垂直轴风力机主轴结构优化设计

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一种垂直轴风力发电机结构设计(2)

3.2 基准时间的产生硬件电路决定了单片机的机器周期是 1uS。定时器 0 设置为 16
位定时器，最大定时长度为：1uS×65536=65.536mS。可以看出，16 位定时器无法实现时间长度为 1S 的定时。为了实现 1S 定时，定时器 0 的定时时间设置为 10mS，可得：定时器装填值=10mS÷1uS=10000=2710H 由此可以求出 TH0 和 TL0 的装填值分别是：TH0=27H；TL0=10H。这样得到一个 10mS 的基准时间。同时程序中设置了一个 100 进制基准时间计数器，其作用是每 10mS 基准时间中断基准时间计数器加 1。记录到 100 次 10mS 基准时间时，基准时间计数器溢出，产生一个 1S 时间基准，同时基准时间计数器清零。这样就得到了一个长度为 1S 的系统基准时间。 3.3 时间计数器
本垂直轴风力发电机结构紧凑，由于风机支架高度低，不仅安装维修成本不高、而且安装维修方便，使用过程中无需根据风向通过控制系统调整风机叶片的迎风角度，故具有使用安全可靠，适用范围广，迎风效果好等特点，叶片随风向自动调节，能够实现风力发电机处于持续稳定的工作状态。
3 结论
垂直轴风力发电机以其在节能环保和性价比上的突出优势，得到
【关键词】垂直轴；风力；发电机；设计
0 引言
风力发电作为一种新型能源，具有无污染、绿色环保等特点，已被人们认知并广泛使用。人类利用风能发电起源于 19 世纪末的丹麦，但是直到上世纪 70 年代前，美国等西方经济发达国家为需求替代石油的能源，投入了大量科研经费，利用空气动力学、结构力学、材料学和计算机技术研制风力发电机技术，开创了风能利用的新时代[1]。由于人们普遍认为垂直轴风轮的尖速比不可能大于 1，风能利用率低于水平轴风力发电机， [1][2] 因而造成垂直轴发电机未得到设计开发。随着科技水平的不断发展和进步，人们逐渐认识到垂直轴风轮的尖速比不大于 1 仅仅适用于阻力型风轮，而升力型风轮的尖速比甚至可以达到 6，并且风能利用率也不低于水平轴发电机[1][2]。近年来，越来越多的机构和个人开始研究垂直轴风力发电机，并取得了长足的发展[2][3][4] 。

垂直轴风机的参数优化设计

收稿日期3作者简介女,6年生,副教授,张家口市,5项目基金河北省科学技术研究与发展指导计划项目(653)垂直轴风机的参数优化设计刘桂霞姚力河北建筑工程学院摘要通过对直叶片垂直轴风力机的叶片气动力特征的分析,建立了风机参数优化的数学模型,对风轮的相关参数进行了优化设计,得出了使风轮获得最大驱动力矩的最优安装角的值.关键词垂直轴风机;气动力特性;参数优化设计;平均驱动力矩中图分类号O31风力机的分类风力机是风力发电的主要设备,其结构形式按照风轮旋转轴在空间的方向,可以分为水平轴风机和垂直轴风机两大类.水平轴风机的风轮围绕一个水平轴旋转,工作时风轮的旋转平面与风向垂直.风轮上的叶片径向安置,与转轴垂直.水平轴风机具有扫风面积大,风能利用率高的优点,是目前商业化风力发电机组的主要形式.垂直轴风机的风轮围绕一个铅直轴旋转,其主要优点是无需对风,结构简单,便于维修,气动噪音小;缺点是风能利用率低,不易自行启动.如果能够提高垂直轴风机的启动性能和风能利用系数,将会进一步降低风电的成本,对风力发电的发展起到巨大的促进作用[1].垂直轴风机又分为两类:一类是利用空气阻力做功的阻力型风机,如S 型风机;另一类是利用翼型的升力做功的升力型风机,典型结构是达里厄风机.升力型风机的风能利用率明显高于阻力型风机,且不会产生侧向推力,是现代水平轴风机的主要竞争者.2垂直轴风机的攻角变化分析在此我们讨论直叶片达里厄风机,叶片弦长C 恒定不变,叶片高度为2H .(图1)分析图2所示弦长为C 的叶素,其旋转半径为R,处于任意方位角处,叶片的安装角为.设流过叶片的风速为v,叶片的切向速度u,(u=R ),为叶轮的角速度.则风相对于叶片的速度为w,w =v u.攻角为,是相对风速与叶弦方向的夹角.将相对速度沿切向和径向分解,可得:w t =R-v cosw r =v sin(1)可得相对速度的大小:w 2=(R-v cos )2+v 2sin 2(2)叶片在任意位置的攻角与方位角的关系:tan(+)=w rw t =v sinR -v cos =sin R /v-cos记=Rv,称为叶尖速比.则tan(+)=sin-cos(3)由(3)式可知,叶片旋转一周时,+随方位角的变化情况可用正弦函数近似表示,并且随着的第28卷第3期2010年9月河北建筑工程学院学报JOU RNA L OF HEBEI INSTITUT E OF A RCHITECTURE A ND CIVIL ENGINEERINGVol 28No 3Sep.2010:2010-0-18:19807024:02121增大,+的变化范围逐渐减小.当=2时,+在-30~+30之间,变化范围较大.根据J T emplin 的研究结果[2],尖速比与R/BC 的关系为:=5R BC(4)其中B 为风轮叶片数目.对于叶片处于不同位置时速度三角形的研究表明,除非叶素翼型的对称面与风速平行或接近,几乎在所有位置上作用力都产生驱动力矩.相对风速与翼型之间的攻角不会超过极限值,即m ax=sin -1v/u若风轮的圆周速度大于风速,叶片就可以满足小攻角的条件,保证叶片能够产生较大的力矩使风轮旋转.但如果风轮静止,攻角会很大,在某些位置将发生失速,此时达里厄风机需外力启动.3垂直轴风机的气动力分析及参数优化设计模型流体流经翼型叶片时,不仅在来流方向产生阻力,而且在垂直方向产生升力.图2所示叶素位于任意位置,安装角为.则作用于叶片的升力和阻力分别为:dF l =12C l w 2dA=12C l w 2CdzdF d =12C d w 2dA=12C d w 2Cdz (5)式中,是空气密度,A 是流面面积,C 是叶片弦长,w 是相对风速,Cl 和Cd 分别是升力系数和阻力系数,均与攻角有关[3].气动力在径向和切向的分量分别为:dF r =dF l r +dF dr =12w 2[C l cos(+)+C d sin(+)]Cdz dF t =dF lt +dF dt =12w 2[C l sin(+)-C d cos(+)]Cdz(6)径向力作用在叶片和风轮轴上,切向力使转子产生转动力矩M=F R()对于每一个叶片来说,叶素上的力随叶片的旋转而变化,需计算其平均值82河北建筑工程学院学报第28卷:d d t 7:M=BC 2HH 2012w 2[C lsin(+)-C d cos(+)]Rd dz (8)影响平均驱动力矩的非线性参数有叶片数目B,叶片弦长C,旋转半径R,升力系数C l 和阻力系数C d 及安装角.在满足小攻角条件下,为使风机获得较大的平均驱动力矩,需要对相关参数进行优化设计.其优化数学模型为:求:B 、C 、R 、C l 、C d 、ma x M =BC 2HH2012w 2[C l sin(+)-C d cos(+)]Rd dz s t -30+30(9)4算例NACA0012型对称翼型的安装角优化设计对给定的翼型NA CA0012型对称翼型,升力系数、阻力系数与攻角之间的关系曲线确定(图3),通过分段拟合,得翼型的升力系数曲线多项式(10)和阻力系数曲线多项式(11)[4]:图3翼型的升力、阻力系数曲线C l =000122+00533+03(0)-000182+00801+03(0)(10)C d =000022+005(11)以下关于安装角的优化进行讨论.选定风力机的基本参数如表1:表1风力机基本参数设计风速v=95m/s 叶片数3或4叶片弦长C=045m 叶片高度H =68m 旋转半径R=34m 空气密度=1225kg/m 3叶尖速比=356叶尖速比=356时,-20<+<20求:ma x M=BC2HH2012w 2[C l sin(+)-C d cos(+)]Rd dz s t -20+20(+)=sin 2=(R )2+22=5RB =R ()83第3期刘桂霞姚力垂直轴风机的参数优化设计tan -cos w -vcos v sinCv12优化方法:模型(12)中,目标函数M 是设计变量的单峰函数,在满足约束条件下,可选取初值应用黄金分割法进行直线搜索.当选取初值后,以1角为区间,应用梯形复化公式求解函数的积分,以确定目标函数M.对于3叶片,最优安装角为-110,最大平均扭矩值为7644kN m,对于4叶片,最优安装角为095,最大平均扭矩值为12201kN m.为得到平均驱动力矩随安装角变化关系曲线,在20~+20的范围内以1安装角为间隔,对不同安装角下平均驱动力矩进行数值模拟,图4和图5分别为三叶片和四叶片风轮的平均驱动力矩随安装角的变化曲线图.应用最小二乘法对曲线进行二次拟合,得到图4对应的曲线方程为T =-012162-01438+69638;图5对应的曲线方程为T=01367201501+116331.图4三叶片风轮的驱动力矩随安装角的变化曲线图5四叶片风轮的驱动力矩随安装角的变化曲线从图中可以看出,不论三叶片风轮还是四叶片风轮,都是在安装角接近1时获得最大驱动力矩;对三叶片风轮,当>+7或<-9时;而四叶片风轮,当>+9或<-10时将获得负的驱动力矩.从经济合理的角度,四叶片风轮比三叶片风轮多用333%的材料,而获得的最大驱动力矩与三叶片风轮相比增加了596%,因此,四叶片的风轮是比较好的选择.5结束语根据垂直轴风机的气动力分析,风轮所获得的驱动力矩与多个参数有关.本文通过建立数学优化模型,仅就安装角一个参数进行了风轮的优化设计,得出了使风轮获得最大驱动力矩的最优安装角的值.就其它单参数以及多参数的风轮优化设计,还有待进一步研究.参考文献[]杨风利,吴静等格构式垂直轴风力发电机组结构力学特性分析电力建设,,6~[]熊礼俭风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护及标准规范实用手册北京中国科技文化出社5,5~84河北建筑工程学院学报第28卷1..200811:7702..:.20041417[3]廖明夫,R Gasch,J Twele.风力发电技术.西安:西北工业大学出版社,2009:118~121[4]郭建伟.变桨距垂直轴风力机初步开发与性能评价.华北电力大学(北京),2008Parameter Optimization Design of Vertical Axis TurbineLiu Guixia ,Y a o LiHebei Institute of Architecture and Civil EngineeringAbstract By analysing the aerodynamic characteristics of the str aight blade vertical axis turbine,themathematical model of turbine par ameter optimization was established.T his paper optimized someblade parameters,and got the value of installation angle when the driving moment reached the maximum.Key words vertical axis turbine;aerodynamic char acteristics;par ameter optimization design;averagedriving moment(上接第76页)4结束语规划管理应具有前瞻性,应能预测城市经济发展动向,并及时调整策略与手段,对投资环境的改善应该更多起引导作用,而少使用制约手段.规划管理与投资环境是一个动态平衡的开放系统.目前中国的西部大开发战略为中西部地区的发展带来了前所未有的机遇,同时也带来了极大的挑战.西部大开发的战略决策已经开始吸引一些人才、资金、技术进入西部地区,但相应的配套软硬件环境却不尽如人意,这主要表现在政府观念开放程度不够、市场经济意识不够、招商引资的基础性工作不够、基础设施条件较差、办事效率低、官僚作风严重等等.从而影响招商引资的进程.如何把握好城市规划与投资环境的关系,充分了解和努力发挥城市规划对投资环境的作用,以营造最佳投资环境,是城市规划管理者应该认真加以研究的重要课题.On the new situation of urban planning and managementXu Y a hon gZhangjiakou is T own and Countr y P lanning BoardAbstract In the case of rapid urban development,integrated urban planning,complex,systematic,periodic problems,and urban planning and management on the investment envir onment,and put for war d an effective proposal.Key wo r ds urban planning;management;investment envir onment;reform85第3期刘桂霞姚力垂直轴风机的参数优化设计。

垂直轴风力机塔柱结构的分析及优化

柱系统结构动态性能影响最大的模态频率，提取该阶模态频率作为动态优化的目标，最后分析塔
柱结构与风轮之间的动态干扰．结果表明：设计在风轮以设计额定转速１０ｒｍｎ运行时，原６／ｉ其
产生的简谐荷载对风力机塔柱具有十分严重的破坏性，通过增加主轴钢管的壁厚并提高其刚度等优化工作，经计算证明，在激振力不变的情况下，第一阶固有频率得到提高，柱的各阶固有频塔
垂直轴风力机塔柱结构的分析及优化
郑源，司佳钧 ‘ 建军，黄，赵振宙一，丁遥
（．海犬学能源电气学院，江苏南京２０９２水资源高效利刚及１安全罔家一１开［心，苏南京２０９；．１河１０８；程ｒ究ｆ】江ｌ０８３河
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排灌机械工程学报
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摘要：为了避免风力机系统的共振而导致的系统损坏和噪声污染，过系统动力特性分析和动通力学响应计算分析，得到了风力机塔柱的低阶固有频率和谐响应的数据，以及风轮和塔柱之间的动态关系与整个系统的动态特性，结构动态设计以及优化提供科学依据．为首先确定对风力机塔

H型垂直轴风力发电机的结构设计

垂直轴风力发电机因起动风速低、风能利用率高、无噪声、无需对风向、安全性高等诸多优点 , 与水平轴风力发电机相比 ,更具有广阔的市场应用前景 ,垂直轴风力发电机的研究也取得了长足的进步。
通过对 H 型垂直轴风力发电机的主要结构特点及其设计方法的介绍 ,并经过计算机仿真对其结构的设计方案优化 ,最终在工业设计中得到推广与应用。
2007 年第 5 期
上海电力
专题研讨
载或者蓄能装置提供稳定的电能输出。 (5) 塔架。塔架是用来支撑风力发电机的构
件 ,该部分的设计对整个结构的安全运行起着重要的作用。
2 H型垂直轴风力发电机的结构设计
2. 1 总体设计要求对 H 型垂直轴风力发电机整机进行复杂的
气动性能分析 ,以确定和优化整机的系统效率 ,使风力发电系统达到较高的效率。结构设计在气动分析后进行 ,结构设计必须对系统的收受的外载荷进行分析。作用在风力发电机上的载荷有静载荷和动载荷。在不同工况下系统所受的载荷情况不同 , H 型垂直轴风力发电机考虑的荷载主要包括 :转速变化、风压变化、阵风效应、突然停机、停机遇最大阵风。通过计算 ,确定最危险的疲劳载荷和静载荷作为结构设计的依据。
专题研讨
上海电力
2007 年第 5 期
兆瓦级风力发电机组塔架结构的优化设计
顾岳飞
(上海电气风电设备有限公司 ,上海 200241)
摘要 :利用有限元分析 ,研究了风力发电机组塔架的动态特性及影响因素 ,并采用仿真技术对兆瓦级风力发电机组塔架进行了静态和动态分析。为优化塔架的结构参数 ,采用正交设计对其结构尺寸进行了优化。关键词 :风力发电机组 ;塔架 ;有限元分析 ;固有频率中图分类号 : T K83 文献标识码 :B

一种垂直轴风力发电机的结构设计

一种垂直轴风力发电机的结构设计摘要:本文首先研究了垂直轴风力发电机的分类以及各种不同结构的优缺点,并在此基础上设计了一种新型的垂直轴风力发电机,该新型风力发电机提高了发电机的能量转换效率,同时具备了低风速启动的性能,占用空间体积较小,安全性高。

关键词:风力发电机垂直轴风轮结构设计小型风力发电机的型式有两种:垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机,比较两者后可发现垂直轴风力发电机具有风向影响小、风能利用系数高、启动风速低、可靠性高、安全风速工作范围大、噪声污染小、外形美观等诸多优势,因此，本文将设计一种新型的垂直轴风力发电机。

1 垂直轴风力发电机的分类垂直轴风力发电机可分为两个主要类别[1]：一类是利用空气动力的阻力作功,典型的结构是S型风轮。

它由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成,其优点是启动转矩较大,缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流,从而对它产生侧向推力。

对于较大型的风力发电机,因为受偏转与安全极限应力的限制,采用这种结构形式是比较困难的：另一类是利用翼型的升力作功,最典型的是达里厄(Darrieus)型风力发电机,是水平轴风力机的主要竞争者。

达里厄风力发电机有多种形式,基本上是直叶片和弯叶片两种。

叶片具翼型剖面,空气绕叶片流动产生的合力形成转矩。

简而言之,垂直轴风车可分为两大类,一类是阻力型垂直轴风车;一类是升力型垂直轴风车。

阻力型垂直轴风车以萨夫纽斯风车为代表;升力型垂直轴风车以达里厄(Darrieus)型风车为代表。

2 垂直轴风力发电机的基本参数计算式中:p为当地空气密度,kg／m3;S为风轮扫风面积,m2;V为上游风速,m／s。

式中:n为风轮转速,r／min;R为叶尖半径,m;V为上游风速,m／s;为风轮角速度,rad／s。

式中:M为转矩;D为风轮直径。

3 几种垂直轴风力发电机简介小型风力发电机的风轮形式多种多样,但是对其归类可以归纳为两类,水平轴风力发电机风轮和垂直轴风力发电机风轮。

其中采用垂直轴风力发电机风轮相对于水平轴的风力发电机风轮来说具有如下优势[2]:安全性高、无需调向、启动风速低、噪音低、抗风能力强、风能利用率高等。

垂直轴风力发电机组的设计与性能研究

垂直轴风力发电机组的设计与性能研究随着科技的不断发展和环保意识的提高，可再生能源逐渐受到人们的青睐。

风力发电机作为空气能转化成电能的重要装置之一，也在不断的研究和发展。

垂直轴风力发电机组在这个领域扮演着异军突起的角色，其独特的结构和性能优势吸引了国内外众多专家的目光。

一. 垂直轴风力发电机组的设计垂直轴风力发电机组是指风力发电设备中转子轴线竖直，叶片旋转面垂直于地面。

相对于传统的水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机拥有更为广阔的应用领域。

其特点主要表现在以下几个方面：1.适应性强垂直轴风力发电机组可以被用于各种地形、各种气候条件下的风能资源利用，产生的振动和噪声较小，适合于城市和农村领域中的小型风电场。

2.高效性能垂直轴风力发电机组因为其结构上的特殊性，使得其在低风速条件下依然能够产生电能，相对于其他风力发电机而言，它的发电效率更高、更稳定。

3.运转安全垂直轴风力发电机组的机组不受方向和大小限制，转矩、重心、惯性力的平衡性也很好，可以在运转条件下减小结构疲劳损伤，从而提高设备的可靠性和使用寿命。

垂直轴风力发电机组的设计包含多个方面，其中重点考虑齿轮减速器、磨损与摩擦、自动转向等问题。

同时，风机的轴承材料、测量模型、风场起伏、大气压力等因素都将直接或间接影响垂轴风机的效率和性能。

二. 垂直轴风力发电机组的性能研究为了更好地发挥垂直轴风力发电机组的性能优势，优化其运行效率，研究者们也对其性能进行了深入探究，主要包括以下研究方向：1. 研究风机的动态特性风机在运行时，会出现转速的波动、能量的损失以及噪声的产生等问题，因此需要研究风机的动态特性。

刘维庆教授团队。

研究了垂直轴风力发电机的动态仿真模型，通过数理模型和实验对其动态特性进行了评估和分析，为进一步优化风机的控制提供了基础。

2. 研究风机的叶片设计近年来，研究者们也在着力改进机组的叶片设计。

研究表明，对于垂直轴风力发电机，叶片的设计对于功率密度和发电效率有着重要影响。

风力机垂直轴

风力机垂直轴全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：风力机是一种利用风能来产生电力的设备，其在可再生能源领域发挥着重要作用。

传统的风力机多采用水平轴设计，但近年来垂直轴风力机也逐渐受到关注和应用，其优势在于可以更好地适应复杂的环境条件，并具有更高的可靠性和稳定性。

本文将重点介绍风力机垂直轴的设计原理、优势和应用前景。

风力机垂直轴的设计原理基于其垂直轴旋转的特点，与传统的水平轴风力机相比具有许多优势。

垂直轴风力机在风向变化较大的情况下更具灵活性，能够更好地捕捉不同方向的风力。

垂直轴风力机不需要朝向风向，可以在任意风向下都能正常运转，这也降低了设备安装和运行的复杂度。

垂直轴风力机由于整机结构更加简单，维护和运行成本也相对更低。

在风能资源丰富的地区，垂直轴风力机具有广阔的应用前景。

尤其在山地、高原和海岸等地形复杂的地区，垂直轴风力机能够更好地适应地形和气流变化，提高了发电效率。

垂直轴风力机还适用于分散式发电系统，可以更好地满足乡村和偏远地区的电力需求，促进当地的可持续发展。

除了在陆地上的应用，垂直轴风力机还具有广阔的海洋应用前景。

海上风电资源丰富，但也面临环境恶劣、维护难度大等挑战。

垂直轴风力机的结构更加紧凑和稳定，可以更好地适应海洋环境的挑战，为海上风电的发展提供了新的机遇。

虽然垂直轴风力机具有许多优势，但其也面临一些挑战和限制。

由于其结构特殊，垂直轴风力机的风能利用效率相对较低，需要不断优化设计和提高转换效率。

垂直轴风力机的市场规模相对较小，制造成本和研发投入也相对较高，需要不断探索新的商业模式和技术创新，提高其竞争力。

第二篇示例：风力机是一种利用风力发电的装置，现在广泛应用于风力发电场中。

在风力机的设计中，垂直轴和水平轴是两种常见的设计形式。

垂直轴风力机因其特殊的设计结构和优势，在风力发电领域中备受关注。

垂直轴风力机的主要特点是风轮轴线与风速方向垂直，与水平轴相比更适合在低风速环境下发电。

其设计结构简单，可以减少机械故障和维护成本，同时垂直轴的设计更适合在高度变化较大或风向多变的地区使用。

垂直轴风力发电机

垂直轴风力发电机引言垂直轴风力发电机（Vertical Axis Wind Turbine，以下简称VAWT）是一种基于垂直轴旋转的装置，利用风能将其转化为电能的发电设备。

相较于传统的水平轴风力发电机，VAWT 具有一些独特的特点和优势。

本文将介绍垂直轴风力发电机的原理、构造、工作方式以及应用领域。

原理垂直轴风力发电机的原理基于风能转换为机械能，再转换为电能的过程。

当风经过风力发电机的叶片时，风能会转化为旋转动力。

垂直轴风力发电机使用的是垂直方向上旋转的叶片，而不是水平方向上旋转的叶片。

这种设计使得垂直轴风力发电机可以更好地适应风向的变化，并且在低风速下也能发电。

构造一台典型的垂直轴风力发电机由以下主要部件组成： 1. 轴承：支撑垂直轴的旋转部件。

2. 叶片：用来捕捉风能并转化为旋转力的组件。

3. 发电机：将机械能转化为电能的核心部件。

4. 塔架：支撑整个风力发电机系统的结构。

5. 控制系统：用于监测和控制风力发电机的运行状态。

工作方式垂直轴风力发电机的工作方式相对简单。

当风流经过垂直轴上的叶片时，叶片会转动，将风能转化为旋转力。

旋转的轴通过轴承连接到发电机，发电机则将机械能转化为电能。

电能可直接供给附近的电网，或者储存于蓄电池中供以后使用。

控制系统会监测垂直轴风力发电机的运行状态，并根据需要进行调整和优化。

优势相较于水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机具有以下优势： 1. 适应性更强：垂直轴风力发电机不受风向变化的限制，可以从360度方向上的风捕捉能量。

2. 更高的效率：垂直轴风力发电机可以在低风速环境下开始工作，并且在高风速环境下不会受到太大损坏。

3. 更低的噪音：由于其设计方式的不同，垂直轴风力发电机产生的噪音相对较低。

4. 更小的空间需求：垂直轴风力发电机的设计使其可以安装在有限的空间内，方便在城市或者高楼大厦等地区使用。

应用领域垂直轴风力发电机在以下领域有着广泛的应用： 1. 城市环境：由于其较小的空间需求和较低的噪音输出，垂直轴风力发电机适合在城市环境中使用，例如在屋顶或高楼大厦上安装。

小型垂直轴风力发电机设计

⼩型垂直轴风⼒发电机设计⼩型垂直轴风⼒发电系统设计[摘要]本⽂介绍了⼀种⼩型垂直轴风⼒发电系统的设计⽅案，本系统主要⾯向沿海⾼层建筑或边远地区⽤户。

经过查阅⼤量⽂献资料结合必要的理论计算，系统采⽤四⽚NACA0012型叶⽚构成H型达⾥厄风⼒机，利⽤永磁直驱同步发电机将机械能转化为电能，经过电⼒电⼦电路对蓄电池进⾏充电。

⽂中对主要⽀撑件和传动件进⾏了必要的结构校核，对所⽤的两个⾓接触球轴承进⾏了使⽤寿命校核。

最后以垂直轴风轮和永磁直驱发电机为主要对象，⽤solidworks软件建⽴三维模型，设计风⼒发电系统主要零部件，并简要介绍其控制电路、选择蓄电池型号。

[关键字] 垂直轴风⼒发电机达⾥厄 NACA0012翼型Design of the Vertical Axis Wind Turbine[Abstract]This is a design of a kind of vertical axis wind turbine which was used in removed rural area or highrise in seaside city based on related theories. By consulting reference sources and necessary mathematical operation,four NACA0012 air-foil blades were used as the compoments of the H-type Darrieus. The lead-acid bettery was charged by the electrical energy which was generated by a permanent magnet synchronous motor with the operation of power electronic circuits. In this article,some constructures such as the main suppoting parts and the angular contact ball bearings were vertified on the intensity and life. By using of the solidworks2006 software,every important part has a 3D model. We also design a control circuit and bettery breifly.[Keywords] Vertical axis Wind turbine Darrieus NACA0012 air-foil⽬录第⼀章绪论 (1)1.1 国内外风⼒发电的发展现状及其趋势 (1)1.2 ⼩型垂直轴风⼒发电机发展概况 (3)第⼆章风⼒发电基本原理 (4)2.1 风特性 (4)2.1.1 风能量 (4)2.1.2 湍流特性 (5)2.2 风⼒发电系统结构框架 (5)第三章⼩型垂直轴风⼒发电的总体设计 (6)3.1 风⼒机的种类及选择 (6)3.2 垂直轴风⼒机空⽓动⼒学 (8)3.2.1 风能利⽤率 (9)3.2.2 Cp-λ功率特性曲线 (10)3.2.3 贝茨极限 (10)3.2.4 叶尖速⽐ (11)3.2.5 风⼒机的功率及扭矩计算 (11)3.3 叶⽚选型 (12)3.3.1 叶⽚实度 (13)3.3.2 叶⽚形状及材料 (14)第四章电⽓设备及传动设计 (16)4.1 基本原理 (16)4.1.1 法拉第电磁感应原理 (16)4.1.2 相位⾓及功率因数 (16)4.2 转化装置 (17)4.2.1 直驱式永磁同步发电机 (17)4.2.2 电⽓系统电路设计 (17)4.3 传动系统结构设计及计算 (18)4.3.1 传动轴的设计 (18)4.3.2 轴承的计算及选型 (20)第五章刹车装置及其他部件设计 (25)5.1 刹车装置 (25)5.1.1 刹车装置原理 (25)5.1.2 刹车结构受⼒计算 (27)5.2 塔架的设计 (28)5.2.1 ⽀撑件受⼒分析 (28)5.2.2 拉索的受⼒计算 (30)5.3 蓄电池和选型 (31)5.3.1 蓄电池的种类及⼯作基本原理 (31)5.3.2 蓄电池选型 (32)5.4 箱体的设计 (32)5.4.1 箱体的外形设计 (32)5.4.2 箱体的防锈与密封 (33)结论 (34)致谢语 (35)参考⽂献 (36)附录 (37)引⾔当前⽕⼒发电仍然是主要的发电⽅式，其⾼污染⾼能耗正⼀步步吞噬着地球脆弱的⽣态环境，地球急需⼀种环保⾼效的可再⽣能源来替代⽕⼒发电。

H型垂直轴风力机设计参数分析研究

马元嵌
（中海油天津化工研究设计院天津，
纠筋ｐ
李偿募
３０３）０１０
３０３；北工业大学控制科学与工程学院天津０１０河，
摘
要：采用多流管理论模型对风光能源复合发电装置项目中Ｈ型垂直轴风机参数进行优化设计，在多流管理论基础上建立模型并
０引言
小型垂直轴风力机具有低速性能好、噪声小、构结
流方向平行，同一流管内盘面处的速度因子ａ相同，且
不同流管内的速度因子ａ随位置角变化而变化。多
流管模型如图１示。所
Ｊ
简单、外形美观、维护方便等优点，受到研究者的广泛青睐。近年来，越来越多的风电厂商将达里厄风力机
ｃｍｐｓｄｐｗｒｇｎｒｔｎｐｏｅｔａｅｎｔｅｍｈ—ｔａｔｂｈｏｙｏｅｓｅｔｌｈｄｎａｃｌｔｄａｄｓｌｔｄｂｓｇｏｏｅｏｅｅｅａｉｒｊｃ．Ｂｓｄｏｈｕｉｒｍ— ｅｔｅｒ，ａｍｄｌｉｓｂｉｅ，ａｄｃｌｕａｅｎｉａｙｕｉｏｓｅｕａｓｍｕｅｎ
ＭａｌｂｓｆｗａｅＴｅｃａｅｆｔｅａｔｃｎｌｆｔｅｖｎｆｔｏａｉｇＨ－ｐｅｔｃｌａｉｗｉｄｔｒｉｅｕｄｒｄｆｅｅｔｔｐｓｅｄｒｔｏｉｔａｏｔｒ．ｈｈｎｇｓｏｈｔａｋａｇｅｏｈａｅｏｈｅｒｔｔｎｔｅｖｒｉａｘｓｎｕｂｎｎｅｉｒｎｉｐｅａｉｓｙｆａａｙｅｎｌｚｄ．Ｔｈｎｕｎｅｏｉｐｅａｉｎｅｓｔｎｗｉｄｅｅｇｔｌａｉｎｃｅｉｉｎｓａａｙｅｍｐａｉａｌ．Ｔｈｏｈｃｍｐｒｎｈｅｉｆｅｃｆｔｐｓｅｄｒｔａｄｄｎｉｏｎｎｒｙｕｉｚｔｏｆｃｅｔｉｎｌｚｄｅｈｔｃｌｌｏｙｉｏｙｒｕｇｏａｉｇｔｅｉｆｅｃｆｔｅｃａｇｓｏａｉｕａａｔｒｎｔｅｐｗｅｏｆｃｅｔｈｐｉｌｐｒｍｅｅｓｏｎｄｔｒｉｅａｈｉｔｏｒｏｔｕｒｎｕｎｅｏｈｈｎｅｆｖｒｏｓｐｒｍｅｅｓｏｈｏｒｃｅｉｎ，ｔｅｏｔｌｉｍａａａｔｒｆｗｉｕｂｎｔｕｍａｅｐｗｅｕｐｔａｅ

风力发电系统的建模与优化设计

风力发电系统的建模与优化设计风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，近年来得到了广泛应用和发展。

为了更好地利用风力资源，提高风电系统的发电效率和可靠性，建立一个准确的风力发电系统的数学模型，并进行优化设计，成为风力发电工程中的重要问题之一。

一、风力发电系统的数学建模1. 风能的捕捉与转换风能的捕捉主要依靠风力涡轮机（也即风力发电机）实现。

风力涡轮机由塔筒、叶轮、机组等组成，通过叶轮受风的冲击产生转动，进而带动风力涡轮机的机组转动。

风力涡轮机主要包括水平轴风力涡轮机和垂直轴风力涡轮机等不同类型。

2. 风力观测与风速模型为了确定设计风速、分析风电场可行性等，需要对风速进行模拟和观测。

常用的方法包括统计学方法、气象学方法和时间序列分析方法等。

通过统计风速资料，建立风速模型，可以预测风电场未来一段时间内的风速变化趋势。

3. 风力发电机组建模风力发电系统中的发电机组是将风能转化为电能的核心部件。

风力发电机组的建模可以基于物理模型、等效电路模型或者系统辨识方法实现。

建模的目的是为了分析和控制风力发电机组的运行特性。

二、风力发电系统的优化设计1. 风电场的布局与设计风电场的布局和设计是风力发电系统优化的起点之一。

通过合理的布局和设计，可以最大程度地提高风电场的发电效率。

布局和设计的关键问题包括选择合适的场地、确定风力发电机组的数量和布置方式等。

2. 风力发电机叶片的优化设计风力发电机叶片是转换风能的关键元件，其优化设计对风力发电系统的性能有着重要影响。

通过优化叶片的几何形状、材料以及旋转速度等参数，可以提高叶片的捕捉效率和抗风性能，从而增加风力发电系统的发电能力。

3. 风力发电系统的控制策略优化风力发电系统的运行控制对于提高发电效率和保证系统安全稳定运行至关重要。

通过对发电机组的控制策略进行优化，可以实现在不同的风速条件下最优的发电功率输出。

常用的控制策略包括最大功率跟踪控制、电网电压和频率控制等。

4. 风力发电系统的可靠性优化风力发电系统的可靠性是保证系统连续高效运行的重要指标。

垂直轴风力发电机的性能分析与优化设计

垂直轴风力发电机的性能分析与优化设计近年来，由于能源危机的威胁和对环境保护意识的增强，可再生能源的研究和利用引起了广泛关注。

而其中，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，其开发利用的研究也日益受到重视。

而在众多风力发电机中，垂直轴风力发电机由于其结构独特性能优越而备受瞩目。

本文将对垂直轴风力发电机的性能分析与优化设计进行探讨。

首先，垂直轴风力发电机的性能分析是对其发电效率、功率输出等关键性能参数进行考察与评估。

在分析性能时，需要研究气流在叶轮上的流动特性、转动力矩等因素。

例如，气流进入垂直轴风力发电机后，通过叶轮的流动形成旋涡，而这种旋涡流动将产生一个转动力矩，推动风力发电机进行转动并生成电能。

因此，需要对叶轮的设计和形状进行优化，以提高转动力矩和效率。

其次，优化设计是针对垂直轴风力发电机存在的问题和不足，通过改进设计方案和结构等方式来提高其性能和效率。

例如，垂直轴风力发电机在垂直轴方向上具有较强的适应性，可以根据风向的改变自动调整转向，提高风能的利用率。

然而，在传统垂直轴风力发电机中，由于叶轮的设计不合理，使得发电机的功率输出不稳定。

因此，优化设计可以针对叶轮的形状、材料以及叶片的布置方式等进行调整，以提高发电机的功率输出和工作稳定性。

此外，垂直轴风力发电机的性能也受到环境因素的影响，并且在不同的环境条件下性能表现可能会有所不同。

因此，在性能分析和优化设计中，需要考虑风速、温度、湿度等因素对垂直轴风力发电机性能的影响，并且进行相应的修正和调整。

例如，根据不同地区的风速特点，可以选择不同材料和设计方案，以适应不同的风能资源，从而提高发电机的发电能力和利用效率。

此外，垂直轴风力发电机作为一种新兴的可再生能源装置，其还存在一些待解决的问题和挑战。

首先，垂直轴风力发电机在低风速条件下的发电效率相对较低，因此需要在设计中加入启动装置或增大发电机面积以提高其启动能力。

其次，垂直轴风力发电机在一些特殊环境下，如恶劣天气条件下，容易受到损坏，因此需要加强设计的结构强度和稳定性。

垂直轴风力机原理与设计

垂直轴风力机原理与设计
垂直轴风力机是一种可用于发电的新型清洁能源装置，它利用垂直导轴升力原理把通
过风力机叶片发生的空气动能变为机械能，再通过轴承和变速箱及其他传动元件转化为电
能进行发电。

具体来说，垂直轴风力机的叶片与传统水平轴风力机有着很大的不同，它们
具有极大的升力，可以利用一半、一半以上的空气动能变成机械能。

此外，垂直轴风力机机构结构通常较小，易于安装，出现在城市屋顶、室外公园等公
共场所。

同时，它很少受到风速的影响，在低风速下也能提供最大的可靠性和可靠性，因此，它可以更好地抗风。

此外，垂直轴风力机噪声低，可以在周边的景观中安装，不会影
响环境。

垂直轴风力机的设计主要针对发电效率，使叶片方向更大地利用风力，减少抗风能力。

叶片为翼型，其中有半圆翼型、半椭圆翼型、三角翼型等。

叶片布局也会超前，用于减少
发电机械能的损失，并调整叶片横断面积，充分利用风力发电。

同时，垂直轴风力机还配
备有控制桨，可以使叶片旋转速度保持稳定，确保其发电效率最大化，并使其运行更加平
稳和安全。

垂直轴风力机的设计需要考虑到可靠性和安全性，一般要采取结构强度和防护措施来
抵抗风荷载传入的振动，有效提高叶片质量比以保证发电安全性，并确保发电机组质量符
合安全质量要求。

另外，还可以将附件和逆转系统配以发电系统，减少故障的发生，使发
电效率更高。

总结来说，垂直轴风力机是一种很好的清洁能源发电装置，能提供可靠性高、环境友
好的电力服务。

为此，重要的是要采用得当的叶片设计，以及充分考虑可靠性和安全性，
以便最大化利用风能发电。

垂直轴风力发电机的设计与实现

垂直轴风力发电机的设计与实现随着能源需求的不断增长和对环境保护意识的增强，新能源的开发和利用逐渐成为人们关注的热点。

其中，风能作为一种清洁、可再生资源，得到了越来越多的关注和重视。

风力发电机作为利用风能的主要设备之一，不断进行着技术革新和创新。

其中，垂直轴风力发电机的出现，为风能的利用带来了新的思路和技术路线。

一、垂直轴风力发电机的优点相较于传统的水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机具备以下优点：1.更加适合复杂地形和城市环境。

由于垂直轴叶片朝向不固定，而且发电机自重轻，可以更好地适应复杂的风场环境和城市建筑群丛。

2.性能更加稳定。

垂直轴风力发电机在不同风速下，发电效率均能保持在较高的水平，稳定性更好。

3.维护成本更低。

由于垂直轴风力发电机拥有更少的部件，并且更方便进行维护、更换，因此维护成本更低。

二、1.叶片设计垂直轴风力发电机的叶片设计主要考虑叶片的形状、倾斜角度、长度等因素。

一般来说，叶片应当尽可能长，以增加风能利用率，并且采用气动优化技术对叶片进行设计，以保证更好的风能利用效率。

2.轴承设计垂直轴风力发电机的轴承设计需要考虑到机组旋转过程中的扭矩、径向载荷、轴向载荷等因素，以保证其稳定性和可靠性。

同时，采用高强度材料和关键部件的精密加工技术，以确保轴承的耐用性和可靠性。

3.发电机设计垂直轴风力发电机需要配备高效、稳定的发电机，以将捕捉到的风能转化为电能。

发电机设计主要考虑电机转速、功率输出能力、电机散热等因素。

4.控制系统设计垂直轴风力发电机的控制系统需要采用先进的数字控制技术，实现对风车旋转速度、匹配不同风速下的灵活调节等功能，最大化利用风能资源。

5.结构设计垂直轴风力发电机结构设计应当注重轻量化、紧凑化，以便于安装和运输。

同时，应考虑到抗风性能、防腐性能等因素。

三、垂直轴风力发电机的应用前景垂直轴风力发电机因其在适应复杂地形和城市环境方面的优势，以及更加稳定、便于维护、性价比更高等优点而备受关注。

垂直轴风力发电机研究报告

垂直轴风力发电机研究报告第一篇：垂直轴风力发电机研究报告近年来，清洁能源的重要性日益凸显。

在各种清洁能源技术中，风力发电技术因其可再生、环保、成本较低等诸多优势备受关注。

而在众多风力发电机型中，垂直轴风力发电机以其独特的结构和工作原理而备受研究者的关注。

垂直轴风力发电机以垂直竖直放置的转子为特征，相较于传统的水平轴风力发电机，具有结构简单、易于安装和维护等优势。

其工作原理是通过自由转动的垂直轴将风能转化为机械能，再经过发电机将机械能转化为电能。

在这一过程中，由于垂直轴和转子受力均匀，使得垂直轴风力发电机在承受大风时更加稳定，不易受到外界环境的干扰。

垂直轴风力发电机的设计和研究工作主要集中在提高其发电效率和运行稳定性方面。

首先，研究者通过改进垂直轴和转子的形状和材料，以提高风力捕捉效率。

其次，通过优化垂直轴风力发电机的叶片数目、叶片宽度和叶片倾角等参数，以提高其在不同风速下的发电性能。

此外，研究者还通过改进发电机的磁场分布和磁通密度，提高其电能转化效率。

虽然垂直轴风力发电机具有许多优势和潜力，但其也存在一些挑战需要克服。

首先，垂直轴风力发电机的发电效率相对较低，尚不足以与传统的水平轴风力发电机相媲美。

其次，垂直轴风力发电机的噪音和振动较大，对周围环境和人体健康造成一定的影响。

此外，由于垂直轴风力发电机在大风环境下性能较为稳定，因此在低风速环境下的发电效率较低。

为了解决上述问题，研究者需要进一步改进垂直轴风力发电机的设计和工艺。

首先，可以通过优化叶片的形状、减小叶片材料的摩擦阻力，减少风能的损失。

其次，可以采取一些减振措施，如改进转子结构、增加阻尼装置等，以减小垂直轴风力发电机的噪音和振动。

另外，可以通过增加并联系统或借助存储装置等技术手段，改善垂直轴风力发电机在低风速环境下的发电效率。

综上所述，垂直轴风力发电机作为一种新型的风能利用技术，具有广阔的应用前景。

虽然其在设计和性能上还存在一些问题，但通过不断的研究和改进，相信垂直轴风力发电机将会成为未来清洁能源领域的重要组成部分，为人类提供更多可再生的清洁能源。

垂直轴风力发电机结构研究进展

》ｃａａｔｒｔｓｏｒｃｌｘｓｗｎｒｉｅａｎｙｅ．ｅｄｖｌｍｎｏＡｘｏｎｅｒｆ．ｈｒｅｉｉｖｔａａｉｉｄｔｂｎｅａａｚｄｔｅｅｏｅｔｆＶｗＴｉｅｐｕｄｄｂｉｙｃｓｃｆｅｉｕｒｌｈｐｓｅｌＴｅｅｃｍｍｎＳｖｎｕｅｉａｃｙｅａｄｌｔｙｅｓｃＤａｒｕｙｅ∞ ｗｌｉｅｏｍａｏｈｎｔｏｏａｏｉｓｒｓｔｎｅｔｎｆｐｕｈｈｓｐｉｔｒｉｓｔｅｐｅｌｔｄｆｒｔｎｓｉ：ｓｕｔｒｓｒｒｕｅｈｕｒｔｅｅｒｈｏＡｍｓｃａｄｏｅｎｓｈｌｘｏｎｅ｝ｔｃｕｅａｅｉｔｄｃｄｔｅｃｒｎｒｓａｃｎＶｗＴｏｏｅｔｎｆｒｉｃｏｓａｅｅｐｕｄｄｉｒｎｏｅｆｄｉｇｒａｒｎ
一、＾ｌ一 ● 毫、１、蔓． ” 喜十＾ｅｔｅｔ十 — １、． ’、喜＾＾、．斤ｔｔ、、璺毫Ｎ０ ’ ＂舯 ” 、，、套《
【摘要】与水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机具有结构对称、风能利用率高、噪音低等优点，有着较为广阔的市场前景。首先对垂直轴与水平轴风力机作了比较，分析了垂直轴风力发电机的特点，简要地概述了垂直轴风力机的先后发展，分别介绍了常见的萨渥纽斯阻力型、达里厄型及其变形结构等垂直轴风力机的结构，阐述了国内外学者对垂直轴风力机结构的研究现状，最后简要地分析了设
Ａｕ．ｇ２０１１
遮风的结片安装角分别为４１￣５８、６￣８６垂直轴风力机能获得最大的海某大学力学所教授针对弧形叶片风力机，提出的聚能— ．、．￣．、．。２２６６７输出功率。瑞典科研人员利用ＮＣ０１、ＡＡ１１、ＡＡ１１、构，ＡＡ０５ＮＣ５５ＮＣ２５如图７ａ所示。（）该结构能较大幅度地提高风力机的输出功率，对ＮＣ７５翼型建立了二维非定常流分析模型，采用共形映射两叶片（ＡＡ１１ｓ型）直线型聚能风力机，为（５５），当４－５。做功最大。南时

风力发电机设计和性能优化

风力发电机设计和性能优化摘要：本文旨在探讨风力发电机的设计原理和性能优化方法。

首先介绍了风力发电机的工作原理和基本组成部分，然后详细分析了影响风力发电机性能的关键因素，并提出了优化设计方法。

最后，通过数值模拟和实例分析，验证了该方法的有效性。

1. 引言随着能源需求的不断增长和环境问题的加剧，清洁能源的研究和利用逐渐受到全球关注。

风力发电作为一种可再生资源的重要来源，具有巨大的潜力。

因此，风力发电机的设计和性能优化成为了一个热门话题。

2. 风力发电机的工作原理和基本组成部分风力发电机通过利用风的动力来转动风轮，进而驱动发电机工作。

其基本组成部分包括风轮、转轴、发电机和控制系统。

2.1 风轮风轮是风力发电机的核心部件，其作用是将风的动能转化为机械能，进而带动转轴和发电机运转。

常见的风轮有水平轴风轮和垂直轴风轮两种类型，每种类型都有其适用的环境和优点。

2.2 转轴转轴连接风轮和发电机，承受风轮的旋转力矩和发电机的输出功率。

转轴的材料和结构设计直接影响风力发电机的性能和寿命。

2.3 发电机发电机是将机械能转化为电能的关键部件。

常用的发电机类型有永磁同步发电机和感应发电机，根据具体需求选用适当的发电机类型。

2.4 控制系统控制系统用于监测风力发电机的运行状态和性能，并根据需要进行调节，以提高发电效率和保护设备。

控制系统包括风速监测模块、转速控制模块和故障诊断模块等。

3. 影响风力发电机性能的关键因素风力发电机的性能受多个因素影响，包括风能资源、风轮和转轴设计、发电机类型和控制策略等。

3.1 风能资源风能资源是风力发电机的动力来源，其分布和强度对发电机的输出能力有直接影响。

因此，在选择风力发电机位置时，需要充分考虑当地的风能资源和地形条件。

3.2 风轮和转轴设计风轮和转轴的设计直接决定了发电机的转速和输出功率。

合理的风轮和转轴设计可以提高发电机的转化效率，降低振动噪声，延长设备寿命。

3.3 发电机类型不同类型的发电机有着不同的特点和适应环境。

风力发电建筑工程的机械系统设计与优化

风力发电建筑工程的机械系统设计与优化引言：风力发电作为一种可再生能源，具有环保、可持续发展的特点，在全球范围内得到了广泛应用和重视。

而在风力发电项目中，机械系统的设计与优化是关键的环节之一。

本文将探讨风力发电建筑工程的机械系统设计与优化，包括风机选型、传动设计、机组控制等方面的内容。

一、风机选型风机是风力发电系统的核心组成部分，其选型直接影响到发电系统的性能和经济效益。

在风机选型时，需要考虑以下几个方面的因素：1. 风机容量：根据具体的发电需求和风力资源，选择适当的风机容量。

过小的容量可能无法满足发电需求，而过大的容量则可能造成资源浪费。

2. 风机类型：目前市场上主要有水平轴风机和垂直轴风机两种类型。

水平轴风机具有高效性能和较高的出力系数，是目前主流的选择。

而垂直轴风机适用于一些特殊场景，如低风速地区或大风环境下的城市建筑。

3. 风机质量：考虑风机的质量、可靠性和耐用性，选择具有良好口碑和经验丰富的制造商和供应商。

二、传动设计风力发电系统中的传动机构主要包括风轮与发电机之间的传动装置。

合理的传动设计可以提高发电系统的效率和功能稳定性。

1. 风轮和发电机之间的传动方式主要有两种：直接驱动和间接驱动。

直接驱动传动方式简单，没有传动装置的损耗，但需要考虑到风轮与发电机的匹配度。

间接驱动传动方式可以通过变速器来实现风力与发电机的匹配，但增加了传动系统的复杂性。

2. 传动装置的材料选择应考虑到重量、强度和传动效率等因素。

常用的材料有钢铁、铝合金等。

此外，适当的润滑和冷却措施也需要考虑到，以确保传动装置的正常运行和寿命。

三、机组控制机组控制是风力发电系统中的关键环节，能够对风机运行进行监测、保护和调节，以实现系统的稳定运行和最大化发电量。

1. 监测系统：监测系统包括风速传感器、转速传感器和风向传感器等设备。

通过监测风速和转速等参数，可以实时了解风机运行状况，并根据需要进行调整和干预。

2. 保护系统：保护系统主要包括过载保护、过热保护和风速限制等功能。

垂直轴风力发电机主轴结构优化设计

垂直轴风力发电机主轴结构优化设计何大伟;吴国庆;陆彬;张旭东【摘要】With the comprehensive analysis of structure and stress,the vertical axis wind turbine spindle parameterized element model is established by using ANSYS Workbench.The inner diameter of the shaft,bearing span,spokes and supporting distance and spokes span are optimized in the way of the main shaft of strength and stiffness as constraint conditions and the minimum spindle weight as the goal.The results were compared before and after the optimization analysis.The calculation results show that the weight of spindle is greatly reduced on the premise of guarantee the mechanical properties after structure optimization.The vertical axis wind turbines improve the market competitiveness by reducing the spindle production cost.%在全面分析垂直轴风力发电机主轴结构和受力的基础上,运用ANSYS Workbench建立垂直轴风力发电机主轴的参数化有限元模型.以主轴的强度和刚度为约束条件,以主轴质量最小为目标.对主轴的内径、支承跨距、轮辐与支承的距离和轮辐跨距进行了优化计算.并对优化前后结果进行了对比分析.计算结果表明:垂直轴风机主轴结构优化后,在保证各项力学性能的前提下,主轴质量得到较大幅度的减小.从而降低了主轴的生产成本,提高了垂直轴风力发电机的市场竞争力.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2018(000)002【总页数】4页(P199-201,205)【关键词】垂直轴风力发电机;主轴;优化设计;ANSYSWorkbench【作者】何大伟;吴国庆;陆彬;张旭东【作者单位】南通大学机械工程学院,江苏南通226019;南通大学机械工程学院,江苏南通226019;江苏省风能应用技术工程中心,江苏南通226019;南通大学机械工程学院,江苏南通226019;江苏省风能应用技术工程中心,江苏南通226019【正文语种】中文【中图分类】TH161 引言风能作为一种蕴含量巨大的可再生能源[1]；是替代化石燃料最主要的能源之一。

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第 36卷第 10期 2008年 10月
Vol. 36 No. 10 Oct. 2008
垂直轴风力机主轴结构优化设计
张婷婷 1 ,王红霞 1 ,代泽兵 2
(1. 上海交通大学工程力学系 ,上海 200030; 2. 国家电网公司北京电力建设研究院 ,北京 102401)
摘要 :水平轴风力机是目前应用最广的风力机类型 ,但垂直轴风力机具有诸多水平轴风力机无法比拟的优良性能 ,并越来越收到人们的关注。主要介绍了垂直轴风力机及其发展情况 ,建立以圆筒式垂直轴风力机主轴重量最小为优化目标的数学模型 ,以 iSIGHT为平台 ,对其主轴壁厚进行了优化设计 ,使主轴在满足强度和稳定性的前提下取得了显著的减重效果 ,大大降低了风力发电机组的成本。关键词 :垂直轴风力机 ;主轴 ;结构优化设计作者简介 :张婷婷 (19842) ,女 ,硕士研究生 ,从事垂直轴风力机结构有限分析研究。中图分类号 : TK83 文献标识码 : A 文章编号 : 100129529 (2008) 1020134204
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
136 (总 1292)
2008, 36 (10)
己的算法。本文基于 isight平台 ,结合有限元计算 ,以风
而垂直轴风力机与之相反 ,风轮围绕一个垂直轴旋转 [1 ] 。垂直轴风力机又可分为两个主要类型 , 一类是是利用空气动力的阻力做功 ,典型的结构是 S型风轮。另一类是利用翼型的升力做功 ,最典型的是达里厄型风力机。达里厄风力机有多种形式 , Φ型、H型、Y型和菱形。基本上是直叶片和弯叶
片两种 ,以 H型、Φ型风轮为典型。 1. 2 垂直轴风力机的性能特点
因此 ,相对于传统的水平轴风力发电机 ,垂直轴风力发电机具有设计方法先进、风能利用率高、起动风速低、无噪声等众多优点 ,具有更加广阔的市场应用前景。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
Structure optim iza tion design for cylindr ica l vertica l2ax is w ind turb ines
ZHAN G T ing2ting1 , WAN G Hong2x ia1 , DA I Z e2bing2 (1. Dep t. of Engineering Mechanics, Shanghai J iaotong Univ. , Shanghai 200030, China; 2. Beijing Electric Power Construction Research Institute of SGCC, Beijing 102401, China)
在整个风力发电机组中 ,主轴的作用是支撑轮辐和叶轮 ,把叶轮等部件举到设计高度处运行 , 以获得足够的能量驱动叶轮转动 ,并带动发电机按照设计的额定功率发电。同时 ,主轴又是整个风力发电机组的承载基础 ,它需要要有足够的强度和刚度 ,以保证机组在各种载荷情况下能正常运行 ,还要保证机组在遭受一些恶劣外部条件 ,如台风或暴风袭击影响时的安全性。因此 ,一方面主轴要满足以上高度、刚度、强度等要求 ,另一方面主轴还要减轻重量 ,降低成本。
3 风机主轴的优化研究
经专家学者们几十年的研究 ,结构尺寸优化设计的理论和方法已经发展得较为成熟。从最早的数学规划法 [ 4 ] 和准则法 [ 5, 6 ] ,发展到后来的基于可靠性 ( Reliability2Based)的优化方法、基因算法 ( GeneticA lgorithm s) 、神经网络法 (Neural Net2 works) 、基于最大熵原理 (M aximumntropy Princi2 p le)的算法 [ 7 ] 。
1 风力机简介
1. 1 风机的类型风力机是一种将风能转换成机械能、电能或热
能的能量转换装置。风能转换系统可以分成两类 , 一类是利用空气推力做功 ,一类是利用空气的升力。利用空气升力的风力机又可进一步细分 ,按照它们旋转轴方向的不同 ,分成水平轴风力机和垂直轴风力机。
水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转 , 工作时风轮的旋转平面与风向垂直。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个角度。
2. 1 主轴在风力机组中的重要作用风力机主轴是风力发电机组中的主要支承装
置。目前常见的主轴有锥筒式、桁架式、混凝土式等几种形式。现代大型风力发电机组通常采用锥筒式主轴。这种形式的主轴一般由若干段 20 ～ 30 m 的锥筒用法兰联接而成 ,主轴由底向上直径逐渐减小 ,整体呈圆台状 ,因此也称此类主轴为圆台式主轴。其优点是安全性能好 ,且维修时比较方便安全。在国际风电市场上 ,现代大型风力发电机组普遍采用锥筒式主轴。
垂直轴风力机目前在我国还刚刚起步 , kW 级小型机还没达到实用阶段。我国研制的目的是通过采用我国开发的垂直轴风力机起动和调控技术 ,使其风能转换效率达到高速水平轴风力机水准。进而开发出我国自己的大型垂直轴风力发电机组 ,改变我国风电机组造型单一的局面 [3 ] 。
2 垂直轴风力机主轴
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上下 2个横支撑及叶片作用在主轴上的荷载如表 2所示 ,横支撑上的荷载与叶片上的荷载通过静力等效叠加在一起。载荷方向 x是指横支撑与叶片所受风荷载作用方向 ,与风向相同 ;载荷方向 z是指横支撑和叶片由于自重作用在主轴上的荷载。
近年来 ,对结构尺寸优化设计的研究多侧重于如何在生产设计各个领域中针对具体问题合理有效的应用结构尺寸优化设计 ,如文献 [ 8, 9 ]将尺寸优化设计应用于旋风除尘器的设计 ,文献 [ 10 ]将尺寸优化设计应用于盒坯箱的设计。
iSIGHT是美国 Engineious公司开发的过程集成、优化设计和稳健性设计的多学科设计优化通用性软件 ,它提供了一个优化工具包 ,集成了 20多种常用的优化算法 ,且可以很方便的增加自
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54. ห้องสมุดไป่ตู้6
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稳定性分析是分析主轴稳定性的重要环节。而且在对主轴壁厚等尺寸进行设计时 ,结构的稳定性也是一项重要的决定因素。其中最为重要的是屈曲模态分析 ,它是分析稳定极限承载力的前提 ,只有明确了所设计构件的屈曲模态 ,方能根据模态的不同考虑初始缺陷分布形式 ,从而确保构件设计时不漏掉不利情况。
目前世界上应用较普遍的主要还是水平轴风力机 ,以前曾错误地认为垂直轴风力发电机组的工作机构 (叶片 )最大线速度对风速之比不可能大于 1,而对水平轴风力发电机组来说 ,这种比值可达到 5∶1以上。然而进入 20世纪 60～70年代 ,首先是加拿大 ,然后是美国、英国的风电专家们经过实验指出 ,上述的结论对于利用叶片上升风力的达里厄转子是不适用的。就达里厄转子而论 ,工作机构线速度对风速之比可达到 6∶1 以上 ,且风能利用系数不比水平风力发电机组低。另外 ,与水平轴风力机相比 ,垂直轴风力机还有总体结构合理 ,对叶片的结构要求低 ,不需要对风偏航机构 ,运行条件宽松等优点 [ 2 ] 。
2. 2 主轴结构优化的必要性风力发电机组尺寸巨大 ,成本较高 ,因此 ,降
低成本对于提高风力发电的竞争力有着至关重要的作用。风力发电机组的成本与机组的重量、机组的复杂性和机组各零部件使用的材料有直接关系。主轴是整个风力机组中重要的承载部件 ,其设计水平将直接影响风力机的工作性能和可靠性。为确保风力机组的正常运行 ,提高主轴自身的可靠性 ,在设计主轴结构时必须要充分考虑主轴的强度。
Abstract:Due to the advantages over the horizontal2axis wind turbine which is currently used widely, the vertical2axis wind turbine is achieving more and more attentions. The cylindrical vertical2axis wind turbine as well as its development is p resented, and its mathematical model was constructed with the aim of m inim izing the weight of the p rincipal axis while maintaining its strength and stability. The results are satisfactory. Key words: cylindrical vertical2axis wind turbine; p rincipal axis; structure op tim ization design