shí)間內(nèi)，葉素在流管前位置時(shí)間2。/Q,后位置時(shí)間也是戲/Q,從式(2-14)可看出角對(duì)于流向力(即j分量)作用相等。(2-18)時(shí)間內(nèi)，由(2-14)得葉片受流向力為=-2^^CRVV時(shí)間內(nèi)，由(2-14)得葉片受流向力為=-2^^CRVVsiuO理葉片tClO將式(2-1公16)、弋入上式F?/=-2^p?CRQ.V(1-a).sin20葉片Q(2-19)得:(2-20)根據(jù)動(dòng)量定理，并將AV=~2aV^和辦=化舊將11。|代入后得到流管中力為F=p?(dx?1?VV?—葉片。Q=p?7??<70|sin0|G-?V-2Va—(2—21)COCOQ因式(2-20)和(2-21)相等，得到單個(gè)葉片的誘導(dǎo)因子CRQ.危a-——?sm9(2-22)2RV對(duì)于B個(gè)葉片a=IsinOl=crXIsinOI(2—23)2Roo1R.Q上式中，尖速比人。VBC實(shí)度?="2R上面我們已經(jīng)求出了誘導(dǎo)速度，下面將通過對(duì)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算，求出風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)。由式(2-14)看出，在2丸(Q)時(shí)間內(nèi)流管中B個(gè)葉片的Fx和Fy對(duì)轉(zhuǎn)矩貢獻(xiàn)及其合轉(zhuǎn)矩分別為dQ--dF?7??sin0Fxx=p7iC2sin0+VVsin0cos0Lsin0'艘dQ=+dFy?AdQ=+dFy?A?sin0Fy=-p?KctVsin20at2^9Vsin20at?cos-QdQ=dQ+dQ=2叩52sin0的FxFyOa

2?p?兀?C?2?p?兀?C?R?V2、^Q一°?人|sin9|2?sin92?dJ另外考慮到前后位置的相互干擾，B個(gè)葉片的時(shí)間平均轉(zhuǎn)矩可按下式計(jì)算=p?兀?B?C?R?V2—-一eX+—。2人2則對(duì)應(yīng)的風(fēng)能利用系數(shù)為Q。c.(18.==2?兀??！?人2—§—ek2PV^R^用微分求極值方法得出，當(dāng)ek0=amax=0.401時(shí)，最大風(fēng)能利用系數(shù)為0.554用微分求極值方法得出，當(dāng)ek0=amax=0.401時(shí)，最大風(fēng)能利用系數(shù)為0.554,由圖2-16知，最大攻角大約在9=y時(shí)出現(xiàn)tana=-X2亞=匕=1—eV+Vcos9V孔假如是平板翼型最大攻角amax=14°，則起動(dòng)尖速比為"起動(dòng)~1+4e由上式可得設(shè)計(jì)的翼型剖面弦長(zhǎng)5mm，半徑100mm的三葉片達(dá)里厄風(fēng)輪的啟動(dòng)尖速比在3左右。在實(shí)際使用中，必須考慮阻力的影響。即要將原先的無粘流假設(shè)改為阻力系數(shù)CD：由于該種風(fēng)輪不能再低尖速比下工作，所以假設(shè)相對(duì)風(fēng)速W^Vt=RQ來近似估算阻力損失，那末阻力力矩為(1一\一如一CD-P?R2?。2B?C?R如一CDk2J它對(duì)風(fēng)能利用系數(shù)的增量為=—Cek3ACp=—Cek3于是，考慮阻力的風(fēng)能利用系數(shù)為CpFCpF。-13--016e2k2+e3k3竺——對(duì)于直葉片要承受很大的彎曲載荷。對(duì)于直葉片要承受很大的彎曲載荷。（希臘文轉(zhuǎn)繩的意思）形狀。采用這種D葉輪慣性載荷大，故一般要求在高轉(zhuǎn)下工作。大都數(shù)中型彎葉片采用“轉(zhuǎn)繩形”即“troposkien”形狀的中型葉片，彎曲應(yīng)力可減小到最小，當(dāng)然，由于葉片靠近轉(zhuǎn)軸，減小了當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)線速度和有用的升力分量，因而使效率有所損失。在實(shí)際風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，還經(jīng)常用懸鏈線，正弦曲線或拋物線來近似轉(zhuǎn)繩線，有的大型風(fēng)力機(jī)還采用分段葉片，即中部采用圓弧形，與轉(zhuǎn)軸連結(jié)的兩端用直葉片過渡。國外有人稱這種甲型彎葉片達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)為“搗蛋機(jī)”形容達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)，十分形象。對(duì)彎葉片風(fēng)輪的分析與直葉片風(fēng)輪相同，只是在假設(shè)中去除圓柱形直葉片（葉素法線與旋轉(zhuǎn)平面夾角Y=0）這一條，而作一些修改，由于葉素法線偏轉(zhuǎn)Y角，所以W在葉素法線上的分量變?yōu)閂sin0cosy或者說實(shí)際影響葉片受力的相對(duì)速度W大小應(yīng)為W2=(yO+Vcos。)2+V2sin20cos2y葉片攻角為tVsin0cosyyO+Vcos0前式（2-23）為單位高度風(fēng)輪的誘導(dǎo)因子a=b.人cos"sin0|它和旋轉(zhuǎn)半徑Y(jié)無關(guān)，因?yàn)?=號(hào)"H仿照式（2-27），式（2-28），可得到沿轉(zhuǎn)軸微段dz風(fēng)輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩為dQ=dQ=p?兀?B?C?y?V2cosydz-(18.3.、2—3~成cosy+-b2X2cos2y對(duì)應(yīng)的風(fēng)能利用系數(shù)增量為dC_dQOKFE0?y?cosy———bkcosy+—g2X2cos2y123兀o8o)上式中，A是整個(gè)風(fēng)輪的掃掠面積，y是高度z函數(shù)Y=Y（z）上述分析是以假設(shè)翼型具有線性氣動(dòng)力這個(gè)條件，即C1=2nsina。表示環(huán)量「與垂直于葉片的相對(duì)風(fēng)分量呈現(xiàn)線性關(guān)系。而阻力影響可參照式（2-31）的方法包括進(jìn)去。通過式（2-28’），可以對(duì)任何形狀的達(dá)里厄風(fēng)輪進(jìn)行積分，而葉片可以認(rèn)為是塔的特殊情況，最簡(jiǎn)單的事圓形葉片，經(jīng)計(jì)算可得到bk0=amax=°-461時(shí)，最大風(fēng)能利用系數(shù)為0.5363.1風(fēng)輪的設(shè)計(jì)風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)重要的組成部分之一，風(fēng)電轉(zhuǎn)換過程首先從風(fēng)輪開始，風(fēng)輪性能直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能。國際上風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行實(shí)踐表明，風(fēng)輪是最容易出現(xiàn)故障的部位。因此，在設(shè)計(jì)和制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，都把風(fēng)輪的設(shè)計(jì)和制造放在優(yōu)先的位置，給予重視［38］。風(fēng)輪的設(shè)計(jì)包括：確定風(fēng)輪的直徑D，葉片數(shù)B，各個(gè)葉片剖面的弦長(zhǎng)C和扭轉(zhuǎn)角B，以及選取葉片剖面的翼型，以保證風(fēng)輪有效高的功率系數(shù)。3.11風(fēng)輪設(shè)計(jì)的初始參數(shù)發(fā)電機(jī)額定功率：P=50W；發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速：n=600r/min發(fā)電機(jī)效率：n=0.8空氣密度：P=1.225kg/m3風(fēng)能利用系數(shù)