一种垂直轴风力发电机的结构设计

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1、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

2、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

3、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

4、力强、风能利用率高等。垂直轴风力发电机风轮常用的有三种类型[3]:萨沃纽斯型（S型）、达里厄型（①型）和旋翼型（H型）。 萨沃纽斯型风轮由两个半圆筒形叶片组合而成，左右两个叶片处于两个不同的圆周方向上，但有一定的重叠。当风吹向风轮时，凹形叶片在风力的推动作用下，使风车克服阻力而旋转，并且具有较高的旋转速度。这种风机是利用对风所生成的阻力”来工作的，他的叶尖速比接近于1,转速低、噪声小、转矩大等优点[4]。 达里厄型风轮属于升力型”其特点是风车转速可以设计得很大。这种风机在停止状态下，从风力所获得的转矩很小，难以自行开始运转这是这种风机的不足之处，为此，可以与萨沃纽斯型风机一起构成组合型风机

5、，以便改善其启动性能。 旋翼型风轮的叶片具有与飞机机翼相同形状的截面。旋翼型风机的启动转矩非常小，这种风轮具有叶尖速比高，旋转力矩大等优点。但是风险性比较大，因为旋转速度高。 4一种新型风力发电机设计为了克服现有的旋翼型（H型）风力发电机风轮体积太大的缺点、达里厄型（①型）启动难的缺点、萨沃纽斯型（S型）转换效率较低的缺点,本实用新型提供一种新型的垂直轴风力发电机风轮，该垂直轴风力发电机风轮结构合理简单，体积小、重量轻，生产工艺易掌握，可实现微风启动。 4.1主体结构 本文所设计的一种新型的垂直轴风力发电主体结构中主要包括主轴、叶片、顶圆盘和底圆盘，其特征是主轴呈垂直状态，并与顶圆盘和

6、底圆盘结合，叶片顶端固定于顶圆盘上，底端固定于底圆盘上，叶片为三叶片形式，均匀排布，相互之间夹角为120°。单件叶片采用风机机翼的形状，包括内弧、外弧和顶端圆弧，顶端圆弧是角度为100°的圆弧。叶片弦长和顶端圆弧半径的大小根据设计功率的不同而不同。叶片的弦与顶圆盘轴向的夹角为144°,以便做功的两个扇叶更大限度的利用风能,并且不做功的叶片阻力最小。主轴与顶圆盘和底圆盘之间的连接采用法兰连接，既方便拆卸又能稳固连接。底圆盘同时预留出螺栓孔与发电机转子部分连接。 当风带动叶片旋转时，叶片带动顶圆盘和底圆盘旋转，底圆盘带动发电机的转子部分旋转，在这个过程中将风能转化为电能。叶片与顶圆盘和底圆盘之间

7、的连接采用M6x50螺栓连接,每件叶片采用4只螺栓连接。 叶片、顶圆盘和底圆盘三个部分采用铝合金材质，主轴和所连接法兰采用型号为Q235钢的材质。 4.2性能优势 本文所设计的新型垂直轴风力发电机包括主轴、叶片、顶圆盘和底圆盘四个主要部分，主轴呈垂直状态，用于连接顶圆盘和底圆盘，并起到支撑作用。叶片的顶端和底端分别与顶圆盘和底圆盘连接。当风力带动叶片围绕主轴旋转时，顶圆盘和底圆盘在叶片的带动下同时同速度旋转，底圆盘与发电机的转子部分连接，并带动其旋转，整个过程将风能转化为叶片的机械能，再将机械能通过发电机转化为电能，输出交流电。叶片采用飞机机翼的翼型，为三叶片升力型，在圆盘上均匀分布，互

8、相夹角为120°,其弦做适当角度的旋转，以增大动力受风面积，减少阻力。 该设计结合了旋翼型风轮和萨沃纽斯型风轮的优点，既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。 5结论 本文提出了一种新型垂直轴风力发电机构想，在对三种典型的垂直轴风机进行分析的基础上，取长补短，达到低风速易启动、整机风能利用率高的目的。详细设计出风叶主体结构和整机的辅助系统。分析总结了该风机所具备的优良性能，但由于实物模型尚未进行风洞试验，本课题未能以实验数据验证该风机模型的理论优势。将在进一步的实验中优化该设计并取得更加广阔的市场应用。 参考文献 [1] 田海姣，王铁龙，王颖.垂直轴风力发电机发展概述J].应用能源技术,2006(11):22-27. 蒋超奇，严强.水平轴与垂直轴风力发电机的比较研究[J].上海电力，2007(2):163-165. 范正萍，王心尘，杜华夏等.小型家用垂直轴风力发电系统的设计[J].能源技术，2007,28(5):279-283. 寇薇，苑宾，李琦，范林涛.一种组合型垂直轴风力发电机的结构设计[J].电力科学与工程，2011,27(5):25-28.