機(jī)便捷式家用風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

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1、 便捷式家用風(fēng)力發(fā)電機(jī) 摘 要： 風(fēng)能是一種獲取方便取之不盡的清潔能源，而轉(zhuǎn)化風(fēng)能最直接的方式就是通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)。本次論文所要設(shè)計(jì)的便是一種便捷式家用風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其主要是應(yīng)用于風(fēng)力資源豐富但電力不完善的地區(qū)。其設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在便捷和家用兩個(gè)方面。 本次設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由葉片、增速器、發(fā)電機(jī)組成，從這三個(gè)部分去完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)。風(fēng)輪葉片的基本結(jié)構(gòu)要滿足發(fā)電的需求，材料上也要能夠承受的住時(shí)間和和環(huán)境造成的破壞，所以選用各項(xiàng)性能都比較優(yōu)秀的玻璃鋼材料符合設(shè)計(jì)要求；增速器主要是增大機(jī)械能為發(fā)電機(jī)提供足夠的動(dòng)力，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單小巧，使結(jié)構(gòu)重量簡(jiǎn)化；發(fā)電機(jī)選用市場(chǎng)上性能優(yōu)越的稀土永磁

2、發(fā)電機(jī)，不僅結(jié)構(gòu)小巧，發(fā)電能力也是不可小覷。 其余輔助部分的設(shè)計(jì)主要有發(fā)電機(jī)的調(diào)向方式，使用尾翼來(lái)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)向。支撐結(jié)構(gòu)采用鋼管拉索的形式，簡(jiǎn)單方便自己就可以簡(jiǎn)單制作。電力儲(chǔ)存的方法將使用智能充電控制。 本次設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在要求上完全符合便捷和家用這兩點(diǎn)，在性能、結(jié)構(gòu)和成本上把控的非常好，安裝維護(hù)和使用都非常簡(jiǎn)單，達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。 關(guān)鍵詞：便捷；家用；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；設(shè)計(jì)。 Design of Portable Home Wind Generator Abstract：Wind energy is a kind of clean energy that is convenie

3、nt and inexhaustible, and the most direct way to convert wind energy is through wind turbines. The purpose of this paper is to design a convenient household wind turbine, which is mainly used in areas with abundant wind resources but imperfect power. Its design focuses on convenience and home use.

4、The structure of the wind turbine designed this time is mainly composed of blades, speed increaser, and generator. From these three parts, the design of the wind turbine is completed. The basic structure of the wind turbine blades must meet the needs of power generation, and the materials must be ab

5、le to withstand the time and the damage caused by the environment. Therefore, the use of glass fiber reinforced plastic materials with excellent performances meets the design requirements; the speed increaser is mainly increased The mechanical energy provides enough power for the generator, and its

6、design structure should be simple and compact, so that the structure weight is simplified; the generator uses the rare earth permanent magnet generator with excellent performance on the market. Not only is the structure compact, but the power generation capacity is also not to be underestimated. Th

7、e design of the remaining auxiliary parts mainly includes the direction-adjusting method of the generator, and the tail wing is used for automatic direction-adjusting. The support structure is in the form of steel tube cable, which is simple and convenient and can be easily manufactured by yourself.

8、 The method of power storage will use intelligent charging control. The wind turbine designed this time fully meets the requirements of convenience and household use. It is very well controlled in performance, structure and cost. Installation, maintenance and use are very simple, and the original d

9、esign goals have been reached. Keywords: Convenient；Home use；Wind Generator；design. 1 緒 論 1.1 風(fēng)力發(fā)電的概述 現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展離不開能源的推動(dòng)，化石燃料的開發(fā)與利用對(duì)社會(huì)進(jìn)步做出了重大貢獻(xiàn)。但化石燃料大量使用也引發(fā)了許多問題，一是對(duì)環(huán)境會(huì)造成嚴(yán)重破壞，化石燃料燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的污染物，對(duì)氣候和環(huán)境都會(huì)造成影響。最主要的體現(xiàn)就是近些年來(lái)的“溫室效應(yīng)”，全球氣溫的升高和極端天氣的頻繁出現(xiàn)。二是化石燃料都是由數(shù)百萬(wàn)年前的動(dòng)植物演化來(lái)的，他們的儲(chǔ)量都是有限的，遲早有用完的那一天。所以開發(fā)可以持續(xù)利用的清

10、潔能源一直是世界各國(guó)的首要問題。 可再生能源大多來(lái)自太陽(yáng)能、水能、風(fēng)能、地?zé)崮?、潮汐能、生物質(zhì)能等，都是清潔能源，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染或產(chǎn)生很小的污染。在經(jīng)歷了多年的發(fā)展后，可持續(xù)再生能源在世界各國(guó)的發(fā)展中都占據(jù)了重要地位。其中以風(fēng)能的開發(fā)與利用發(fā)展最為迅速，風(fēng)能的開發(fā)與利用在世界各國(guó)的可持續(xù)再生能源中占據(jù)了很大部分。而開發(fā)與利用風(fēng)能的最直接的方式就是風(fēng)力發(fā)電。 1.2 全球風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 目前，可再生能源被世界各國(guó)大力開發(fā)與利用，其中發(fā)展最快的還是要屬風(fēng)能，風(fēng)能成為了繼化石燃料、石油燃料之后的重要能源。當(dāng)前全球風(fēng)力發(fā)電廠以每年29%的增速在發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)至2018年底，全球風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容

11、量達(dá)591GW，是2001年增長(zhǎng)的23倍，年均復(fù)合增長(zhǎng)率20.74%。2018年全球新增裝機(jī)容量是51.3GW，約是2001年增長(zhǎng)的7倍，年均復(fù)合增長(zhǎng)率是12.92%。由此可見，風(fēng)力發(fā)電正在以不可預(yù)料的速度迅猛發(fā)展。目前全球風(fēng)力發(fā)電主要集中在亞、美、歐，其中截至2018年底，全球風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量排名前五的國(guó)家分別是中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、印度和西班牙[[] 黃建峰.全球風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀及展望[J].科技資訊,2011(23):116-117. ]。 1.3 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展 我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電起步較晚，從80年代開始，由零基礎(chǔ)到現(xiàn)在我國(guó)能夠自主研發(fā)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。我國(guó)在風(fēng)力發(fā)電上的發(fā)展是十分迅速的

12、，到現(xiàn)在中國(guó)的風(fēng)力發(fā)電量在世界上已經(jīng)排在了首位，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總裝機(jī)容量更是居于世界前列。在我國(guó)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展之初主要是靠引進(jìn)國(guó)外的設(shè)備和技術(shù)，使得風(fēng)力發(fā)電發(fā)展受到制約，為了掙脫這些約束國(guó)家大力推行風(fēng)力發(fā)電的國(guó)產(chǎn)化。使我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電制造技術(shù)得到了快速發(fā)展，為我國(guó)風(fēng)電裝備的大規(guī)模化奠定了基礎(chǔ)，也使我國(guó)成長(zhǎng)到了如今可以獨(dú)立自主研發(fā)并制造大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的程度[[] 董爽.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題分析[J].才智, 2016(06): 226-228. ]。 我國(guó)不僅陸上風(fēng)能資源豐富，海上風(fēng)力資源更為豐富，海上風(fēng)能資源的開發(fā)是如今風(fēng)能開發(fā)的重點(diǎn)。海上風(fēng)能資源由于都比較靠近用電中心還不占用土地，所以海

13、上風(fēng)力發(fā)電比陸上風(fēng)力發(fā)電更占優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)我國(guó)的海上風(fēng)力發(fā)電也是發(fā)展的十分迅速[[] 中國(guó)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)[J].青?？萍?2015(04):20-21. ]。 1.4 我國(guó)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展前景 從80年代初我國(guó)就已經(jīng)開始了家用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)方面的研發(fā)與制造，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)研發(fā)的主要目的是為了讓電網(wǎng)不能到達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)也能用上電。盡量做到一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)就能夠供應(yīng)一個(gè)家庭的基本用電。當(dāng)前我國(guó)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展良好，自主研發(fā)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有穩(wěn)定性好、啟動(dòng)風(fēng)速低、使用方便、價(jià)格實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)。目前1KW以下的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是市場(chǎng)上的主流機(jī)型，主要服務(wù)人群也是廣大的農(nóng)、牧、魚民。 我國(guó)

14、的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)不僅在國(guó)內(nèi)發(fā)展不錯(cuò)，在國(guó)外市場(chǎng)也是占據(jù)一定地位，據(jù)統(tǒng)計(jì)2017年我國(guó)在亞洲等國(guó)家和地區(qū)的中小型發(fā)電機(jī)的出口額達(dá)1289萬(wàn)美元，歐洲等國(guó)家的出口額為1074.5萬(wàn)美元，北美的出口額為510.6萬(wàn)美元等[[] 姚修偉.2017年我國(guó)中小型風(fēng)能設(shè)備行業(yè)發(fā)展概況[J].風(fēng)能,2018(07):58-60. ]。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展在國(guó)外也是一片大好，隨著一些政策的出臺(tái)也有利的幫助了小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外的共同需求也刺激著小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展。所以小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展仍具有很大的潛力。 1.5 本課題研究的主要內(nèi)容 本次我要設(shè)計(jì)的便捷式家用風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要是為風(fēng)力資源豐富但用電

15、困難的地區(qū)提供基本的生活用電。為了符合便捷和家用這兩點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)體積要小，結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單。所以我主要把風(fēng)力發(fā)電機(jī)分為三個(gè)部分，風(fēng)輪葉片、增速器和發(fā)電機(jī)，這樣結(jié)構(gòu)上就比較簡(jiǎn)單了。由于家用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率不用很大所以小功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)體積就不會(huì)很大。從以上的幾個(gè)方面出發(fā)，所延伸出來(lái)的內(nèi)容就是此次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容了[[] 陳立人,吳小媛.一種小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝置[P]. 中國(guó)專利: CN209414032U, 2019-09-20. ][-[] 繆曉賓.便攜式小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法淺談[J].科技風(fēng),2017(16):220-224. ]。 2 便捷式家用風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝置及方案

16、2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、傳動(dòng)裝置和塔架等機(jī)構(gòu)組成。發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理就是通過線圈旋轉(zhuǎn)切割磁感線從而產(chǎn)生電流。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理就是通過風(fēng)能帶動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械能，在利用機(jī)械能來(lái)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)從而產(chǎn)生電流。所以風(fēng)速越快產(chǎn)生的機(jī)械能越大，產(chǎn)生的電流越多[[] 姚興佳.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013. ]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理圖如2-1所示； 圖21風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理圖 2.2 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用條件 一般年平均風(fēng)速3m/s以上，全年至少有3000h的風(fēng)速在3～18m/s，全年3～18m/s的有效風(fēng)能

17、密度要達(dá)到100W/m2。這樣的地區(qū)才能發(fā)揮出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大效率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選擇最好與當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力數(shù)據(jù)相匹配，這樣才能最高效的發(fā)揮出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的作用，也能合理的利用資源節(jié)省成本。 2.3 水平軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的組成 本次設(shè)計(jì)所采用的發(fā)電機(jī)形式是水平軸，水平軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)潔，一般是由發(fā)電機(jī)、風(fēng)輪塔架、升速機(jī)構(gòu)、調(diào)向機(jī)構(gòu)、蓄電池、控制器、逆變器等組成。水平軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是通過風(fēng)能使葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，通過葉片轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能來(lái)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能，再通過整流器轉(zhuǎn)換后輸出[[] 郭洪澈.小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].可再生能源,2018(05):15-17. ][-[]

18、 李駿馳.基于儲(chǔ)能的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制的實(shí)驗(yàn)研究[D].華北電力大學(xué)(北京),2016. ]。水平軸小型發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2-2所示； 圖22水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 2.3.1 風(fēng)輪 風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造電能所必不可少的重要零件，一般的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片都是3個(gè)，大多數(shù)的葉片材料都是使用玻璃鋼材料，是先用鋼材做好骨架然后在表面附上玻璃鋼，再在內(nèi)部填充一些泡沫塑料。但這樣的大部分靠手工完成的葉片不適合用在小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，制作費(fèi)時(shí)而且質(zhì)量不穩(wěn)定，現(xiàn)在都是采用機(jī)械化生產(chǎn)等截面葉片。小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在葉片材料的選擇上最先考慮的是它的效率，其次才會(huì)考慮葉片的硬度、重量等。在小型風(fēng)力發(fā)電

19、機(jī)上一般3葉片就可以達(dá)到最佳效率，所以本次設(shè)計(jì)選擇三葉片風(fēng)輪[[] 王建錄,趙萍,林志民,劉萬(wàn)琨.風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)(第三版) [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2015. ]。 2.3.2 發(fā)電機(jī) （1） 風(fēng)力機(jī)選型 通過網(wǎng)上資料的查詢，制作出了內(nèi)蒙古某一適合安裝便捷式家用風(fēng)力發(fā)電機(jī)地區(qū)，全年的氣象數(shù)據(jù)資料如表2-1所示； 表21氣象資料統(tǒng)計(jì)表 風(fēng)力 等級(jí) 0 1 2 3 4 5 6 風(fēng)速 （m/s） 0.0～0.2 0.3～1.5 1.6～3.3 3.4～5.4 5.5～7.9 8.0～10.7 10.8～13.8 （km/h） ＜1 1～

20、5 6～11 12～19 20～28 29～38 39～49 平均 天數(shù) 10～18 20～33 19～47 54～105 175～245 45～78 9～14 從表中數(shù)據(jù)可以看出，該地區(qū)全年大部分風(fēng)力以1～5級(jí)為主，該地區(qū)每天的大概風(fēng)力數(shù)據(jù)如表2-2所示 表22日風(fēng)速時(shí)間表 風(fēng)速（m/s） 2.5～8 8 ＞8 持續(xù)時(shí)間（h/天） 7 3.5 3.5 本次設(shè)計(jì)的便捷式家用發(fā)電機(jī)是為了給單一家庭供電，所以還需考慮便捷式家用發(fā)電機(jī)能否滿足一戶人家一天的用電需求。根據(jù)一般家庭的家中用電設(shè)備情況，列出了下列統(tǒng)計(jì)表如表2-3所示； 表23家用電器

21、耗電量統(tǒng)計(jì)表 用電設(shè)備 智能手機(jī) 液晶電視 冰箱 節(jié)能燈 額定功率/W 0.5 100 110 20 數(shù)量 3 1 1 4 日用電平均時(shí)間/h 3 3 10 6 日總用電量/Kwahu 0.0045 0.3 1.1 0.48 每日用電 總計(jì) 1.8845 KWh 根據(jù)表中的數(shù)據(jù)可以知道一般家庭一天的用電量大約為1.9KWh。所以根據(jù)以上數(shù)據(jù)初步選擇額定風(fēng)速是10m/s、額定功率是400W的風(fēng)力機(jī)。 風(fēng)力機(jī)的功率計(jì)算公式為： Ρw=12CpηmηeeAV3#（2-1） 小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其輸出功率與風(fēng)速的三次方成正比關(guān)系，風(fēng)力發(fā)電機(jī)

22、的輸出功率計(jì)算公式為： Pw=V1VP#（2-2） 上述公式中： V1——額定風(fēng)速，單位m/s； P ——風(fēng)力機(jī)的額定輸出功率，單位P； V ——實(shí)際風(fēng)速，單位m/s。 風(fēng)力機(jī)所輸出的總電能計(jì)算公式為： Ew=PwmTm#（2-3） 上述公式中： Ew——風(fēng)電機(jī)的總輸出電能，單位KW?h； Pwm——平均風(fēng)速為m時(shí)的輸出功率，單位W； Tm——平均風(fēng)速為m時(shí)的時(shí)間，單位h。 當(dāng)達(dá)到10m/s風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電機(jī)的平均功率計(jì)算公式為： Pe=0.4kw#（2-4） 根據(jù)每日風(fēng)速數(shù)據(jù)統(tǒng)

23、計(jì)表中的數(shù)據(jù)可知2.5~8m/s的風(fēng)速每日的持續(xù)時(shí)間為7小時(shí)，我們就取風(fēng)速的中間值5m/s進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到5m/s的風(fēng)速時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的平均功率計(jì)算公式為： Pw1=(VVe)3Pe=(510)30.4kw=0.05kw#（2-5） 當(dāng)風(fēng)力為8m/s的風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的平均功率計(jì)算公式為： Pw2=(VVe)3Pe=(810)30.4kw=0.2048kw#（2-6） 當(dāng)風(fēng)力超過8m/s風(fēng)速時(shí)，我們?nèi)∩源蟮?m/s風(fēng)速來(lái)計(jì)算這段時(shí)間風(fēng)力發(fā)電機(jī)的平均功率，平均功率計(jì)算公式為： Pw3=(VVe)3Pe=(910)30.4kw=0.2916kw#（2-7） 根據(jù)上面三次的計(jì)算就可以

24、得出每天產(chǎn)生的總電能計(jì)算公式為： Ed=Pw17+Pw23.5+Pw33.5=2.0874KW?h#（2-8） 通過上面的計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出風(fēng)力發(fā)電機(jī)每天產(chǎn)生的電能約為2.0874KW?h，大于這戶人家每天的用電量1.9KW?h，所以選擇額定風(fēng)速是10m/s，額定功率是400W的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，就可以滿足當(dāng)?shù)赜脩舻挠秒娦枨蟆? （2） 發(fā)電機(jī)的選擇 永磁式的發(fā)電機(jī)一直是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的首選，通過風(fēng)輪產(chǎn)生的機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而產(chǎn)生電流，再經(jīng)過整流器整流后轉(zhuǎn)化成可以輸入到蓄電池中的直流電。 在查找過相關(guān)資料后，決定選用使用方便、發(fā)電效率高的稀土永磁發(fā)電機(jī)，既減小了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的尺寸也優(yōu)化了

25、發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，還減小了生產(chǎn)成本[[] 彭鴻才.電機(jī)原理及拖動(dòng)第三版[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2018. ]。 2.3.3 對(duì)風(fēng)裝置 為了能使從風(fēng)中獲得的能量最大化，就要使風(fēng)輪葉面能實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，這就需要一個(gè)對(duì)風(fēng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)了，對(duì)風(fēng)裝置是通過尾翼來(lái)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)，使風(fēng)輪與風(fēng)向永遠(yuǎn)保持相對(duì)[[] 李良君.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2019. ]。對(duì)風(fēng)裝置如圖2-3所示； 圖 23對(duì)風(fēng)裝置 2.3.4 塔架 塔架的作用是讓風(fēng)輪可以離地面更遠(yuǎn)，從而獲得更多的風(fēng)能資源，塔架的結(jié)構(gòu)形式有很多種，主要是以鋼架結(jié)構(gòu)和圓錐形鋼管結(jié)構(gòu)為主。一般會(huì)對(duì)剛制塔架

26、進(jìn)行表面處理，延長(zhǎng)其使用壽命。在實(shí)際選用塔架時(shí)其成本問題也必須考慮到。 2.3.5 齒輪箱 由于風(fēng)力的不穩(wěn)定性，所以產(chǎn)生的機(jī)械能也是不穩(wěn)定的。不能使發(fā)電機(jī)良好的發(fā)電。所以加裝一個(gè)升速器齒輪箱，就可以在風(fēng)力弱的時(shí)候也能使發(fā)電機(jī)良好運(yùn)轉(zhuǎn)保持穩(wěn)定。還應(yīng)該在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上加裝制動(dòng)裝置防止葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)過快。 2.3.6 制動(dòng)器 制動(dòng)器是可以讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的制動(dòng)器有電磁、手動(dòng)、液壓制動(dòng)器等。但家用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用的是更加簡(jiǎn)單的方式，一般是在尾翼上系上一根鋼絲繩。當(dāng)風(fēng)力太大時(shí)，用繩子將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的朝向改變，減小風(fēng)能的作用[[] 張亞彬,馬麗娜.小型風(fēng)力發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M].北京

27、:人民郵電出版社,2013. ]。 2.3.7 有效風(fēng)速的選擇 風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常工作需要一定的風(fēng)速，而風(fēng)力小于3m/s時(shí)，風(fēng)能太小沒有使用價(jià)值。風(fēng)力太大超過25m/s時(shí)，還可能會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)造成破壞。所以風(fēng)力的有效范圍選定在3~20m/s。 2.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝 便捷式家用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝有兩種方式。一種是以房屋等建筑物為載體來(lái)進(jìn)行安裝，這種安裝方式不僅可以節(jié)省塔架的材料還能更大程度的避開周圍阻擋物，更好的接收風(fēng)能。另一種就是完全靠塔架來(lái)支撐，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)要安裝的足夠高才能更好的吸收風(fēng)能，并且避開大部分遮擋物。所以這種安裝方式用到的塔架材料會(huì)比較多[[] 王旭強(qiáng).小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的

28、安裝[J].黑龍江科學(xué),2019,10(22):86-87. ]。 2.5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本方案的確定 通過查閱相關(guān)資料最終確定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，為保證其工作效率、制造成本的、使用性能等確定了如表2-4所示的設(shè)計(jì)方案。 表 24設(shè)計(jì)方案 啟動(dòng)風(fēng)速 3m/s 發(fā)電機(jī) 稀土永磁發(fā)電機(jī) 額定風(fēng)速 10m/s 葉片材料 玻璃鋼 停機(jī)風(fēng)速 25m/s 額定功率 400W 工作風(fēng)速 3~20m/s 制動(dòng)方式 手動(dòng)制動(dòng) 安全風(fēng)速 25m/s 塔架結(jié)構(gòu) 角鋼桁架 風(fēng)能系數(shù) 0.42% 充電方式 智能充電控制 3 便捷式家用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

29、 3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有效功率 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有效功率Ne(W)可以由下方法公式計(jì)算得出： Ne=KCaCtSv3η#（3-1） 上述公式中： K——單位換算系數(shù)； Ca——空氣高度密度換算系數(shù)； Ct——空氣濕度密度修正系數(shù)； S——風(fēng)輪葉片掃掠面積，m2； v——風(fēng)速，m/s； η——風(fēng)力機(jī)全效率。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全效率一般取η=25%-50%。低速風(fēng)力發(fā)電機(jī)取小值，1~3葉片高速風(fēng)力機(jī)取大值；一般高速風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)取30%-50%。其中風(fēng)力機(jī)的功率換算系數(shù)如表3-1所示，空氣密度修正系數(shù)如表3-2

30、所示，設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)初估全效率取值表如表3-3所示； 表 31風(fēng)力機(jī)功率換算系數(shù) 風(fēng)力機(jī)功率Ne單位 風(fēng)輪葉片掃掠面積s 風(fēng)速ν 功率換算系數(shù)K 瓦特W 平方英尺ft2 英里/小時(shí)mileh 5.0810?1 瓦特W 平方英尺ft2 英尺/秒fts 1.6110?3 瓦特W 平方米m2 米/秒ms 0.6127 馬力ph 平方英尺ft2 英里/小時(shí)mileh 6.8110?6 馬力ph 平方米m2 米/秒ms 8.2110?4 表 32空氣密度修正系數(shù)Ca,C1值 海拔高度 m 海拔高度 ft Ca 攝氏溫度 ℃

31、 華氏溫度 ℉ C1 0 0 1.00 ?17.78 0 1.13 762 2500 0.912 ?6.67 20 1.083 1524 5000 0.832 4.44 40 1.040 2286 7500 0.756 15.5 59.9 1.000 3048 10000 0.687 26.67 80 0.963 表 33設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)初估全效率取值表 風(fēng)力機(jī)形式 初估全效率η 說(shuō)明 多葉片風(fēng)力機(jī) 10%~30% 多用于農(nóng)、牧業(yè)灌溉 風(fēng)帆葉片風(fēng)力機(jī) 10%~20% 多用于抽水、碾米、磨面 垂直軸“索旺尼斯

32、”風(fēng)力機(jī) 10%~20% 多用于抽水、壓縮空氣 垂直軸“達(dá)里厄”風(fēng)力機(jī) 15%~30% 用于風(fēng)力發(fā)電機(jī) 扭曲葉片風(fēng)力機(jī)（螺旋型葉片） 15%~35% 30%~45% 1.0~10.0KW小型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 10.0~100KW中型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 扭曲葉片風(fēng)力機(jī)（螺旋型葉片） 35%~50% 100KW以上大型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 3.2 風(fēng)輪葉片掃掠的面積S及風(fēng)輪直徑d的確定 3.2.1 風(fēng)輪葉片掃掠的面積 由風(fēng)力機(jī)的有效功率計(jì)算公式Ne=KCaCtSv3η可以推算出風(fēng)輪掃掠的面積的計(jì)算公式為： S=NeKCaCtSv3η#（3-2） 上述公式中： Ne——風(fēng)力機(jī)有效功率，

33、W；即Ne=0.4kw； K——單位換算系數(shù)，從表3-1中選取；K=0.6127； Ca、Ct——空氣高度密度換算系數(shù)和空氣濕度密度換算系數(shù)； V——按風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用地方的風(fēng)速給定 m/s,即10m/s； Η——從表3-3中選取，選取30%。 按表3-2根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用地理、自然條件選??；取Ca=1、Ct=1.13。 根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算得出 S風(fēng)輪掃椋面積=NeKCaCtSv3η=0.4kw0.61271.131030.3=1.926m2 3.2.2 風(fēng)輪直徑的確定 根據(jù)計(jì)算得出的風(fēng)輪掃掠面積后，就可以根據(jù)面積推算出風(fēng)輪的直徑。 d=2S/π=21.962/π≈1.581m

34、 為了計(jì)算制造方便把結(jié)果取整d=1.6m 3.2.3 確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片數(shù) 葉片數(shù)量的多少與風(fēng)力機(jī)的用途有一定關(guān)系，與葉尖速度之比也有一定的關(guān)系，根據(jù)前面的方案以及數(shù)據(jù)的計(jì)算，最終選擇葉片數(shù)為3葉片，風(fēng)輪直徑1.6m，尖速比為3[[] 葉杭冶,等.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與維護(hù)(第2版) [M].北京:電子工業(yè)出版社,2014. ]。 3.2.4 確定單個(gè)葉片的面積 風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換風(fēng)能的大小與風(fēng)輪葉片的翼型，還有葉尖速度之比有關(guān)，而且還跟風(fēng)輪的密實(shí)比有關(guān)。密實(shí)比是指單個(gè)葉片的表面積ksy與風(fēng)輪葉片的掃掠面積S之比。密實(shí)比的比值越大，其風(fēng)輪葉片的尖速比越低，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的速度也就越慢

35、，風(fēng)輪葉片也就越多。低速轉(zhuǎn)動(dòng)的多葉片風(fēng)輪的啟動(dòng)性能好，比較適合用來(lái)灌溉、壓縮空氣、碾米；密實(shí)比的比值越小，其風(fēng)輪葉片的尖速比越高，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的速度也就越快，風(fēng)輪葉片也就越少，比較適合在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上使用。 密實(shí)比的計(jì)算公式為 Sy=KSK#（3-3） 上述公式中： K——風(fēng)輪葉片數(shù)； K——密實(shí)比。 按照葉片密實(shí)度K與尖速比λ關(guān)系曲線圖3-1中的數(shù)據(jù)關(guān)系選取，當(dāng)λ=3時(shí)，K=0.12～0.27，取K=0.2，所以單個(gè)風(fēng)輪葉片的面積為： Sy=KSK=0.21.9263=0.1284m2 為了計(jì)算制造方便把結(jié)果取整Sy=0.13m2 圖 31葉片密

36、實(shí)度K與尖速比λ關(guān)系曲線 3.3 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n的計(jì)算及增速比i的確定 3.3.1 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n的計(jì)算 風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度n是要看風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要被用來(lái)做什么，轉(zhuǎn)速的多少還是要看風(fēng)輪的尖速比λ，風(fēng)輪的尖速比越大風(fēng)力風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度就越快。 n=60λv2πR(r/min)#（3-4） 上述公式中： R——風(fēng)輪的半徑，單位m。 所以 n=60λv2πR=603102π0.8≈358(r/min) 3.3.2 增速比i的計(jì)算 風(fēng)能驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，但其產(chǎn)生的機(jī)械能一般達(dá)不到發(fā)電機(jī)正常轉(zhuǎn)速的要求，現(xiàn)在市面上的發(fā)電機(jī)大多是4級(jí)、6級(jí)、8級(jí)的，它們的正常同步轉(zhuǎn)速都是在1500 r/min 、1000

37、r/min、750 r/min，跟風(fēng)輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速嚴(yán)重不符，所以要使用增速箱將風(fēng)輪產(chǎn)生的機(jī)械能增大使之達(dá)到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的要求，正常發(fā)電。 現(xiàn)在市面上的直流或交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速越小其效率也就越小，但為了減小風(fēng)力發(fā)電機(jī)的增速比又不得不選擇轉(zhuǎn)速較低的發(fā)電機(jī)，以減小增速箱的傳動(dòng)比大小，減輕制造成本，增強(qiáng)可靠性。 增速比i可由下式計(jì)算得出 i=nDn#（3-5） 上述公式中： nD——發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速r/min；選用同步轉(zhuǎn)速為600r/min； N——風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，r/min。 所以： i=nDn=600358≈1.676 3.4 風(fēng)輪葉片具體尺寸的確定 3.4.1 葉片從轉(zhuǎn)動(dòng)中心至葉尖不同位

38、置的尖速比 λ是指風(fēng)輪葉片的尖端速度與實(shí)際風(fēng)速的比值，而風(fēng)輪葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)中心到葉片不同半徑葉尖處的尖速比λi可由下面的公式計(jì)算得出： λi=2πnri60v#（3-6） λiλ=2πnri60v/2πnR60v#（3-7） λi=λriR#（3-8） 上述公式中： λi——葉片從轉(zhuǎn)動(dòng)中心至葉尖不同半徑處的尖速比； ri——葉片從轉(zhuǎn)動(dòng)中心至葉尖的不同半徑； R——風(fēng)輪半徑；R=0.8m，葉片不同半徑ri處的尖速比λi。 將風(fēng)輪葉片等分為8份，每段的間隔為0.1m，計(jì)算出每一截面的尖速比λi的值，每一段尖速比值如下所示： λ1=30.80.8=3 λ2=30.70.8=2.6

39、25 λ3=30.60.8=2.25 λ4=30.50.8=1.875 λ5=30.40.8=1.5 λ6=30.30.8=1.125 λ7=30.20.8=0.75 λ8=30.10.8=0.375 3.4.2 葉片從轉(zhuǎn)動(dòng)中心至葉尖不同半徑處的剖面翼型弦長(zhǎng) 為了使風(fēng)能均勻的分布到整個(gè)風(fēng)輪葉片，風(fēng)輪葉片首先要有不一樣的翼型弦長(zhǎng)，還需要風(fēng)輪葉片有一定的扭曲，這樣才能夠讓風(fēng)輪葉片各處的升阻比相同，這樣就能最大的利用風(fēng)能。不同的風(fēng)輪葉片翼型所能利用風(fēng)能的多少也不一樣，為了區(qū)分各種風(fēng)輪葉片利用風(fēng)能的多少列出了風(fēng)輪葉片的形狀數(shù)據(jù)，風(fēng)輪葉片的形狀數(shù)據(jù)和尖速比的關(guān)系曲線如圖3-2所示，其風(fēng)輪

40、尖速比越大，風(fēng)輪葉片的面積則越小。 圖 32尖速比λ與葉片形狀數(shù)據(jù)的關(guān)系曲線 風(fēng)輪葉片利用風(fēng)能的多少還跟風(fēng)輪葉片的迎風(fēng)角有聯(lián)系，也就是與迎角α相關(guān)，相對(duì)迎風(fēng)角為?=α+θ，從式子中可以看出要想讓風(fēng)輪葉片各部分的風(fēng)能一樣，風(fēng)輪葉片各部分的安裝角θ也要變化，也就是相對(duì)迎風(fēng)角?變化，扭曲葉片就是這么來(lái)的。風(fēng)輪葉片的尖速比λ跟相對(duì)迎風(fēng)角?之間的數(shù)據(jù)關(guān)系如圖3-3所示，圖中表明了尖速比?越大其相對(duì)迎風(fēng)角也就越小。 圖 33尖速比λ與葉片的相對(duì)迎風(fēng)角φ的關(guān)系曲線 風(fēng)輪葉片的翼型弦長(zhǎng)跟升阻比、尖速比、葉片形狀數(shù)據(jù)等都有很大關(guān)系，風(fēng)輪葉片從中心到不同截面處的半徑，其風(fēng)輪葉片的翼型弦長(zhǎng)Li的

41、計(jì)算公式為： Li=riCcCLk(m)#（3-9） 上述公式中： ri——葉片從轉(zhuǎn)動(dòng)中心至葉尖的不同位置的半徑； Cc——葉片形狀參數(shù)，可以根據(jù)圖3-2計(jì)算出所對(duì)應(yīng)的葉片形狀數(shù)據(jù)； CL——升力系數(shù)，根據(jù)圖3-4選取最佳值CL=1.2； k——風(fēng)輪的葉片數(shù)。 圖 34翼型升力及阻力系數(shù)、升阻比與迎角的關(guān)系曲線 通過查表，分析得出下列數(shù)據(jù)： 表 34葉片的參數(shù) 葉片的不同 半徑數(shù)N 葉片的不同 半徑值ri (m) 葉片不同半徑處的尖速比 λi 葉片不同半徑處的形狀參數(shù)CCi 葉片不同半徑處的相對(duì)迎風(fēng)角?iο 1 0.8

42、 3 0.47 12 2 0.7 2.625 0.57 13 3 0.6 2.25 0.75 17 4 0.5 1.875 0.98 18.5 5 0.4 1.5 1.25 23 6 0.3 1.125 1.8 29 7 0.2 0.75 3.3 35 8 0.1 0.375 4.2 46 將表中的數(shù)據(jù)帶入翼型弦長(zhǎng)公式中得： L1=riCcCLk=0.80.471.23=0.104m L2=riCcCLk=0.70.571.23=0.111m L3=riCcCLk=0.60.751.23=0.115m L4=

43、riCcCLk=0.50.981.23=0.136m L5=riCcCLk=0.41.251.23=0.139m L6=riCcCLk=0.31.81.23=0.15m L7=riCcCLk=0.23.31.23=0.183m L8=riCcCLk=0.14.21.23=0.117m 3.4.3 求風(fēng)輪葉片的平均弦長(zhǎng) 計(jì)算葉片的平均弦長(zhǎng)Lm可由下式得出： Lm=L1+L2+???Lii#（3-10） Lm=0.104+0.111+0.115+0.136+0.139+0.15+0.183+0.1178=0.131875m 3.4.4 求升力曲線平均斜率 KL=CL(max)-

44、CL0αL（max）-α0#（3-11） 上述公式中： CL(max)——升力曲線最大值；升力系數(shù)為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的迎角為-6.2； CL(0)——零升力； aL(max)——CLmax最佳升力角aLmax時(shí)的最大升力系數(shù)，在升阻比CL/CD最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的迎角aLAMAX=14； a0——升力系數(shù)CL為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的迎角為-2。 所以： KL=CL(max)-CL（0）αL（max）-α0=1.2-0ο14-(-2)≈0.075 3.4.5 葉片的展弦比 葉片的展弦比RZ可由以下公式計(jì)算得出： RZ=R2Sy=RLm#（3-12） 上述公式中： Lm——葉片的平均弦長(zhǎng)；

45、 Sy——葉片面積； R——風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。 結(jié)合之前所求出的數(shù)值可以得出葉片的展弦比RZ為： RZ=R2Sy=RLm=0.80.131875=6.066 3.4.6 求葉片的平均迎角 葉片的平均迎角可由以下公式計(jì)算得出： am=α0+CLKL1+3RZ#（3-13） 上述公式中： a0——升力系數(shù)為零時(shí)的葉片迎角（），通常為負(fù)值，α0=-2； Rz——展弦比； CL——升力系數(shù)； KL——升力曲線平均斜率； 所以葉片的平均迎角為： am=α0+CLKL(1+3RZ)=-2ο+1.20.089(1+36.066)=22.15 3.4.7 葉片的實(shí)際安裝角 風(fēng)力發(fā)

46、電機(jī)葉片的實(shí)際安裝角應(yīng)該是每一ri處所對(duì)應(yīng)的實(shí)際安裝角θi的相對(duì)迎風(fēng)角?i減去風(fēng)輪葉片的平均迎角am。 其實(shí)際安裝角可由下式計(jì)算出 θi=?i-am#（3-14） 上述公式中： θi——不同位置的半徑ri與之相應(yīng)的實(shí)際安裝角，()； ?i——ri處所對(duì)應(yīng)的葉片相對(duì)迎風(fēng)角，()； am——葉片的平均迎角，()。 各ri處風(fēng)輪葉片相應(yīng)的實(shí)際安裝角為θi=?i-am=?i-22.15 θ1=12-22.15=-10.15 θ2=13-22.15=-9.15 θ3=17-22.15=-5.15 θ4=18.5-22.15=-3.65

47、 θ5=23-22.15=0.85 θ6=29-22.15=6.85 θ7=35-22.15=12.85 θ8=46-22.15=23.85 3.4.8 葉片翼型的選擇 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空氣動(dòng)力性能與風(fēng)輪葉片的翼型、葉展的形狀有密切關(guān)系，要想增大風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率，要增加它的升力減輕它的阻力，要使它接近于最大值。翼型是構(gòu)成葉片的重要部分，風(fēng)輪葉片根部的翼型力臂比較小，所以風(fēng)輪葉片根部不會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能產(chǎn)生太大影響，要考慮的是風(fēng)輪葉片的強(qiáng)度和加工問題。要達(dá)到高升比的要求就要在葉片尖部采用薄翼型，為了達(dá)到足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一般會(huì)在根部使用較大升力系數(shù)翼型和采用相同翼型[[] Abolfa

48、zl Pourrajabian,Peyman Amir Nazmi Afshar,Mehdi Ahmadizadeh,David Wood. Aero-structural design and optimization of a small wind turbine blade[J]. RenewableEnergy,2016,87. ]。 常見的翼型有很多種，NACA644XX、NACA44XX、NACA230XX等航空翼型，瑞典的FFA2W系列翼型族，美國(guó)的SERI專用系列翼型。選取的翼型要根據(jù)設(shè)計(jì)的需要來(lái)選取，本次設(shè)計(jì)選用NACA4412翼型，其截面形狀如圖3-5所示； 圖

49、35NACA4412翼型截面形狀 3.4.9 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 風(fēng)輪葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)機(jī)最重要的部分，其性能的好壞會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生直接影響，所以性能要達(dá)到以下指標(biāo)。 幾何尺寸： 弦長(zhǎng)偏差2 mm (max)； 厚度偏差1mm (max)； 扭角偏差20mm (max)； 一副風(fēng)輪葉片（3個(gè)）對(duì)軸的力矩相差不能大于5gm； 葉片重量（1副）相差不能大于500gm； 葉柄與軸的同軸度公差0.50mm； 葉片前、后弦和葉身各過渡處應(yīng)光滑連接； 葉片表面光潔度要達(dá)到指定要求。 葉片的設(shè)計(jì)不僅是在翼型、安裝角、葉片扭曲、升阻比、尖速比等方面有要求，還需要葉片的結(jié)構(gòu)合理、材料先進(jìn)和

50、科學(xué)的加工工藝，使葉片能夠承受葉片自重、離心力、風(fēng)力等施加在葉片的各種拉力、彎矩。而且還需要葉片做到質(zhì)量輕、疲勞強(qiáng)度高、運(yùn)行安全可靠、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、制造容易、安裝方便、維修簡(jiǎn)單、制造成本低和使用成本低。葉片表面的光滑要達(dá)到指定的要求。 為了達(dá)到這些要求，玻璃鋼——全稱玻璃纖維增強(qiáng)聚酯復(fù)合材料成了葉片制造的第一選擇，本次設(shè)計(jì)選用的就是增強(qiáng)玻璃鋼葉片。圖3-5就是玻璃鋼和其他材料制成葉片的截面結(jié)構(gòu)，圖3-6是葉片的整體結(jié)構(gòu)。 圖 36葉片的結(jié)構(gòu)形式 圖 37葉片整體結(jié)構(gòu) 3.4.10 風(fēng)輪葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)中所受的力及塔架的受力分析 （1）葉片升力FL FL=12ρ?CLSyv2=1

51、21.251.20.13102=9.75N （2）葉片阻力FD FD=12ρ?CDSyv2=121.250.0240.13102=0.195N （3）風(fēng)輪葉片軸向推力 P=0.4v2=0.4102=400N （4）葉片受離心力Fg Fg=Ggω2r=49.8(2π35860)20.35=229.5N （5）葉片受拉力P 最大拉力 Pmax=FG+G=229.5+4=233.5N 最小拉力 Pmin=FG-G=229.5-4=225.5N （6）重力對(duì)葉片縱梁的彎矩MG MG=GRcosβ=40.35cos30=1.21N?M （7）葉片重量G對(duì)風(fēng)輪軸的彎矩 M=kGa

52、=3430.2=7.2N 3.5 葉片的翼型流場(chǎng)數(shù)值模擬 3.5.1 翼型流場(chǎng)分析的意義 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片被設(shè)計(jì)出來(lái)后，要根據(jù)其三維模型進(jìn)行一些模擬分析，以此來(lái)檢測(cè)有沒有達(dá)到所要設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。也可以為實(shí)際的生產(chǎn)和安裝提供一些有用的參數(shù)，因此模擬分析是十分必要的。 3.5.2 葉片的翼型流場(chǎng)數(shù)值模擬 現(xiàn)在用于分析葉片翼型動(dòng)態(tài)流動(dòng)現(xiàn)象的方法主要有三種，理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)。而分析翼型的二維動(dòng)態(tài)分布主要是用數(shù)值模擬法，這種方法可以得到葉片的壓力分布圖、弦長(zhǎng)變化對(duì)壓力系數(shù)的改變和翼型模擬外形的分布圖。 本次對(duì)NACA4412翼型的流場(chǎng)模擬，將使用翼型專用的分析軟件profili進(jìn)行模

53、擬操作。其中模擬參數(shù)的設(shè)定為雷諾輸RE=697000, 攻角范圍為0~10, 步進(jìn)大小為2。以翼型的輪廓形狀為研究目標(biāo)，可以得到我們需要的各種數(shù)據(jù)[[] Nemat Keramat Siavash,G. Najafi,Teymour Tavakkoli Hashjin,Barat Ghobadian,Esmail Mahmoodi. Mathematical modeling of a horizontal axis shrouded wind turbine[J]. Re newable Energy,2020,146. ]。 3.5.3 翼型表面壓力及壓力系數(shù)隨攻角變化關(guān)系 （1）

54、翼型表面壓力分布圖如以下各圖所示： 圖 38 α=0時(shí)壓力隨攻角變化 圖 39 α=2時(shí)壓力隨攻角變化 圖 310 α=4時(shí)壓力隨攻角變化 圖 311 α=6時(shí)壓力隨攻角變化 圖 312 α=8時(shí)壓力隨攻角變化 圖 313 α=10時(shí)壓力隨攻角變化 （2） 翼型表面壓力系數(shù)隨攻角分布圖如以下各圖所示： 圖 314 α=0時(shí)壓力系數(shù)隨攻角變化圖 315 α=2時(shí)壓力系數(shù)隨攻角變化 圖 316 α=4時(shí)壓力系數(shù)隨攻角變化圖

55、 317 α=6時(shí)壓力系數(shù)隨攻角變化 圖 318 α=8時(shí)壓力系數(shù)隨攻角變化圖 319 α=10時(shí)壓力系數(shù)隨攻角變化 根據(jù)翼型表面壓力分布圖我們可以知道，順著壓力分布的主要是翼型的前半部分而逆著壓力分布的是翼型的后半部分。這樣的分布情況是比較好的，可以有效減小前后兩個(gè)部分之間的壓力差。同時(shí)結(jié)合壓力系數(shù)的分布圖可以知道在翼型攻角變大的情況下，上下兩表面所圍成的面積也在變大，因?yàn)檫@些面積表示的是翼型表面存在壓力差?？梢杂纱丝闯鰤毫桥c攻角之間是正向比例的關(guān)系。 葉片翼型的升力大小與上下表面之間的壓力差有著密不可分的聯(lián)系，升力就是靠上下表面的

56、壓力差產(chǎn)生的。所以在攻角變大的情況下也使得升力變大，而葉片的阻力主要是摩擦力且摩擦力是不會(huì)突然變化的。 3.5.4 翼型虛擬外形與翼型攻角變化關(guān)系 （1） 翼型虛擬外形分布圖如以下各圖所示： 圖 320 α=0時(shí)翼型虛擬外形圖 圖 321 α=2時(shí)翼型虛擬外形圖 圖 322 α=4時(shí)翼型虛擬外形圖 圖 323 α=6時(shí)翼型虛擬外形圖 圖 324 α=8時(shí)翼型虛擬外形圖 圖 325 α=10時(shí)翼型虛擬外形圖 從上面的圖中可以看出在翼型攻角一直變大的情

57、況下，翼型尖部所在處也會(huì)跟著邊界層一起分離，分離的大小與攻角的變化是成正比的。分離點(diǎn)的位置也是在變化的，攻角越大分離點(diǎn)與翼型前端越接近。 在用profili軟件對(duì)翼型進(jìn)行分析后我們可以知道翼型會(huì)受到很多因素的影響，也相當(dāng)于讓我們知道了在設(shè)計(jì)制造中進(jìn)行軟件模擬的重要性。 3.6 塔架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架將使用獨(dú)桿拉索式，堅(jiān)固耐用、使用方便，使用鋼管作為立桿的主材料，為了使風(fēng)力發(fā)電機(jī)能得到更多的風(fēng)能，安裝地點(diǎn)的附近不能有障礙物，前后百米范圍內(nèi)不能有高于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建筑物，立桿要固定在結(jié)實(shí)的地面上。立桿的尺寸參數(shù)高6米、中空、直徑60mm、厚3mm，其實(shí)際形狀如圖3-26所示；

58、圖 326立桿 3.7 調(diào)向裝置設(shè)計(jì) 風(fēng)能是風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電不可缺少的因素，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)所能利用風(fēng)能的多少與風(fēng)輪的垂直迎風(fēng)大小有關(guān)系，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪垂直于風(fēng)向時(shí)能最大限度的吸收風(fēng)能，當(dāng)風(fēng)輪與風(fēng)向不是成垂直有一定偏差時(shí)，所能吸收的風(fēng)能就會(huì)減少。當(dāng)風(fēng)向平行于風(fēng)輪時(shí)，幾乎吸收不到風(fēng)能。所以調(diào)向機(jī)構(gòu)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的必備機(jī)構(gòu)，能讓風(fēng)輪與風(fēng)向保持垂直，最大程度的吸收風(fēng)能，才能產(chǎn)生較大的電能。一般的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是采用尾翼調(diào)向，主要由尾翼板、尾翼梁構(gòu)成，安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的尾部，與風(fēng)輪是保持垂直的。其工作原理是：風(fēng)力發(fā)電機(jī)在使用時(shí)尾翼板與風(fēng)向始終保持平行，尾翼板的面積和尾翼梁的長(zhǎng)度是產(chǎn)生這種原理的關(guān)鍵

59、，當(dāng)風(fēng)向發(fā)生偏移時(shí)風(fēng)壓產(chǎn)生的力量就會(huì)推動(dòng)風(fēng)力達(dá)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，才會(huì)讓風(fēng)輪始終處在與風(fēng)向垂直的位置。 3.7.1 尾舵的長(zhǎng)度和面積 尾舵的長(zhǎng)度由下面的式子計(jì)算 L1L2=14#（3-15） 設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的掃掠面積為A尾翼的面積是Af，其面積的比值按照下面的規(guī)律來(lái)取值：當(dāng)L2=4L1時(shí)，風(fēng)輪葉片較多，取Af=0.1A,風(fēng)輪葉片在2~3片，取Af=0.04A，本次設(shè)計(jì)取Af=0.04A。 Af=0.04A=0.04π41.62≈0.08m2 實(shí)際中常取用L1≈0.15D、L2≈0.6D，式中D指的是風(fēng)輪直徑則： L1=0.15D=0.151.6=0.24m L2=0.6D=0.61.6=

60、0.96m 3.7.2 尾翼的形狀 尾翼的形狀經(jīng)歷了許多變化，從老式到改進(jìn)式再到新式。新式是最新的也是最好的，本次所選的尾翼形狀如圖3-27所示。它可以很好的感知風(fēng)向、調(diào)整速度快，翼展和弦長(zhǎng)的比值可以取hb=2~5，本次設(shè)計(jì)取hb=2。 由上面的計(jì)算數(shù)據(jù)可知Af=0.08m2，可求得： h=0.4 b=0.2 圖 327尾翼形狀 4 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.1 傳動(dòng)特點(diǎn) 為了使風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)平穩(wěn)，將使用圓柱斜齒輪作為傳動(dòng)齒輪，風(fēng)輪產(chǎn)生的軸向力較小采用深溝球軸承來(lái)做支撐，軸與軸之間的連接全部使用聯(lián)軸器連接。 4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體及動(dòng)力系統(tǒng)布置 “一字型”的布

61、局形式將作為本次設(shè)計(jì)的總體布置方案，如圖4-1所示 圖 41一字型總體布置 風(fēng)力發(fā)電機(jī)中大多都會(huì)采用這種形式的布局，主要是因?yàn)樗呢?fù)載分布均勻，對(duì)中性良好。不好的地方就是軸線較長(zhǎng)，會(huì)造成主軸過短，使主軸承受的載荷增大。但是對(duì)于小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，基本不會(huì)過載。 4.3 整機(jī)傳動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì) 詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖4-2所示 其中： I軸為主動(dòng)軸； II軸為安裝大齒輪的軸； III軸為安裝小齒輪的軸; IV軸為連接發(fā)電機(jī)的軸。 圖 42各軸布局 （1）各軸轉(zhuǎn)速(rmin) 上圖傳動(dòng)系統(tǒng)中各軸轉(zhuǎn)速為： nI=nII=358rmin

62、 nIII=nIV=inI=1.676358=600rmin （2）各軸輸入功率PKW PI=400W PII=PIη1=4000.992=392.04 PIII=PIIη2=392.040.970.99=376.48 PIV=PIIIη3=376.480.992=368.99 （3）各軸輸入轉(zhuǎn)矩TN?m TI=9550PInI=95500.4358=10.67N?m TII=9550PIInII=95500.39204358=10.46N?m TIII=9550PIIInIII=95500.37648600=5.99N?m TIV=9550PIVnIV=95500.368

63、99600=5.87N?m 將數(shù)據(jù)整理成表格，方便后面的設(shè)計(jì)計(jì)算使用，如表4-1所示 表 41總體動(dòng)力參數(shù) 項(xiàng)目 軸I 軸II 軸III 軸IV 轉(zhuǎn)速rmin 358 600 功率W 400 392.04 376.48 368.99 轉(zhuǎn)矩N?m 10.67 10.46 5.99 5.87 傳動(dòng)比 1.676 效率 0.9801 0.9607 0.9801 4.4 斜齒圓柱輪傳動(dòng)的幾何尺寸計(jì)算 4.4.1 材料、熱處理方法、精度等級(jí)的選定 （1）小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)屬于通用機(jī)械，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也不是很快，所以采用7級(jí)精度就可以滿足要求。 （2）

64、一般的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪材料都是選用合金鋼，但由于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造成本不能太高，所以主動(dòng)、從動(dòng)齒輪都使用45鋼，在經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后大齒輪硬度210HBS，小齒輪硬度250HBS，兩個(gè)齒輪的硬度差為40HBS，滿足本次設(shè)計(jì)條件。 （3）小齒輪的齒數(shù)?。篫1=20， 大齒輪齒數(shù)為：Z2=uZ1=60035820=33.5，取Z2=34。 4.4.2 按照接觸強(qiáng)度進(jìn)行初步計(jì)算 設(shè)計(jì)斜齒圓柱齒輪，初選齒輪的螺旋角為β=14。斜齒圓柱齒輪的接觸強(qiáng)度的計(jì)算公式為： d1t≥32KtT1?dεαu+1u(ZEZHσH)2#（4-1） （1）試選齒輪載荷系數(shù)為Kt=1.4。 （2）計(jì)算小齒輪所

65、傳遞的轉(zhuǎn)矩 T1=T3=5.99N?m （3）齒數(shù)比 u=Z2Z1=1.676 （4）齒寬系數(shù)?d=1 （5）查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-6得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa12 （6）斜齒圓柱齒輪區(qū)域系數(shù)的確定，區(qū)域系數(shù)為ZH=2.432 斜齒圓柱齒輪循環(huán)次數(shù)計(jì)算公式為： N=60n1jLh#（4-2） 假設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作壽命是10年，每年有300天在工作，每天至少工作20個(gè)小時(shí)，則： N1=6060011030020=2.16109 N2=N1ω=2.161091.676=1.29109 （7）查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-19可得： KHN1=0

66、.92 KHN2=0.94 （8）查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-21-d得： σHlim1=580MPa σHlim2=520MPa （9）計(jì)算斜齒圓柱齒輪的接觸疲勞許用應(yīng)力，失效概率取1%，安全系數(shù)SH=1 σH1=KHN1σHlim1SH=0.925801=533.6MPa σH2=KHN2σHlim2SH=0.945201=488.8MPa （10）斜齒圓柱齒輪的許用接觸應(yīng)力為： σH=σH1+σH22=511.2MPa （11）查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-26得： εα1=0.779 εα2=0.792 εα1+εα2=1.571 （12）根據(jù)前面的數(shù)據(jù)計(jì)算小斜齒圓柱齒輪的分度圓直徑 d1t≥32Kt