【正文】 上，由尾翼梁、尾翼板等組成，一般安裝在主風輪后面，并與主風輪回轉面垂直。這是由尾翼梁的長度和尾翼板的順風面積決定的，當風向偏轉時尾翼板所受風壓作 用而產生的力矩足以使機頭轉動，從而使風輪處在迎風位置。而尾翼支撐臂的長度，以與風輪直徑大體相同為標準，尾翼面積為風力發(fā)電機回轉面積的 1/8。如遇到特大風時可緊急使風輪停轉，檢修風力發(fā)電機和為了使風力發(fā)電機有計劃地停止轉動 等，可通過手剎車機構使風輪剎車，或使風輪偏轉與尾翼板平行。手剎車機構一般都是鋼絲繩牽拉式。 7. 塔架 為了讓風輪在地面上較高的風速帶中運行，需要用塔架把風輪支撐起來。塔架所用材料是木桿或鐵管，也可以采用鋼材作成的桁架結構。不論選擇什么樣的塔 架，目的是使風輪獲得較大風速，同時還必須考慮成本。 167。通常，風電場選址包括宏觀選址和微觀選址。微觀選址是在宏觀選址中選定的小區(qū)域中確定如何布置風力機，使整個風電場具有較好的經濟效益。因此，風電場選址對于風電場的建設是至關重要的。在一般的實際工作中，第一步要根據風能資源區(qū)劃和技術標準粗略選址；第二步分析當地特點，充分利用有利地形，確定安裝地點。另外，小型風力發(fā)電機因為安裝高度相對較低，必須考慮周圍地形地物的影響。 風力機葉片的設計與制作 167。它是指在理想情況下風能所能轉換成為電能的極限比值為 16/27約為 %。 經驗證 可推出風能利用系數的最大值為： C p= 16/27≈ 。有這個極限值可以確定無論何種類型的風力機，其實際風能利用率一定低于 。當風輪旋轉 的 時 候，通過每個葉片尖部的氣流的軌跡 為一螺旋線，因此，每個葉 農業(yè)工程學院畢業(yè)設計說明書 8 片的尾跡渦形成一螺旋形。此外，為了確定速度場，可將各葉片的作用以一邊界渦 流 代替。 （ 3） 葉素理論將葉片 看成由連續(xù)布置的若干多個葉片微段組成。我們先 假設每個微段之間沒有干擾， 那么 葉素本身可以看成一個二元翼型。最早的預測垂直軸風輪氣動性能的模型是“單流管模型”，該理論假設風輪被包含在一個流管中，當流管通過風輪時，風輪上風速處處相等，即風輪掃掠的整個體積上，誘導速度均勻不變，根據動量理論，風輪上的阻力等于通過風輪氣流的動量變化率，然后將流管中風輪處風速表示為未擾動風速的函數。為此學者發(fā)展出了“多流管方法”，該理論模型把風輪的旋轉體分為一系列平行的流管。然后利用與單流管同樣的方法，在每一個流管內運用動量理論和貝茲理論推導出葉片的氣動性能關系式。 167。但是由于葉素理論忽略了各葉素之間的流動干擾， 同時在應用葉素理論設計葉片時都忽略了翼型的阻力， 這種簡化處理不可避免的造成了結果的不準確性，文獻指出，這種簡化對葉片外形設計的影響較小，但是對風輪的風能利用率影響較大。 垂直軸風力發(fā)電機的葉片設計以前也是按照水平軸的方法，依靠葉素理論來設計。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，計算流體力學得到了長足的進步，從最初的小擾動速勢方程， 到歐拉方程，以及更加復雜的 N S 方程，目前的 CFD技術完全能模擬在復雜外形下的復雜流動。而水平軸葉片的設計還沒有辦法應用 CFD 方法來設 計，這主要是由這兩種風輪結構決定的。而垂直軸就完全不一樣（僅限于 Darrieus式 H 型風輪），葉片的每個截面都一樣，這樣就能簡化成二維情況，網格數大大下降，計算量也隨之下降，一般模擬一個工況只需要 4個小時。 農業(yè)工程學院畢業(yè)設計說明書 10 第三章 小型風力發(fā)電機的總體方案確定 167。電機選用永磁式發(fā)電機，低速性能好。整個機組性能穩(wěn)定可靠，安裝維修方便。 該風力發(fā)電機的工作流程：首先風輪葉片在風的作用下帶動風輪進行轉動，但是由于這一轉速較低不能用來帶動發(fā)電機進行發(fā)電，因此為了 提高其轉速使其能夠用來發(fā)電，中間采用增速器增加轉速，另外，由于尾舵和俯仰調速裝置的存在，使該風力機在一定程度上保證了所產生的功率恒定；為了在風力較大時保護風力機不受到損害，增設了剎車裝置，在風力較大時通過剎車裝置即可保證風力機安全。 風力機基本結構 本次設計的俯仰調速式 水平軸風力發(fā)電機主要工作部件包括：風輪（由葉片和輪轂組成），傳動軸，聯軸器，齒輪箱，剎車裝置，發(fā)電機，尾舵 和調速裝置 等組成。 基本參數的選擇與計算 167。 167。就本 設計 而言：取葉片數為 3，葉尖速比λ =5，取 Cp=，ρ = ， V=10m/s。故： WpNe 2 400 ?????? ? (2)風輪的掃掠面積 S 的確定 風力機 有效功率 p ，故風輪掃掠面積 A為： mvCp NeA ?????? ? (3)風輪直徑 D的確定 求出 風輪 掃掠面積 A 后，便可計算出風輪直徑： √ √ 7 73 86 D=，則 R=。 風輪轉速 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 風輪功率 v P 694 9 0 36 6 0W。 葉片裝置設計 167。 現代風力發(fā)電機的風輪葉片翼型基本上都采用扭曲型，扭曲葉片雖然制造困難，但能提高風能利用率，使風力發(fā)電機獲得最佳風能功率。 一些微小型風力發(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。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，風輪葉片效率并不一定高，確定最佳升阻比為： L/D=33 本次設計決定采用美國經風洞實驗及實踐都認為是很理想的并且定型的翼型資料，選取 Clark－ Y 翼型作為該設計葉片翼型，其橫截面近似成流線型。 葉片外形設計 下面利用日本學者牛山泉等提出的圖解法設計螺旋槳式葉片的外形。 第一步：按適當比例繪制一直線，長度為 ? m，并等分成若干份，現按十份等分，各個位置間距為 ，計算出各個位置上的周速比。攻角與周速比的關系如下圖所示，由此可得 各位置攻角如下： 農業(yè)工程學院畢業(yè)設計說明書 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。對于 3葉片風輪 農業(yè)工程學院畢業(yè)設計說明書 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平面展開形狀。至于翼型的上部曲線形狀，則根據具體需要繪制出。 計算葉片的實際安裝角 上面所求的對應于不同i?的i?為葉片的相對迎風角，葉片ir處的實際安裝角i?應為相對迎風角i?減去葉片的平均迎角m。） ii r??處所對應的葉片相對迎風角；（176。（176。）通常為負值； zR展弦比； ?LC升力系數； K升力曲線平均斜率。 展弦比即是翼展的平方與翼的面積 Sy 之比，即風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－風輪轉動半徑。 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所對應的最大仰角。） 農業(yè)工程學院畢業(yè)設計說明書 19 圖 4－ 4 農業(yè)工程學院畢業(yè)設計說明書 20 圖 4－ 5 查圖知：,(max) ?LC ,0)0( ? ,15x) ?? ??? 20。 風輪各參數確定后，葉片幾何形狀就可確定，同時葉片實際安裝角也可確 農業(yè)工程學院畢業(yè)設計說明書 21 定，葉片實際工作位置就確定了。變槳距葉片就是葉片用可轉動的軸安裝在輪轂上，輪轂上安裝的幾個葉片可同步轉動以改變葉片安裝角，也即同步改變葉片迎角以滿足不同風速下（額定風速以上）風力發(fā)電機得到額定功率。 風輪葉片在轉動中受力及風輪軸受力分析 葉片在轉動 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 及質量 G/g，在轉動中產生離心力Fg ，這些力對葉片、風輪軸 均會 產生彎矩及拉力，從而使葉片和風輪軸受到彎曲應力和拉應力及二項應力作用狀態(tài)。 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 風輪角速度；（ rad） r葉片質心至葉片轉動中心的距離；（ 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） 農業(yè)工程學院畢業(yè)設計說明書 22 最大拉力為： )(2874283max NGFP g ????? 最小拉力為： )(2794283max NGFP g ????? 5） 升力 FL 對葉片縱梁的彎矩 ML （亦是升力對風輪軸的轉矩）為： )( mNrNFM LL ?????? （ 47） 6） 阻力 FD對葉片縱梁的彎矩 MD 為： )( mNrFM DD ????? （ 48） 7） 離心力對風輪軸的彎矩g: 只要葉片安裝得對稱且各葉片重量相等，各葉片質心到葉片轉動中心距 r 相 等，則風輪軸受到離心力彎矩為零。 22111 cos2cos2 FdPLFdPLM im ?? ?? ??