3KW升阻复合型垂直轴风力机结构设计与静动力学分析

摘要

垂直轴风力机具有无需对风装置、结构简单、易于维护、运行噪声低和安全性高等优点。根据其叶片做功方式不同可以分为升力型和阻力型两种。阻力型垂直轴风力机具有起动力矩大、起动风速低的优点，但存在转速低和风能利用率低的问题，而升力型垂直轴风力机则具有转速高和风能利用系数高的优势，但存在低风速下起动性差的问题。升阻复合型垂直轴风力机正是将这两者进行结合的一种新型风力机，具有较好起动性和较高风能利用率的特点。目前，很多学者通过数值计算和风洞实验的方法对垂直轴风力机的性能（起动性、风能利用率）进行了深入的研究，取得了一定的研究成果。然而对垂直轴风力机结构的研究较少，要想让使垂直轴风力机在现实生活中得到广泛应用，发挥其价值，还需要对其整机结构进行迸一步的研究。
　　该研究以3 KW升阻复合型垂直轴风力机为研究对象进行了以下三部分的研究:
　　(1)风力机结构设计。根据风力机的结构组成，将风力机分为风轮、机舱、塔架三部分进行设计。风轮部分的设计首先通过风力机空气动力学理论分析，选取了NACA0018作为升力型叶片翼型，其次对升力型和阻力型叶片的弦长、翼展、回转半径进行了设计计算。基于风轮气动参数设计结果，最后对横梁的结构截面选择和尺寸参数进行了设计。机舱的结构设计部分根据所设计风力机的结构和气动特性，选择了盘式永磁无铁芯发电机和电磁制动器。接下来对主轴的结构进行了设计，并完成了轴承的选型。塔架的设计对风力机的安全运行起着重要的作用。通过对钢混、桁架、钢筒塔架优缺点的分析，选择钢筒结构塔架作为3KW升阻复合型垂直轴风力机塔架。
　　(2)风力机主要结构静动力学分析。首先分别对叶片、横梁、主轴、塔架在额定工况下的载荷进行计算，应用ANSYS有限元软件对其应力和位移大小进行计算求解，在此基础上进行结构的强度、刚度校核和改进设计。在静力学分析基础上对结构进行模态分析，计算结构的低阶固有频率和振型，分析结果表明，叶片、主轴和塔架的固有频率均小于其一阶固有频率，不会发生共振现象。对风力机的主要结构静动力学分析保障了风机的安全可靠运行。
　　(3)制作样机和野外运行测试。基于理论分析结果，对所设计的风力机进行加工图纸的绘制和零部件的制作，完成风力机安装和调试工作。通过观测风力机在野外工作环境下的空转运行情况，发现该风力机能够在2 m/s的低风速下顺利起动，起动性能较好。在13 m/s的风速下，风力机运行正常，各零部件没有发生明显的变形和振动现象。
　　该研究基于解析计算和有限元分析相结合的设计方法，对升阻复合型垂直轴风力机进行了设计和制作。样机野外运行实验研究表明理论计算结果与实际实验结果相符，该设计方法满足风力机的设计要求，为同类型风力机的设计提供了参考。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 风能利用现状

1．2 风力机类型

1．2．1 水平轴风力机

1．2．2 垂直轴风力机

1．3 垂直轴风力机国内外研究现状

1．3．1 外形结构研究现状

1．3．2 结构力学特性研究现状

1．3．3 研究现状分析

1．4 研究内容

1．5 技术路线

2 升阻复合型垂直轴风力机结构设计

2．1 风力机结构设计研究方法

2．2 升阻复合型垂直轴风力机结构设计

2．2．1 风轮设计

2．2．2 机舱设计

2．2．3 塔架设计

3 升阻复合型垂直轴风力机结构静力学分析

3．1 叶片静力学分析

3．1．1 升力型叶片

3．1．2 阻力型叶片

3．2 横梁静力学分析

3．2．1 横梁载荷计算

3．2．2 横梁有限元仿真计算

3．3 主轴静力学分析

3．3．1 主轴载荷计算

3．3．2 主轴有限元计算仿真

3．4 塔架静力学分析

3．4．1 塔架载荷计算

3．4．2 塔架有限元仿真计算

3．5 本章小结

4 升阻复合型垂直轴风力机结构动力学分析

4．1 模态分析理论

4．2 叶片模态分析

4．2．1 升力型叶片

4．2．2 阻力型叶片

4．3 主轴模态分析

4．4 塔架模态分析

4．5 本章小结

5 3KW升阻复合型垂直轴风力机样机安装与调试

5．1 样机安装

5．2 系统调试

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文