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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。
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。
⼩型垂直轴风⼒发电机设计⼩型垂直轴风⼒发电系统设计[摘要]本⽂介绍了⼀种⼩型垂直轴风⼒发电系统的设计⽅案，本系统主要⾯向沿海⾼层建筑或边远地区⽤户。
经过查阅⼤量⽂献资料结合必要的理论计算，系统采⽤四⽚NACA0012型叶⽚构成H型达⾥厄风⼒机，利⽤永磁直驱同步发电机将机械能转化为电能，经过电⼒电⼦电路对蓄电池进⾏充电。
⽂中对主要⽀撑件和传动件进⾏了必要的结构校核，对所⽤的两个⾓接触球轴承进⾏了使⽤寿命校核。
最后以垂直轴风轮和永磁直驱发电机为主要对象，⽤solidworks软件建⽴三维模型，设计风⼒发电系统主要零部件，并简要介绍其控制电路、选择蓄电池型号。
[关键字] 垂直轴风⼒发电机达⾥厄 NACA0012翼型Design of the Vertical Axis Wind Turbine[Abstract]This is a design of a kind of vertical axis wind turbine which was used in removed rural area or highrise in seaside city based on related theories. By consulting reference sources and necessary mathematical operation,four NACA0012 air-foil blades were used as the compoments of the H-type Darrieus. The lead-acid bettery was charged by the electrical energy which was generated by a permanent magnet synchronous motor with the operation of power electronic circuits. In this article,some constructures such as the main suppoting parts and the angular contact ball bearings were vertified on the intensity and life. By using of the solidworks2006 software,every important part has a 3D model. We also design a control circuit and bettery breifly.[Keywords] Vertical axis Wind turbine Darrieus NACA0012 air-foil⽬录第⼀章绪论 (1)1.1 国内外风⼒发电的发展现状及其趋势 (1)1.2 ⼩型垂直轴风⼒发电机发展概况 (3)第⼆章风⼒发电基本原理 (4)2.1 风特性 (4)2.1.1 风能量 (4)2.1.2 湍流特性 (5)2.2 风⼒发电系统结构框架 (5)第三章⼩型垂直轴风⼒发电的总体设计 (6)3.1 风⼒机的种类及选择 (6)3.2 垂直轴风⼒机空⽓动⼒学 (8)3.2.1 风能利⽤率 (9)3.2.2 Cp-λ功率特性曲线 (10)3.2.3 贝茨极限 (10)3.2.4 叶尖速⽐ (11)3.2.5 风⼒机的功率及扭矩计算 (11)3.3 叶⽚选型 (12)3.3.1 叶⽚实度 (13)3.3.2 叶⽚形状及材料 (14)第四章电⽓设备及传动设计 (16)4.1 基本原理 (16)4.1.1 法拉第电磁感应原理 (16)4.1.2 相位⾓及功率因数 (16)4.2 转化装置 (17)4.2.1 直驱式永磁同步发电机 (17)4.2.2 电⽓系统电路设计 (17)4.3 传动系统结构设计及计算 (18)4.3.1 传动轴的设计 (18)4.3.2 轴承的计算及选型 (20)第五章刹车装置及其他部件设计 (25)5.1 刹车装置 (25)5.1.1 刹车装置原理 (25)5.1.2 刹车结构受⼒计算 (27)5.2 塔架的设计 (28)5.2.1 ⽀撑件受⼒分析 (28)5.2.2 拉索的受⼒计算 (30)5.3 蓄电池和选型 (31)5.3.1 蓄电池的种类及⼯作基本原理 (31)5.3.2 蓄电池选型 (32)5.4 箱体的设计 (32)5.4.1 箱体的外形设计 (32)5.4.2 箱体的防锈与密封 (33)结论 (34)致谢语 (35)参考⽂献 (36)附录 (37)引⾔当前⽕⼒发电仍然是主要的发电⽅式，其⾼污染⾼能耗正⼀步步吞噬着地球脆弱的⽣态环境，地球急需⼀种环保⾼效的可再⽣能源来替代⽕⼒发电。
