垂直轴风力机主轴结构优化设计
一种垂直轴风力发电机结构设计(2)
3.2 基准时间的产生 硬 件 电 路 决 定 了 单 片 机 的 机 器 周 期 是 1uS。 定 时 器 0 设 置 为 16
位定时器，最大定时长度为：1uS×65536=65.536mS。 可以看出，16 位定 时器无法实现时间长度为 1S 的定时。 为了实现 1S 定时，定时器 0 的 定时时间设置为 10mS，可得：定时器装填值=10mS÷1uS=10000=2710H 由此可 以 求 出 TH0 和 TL0 的 装 填 值 分 别 是 ：TH0=27H；TL0=10H。 这 样得到一个 10mS 的基准时间。 同时程序中设置了一个 100 进制基准 时间计数器，其作用是每 10mS 基准时间中断基准时间计数器加 1。 记 录到 100 次 10mS 基准时间时，基准时间 计 数 器 溢 出 ，产 生 一 个 1S 时 间基准，同时基准时间计数器清零。 这样就得到了一个长度为 1S 的系 统基准时间。 3.3 时间计数器
本垂直轴风力发电机结构紧凑，由于风机支架高度低，不仅安装 维修成本不高、而且安装维修方便，使用过程中无需根据风向通过控 制系统调整风机叶片的迎风角度，故具有使用安全可靠，适用范围广， 迎风效果好等特点，叶片随风向自动调节，能够实现风力发电机处于 持续稳定的工作状态。
3 结论
垂直轴风力发电机以其在节能环保和性价比上的突出优势，得到
【关键词】垂直轴；风力；发电机；设计
0 引言
风力发电作为一种新型能源，具有无污染、绿色环保等特点，已被 人们认知并广泛使用。 人类利用风能发电起源于 19 世纪末的丹麦，但 是直到上世纪 70 年代前， 美国等西方经济发达国家为需求替代石油 的能源，投入了大量科研经费，利用空气动力学、结构力学、材料学和 计算机技术研制风力发电机技术，开创了风能利用的新时代[1]。 由于人 们普遍认为垂直轴风轮的尖速比不可能大于 1，风能利用率低于水平 轴风力发电机 ， [1][2] 因而造成垂直轴发电机未得到设计开发 。 随着科技 水平的不断发展和进步，人们逐渐认识到垂直轴风轮的尖速比不大于 1 仅仅适用于阻力型风轮，而升力型风轮的尖速比甚至可以达到 6，并 且风能利用率也不低于水平轴发电机[1][2]。 近年来 ，越来越多的机构和 个人开始研究垂直轴风力发电机 ，并取得了长足的发展[2][3][4] 。
垂直轴风机的参数优化设计
收稿日期3作者简介女,6年生,副教授,张家口市,5项目基金河北省科学技术研究与发展指导计划项目(653)垂直轴风机的参数优化设计刘桂霞姚力河北建筑工程学院摘要通过对直叶片垂直轴风力机的叶片气动力特征的分析,建立了风机参数优化的数学模型,对风轮的相关参数进行了优化设计,得出了使风轮获得最大驱动力矩的最优安装角的值.关键词垂直轴风机;气动力特性;参数优化设计;平均驱动力矩中图分类号O31风力机的分类风力机是风力发电的主要设备,其结构形式按照风轮旋转轴在空间的方向,可以分为水平轴风机和垂直轴风机两大类.水平轴风机的风轮围绕一个水平轴旋转,工作时风轮的旋转平面与风向垂直.风轮上的叶片径向安置,与转轴垂直.水平轴风机具有扫风面积大,风能利用率高的优点,是目前商业化风力发电机组的主要形式.垂直轴风机的风轮围绕一个铅直轴旋转,其主要优点是无需对风,结构简单,便于维修,气动噪音小;缺点是风能利用率低,不易自行启动.如果能够提高垂直轴风机的启动性能和风能利用系数,将会进一步降低风电的成本,对风力发电的发展起到巨大的促进作用[1].垂直轴风机又分为两类:一类是利用空气阻力做功的阻力型风机,如S 型风机;另一类是利用翼型的升力做功的升力型风机,典型结构是达里厄风机.升力型风机的风能利用率明显高于阻力型风机,且不会产生侧向推力,是现代水平轴风机的主要竞争者.2垂直轴风机的攻角变化分析在此我们讨论直叶片达里厄风机,叶片弦长C 恒定不变,叶片高度为2H .(图1)分析图2所示弦长为C 的叶素,其旋转半径为R,处于任意方位角处,叶片的安装角为.设流过叶片的风速为v,叶片的切向速度u,(u=R ),为叶轮的角速度.则风相对于叶片的速度为w,w =v u.攻角为,是相对风速与叶弦方向的夹角.将相对速度沿切向和径向分解,可得:w t =R-v cosw r =v sin(1)可得相对速度的大小:w 2=(R-v cos )2+v 2sin 2(2)叶片在任意位置的攻角与方位角的关系:tan(+)=w rw t =v sinR -v cos =sin R /v-cos记=Rv,称为叶尖速比.则tan(+)=sin-cos(3)由(3)式可知,叶片旋转一周时,+随方位角的变化情况可用正弦函数近似表示,并且随着的第28卷第3期2010年9月河北建筑工程学院学报JOU RNA L OF HEBEI INSTITUT E OF A RCHITECTURE A ND CIVIL ENGINEERINGVol 28No 3Sep.2010:2010-0-18:19807024:02121增大,+的变化范围逐渐减小.当=2时,+在-30~+30之间,变化范围较大.根据J T emplin 的研究结果[2],尖速比与R/BC 的关系为:=5R BC(4)其中B 为风轮叶片数目.对于叶片处于不同位置时速度三角形的研究表明,除非叶素翼型的对称面与风速平行或接近,几乎在所有位置上作用力都产生驱动力矩.相对风速与翼型之间的攻角不会超过极限值,即m ax=sin -1v/u若风轮的圆周速度大于风速,叶片就可以满足小攻角的条件,保证叶片能够产生较大的力矩使风轮旋转.但如果风轮静止,攻角会很大,在某些位置将发生失速,此时达里厄风机需外力启动.3垂直轴风机的气动力分析及参数优化设计模型流体流经翼型叶片时,不仅在来流方向产生阻力,而且在垂直方向产生升力.图2所示叶素位于任意位置,安装角为.则作用于叶片的升力和阻力分别为:dF l =12C l w 2dA=12C l w 2CdzdF d =12C d w 2dA=12C d w 2Cdz (5)式中,是空气密度,A 是流面面积,C 是叶片弦长,w 是相对风速,Cl 和Cd 分别是升力系数和阻力系数,均与攻角有关[3].气动力在径向和切向的分量分别为:dF r =dF l r +dF dr =12w 2[C l cos(+)+C d sin(+)]Cdz dF t =dF lt +dF dt =12w 2[C l sin(+)-C d cos(+)]Cdz(6)径向力作用在叶片和风轮轴上,切向力使转子产生转动力矩M=F R()对于每一个叶片来说,叶素上的力随叶片的旋转而变化,需计算其平均值82河北建筑工程学院学报第28卷:d d t 7:M=BC 2HH 2012w 2[C lsin(+)-C d cos(+)]Rd dz (8)影响平均驱动力矩的非线性参数有叶片数目B,叶片弦长C,旋转半径R,升力系数C l 和阻力系数C d 及安装角.在满足小攻角条件下,为使风机获得较大的平均驱动力矩,需要对相关参数进行优化设计.其优化数学模型为:求:B 、C 、R 、C l 、C d 、ma x M =BC 2HH2012w 2[C l sin(+)-C d cos(+)]Rd dz s t -30+30(9)4算例NACA0012型对称翼型的安装角优化设计对给定的翼型NA CA0012型对称翼型,升力系数、阻力系数与攻角之间的关系曲线确定(图3),通过分段拟合,得翼型的升力系数曲线多项式(10)和阻力系数曲线多项式(11)[4]:图3翼型的升力、阻力系数曲线C l =000122+00533+03(0)-000182+00801+03(0)(10)C d =000022+005(11)以下关于安装角的优化进行讨论.选定风力机的基本参数如表1:表1风力机基本参数设计风速v=95m/s 叶片数3或4叶片弦长C=045m 叶片高度H =68m 旋转半径R=34m 空气密度=1225kg/m 3叶尖速比=356叶尖速比=356时,-20<+<20求:ma x M=BC2HH2012w 2[C l sin(+)-C d cos(+)]Rd dz s t -20+20(+)=sin 2=(R )2+22=5RB =R ()83第3期刘桂霞姚力垂直轴风机的参数优化设计tan -cos w -vcos v sinCv12优化方法:模型(12)中,目标函数M 是设计变量的单峰函数,在满足约束条件下,可选取初值应用黄金分割法进行直线搜索.当选取初值后,以1角为区间,应用梯形复化公式求解函数的积分,以确定目标函数M.对于3叶片,最优安装角为-110,最大平均扭矩值为7644kN m,对于4叶片,最优安装角为095,最大平均扭矩值为12201kN m.为得到平均驱动力矩随安装角变化关系曲线,在20~+20的范围内以1安装角为间隔,对不同安装角下平均驱动力矩进行数值模拟,图4和图5分别为三叶片和四叶片风轮的平均驱动力矩随安装角的变化曲线图.应用最小二乘法对曲线进行二次拟合,得到图4对应的曲线方程为T =-012162-01438+69638;图5对应的曲线方程为T=01367201501+116331.图4三叶片风轮的驱动力矩随安装角的变化曲线图5四叶片风轮的驱动力矩随安装角的变化曲线从图中可以看出,不论三叶片风轮还是四叶片风轮,都是在安装角接近1时获得最大驱动力矩;对三叶片风轮,当>+7或<-9时;而四叶片风轮,当>+9或<-10时将获得负的驱动力矩.从经济合理的角度,四叶片风轮比三叶片风轮多用333%的材料,而获得的最大驱动力矩与三叶片风轮相比增加了596%,因此,四叶片的风轮是比较好的选择.5结束语根据垂直轴风机的气动力分析,风轮所获得的驱动力矩与多个参数有关.本文通过建立数学优化模型,仅就安装角一个参数进行了风轮的优化设计,得出了使风轮获得最大驱动力矩的最优安装角的值.就其它单参数以及多参数的风轮优化设计,还有待进一步研究.参考文献[]杨风利,吴静等格构式垂直轴风力发电机组结构力学特性分析电力建设,,6~[]熊礼俭风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护及标准规范实用手册北京中国科技文化出社5,5~84河北建筑工程学院学报第28卷1..200811:7702..:.20041417[3]廖明夫,R Gasch,J Twele.风力发电技术.西安:西北工业大学出版社,2009:118~121[4]郭建伟.变桨距垂直轴风力机初步开发与性能评价.华北电力大学(北京),2008Parameter Optimization Design of Vertical Axis TurbineLiu Guixia ,Y a o LiHebei Institute of Architecture and Civil EngineeringAbstract By analysing the aerodynamic characteristics of the str aight blade vertical axis turbine,themathematical model of turbine par ameter optimization was established.T his paper optimized someblade parameters,and got the value of installation angle when the driving moment reached the maximum.Key words vertical axis turbine;aerodynamic char acteristics;par ameter optimization design;averagedriving moment(上接第76页)4结束语规划管理应具有前瞻性,应能预测城市经济发展动向,并及时调整策略与手段,对投资环境的改善应该更多起引导作用,而少使用制约手段.规划管理与投资环境是一个动态平衡的开放系统.目前中国的西部大开发战略为中西部地区的发展带来了前所未有的机遇,同时也带来了极大的挑战.西部大开发的战略决策已经开始吸引一些人才、资金、技术进入西部地区,但相应的配套软硬件环境却不尽如人意,这主要表现在政府观念开放程度不够、市场经济意识不够、招商引资的基础性工作不够、基础设施条件较差、办事效率低、官僚作风严重等等.从而影响招商引资的进程.如何把握好城市规划与投资环境的关系,充分了解和努力发挥城市规划对投资环境的作用,以营造最佳投资环境,是城市规划管理者应该认真加以研究的重要课题.On the new situation of urban planning and managementXu Y a hon gZhangjiakou is T own and Countr y P lanning BoardAbstract In the case of rapid urban development,integrated urban planning,complex,systematic,periodic problems,and urban planning and management on the investment envir onment,and put for war d an effective proposal.Key wo r ds urban planning;management;investment envir onment;reform85第3期刘桂霞姚力垂直轴风机的参数优化设计。
垂直轴风力机塔柱结构的分析及优化
柱结构 与风轮之 间 的动 态干扰 ． 结果 表 明 ： 设 计在 风轮 以设 计 额 定转 速 １０ ｒｍ ｎ运行 时， 原 ６ ／ ｉ 其
产 生的简谐荷 载对风 力机 塔柱 具有 十分严重 的破坏 性 ， 通过 增加 主轴 钢 管 的壁厚 并提 高其 刚度 等优化 工作 ， 经计算证 明 ， 在激振 力 不 变的情 况下 ， 第一阶 固有频 率得 到提 高 ， 柱的各 阶 固有频 塔
垂直 轴风 力机塔 柱 结构 的 分析 及 优化
郑 源 ，司佳 钧 ‘ 建 军 ，黄 ，赵振 宙 一，丁 遥
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排灌机械工程学报
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摘 要 ：为 了避免 风 力机 系统 的共振 而导致 的 系统损 坏 和噪 声 污 染 ， 过 系统 动 力特性 分析 和 动 通 力学响应 计算分析 ， 得到 了风 力机 塔柱 的低 阶 固有频 率和谐 响应的数 据 ， 以及 风轮和 塔柱之 间的 动 态关 系与整 个 系统 的动 态特性 ， 结构动 态设 计 以及优 化提供 科 学依 据． 为 首先确 定对风 力机 塔
H型垂直轴风力发电机的结构设计
垂直轴风力发电机因起动风速低 、风能利用 率高 、无噪声 、无需对风向 、安全性高等诸多优点 , 与水平轴风力发电机相比 ,更具有广阔的市场应 用前景 ,垂直轴风力发电机的研究也取得了长足 的进步 。
通过对 H 型垂直轴风力发电机的主要结构 特点及其设计方法的介绍 ,并经过计算机仿真对 其结构的设计方案优化 ,最终在工业设计中得到 推广与应用 。
2007 年第 5 期
上海电力
专题研讨
载或者蓄能装置提供稳定的电能输出 。 (5) 塔架 。塔架是用来支撑风力发电机的构
件 ,该部分的设计对整个结构的安全运行起着重 要的作用 。
2 H型垂直轴风力发电机的结构设计
2. 1 总体设计要求 对 H 型垂直轴风力发电机整机进行复杂的
气动性能分析 ,以确定和优化整机的系统效率 ,使 风力发电系统达到较高的效率 。结构设计在气动 分析后进行 ,结构设计必须对系统的收受的外载 荷进行分析 。作用在风力发电机上的载荷有静载 荷和动载荷 。在不同工况下系统所受的载荷情况 不同 , H 型垂直轴风力发电机考虑的荷载主要包 括 :转速变化 、风压变化 、阵风效应 、突然停机 、停 机遇最大阵风 。通过计算 ,确定最危险的疲劳载 荷和静载荷作为结构设计的依据 。
专题研讨
上海电力
2007 年第 5 期
兆瓦级风力发电机组塔架结构的优化设计
顾岳飞
(上海电气风电设备有限公司 ,上海 200241)
摘 要 :利用有限元分析 ,研究了风力发电机组塔架的动态特性及影响因素 ,并采用仿真技术对兆瓦级风力发 电机组塔架进行了静态和动态分析 。为优化塔架的结构参数 ,采用正交设计对其结构尺寸进行了优化 。 关键词 :风力发电机组 ;塔架 ;有限元分析 ;固有频率 中图分类号 : T K83 文献标识码 :B
一种垂直轴风力发电机的结构设计
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、抗风能力强、风能利用率高等。
垂直轴风力发电机组的设计与性能研究
垂直轴风力发电机组的设计与性能研究随着科技的不断发展和环保意识的提高，可再生能源逐渐受到人们的青睐。
风力发电机作为空气能转化成电能的重要装置之一，也在不断的研究和发展。
垂直轴风力发电机组在这个领域扮演着异军突起的角色，其独特的结构和性能优势吸引了国内外众多专家的目光。
一. 垂直轴风力发电机组的设计垂直轴风力发电机组是指风力发电设备中转子轴线竖直，叶片旋转面垂直于地面。
相对于传统的水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机拥有更为广阔的应用领域。
其特点主要表现在以下几个方面：1.适应性强垂直轴风力发电机组可以被用于各种地形、各种气候条件下的风能资源利用，产生的振动和噪声较小，适合于城市和农村领域中的小型风电场。
2.高效性能垂直轴风力发电机组因为其结构上的特殊性，使得其在低风速条件下依然能够产生电能，相对于其他风力发电机而言，它的发电效率更高、更稳定。
3.运转安全垂直轴风力发电机组的机组不受方向和大小限制，转矩、重心、惯性力的平衡性也很好，可以在运转条件下减小结构疲劳损伤，从而提高设备的可靠性和使用寿命。
垂直轴风力发电机组的设计包含多个方面，其中重点考虑齿轮减速器、磨损与摩擦、自动转向等问题。
同时，风机的轴承材料、测量模型、风场起伏、大气压力等因素都将直接或间接影响垂轴风机的效率和性能。
二. 垂直轴风力发电机组的性能研究为了更好地发挥垂直轴风力发电机组的性能优势，优化其运行效率，研究者们也对其性能进行了深入探究，主要包括以下研究方向：1. 研究风机的动态特性风机在运行时，会出现转速的波动、能量的损失以及噪声的产生等问题，因此需要研究风机的动态特性。
刘维庆教授团队。
研究了垂直轴风力发电机的动态仿真模型，通过数理模型和实验对其动态特性进行了评估和分析，为进一步优化风机的控制提供了基础。
2. 研究风机的叶片设计近年来，研究者们也在着力改进机组的叶片设计。
研究表明，对于垂直轴风力发电机，叶片的设计对于功率密度和发电效率有着重要影响。
风力机垂直轴
风力机垂直轴全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：风力机是一种利用风能来产生电力的设备，其在可再生能源领域发挥着重要作用。
传统的风力机多采用水平轴设计，但近年来垂直轴风力机也逐渐受到关注和应用，其优势在于可以更好地适应复杂的环境条件，并具有更高的可靠性和稳定性。
本文将重点介绍风力机垂直轴的设计原理、优势和应用前景。
风力机垂直轴的设计原理基于其垂直轴旋转的特点，与传统的水平轴风力机相比具有许多优势。
垂直轴风力机在风向变化较大的情况下更具灵活性，能够更好地捕捉不同方向的风力。
垂直轴风力机不需要朝向风向，可以在任意风向下都能正常运转，这也降低了设备安装和运行的复杂度。
垂直轴风力机由于整机结构更加简单，维护和运行成本也相对更低。
在风能资源丰富的地区，垂直轴风力机具有广阔的应用前景。
尤其在山地、高原和海岸等地形复杂的地区，垂直轴风力机能够更好地适应地形和气流变化，提高了发电效率。
垂直轴风力机还适用于分散式发电系统，可以更好地满足乡村和偏远地区的电力需求，促进当地的可持续发展。
除了在陆地上的应用，垂直轴风力机还具有广阔的海洋应用前景。
海上风电资源丰富，但也面临环境恶劣、维护难度大等挑战。
垂直轴风力机的结构更加紧凑和稳定，可以更好地适应海洋环境的挑战，为海上风电的发展提供了新的机遇。
虽然垂直轴风力机具有许多优势，但其也面临一些挑战和限制。
由于其结构特殊，垂直轴风力机的风能利用效率相对较低，需要不断优化设计和提高转换效率。
垂直轴风力机的市场规模相对较小，制造成本和研发投入也相对较高，需要不断探索新的商业模式和技术创新，提高其竞争力。
第二篇示例：风力机是一种利用风力发电的装置，现在广泛应用于风力发电场中。
在风力机的设计中，垂直轴和水平轴是两种常见的设计形式。
垂直轴风力机因其特殊的设计结构和优势，在风力发电领域中备受关注。
垂直轴风力机的主要特点是风轮轴线与风速方向垂直，与水平轴相比更适合在低风速环境下发电。
其设计结构简单，可以减少机械故障和维护成本，同时垂直轴的设计更适合在高度变化较大或风向多变的地区使用。
垂直轴风力发电机
垂直轴风力发电机引言垂直轴风力发电机（Vertical Axis Wind Turbine，以下简称VAWT）是一种基于垂直轴旋转的装置，利用风能将其转化为电能的发电设备。
相较于传统的水平轴风力发电机，VAWT 具有一些独特的特点和优势。
本文将介绍垂直轴风力发电机的原理、构造、工作方式以及应用领域。
原理垂直轴风力发电机的原理基于风能转换为机械能，再转换为电能的过程。
当风经过风力发电机的叶片时，风能会转化为旋转动力。
垂直轴风力发电机使用的是垂直方向上旋转的叶片，而不是水平方向上旋转的叶片。
这种设计使得垂直轴风力发电机可以更好地适应风向的变化，并且在低风速下也能发电。
构造一台典型的垂直轴风力发电机由以下主要部件组成： 1. 轴承：支撑垂直轴的旋转部件。
2. 叶片：用来捕捉风能并转化为旋转力的组件。
3. 发电机：将机械能转化为电能的核心部件。
4. 塔架：支撑整个风力发电机系统的结构。
5. 控制系统：用于监测和控制风力发电机的运行状态。
工作方式垂直轴风力发电机的工作方式相对简单。
当风流经过垂直轴上的叶片时，叶片会转动，将风能转化为旋转力。
旋转的轴通过轴承连接到发电机，发电机则将机械能转化为电能。
电能可直接供给附近的电网，或者储存于蓄电池中供以后使用。
控制系统会监测垂直轴风力发电机的运行状态，并根据需要进行调整和优化。
优势相较于水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机具有以下优势： 1. 适应性更强：垂直轴风力发电机不受风向变化的限制，可以从360度方向上的风捕捉能量。
2. 更高的效率：垂直轴风力发电机可以在低风速环境下开始工作，并且在高风速环境下不会受到太大损坏。
3. 更低的噪音：由于其设计方式的不同，垂直轴风力发电机产生的噪音相对较低。
4. 更小的空间需求：垂直轴风力发电机的设计使其可以安装在有限的空间内，方便在城市或者高楼大厦等地区使用。
应用领域垂直轴风力发电机在以下领域有着广泛的应用： 1. 城市环境：由于其较小的空间需求和较低的噪音输出，垂直轴风力发电机适合在城市环境中使用，例如在屋顶或高楼大厦上安装。
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Vol. 36 No. 10 Oct. 2008
垂直轴风力机主轴结构优化设计
张婷婷 1 ,王红霞 1 ,代泽兵 2
(1. 上海交通大学 工程力学系 ,上海 200030; 2. 国家电网公司 北京电力建设研究院 ,北京 102401)
摘 要 :水平轴风力机是目前应用最广的风力机类型 ,但垂直轴风力机具有诸多水平轴风力机无法比拟的优良 性能 ,并越来越收到人们的关注 。主要介绍了垂直轴风力机及其发展情况 ,建立以圆筒式垂直轴风力机主轴重 量最小为优化目标的数学模型 ,以 iSIGHT为平台 ,对其主轴壁厚进行了优化设计 ,使主轴在满足强度和稳定性 的前提下取得了显著的减重效果 ,大大降低了风力发电机组的成本 。 关键词 :垂直轴风力机 ;主轴 ;结构优化设计 作者简介 :张婷婷 (19842) ,女 ,硕士研究生 ,从事垂直轴风力机结构有限分析研究 。 中图分类号 : TK83 文献标识码 : A 文章编号 : 100129529 (2008) 1020134204
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136 (总 1292)
2008, 36 (10)
己的算法 。 本文基于 isight平台 ,结合有限元计算 ,以风
而垂直轴风力机与之相反 ,风轮围绕一个垂直 轴旋转 [1 ] 。垂直轴风力机又可分为两个主要类型 , 一类是是利用空气动力的阻力做功 ,典型的结构是 S型风轮 。另一类是利用翼型的升力做功 ,最典型 的是达里厄型风力机 。达里厄风力机有多种形式 , Φ型、H型 、Y型和菱形。基本上是直叶片和弯叶
片两种 ,以 H型、Φ型风轮为典型 。 1. 2 垂直轴风力机的性能特点
因此 ,相对于传统的水平轴风力发电机 ,垂直 轴风力发电机具有设计方法先进 、风能利用率高 、 起动风速低、无噪声等众多优点 ,具有更加广阔的 市场应用前景 。
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Structure optim iza tion design for cylindr ica l vertica l2ax is w ind turb ines
ZHAN G T ing2ting1 , WAN G Hong2x ia1 , DA I Z e2bing2 (1. Dep t. of Engineering Mechanics, Shanghai J iaotong Univ. , Shanghai 200030, China; 2. Beijing Electric Power Construction Research Institute of SGCC, Beijing 102401, China)
在整个风力发电机组中 ,主轴的作用是支撑 轮辐和叶轮 ,把叶轮等部件举到设计高度处运行 , 以获得足够的能量驱动叶轮转动 ,并带动发电机 按照设计的额定功率发电 。同时 ,主轴又是整个 风力发电机组的承载基础 ,它需要要有足够的强 度和刚度 ,以保证机组在各种载荷情况下能正常 运行 ,还要保证机组在遭受一些恶劣外部条件 ,如 台风或暴风袭击影响时的安全性 。因此 ,一方面 主轴要满足以上高度 、刚度 、强度等要求 ,另一方 面主轴还要减轻重量 ,降低成本 。
3 风机主轴的优化研究
经专家学者们几十年的研究 ,结构尺寸优化 设计的理论和方法已经发展得较为成熟 。从最早 的数学规划法 [ 4 ] 和准则法 [ 5, 6 ] ,发展到后来的基 于可靠性 ( Reliability2Based)的优化方法 、基因算 法 ( GeneticA lgorithm s) 、神经网络法 (Neural Net2 works) 、基于最大熵原理 (M aximumntropy Princi2 p le)的算法 [ 7 ] 。
1 风力机简介
1. 1 风机的类型 风力机是一种将风能转换成机械能 、电能或热
能的能量转换装置 。风能转换系统可以分成两类 , 一类是利用空气推力做功 ,一类是利用空气的升 力。利用空气升力的风力机又可进一步细分 ,按照 它们旋转轴方向的不同 ,分成水平轴风力机和垂直 轴风力机 。
水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转 , 工作时风轮的旋转平面与风向垂直 。风轮上的叶 片是径向安置的 , 与旋转轴相垂直 , 并与风轮的旋 转平面成一个角度 。
2. 1 主轴在风力机组中的重要作用 风力机主轴是风力发电机组中的主要支承装
置 。目前常见的主轴有锥筒式 、桁架式 、混凝土式 等几种形式 。现代大型风力发电机组通常采用锥 筒式主轴 。这种形式的主轴一般由若干段 20 ～ 30 m 的锥筒用法兰联接而成 ,主轴由底向上直径 逐渐减小 ,整体呈圆台状 ,因此也称此类主轴为圆 台式主轴 。其优点是安全性能好 ,且维修时比较 方便安全 。在国际风电市场上 ,现代大型风力发 电机组普遍采用锥筒式主轴 。
垂直轴风力机目前在我国还刚刚起步 , kW 级小型机还没达到实用阶段 。我国研制的目的 是通过采用我国开发的垂直轴风力机起动和调 控技术 ,使其风能转换效率达到高速水平轴风 力机水准 。进而开发出我国自己的大型垂直轴 风力发电机组 ,改变我国风电机组造型单一的 局面 [3 ] 。
2 垂直轴风力机主轴
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10 134. 47
133. 365
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上下 2个横支撑及叶片作用在主轴上的荷载 如表 2所示 ,横支撑上的荷载与叶片上的荷载通 过静力等效叠加在一起 。载荷方向 x是指横支撑 与叶片所受风荷载作用方向 ,与风向相同 ;载荷方 向 z是指横支撑和叶片由于自重作用在主轴上的 荷载 。
近年来 ,对结构尺寸优化设计的研究多侧重 于如何在生产设计各个领域中针对具体问题合理 有效的应用结构尺寸优化设计 ,如文献 [ 8, 9 ]将 尺寸优化设计应用于旋风除尘器的设计 ,文献 [ 10 ]将尺寸优化设计应用于盒坯箱的设计 。
iSIGHT是美国 Engineious公司开发的过程 集成 、优化设计和稳健性设计的多学科设计优化 通用性软件 ,它提供了一个优化工具包 ,集成了 20多种常用的优化算法 ,且可以很方便的增加自
3. 000
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54. ห้องสมุดไป่ตู้6
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稳定性分析是分析主轴稳定性的重要环节 。 而且在对主轴壁厚等尺寸进行设计时 ,结构的稳 定性也是一项重要的决定因素 。其中最为重要的 是屈曲模态分析 ,它是分析稳定极限承载力的前 提 ,只有明确了所设计构件的屈曲模态 ,方能根据 模态的不同考虑初始缺陷分布形式 ,从而确保构 件设计时不漏掉不利情况 。
目前世界上应用较普遍的主要还是水平轴风 力机 ,以前曾错误地认为垂直轴风力发电机组的工 作机构 (叶片 )最大线速度对风速之比不可能大于 1,而对水平轴风力发电机组来说 ,这种比值可达到 5∶1以上。然而进入 20世纪 60～70年代 ,首先是 加拿大 ,然后是美国、英国的风电专家们经过实验 指出 ,上述的结论对于利用叶片上升风力的达里厄 转子是不适用的。就达里厄转子而论 ,工作机构线 速度对风速之比可达到 6∶1 以上 ,且风能利用系数 不比水平风力发电机组低 。另外 ,与水平轴风力机 相比 ,垂直轴风力机还有总体结构合理 ,对叶片的 结构要求低 ,不需要对风偏航机构 ,运行条件宽松 等优点 [ 2 ] 。
2. 2 主轴结构优化的必要性 风力发电机组尺寸巨大 ,成本较高 ,因此 ,降
低成本对于提高风力发电的竞争力有着至关重要 的作用 。风力发电机组的成本与机组的重量 、机 组的复杂性和机组各零部件使用的材料有直接关 系 。主轴是整个风力机组中重要的承载部件 ,其 设计水平将直接影响风力机的工作性能和可靠 性 。为确保风力机组的正常运行 ,提高主轴自身 的可靠性 ,在设计主轴结构时必须要充分考虑主 轴的强度 。
Abstract:Due to the advantages over the horizontal2axis wind turbine which is currently used widely, the vertical2axis wind turbine is achieving more and more attentions. The cylindrical vertical2axis wind turbine as well as its development is p resented, and its mathematical model was constructed with the aim of m inim izing the weight of the p rincipal axis while maintaining its strength and stability. The results are satisfactory. Key words: cylindrical vertical2axis wind turbine; p rincipal axis; structure op tim ization design