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一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

上傳人:z**** 文檔編號:70065910 上傳時間:2022-04-06 格式:DOC 頁數(shù):5 大?。?3KB
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1、一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 摘要:本文首先研究了垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的分類以及各種不同結(jié) 構(gòu)的優(yōu)缺點,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機,該新 型風(fēng)力發(fā)電機提高了發(fā)電機的能量轉(zhuǎn)換效率,同時具備了低風(fēng)速啟動的性能,占用空間體積較小,安全性高。 關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電機垂直軸風(fēng)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計 小型風(fēng)力發(fā)電機的型式有兩種:垂直軸風(fēng)力發(fā)電機和水平軸風(fēng)力發(fā)電機,比較兩者后可發(fā)現(xiàn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機具有風(fēng)向影響小、風(fēng)能利用系數(shù)高、啟動風(fēng)速低、可靠性高、安全風(fēng)速工作范圍大、噪聲污染小、外形美觀等諸多優(yōu)勢,因此,本文將設(shè)計一種新型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。 1垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的分類 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機可分為

2、兩個主要類別[1]:一類是利用空氣動力的阻力作功,典型的結(jié)構(gòu)是S型風(fēng)輪。它由兩個軸線錯開的半圓柱形葉片組成,其優(yōu)點是啟動轉(zhuǎn)矩較大,缺點是由于圍繞著風(fēng)輪產(chǎn)生不對稱氣流,從而對它產(chǎn)生側(cè)向推力。對于較大型的風(fēng)力發(fā)電機,因為受偏轉(zhuǎn)與安全極限應(yīng)力的限制,采用這種結(jié)構(gòu)形式是比較困難的:另一類是利用翼型的升力作功,最典型的是達(dá)里厄(Darrieus)型風(fēng)力發(fā)電機,是水平軸風(fēng)力機的主要競爭者。達(dá)里厄風(fēng)力發(fā)電機有多種形式,基本上是直葉片和彎葉片兩種。葉片具翼型剖面,空氣繞葉片流動產(chǎn)生的合力形成轉(zhuǎn)矩。 簡而言之,垂直軸風(fēng)車可分為兩大類,一類是阻力型垂直軸風(fēng)車一類是升力型垂直軸風(fēng)車。阻力型垂直軸風(fēng)車以薩夫紐斯風(fēng)車

3、為代表升力型垂直軸風(fēng)車以達(dá)里厄(Darrieus)型風(fēng)車為代表。 2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的基本參數(shù)計算 式中:p為當(dāng)?shù)乜諝饷芏龋琸g/m3; S為風(fēng)輪掃風(fēng)面積,m2; V為上游風(fēng)速,m/s。 式中:n為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速,r/min;R為葉尖半徑,m;V為上游風(fēng)速,m/s; 為風(fēng)輪角速度,rad/s。 式中:M為轉(zhuǎn)矩;D為風(fēng)輪直徑。 3幾種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機簡介 小型風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪形式多種多樣,但是對其歸類可以歸納為兩類,水平軸風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪。其中采用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪相對于水平軸的風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪來說具有如下優(yōu)勢[2]:安全性高、無需調(diào)向、啟動風(fēng)速低、噪音低、抗風(fēng)能

4、力強、風(fēng)能利用率高等。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪常用的有三種類型[3]:薩沃紐斯型(S型)、達(dá)里厄型(①型)和旋翼型(H型)。 薩沃紐斯型風(fēng)輪由兩個半圓筒形葉片組合而成,左右兩個葉片處于兩個不同的圓周方向上,但有一定的重疊。當(dāng)風(fēng)吹向風(fēng)輪時,凹形葉片在風(fēng)力的推動作用下,使風(fēng)車克服阻力而旋轉(zhuǎn),并且具有較高的旋轉(zhuǎn)速度。這種風(fēng)機是利用對風(fēng)所生成的阻力”來工作的,他的葉尖速比接近于1,轉(zhuǎn)速低、噪聲小、轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點[4]。 達(dá)里厄型風(fēng)輪屬于升力型”其特點是風(fēng)車轉(zhuǎn)速可以設(shè)計得很大。這種風(fēng)機在停止?fàn)顟B(tài)下,從風(fēng)力所獲得的轉(zhuǎn)矩很小,難以自行開始運轉(zhuǎn)這是這種風(fēng)機的不足之處,為此,可以與薩沃紐斯型風(fēng)機一起構(gòu)成組合型風(fēng)機

5、,以便改善其啟動性能。 旋翼型風(fēng)輪的葉片具有與飛機機翼相同形狀的截面。旋翼型風(fēng)機的啟動轉(zhuǎn)矩非常小,這種風(fēng)輪具有葉尖速比高,旋轉(zhuǎn)力矩大等優(yōu)點。但是風(fēng)險性比較大,因為旋轉(zhuǎn)速度高。 4一種新型風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計為了克服現(xiàn)有的旋翼型(H型)風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪體積太大的缺點、達(dá)里厄型(①型)啟動難的缺點、薩沃紐斯型(S型)轉(zhuǎn)換效率較低的缺點,本實用新型提供一種新型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪,該垂直軸風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪結(jié)構(gòu)合理簡單,體積小、重量輕,生產(chǎn)工藝易掌握,可實現(xiàn)微風(fēng)啟動。 4.1主體結(jié)構(gòu) 本文所設(shè)計的一種新型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電主體結(jié)構(gòu)中主要包括主軸、葉片、頂圓盤和底圓盤,其特征是主軸呈垂直狀態(tài),并與頂圓盤和

6、底圓盤結(jié)合,葉片頂端固定于頂圓盤上,底端固定于底圓盤上,葉片為三葉片形式,均勻排布,相互之間夾角為120°。單件葉片采用風(fēng)機機翼的形狀,包括內(nèi)弧、外弧和頂端圓弧,頂端圓弧是角度為100°的圓弧。葉片弦長和頂端圓弧半徑的大小根據(jù)設(shè)計功率的不同而不同。葉片的弦與頂圓盤軸向的夾角為144°,以便做功的兩個扇葉更大限度的利用風(fēng)能,并且不做功的葉片阻力最小。主軸與頂圓盤和底圓盤之間的連接采用法蘭連接,既方便拆卸又能穩(wěn)固連接。底圓盤同時預(yù)留出螺栓孔與發(fā)電機轉(zhuǎn)子部分連接。 當(dāng)風(fēng)帶動葉片旋轉(zhuǎn)時,葉片帶動頂圓盤和底圓盤旋轉(zhuǎn),底圓盤帶動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子部分旋轉(zhuǎn),在這個過程中將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。葉片與頂圓盤和底圓盤之間

7、的連接采用M6x50螺栓連接,每件葉片采用4只螺栓連接。 葉片、頂圓盤和底圓盤三個部分采用鋁合金材質(zhì),主軸和所連接法蘭采用型號為Q235鋼的材質(zhì)。 4.2性能優(yōu)勢 本文所設(shè)計的新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機包括主軸、葉片、頂圓盤和底圓盤四個主要部分,主軸呈垂直狀態(tài),用于連接頂圓盤和底圓盤,并起到支撐作用。葉片的頂端和底端分別與頂圓盤和底圓盤連接。當(dāng)風(fēng)力帶動葉片圍繞主軸旋轉(zhuǎn)時,頂圓盤和底圓盤在葉片的帶動下同時同速度旋轉(zhuǎn),底圓盤與發(fā)電機的轉(zhuǎn)子部分連接,并帶動其旋轉(zhuǎn),整個過程將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為葉片的機械能,再將機械能通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能,輸出交流電。葉片采用飛機機翼的翼型,為三葉片升力型,在圓盤上均勻分布,互

8、相夾角為120°,其弦做適當(dāng)角度的旋轉(zhuǎn),以增大動力受風(fēng)面積,減少阻力。 該設(shè)計結(jié)合了旋翼型風(fēng)輪和薩沃紐斯型風(fēng)輪的優(yōu)點,既提高了發(fā)電機的能量轉(zhuǎn)換效率,同時具備了低風(fēng)速啟動的性能,占用空間體積較小,安全性高。 5結(jié)論 本文提出了一種新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機構(gòu)想,在對三種典型的垂直軸風(fēng)機進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,取長補短,達(dá)到低風(fēng)速易啟動、整機風(fēng)能利用率高的目的。詳細(xì)設(shè)計出風(fēng)葉主體結(jié)構(gòu)和整機的輔助系統(tǒng)。分析總結(jié)了該風(fēng)機所具備的優(yōu)良性能,但由于實物模型尚未進(jìn)行風(fēng)洞試驗,本課題未能以實驗數(shù)據(jù)驗證該風(fēng)機模型的理論優(yōu)勢。將在進(jìn)一步的實驗中優(yōu)化該設(shè)計并取得更加廣闊的市場應(yīng)用。 參考文獻(xiàn) [1] 田海姣,王鐵龍,王穎.垂直軸風(fēng)力發(fā)電機發(fā)展概述J].應(yīng)用能源技術(shù),2006(11):22-27. 蔣超奇,嚴(yán)強.水平軸與垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的比較研究[J].上海電力,2007(2):163-165. 范正萍,王心塵,杜華夏等.小型家用垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計[J].能源技術(shù),2007,28(5):279-283. 寇薇,苑賓,李琦,范林濤.一種組合型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].電力科學(xué)與工程,2011,27(5):25-28.

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