木结构定向风力发电塔及叶片
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木结构定向风力发电塔及叶片
方案设计与理论分析
作品名称 沐风
参赛学校 四川大学
参赛队员 吴恒兴
、 董凯
、 邓小燕
专业名称 土木工程
、 土木工程
、 土木工程
指导教师 傅昶彬
二○○九年十一月
1 1. 设计说明书
1.1寓意
春天来了，一位美丽的少女到郊外踏青，尽情地享受春风的沐浴。塔身宛如她修长的身姿，叶片好似她飘柔的秀发（见图1-1）。
图1-1 寓意构形
1.2结构造型
根据赛题的要求，塔身外轮廓采用方棱台体，柱网尺寸：下端120mm×120mm，上端60mm×60mm，塔高800mm，高宽比800/120≈6.7。三片风叶互成120°角，叶轮直径796mm，叶片外表为流线型双曲面。
1.3结构选型
（1）塔身。在满足赛题规定的承载力和变形刚度要求条件下，为了设计最轻的结构，我们选用了空间桁架结构形式，并试图做到较多的杆件满应力受拉，尽量减少受压杆杆和赘余杆件。在设计空间桁架的具体形式时，遵循对称均匀，受力明确，传力直接，方便制作的原则。 2 （2）叶片。在满足赛题规定的条件下，为了获得重量轻、发电功率大的叶片，在分析了目前各系列翼型的参数后，结合给定的风速要求，采用流线型双层双曲面薄壳结构形式，支座为主梁转换，根部安装角20°，端部10°。
1.4特色
（1）形体。通过多方案比较、数值仿真和模型实验，选定底面120mm×120mm、顶面60mm×60mm、，高800mm的高挑尺寸，并抽掉塔身迎风面和背风面的赘余水平杆件（见图1-2），形成柱间菱形串构图，以体现少女身材修长苗条、婀娜多姿的寓意。
图1-2 塔身空间框线图
（2）柱子。柱截面采用轮廓尺寸为6mm×6mm的格构柱，，分肢由四根截面2mm×2mm的细杆组成，缀件采用2mm×2mm×6mm的短节十字交叉于柱的空腹部位，形成暗缀件。暗缀件格构柱既有利于相交杆件在节点处的穿斗连接，又使柱的外形简洁美观，富有新意。另外，在轴心压力下 3 （柱子实际的弯矩、剪力很小，可以忽略不计）柱子在两个主轴方向是等稳定的，从而可以达到合理用材的目的。
（3）传力。发电机是塔顶的主要荷载，但同时又具有巨大的刚度。为此，将发电机总成（含叶片、连接件等）的荷载直接传给塔顶的四根柱子，并锁紧发动机与塔顶支座板的连接螺栓，使发电机与塔架融为一体，不再强调承重梁和增设顶面刚度杆件，以达到传力直接、受力合理、节约用材的目的。
2.结构图及效果图
结构图所标注的长度以mm计，标高以m计。叶片的结构图见图2-1和图2-2，塔身的结构图见图2-3～图2-7，整个装置的效果图见图2-8。
图2-1 叶片结构主视图
4
a) 1—1 b ) 2—2 c) 3—3 d) 4—4 e) 5—5
图2-2 叶片截面
a) 侧风面 b）迎风面
图2-3 塔身几何尺寸
5
a) 正立面 b)侧立面
图2-4 塔身立面结构布置
a) ZI立面投影图（±0.000～0.200） b) 1—1
图2-5 格构柱 6
图2-6 基脚结构平面
图2-7 塔顶结构平面 7
图2-8 效果图
3.结构分析
3.1 叶片
（1）工作原理
由于翼型表面形状的干扰，作用在翼型表面上的空气压力是不均匀的。
如图3-1所示，翼型上表面压力低于周围气压，称为吸力面，下表面压力高
于周围气压，称为压力面。由伯努利理论，翼型上表面的气流速度较高，下
图3-1 风向与叶片面力分布示意 风向 8 表面的气流速度较低，形成一个环绕翼型流动的环流。环流的存在导致了
叶片的工作。
为了取得良好的气动性能，叶片截面应为流线型，由叶素理论可知，
叶片的升力和阻力主要与攻角、截面形式和角速度有关。如图3-2所示，在
一定的风速下，要使发电机的发电功率大，就要转速快，要转速快就要叶
片产生的转矩大，要转矩大就不仅要求叶片质量轻，而且要求叶片每个截
面的升阻比大。升阻比与攻角有关，而攻角沿叶片的展向是在不断变化的，
所以要确定最佳的叶片形式是有难度的。为此，我们参考相关的资料和实
验，最终选定叶片为流线型双层双曲面薄壳结构，根部安装角为20°，端
部安装角为10°，从而保证良好的气动性能。
图3-2 攻角与升力示意
（2）荷载计算
简化：取风速v=9m/s计算风压，不考虑发电机转速影响，如图3-3所示，将叶片分成四块区域，分别计算各块上的风压，风压体型系数及风
图3-3 叶片风压分区示意 1234 9 压计算见表3-1。
表3-1 体型系数与风压p（N/mm2）
（3）结构仿真分析
木材按各向同性考虑，取弹性模量E=1.0×104N/mm2，容重=4×10-4N/mm3，抗拉、抗压强度210mmN（赛题所给顺文抗拉强度30N/mm2），挠度限值取mm.lf751200350200（l为叶片悬长）。
叶片数值仿真分析，见图3-4～图3-10。主梁选用梁单元矩形变截面，最大端截面6mm×6mm，最小端截面2mm×4mm，根部支座按固定节点考虑，双曲面板划分网格后近似选用薄板单元，板厚1mm。由计算成果可知，叶片的强度和刚度均满足要求。
图3-4 叶片内部结构
10
图3-5 叶片有限元模型
图3-6输入风压（10-5N/mm2）
7.16.585.722.53 11
228482..minmax
图3-7 梁应力（N/mm2）
210752033..minmax
图3-8 迎风面板应力（N/mm2）
12
2minmax10752033..
图3-9 背风面板应力（N/mm2）
图3-10 叶片变形（mm）
f.fmax1691 13 3.1 塔身
（1）荷载取值
除格构柱外，其他构件均为实腹截面，截面尺寸如图2-4所示。取重力
加速度g=10m/s2，木材容重=4×10-4N/mm3。
据赛题和组委会答复（二），取发电机重37N（包括4M6固定螺栓，该螺栓的质量赛题未作交代)，连接件重3N，9M4叶片连接螺栓共计重0.18N。据表4-1，叶片重0.52N，塔身重0.46N。据叶片风压计算，取最大风速时的水平风力为←3N。
荷载①：塔身重量较轻，将其重量简化作用于塔顶，并与发电机重合并，
共计37.46N↓，平均分配作用于柱顶。
荷载②：连接件、叶片及连接螺栓共计3.7N↓，经量测连接件偏离塔顶形心水平距离130mm。
荷载③：水平风力←3N作用于发电机转轴位置，经量测发电机转轴距塔顶55mm（发电机转轴到机底的尺寸赛题未给出）。
塔身空间桁架杆件的截面尺寸较小，忽略作用在其上的风力。
经计算确定，在水平风力作用下，若发电机的底板要脱离塔顶面倾覆，则水平风力需要大于36N，而这是不可能达到的风力，故塔顶的基座螺栓连接板不考虑平面外受力。
（2）荷载组合
工况一：风速为零时，①+②
工况二：风速最大时，①+②+③，不考虑叶片的摆动影响。
工况三：风速最大时，①+②+③，考虑叶片的摆动影响，取风力偏心 14 距=10mm来等效。
（3）结构分析
由数值仿真分析可知，工况三为最不利工况，其荷载简图见图3-11。
图3-11 工况三简化为塔顶的节点力
节点1和节点3的竖向力：
N....PP66726055326013073473463731
节点2和节点4的竖向力：
N....PP921226055326013073473463742
节点2和节点4的水平力：
NF22，NF14
木材仍按各向同性考虑，弹性模量E=1.0×104N/mm2，容重=4×10-4N/mm3，取抗拉、抗压强度210mmN（赛题所给顺文抗拉强度30N/mm2），塔顶水
平位移限值=8mm。塔顶面固紧连接螺栓，考虑发电机的刚度贡献，面内刚度视为无限大，用3mm厚板模拟。柱脚按铰接支座考虑。 15 将格构柱截面按回转半径相等的原则化为方箱形截面，见图3-12。
图3-12 柱截面转化
塔身空间桁架杆件选用梁单元，各杆件截面见图2-4和图2-5。
图3-13 塔身有限元模型 图3-14 塔顶节点力（N）
数值仿真分析主要结果见图3-13～图3-18。由图3-15可知，柱的底层最 16 大轴压力617.N,maxcN，柱的底层最小轴压力2,mincNN，且大量杆件为拉杆。
由图3-16可知，支座竖向反力之和与塔顶竖向节点力之和相等。由图3-17可知，最大拉应力,maxt=0.8N/mm2<，为0.600～0.800标高顺风向桁架的斜杆，最大压应力,maxc=1.2N/mm2<，为底层柱，但柱因格构柱转换为方箱形柱，故应力值只能作参考，需手算方式重新验算其承载力。由图3-18可知，塔身顶面最大水平位移max=0.396mm<。
