【文章內(nèi)容簡介】 ，啟動風(fēng)速 3m/s，上風(fēng)向尾舵調(diào)向，尖 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 11 速比取 5，發(fā)電機額定功率 400W。 167。 基本參數(shù)的確定 1. 風(fēng)力機有效功率： 風(fēng)力機有效功率 （ ） 可由下式求出： p (3? ) 式中： p —— 風(fēng)能 利用系數(shù) ， 最大值是貝茲極限 %； ρ —— 空氣 密度 ， ； A—— 風(fēng)輪的掃掠面積， ； V—— 風(fēng)速， m/s。就本 設(shè)計 而言：取葉片數(shù)為 3，葉尖速比λ =5，取 Cp=，ρ = ， V=10m/s。 S及風(fēng)輪直徑 D的設(shè)計 (1)風(fēng)力機 功率 的計算 發(fā)電機發(fā)出的功率為 400W，其中要經(jīng)過聯(lián)軸器，增速機構(gòu)，發(fā)電機，取聯(lián)軸器效率為 ，滾動軸承效率為 ，閉式 齒輪效率為 ，發(fā)電機效率為 。故： WpNe 2 400 ?????? ? (2)風(fēng)輪的掃掠面積 S 的確定 風(fēng)力機 有效功率 p ，故風(fēng)輪掃掠面積 A為： mvCp NeA ?????? ? (3)風(fēng)輪直徑 D的確定 求出 風(fēng)輪 掃掠面積 A 后，便可計算出風(fēng)輪直徑： √ √ 7 73 86 D=，則 R=。 （ 4）風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 n 的計算及增速比 i 的確定 由《可再生能源及其發(fā)電技術(shù)》表 5，葉片數(shù)為 3， 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 12 為中速扭曲翼型。 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 min/ 10560260 rRvn ??? ???? ??? 故增速比 i n0n 500 97 89 57 η p ηi ηk 0 36 0 9 0 7 0 3 V η 4000 36 694 9 風(fēng)輪功率 v P 694 9 0 36 6 0W。 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 13 第四章 主要工作部件的參數(shù)選擇與計算 167。 葉片裝置設(shè)計 167。 葉片剖面翼型 葉片翼型基本上可分為平板型﹑風(fēng)帆型和扭曲型 三種類型 ，低速風(fēng)力機往往采用的翼型為平板型或風(fēng)帆型，它的迎角在整個葉片上是一樣的，效率也不高，但結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，成本低。 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪葉片翼型基本上都采用扭曲型，扭曲葉片雖然制造困難，但能提高風(fēng)能利用率，使風(fēng)力發(fā)電機獲得最佳風(fēng)能功率。所謂扭曲葉片，就是沿葉片長度葉片翼型扭轉(zhuǎn)一定角度，使得葉片翼型各處的安裝角 θi不一致，角度由葉根至葉尖逐漸減少，使得葉片各處都處在最佳迎角狀態(tài)，以獲得最佳升力，從而提高葉片接受風(fēng)能的效率。 一些微小型風(fēng)力發(fā)電機的葉片是木制的，不易扭曲的也可做成等安裝角葉片，只是效率低一些。 在確定葉片剖面翼型的同時，必須注意到翼型的升阻比。從理論上說，升阻比 L/D越大越好，但升阻比大到一定程度時，風(fēng)輪葉片效率并不一定高，確定最佳升阻比為： L/D=33 本次設(shè)計決定采用美國經(jīng)風(fēng)洞實驗及實踐都認(rèn)為是很理想的并且定型的翼型資料，選取 Clark－ Y 翼型作為該設(shè)計葉片翼型，其橫截面近似成流線型。 167。 葉片外形設(shè)計 下面利用日本學(xué)者牛山泉等提出的圖解法設(shè)計螺旋槳式葉片的外形。根據(jù)前面計算已確定該方案為 3 葉片，風(fēng)輪直徑 ，尖速比為 5。 第一步：按適當(dāng)比例繪制一直線，長度為 ? m，并等分成若干份，現(xiàn)按十份等分，各個位置間距為 ，計算出各個位置上的周速比。 以)(0 rrii ?? ?式計算如下： 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 14 1位置 : , 11 ???? ?mr 2位置 : , 22 ???? ?mr 3位置 : , 33 ???? ?mr 4位置 : , 44 ???? ?mr 5位置 : , 55 ???? ?mr 6位置 : , 66 ???? ?mr 7位置 : , 77 ???? ?mr 8位置 : , 88 ???? ?mr 9位置 : , 99 ???? ?mr 10位置 : ,1010 ???? ?mr 第二步：分析各位置處的攻角。攻角與周速比的關(guān)系如下圖所示，由此可得 各位置攻角如下： 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 15 1位置： ?? ， 查 得： ??401? ； 2位置： 12?? ， 查 得： ??322? ； 3位置： ?? ， 查 得： ??233? ； 4位置： 24?? ， 查 得： ??184? ； 5位置： ?? ， 查 得： ??145? ； 6位置： 36?? ， 查 得： ??126? ； 7位置： ?? ， 查 得： ??107? ； 8位置： 48?? ， 查 得： ?? ? ； 9位置： ?? ， 查 得： ??89? ； 10位置： 510?? ， 查 得： ??710? ； 由圖可知，在靠近風(fēng)輪中心處，攻角 α 值急劇增大，在制造和葉片安裝有困難時，可使此處的 α值略小一些，光滑過渡即可。 第三步：計算各位置的翼型弦長 各位置弦長與周速比的關(guān)系查《可再生能源及其發(fā)電技術(shù)》。對于 3葉片風(fēng)輪 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 16 計算如下： 1位置： 1??，查 得： 11 ?rL ，（插值） )( mL ??? 2位置： 12?? ，查 得： 22 ?rL ，（插值） )( mL ??? 3位置： ?? ，查 得： 33 ?rL ，（插值） )( mL ??? 4位置： 24?? ，查 得： 44 ?rL ， )(1 2 4 mL ??? 5位置： ?? ，查 得： 55 ?rL ， )( mL ??? 6位置： 36?? ，查 得： 66 ?rL ， )(1 1 5 mL ??? 7位置： ?? ，查 得： 77 ?rL ， )(1 0 9 mL ??? 8位置： 48?? ，查 得： 88 ?rL ， )(1 0 5 mL ??? 9位置： ?? ，查 得： 99 ?rL ， )(9 7 mL ??? 10位置： 510?? ，查 得： 1010 ?rL ， )( mL ??? 第四步：把各個位置的弦長連接起來便得到了葉片受風(fēng)平面展開形狀。再按各個位置上的攻角 a 值，把這個平面形狀“扭”成螺旋狀。至于翼型的上部曲線形狀，則根據(jù)具體需要繪制出。 具體繪制示意圖如下圖所示： 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 17 圖 43 螺旋葉片設(shè)計圖 167。 計算葉片的實際安裝角 上面所求的對應(yīng)于不同i?的i?為葉片的相對迎風(fēng)角，葉片ir處的實際安裝角i?應(yīng)為相對迎風(fēng)角i?減去葉片的平均迎角m。 葉片的實際安裝角i?由下式給出： mii ??? ?? （ 4－ 1） 其中：i－葉片從轉(zhuǎn)動中心至葉尖不同位置的半徑ir所對應(yīng)的葉片實際安裝 角；（176。） ii r??處所對應(yīng)的葉片相對迎風(fēng)角；（176。） m－葉片的平均迎角。（176。） 葉片的平均迎角 m?由下式給出： )31(0 zLLm RKC ??? ? （ 4－ 2） 式中：?0?升力系數(shù)為 0 時的葉片迎角（176。）通常為負(fù)值； zR展弦比； ?LC升力系數(shù)； K升力曲線平均斜率。 0?的值，在選定翼型之后查翼型圖上零升力的迎角即為0?的值， 對 Clark－ Y 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 18 型而言：0?=2度。 展弦比即是翼展的平方與翼的面積 Sy 之比，即風(fēng)輪半徑的平方與葉片面積之 比：mmyz LRRLRSRR ??? 22 （ 4－ 3） 式中： Lm －平均弦長； （ m） Sy－葉片面積； （ m2） R－風(fēng)輪轉(zhuǎn)動半徑。（ m） 綜合前面計算的弦長取 Lm ＝ ，已知 R＝ ，則： ?????mmyz LRRLRSRR 根據(jù)所選翼型查圖 4－ 4 取升阻比最佳值，再按升阻比最佳值在圖 4－ 5 上查取?LC。 升力曲線平均斜率 KL 由下式確定： 0(max))0((max) ?? ???LLLL CCK（ 4－ 4） 式中：(max)LC升力曲線最大值； )0(L零升力； ?(max)L?升力曲線最大值(max)LC所對應(yīng)的最大仰角。（176。） 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 19 圖 4－ 4 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 20 圖 4－ 5 查圖知：,(max) ?LC ,0)0( ? ,15x) ?? ??? 20。 則 :)2(15 0(max))0((max) ??? ????? ??LLLL CCK 因此可得：?????????? ) 31( )31(0 ZLLm RKC?? 至此，葉片的實際安裝角可求出。 風(fēng)輪各參數(shù)確定后，葉片幾何形狀就可確定，同時葉片實際安裝角也可確 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 21 定，葉片實際工作位置就確定了。定槳距葉片就是按計算所得到的實際葉片安裝角將葉片固定到輪轂上，不能變動葉片安裝角。變槳距葉片就是葉片用可轉(zhuǎn)動的軸安裝在輪轂上，輪轂上安裝的幾個葉片可同步轉(zhuǎn)動以改變?nèi)~片安裝角，也即同步改變?nèi)~片迎角以滿足不同風(fēng)速下（額定風(fēng)速以上）風(fēng)力發(fā)電機得到額定功率。 167。 風(fēng)輪葉片在轉(zhuǎn)動中受力及風(fēng)輪軸受力分析 葉片在轉(zhuǎn)動 的過程中 受到空氣總動力 F 的作用，這個總動力可分解為葉片的升力 FL 和對葉片的阻力 FD ，葉片自身具有重量 G 及質(zhì)量 G/g，在轉(zhuǎn)動中產(chǎn)生離心力Fg ，這些力對葉片、風(fēng)輪軸 均會 產(chǎn)生彎矩及拉力，從而使葉片和風(fēng)輪軸受到彎曲應(yīng)力和拉應(yīng)力及二項應(yīng)力作用狀態(tài)。因此，在設(shè)計葉片時，不僅要對葉片結(jié)構(gòu)尺寸、翼型、安裝角進(jìn)行計算確定，還要對上述葉片在轉(zhuǎn)動中受到的力及彎矩進(jìn)行分析計算才能確定葉片縱梁、風(fēng)輪軸等尺寸、材料及工藝。 1） 葉片升力： )( 22 NvSCF yLL ??????? ? 2） 葉片阻力 : )( 22 NvSCF yDD ??????? ? 3） 葉片受離心力：rgGFg 2?? （ 45） 式中： G葉片重量；（ kg） ω 風(fēng)輪角速度；（ rad） r葉片質(zhì)心至葉片轉(zhuǎn)動中心的距離；（ m） g重力加速度（)/ 2sm 玻璃鋼密度為： 310kg / ，估計單葉片重量 G（假設(shè)葉片厚 5mm，長 ）： )( 3 NghSG y ??????? ? 考慮其中的填充物及實際葉片形狀為弧形面，取 G=4（ N） 由此可得葉片所受離心力： )()60 ( 4 22 NrgGF g ?????? ?? 4) 葉片所受拉力 P? GFg ?? ?? （ 46） 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 22 最大拉力為： )(2874283max NGFP g ????? 最小拉力