机便捷式家用风力发电机设计

便捷式家用风力发电机摘 要： 风能是一种获取方便取之不尽的清洁能源，而转化风能最直接的方式就是通过风力发电机。本次论文所要设计的便是一种便捷式家用风力发电机，其主要是应用于风力资源丰富但电力不完善的地区。其设计的重点在便捷和家用两个方面。本次设计的风力发电机的结构主要由叶片、增速器、发电机组成，从这三个部分去完成风力发电机的设计。风轮叶片的基本结构要满足发电的需求，材料上也要能够承受的住时间和和环境造成的破坏，所以选用各项性能都比较优秀的玻璃钢材料符合设计要求；增速器主要是增大机械能为发电机提供足够的动力，其设计结构应简单小巧，使结构重量简化；发电机选用市场上性能优越的稀土永磁发电机，不仅结构小巧，发电能力也是不可小觑。其余辅助部分的设计主要有发电机的调向方式，使用尾翼来进行自动调向。支撑结构采用钢管拉索的形式，简单方便自己就可以简单制作。电力储存的方法将使用智能充电控制。本次设计的风力发电机在要求上完全符合便捷和家用这两点，在性能、结构和成本上把控的非常好，安装维护和使用都非常简单，达到了最初的设计目标。关键词：便捷；家用；风力发电机；设计。Design of Portable Home Wind GeneratorAbstract：Wind energy is a kind of clean energy that is convenient and inexhaustible, and the most direct way to convert wind energy is through wind turbines. The purpose of this paper is to design a convenient household wind turbine, which is mainly used in areas with abundant wind resources but imperfect power. Its design focuses on convenience and home use.The structure of the wind turbine designed this time is mainly composed of blades, speed increaser, and generator. From these three parts, the design of the wind turbine is completed. The basic structure of the wind turbine blades must meet the needs of power generation, and the materials must be able to withstand the time and the damage caused by the environment. Therefore, the use of glass fiber reinforced plastic materials with excellent performances meets the design requirements; the speed increaser is mainly increased The mechanical energy provides enough power for the generator, and its design structure should be simple and compact, so that the structure weight is simplified; the generator uses the rare earth permanent magnet generator with excellent performance on the market. Not only is the structure compact, but the power generation capacity is also not to be underestimated.The design of the remaining auxiliary parts mainly includes the direction-adjusting method of the generator, and the tail wing is used for automatic direction-adjusting. The support structure is in the form of steel tube cable, which is simple and convenient and can be easily manufactured by yourself. The method of power storage will use intelligent charging control.The wind turbine designed this time fully meets the requirements of convenience and household use. It is very well controlled in performance, structure and cost. Installation, maintenance and use are very simple, and the original design goals have been reached.Keywords: Convenient；Home use；Wind Generator；design.1 绪 论1.1 风力发电的概述现代社会的发展离不开能源的推动，化石燃料的开发与利用对社会进步做出了重大贡献。但化石燃料大量使用也引发了许多问题，一是对环境会造成严重破坏，化石燃料燃烧会产生大量的污染物，对气候和环境都会造成影响。最主要的体现就是近些年来的“温室效应”，全球气温的升高和极端天气的频繁出现。二是化石燃料都是由数百万年前的动植物演化来的，他们的储量都是有限的，迟早有用完的那一天。所以开发可以持续利用的清洁能源一直是世界各国的首要问题。可再生能源大多来自太阳能、水能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等，都是清洁能源，不会对环境产生污染或产生很小的污染。在经历了多年的发展后，可持续再生能源在世界各国的发展中都占据了重要地位。其中以风能的开发与利用发展最为迅速，风能的开发与利用在世界各国的可持续再生能源中占据了很大部分。而开发与利用风能的最直接的方式就是风力发电。1.2 全球风力发电的现状目前，可再生能源被世界各国大力开发与利用，其中发展最快的还是要属风能，风能成为了继化石燃料、石油燃料之后的重要能源。当前全球风力发电厂以每年29%的增速在发展，据统计至2018年底，全球风力发电总装机容量达591GW，是2001年增长的23倍，年均复合增长率20.74%。2018年全球新增装机容量是51.3GW，约是2001年增长的7倍，年均复合增长率是12.92%。由此可见，风力发电正在以不可预料的速度迅猛发展。目前全球风力发电主要集中在亚、美、欧，其中截至2018年底，全球风力发电总装机容量排名前五的国家分别是中国、美国、德国、印度和西班牙 黄建峰.全球风力发电的现状及展望J.科技资讯,2011(23):116-117.。1.3 我国风力发电的发展我国的风力发电起步较晚，从80年代开始，由零基础到现在我国能够自主研发风力发电系统。我国在风力发电上的发展是十分迅速的，到现在中国的风力发电量在世界上已经排在了首位，风力发电机的总装机容量更是居于世界前列。在我国风力发电发展之初主要是靠引进国外的设备和技术，使得风力发电发展受到制约，为了挣脱这些约束国家大力推行风力发电的国产化。使我国的风力发电制造技术得到了快速发展，为我国风电装备的大规模化奠定了基础，也使我国成长到了如今可以独立自主研发并制造大型风力发电机的程度 董爽.风力发电技术现状及关键问题分析J.才智, 2016(06): 226-228.。我国不仅陆上风能资源丰富，海上风力资源更为丰富，海上风能资源的开发是如今风能开发的重点。海上风能资源由于都比较靠近用电中心还不占用土地，所以海上风力发电比陆上风力发电更占优势。近年来我国的海上风力发电也是发展的十分迅速 中国风力发电产业发展趋势J.青海科技,2015(04):20-21.。1.4 我国小型风力发电系统的发展前景从80年代初我国就已经开始了家用小型风力发电机方面的研发与制造，小型风力发电机研发的主要目的是为了让电网不能到达的偏远地区也能用上电。尽量做到一台风力发电机就能够供应一个家庭的基本用电。当前我国的小型风力发电机发展良好，自主研发的小型风力发电机具有稳定性好、启动风速低、使用方便、价格实惠等优点。目前1KW以下的小型风力发电机是市场上的主流机型，主要服务人群也是广大的农、牧、鱼民。我国的小型风力发电机不仅在国内发展不错，在国外市场也是占据一定地位，据统计2017年我国在亚洲等国家和地区的中小型发电机的出口额达1289万美元，欧洲等国家的出口额为1074.5万美元，北美的出口额为510.6万美元等 姚修伟.2017年我国中小型风能设备行业发展概况J.风能,2018(07):58-60.。小型风力发电机的发展在国外也是一片大好，随着一些政策的出台也有利的帮助了小型风力发电机的发展，国内外的共同需求也刺激着小型风力发电机的发展。所以小型风力发电机的发展仍具有很大的潜力。1.5 本课题研究的主要内容本次我要设计的便捷式家用风力发电机主要是为风力资源丰富但用电困难的地区提供基本的生活用电。为了符合便捷和家用这两点，所设计的风力发电机体积要小，结构要简单。所以我主要把风力发电机分为三个部分，风轮叶片、增速器和发电机，这样结构上就比较简单了。由于家用的风力发电机的功率不用很大所以小功率的风力发电机体积就不会很大。从以上的几个方面出发，所延伸出来的内容就是此次设计的主要内容了 陈立人,吴小媛.一种小型风力发电机装置P. 中国专利: CN209414032U, 2019-09-20.- 缪晓宾.便携式小型风力发电机的结构优化设计方法浅谈J.科技风,2017(16):220-224.。2 便捷式家用风力发电机装置及方案2.1 风力发电机原理风力发电机的作用是将风能转化为电能，风力发电机主要由风轮、发电机、传动装置和塔架等机构组成。发电机的发电原理就是通过线圈旋转切割磁感线从而产生电流。风力发电机的原理就是通过风能带动风轮转动产生机械能，在利用机械能来带动发电机的转动从而产生电流。所以风速越快产生的机械能越大，产生的电流越多 姚兴佳.风力发电机组理论与设计M.北京:机械工业出版社，2013.。风力发电机原理图如2-1所示；图21风力发电机原理图2.2 小型风力发电机使用条件一般年平均风速3m/s以上，全年至少有3000h的风速在318m/s，全年318m/s的有效风能密度要达到100W/m2。这样的地区才能发挥出风力发电机的最大效率。风力发电机的选择最好与当地的风力数据相匹配，这样才能最高效的发挥出风力发电机的作用，也能合理的利用资源节省成本。2.3 水平轴小型风力发电机的组成本次设计所采用的发电机形式是水平轴，水平轴小型风力发电机的结构比较简洁，一般是由发电机、风轮塔架、升速机构、调向机构、蓄电池、控制器、逆变器等组成。水平轴小型风力发电机是通过风能使叶片转动，通过叶片转动产生的机械能来带动发电机的旋转，从而产生电能，再通过整流器转换后输出 郭洪澈.小型风力发电机组系统优化设计J.可再生能源,2018(05):15-17.- 李骏驰.基于储能的小型风力发电机并网控制的实验研究D.华北电力大学(北京),2016.。水平轴小型发电机的结构如图2-2所示；图22水平轴风力发电机结构图2.3.1 风轮风轮是风力发电机制造电能所必不可少的重要零件，一般的风力发电机的叶片都是3个，大多数的叶片材料都是使用玻璃钢材料，是先用钢材做好骨架然后在表面附上玻璃钢，再在内部填充一些泡沫塑料。但这样的大部分靠手工完成的叶片不适合用在小型的风力发电机上，制作费时而且质量不稳定，现在都是采用机械化生产等截面叶片。小型的风力发电机在叶片材料的选择上最先考虑的是它的效率，其次才会考虑叶片的硬度、重量等。在小型风力发电机上一般3叶片就可以达到最佳效率，所以本次设计选择三叶片风轮 王建录,赵萍,林志民,刘万琨.风能与风力发电技术(第三版) M.北京:化学工业出版社,2015.。2.3.2 发电机（1） 风力机选型通过网上资料的查询，制作出了内蒙古某一适合安装便捷式家用风力发电机地区，全年的气象数据资料如表2-1所示；表21气象资料统计表风力等级0123456风速（m/s）0.00.20.31.51.63.33.45.45.57.98.010.710.813.8（km/h）1156111219202829383949平均天数101820331947541051752454578914从表中数据可以看出，该地区全年大部分风力以15级为主，该地区每天的大概风力数据如表2-2所示表22日风速时间表风速（m/s）2.5888持续时间（h/天）73.53.5本次设计的便捷式家用发电机是为了给单一家庭供电，所以还需考虑便捷式家用发电机能否满足一户人家一天的用电需求。根据一般家庭的家中用电设备情况，列出了下列统计表如表2-3所示；表23家用电器耗电量统计表用电设备智能手机液晶电视冰箱节能灯额定功率/W0.510011020数量3114日用电平均时间/h33106日总用电量/Kwahu0.00450.31.10.48每日用电总计1.8845 KWh根据表中的数据可以知道一般家庭一天的用电量大约为1.9KWh。所以根据以上数据初步选择额定风速是10m/s、额定功率是400W的风力机。风力机的功率计算公式为：w=12CpmeeAV3#（2-1）小型的风力发电机，其输出功率与风速的三次方成正比关系，风力发电机的输出功率计算公式为：Pw=V1VP#（2-2）上述公式中： V1额定风速，单位m/s； P 风力机的额定输出功率，单位P； V 实际风速，单位m/s。风力机所输出的总电能计算公式为：Ew=PwmTm#（2-3）上述公式中： Ew风电机的总输出电能，单位KWh； Pwm平均风速为m时的输出功率，单位W； Tm平均风速为m时的时间，单位h。当达到10m/s风速时，风电机的平均功率计算公式为：Pe=0.4kw#（2-4）根据每日风速数据统计表中的数据可知2.58m/s的风速每日的持续时间为7小时，我们就取风速的中间值5m/s进行计算，当风力达到5m/s的风速时风力发电机的平均功率计算公式为：Pw1=(VVe)3Pe=(510)30.4kw=0.05kw#（2-5）当风力为8m/s的风速时，风力发电机的平均功率计算公式为：Pw2=(VVe)3Pe=(810)30.4kw=0.2048kw#（2-6）当风力超过8m/s风速时，我们取稍大的9m/s风速来计算这段时间风力发电机的平均功率，平均功率计算公式为：Pw3=(VVe)3Pe=(910)30.4kw=0.2916kw#（2-7）根据上面三次的计算就可以得出每天产生的总电能计算公式为：Ed=Pw17+Pw23.5+Pw33.5=2.0874KWh#（2-8）通过上面的计算数据可以看出风力发电机每天产生的电能约为2.0874KWh，大于这户人家每天的用电量1.9KWh，所以选择额定风速是10m/s，额定功率是400W的小型风力发电机，就可以满足当地用户的用电需求。（2） 发电机的选择永磁式的发电机一直是小型风力发电机的首选，通过风轮产生的机械能带动发电机转动从而产生电流，再经过整流器整流后转化成可以输入到蓄电池中的直流电。在查找过相关资料后，决定选用使用方便、发电效率高的稀土永磁发电机，既减小了风力发电机的尺寸也优化了发电机的结构，还减小了生产成本 彭鸿才.电机原理及拖动第三版M.北京:机械工业出版社,2018.。2.3.3 对风装置为了能使从风中获得的能量最大化，就要使风轮叶面能实时对准风向，这就需要一个对风装置来实现了，对风装置是通过尾翼来控制风力发电机的水平转动，使风轮与风向永远保持相对 李良君.风力发电机组控制技术M.北京: 化学工业出版社,2019.。对风装置如图2-3所示；图 23对风装置2.3.4 塔架塔架的作用是让风轮可以离地面更远，从而获得更多的风能资源，塔架的结构形式有很多种，主要是以钢架结构和圆锥形钢管结构为主。一般会对刚制塔架进行表面处理，延长其使用寿命。在实际选用塔架时其成本问题也必须考虑到。2.3.5 齿轮箱由于风力的不稳定性，所以产生的机械能也是不稳定的。不能使发电机良好的发电。所以加装一个升速器齿轮箱，就可以在风力弱的时候也能使发电机良好运转保持稳定。还应该在风力发电机上加装制动装置防止叶轮转动过快。2.3.6 制动器制动器是可以让风力发电机停止转动的机构，小型风力发电机上的制动器有电磁、手动、液压制动器等。但家用的风力发电机采用的是更加简单的方式，一般是在尾翼上系上一根钢丝绳。当风力太大时，用绳子将风力发电机的朝向改变，减小风能的作用 张亚彬,马丽娜.小型风力发电实用技术M.北京:人民邮电出版社,2013.。2.3.7 有效风速的选择风力发电机正常工作需要一定的风速，而风力小于3m/s时，风能太小没有使用价值。风力太大超过25m/s时，还可能会对风力发电机造成破坏。所以风力的有效范围选定在320m/s。2.4 风力发电机的安装便捷式家用风力发电机的安装有两种方式。一种是以房屋等建筑物为载体来进行安装，这种安装方式不仅可以节省塔架的材料还能更大程度的避开周围阻挡物，更好的接收风能。另一种就是完全靠塔架来支撑，因为风力发电机要安装的足够高才能更好的吸收风能，并且避开大部分遮挡物。所以这种安装方式用到的塔架材料会比较多 王旭强.小型风力发电机的安装J.黑龙江科学,2019,10(22):86-87.。2.5 风力发电机基本方案的确定通过查阅相关资料最终确定了风力发电机的设计方案，为保证其工作效率、制造成本的、使用性能等确定了如表2-4所示的设计方案。表 24设计方案启动风速3m/s发电机稀土永磁发电机额定风速10m/s叶片材料玻璃钢停机风速25m/s额定功率400W工作风速320m/s制动方式手动制动安全风速25m/s塔架结构角钢桁架风能系数0.42%充电方式智能充电控制3 便捷式家用风力发电机的结构设计3.1 风力发电机的有效功率风力发电机的有效功率Ne(W)可以由下方法公式计算得出：Ne=KCaCtSv3#（3-1）上述公式中： K单位换算系数； Ca空气高度密度换算系数； Ct空气湿度密度修正系数；S风轮叶片扫掠面积，m2；v风速，m/s； 风力机全效率。风力发电机的全效率一般取=25%-50%。低速风力发电机取小值，13叶片高速风力机取大值；一般高速风力发电机设计时取30%-50%。其中风力机的功率换算系数如表3-1所示，空气密度修正系数如表3-2所示，设计风力发电机初估全效率取值表如表3-3所示；表 31风力机功率换算系数风力机功率Ne单位风轮叶片扫掠面积s风速功率换算系数K瓦特W平方英尺ft2英里/小时mileh5.08101瓦特W平方英尺ft2英尺/秒fts1.61103瓦特W平方米m2米/秒ms0.6127马力ph平方英尺ft2英里/小时mileh6.81106马力ph平方米m2米/秒ms8.21104表 32空气密度修正系数Ca,C1值海拔高度m海拔高度ftCa摄氏温度华氏温度C1001.0017.7801.1376225000.9126.67201.083152450000.8324.44401.040228675000.75615.559.91.0003048100000.68726.67800.963表 33设计风力发电机初估全效率取值表风力机形式初估全效率说明多叶片风力机10%30%多用于农、牧业灌溉风帆叶片风力机10%20%多用于抽水、碾米、磨面垂直轴“索旺尼斯”风力机10%20%多用于抽水、压缩空气垂直轴“达里厄”风力机15%30%用于风力发电机扭曲叶片风力机（螺旋型叶片）15%35%30%45%1.010.0KW小型风力发电机10.0100KW中型风力发电机扭曲叶片风力机（螺旋型叶片）35%50%100KW以上大型风力发电机3.2 风轮叶片扫掠的面积S及风轮直径d的确定3.2.1 风轮叶片扫掠的面积由风力机的有效功率计算公式Ne=KCaCtSv3可以推算出风轮扫掠的面积的计算公式为：S=NeKCaCtSv3#（3-2）上述公式中：Ne风力机有效功率，W；即Ne=0.4kw；K单位换算系数，从表3-1中选取；K=0.6127；Ca、Ct空气高度密度换算系数和空气湿度密度换算系数；V按风力发电机使用地方的风速给定 m/s,即10m/s；从表3-3中选取，选取30%。按表3-2根据风力发电机使用地理、自然条件选取；取Ca=1、Ct=1.13。根据以上数据计算得出S风轮扫椋面积=NeKCaCtSv3=0.4kw0.61271.131030.3=1.926m23.2.2 风轮直径的确定根据计算得出的风轮扫掠面积后，就可以根据面积推算出风轮的直径。d=2S/=21.962/1.581m为了计算制造方便把结果取整d=1.6m3.2.3 确定风力发电机叶片数叶片数量的多少与风力机的用途有一定关系，与叶尖速度之比也有一定的关系，根据前面的方案以及数据的计算，最终选择叶片数为3叶片，风轮直径1.6m，尖速比为3 叶杭冶,等.风力发电系统的设计、运行与维护(第2版) M.北京:电子工业出版社,2014.。3.2.4 确定单个叶片的面积风力发电机转换风能的大小与风轮叶片的翼型，还有叶尖速度之比有关，而且还跟风轮的密实比有关。密实比是指单个叶片的表面积ksy与风轮叶片的扫掠面积S之比。密实比的比值越大，其风轮叶片的尖速比越低，风轮转动起来的速度也就越慢，风轮叶片也就越多。低速转动的多叶片风轮的启动性能好，比较适合用来灌溉、压缩空气、碾米；密实比的比值越小，其风轮叶片的尖速比越高，风轮转动起来的速度也就越快，风轮叶片也就越少，比较适合在风力发电机上使用。密实比的计算公式为Sy=KSK#（3-3）上述公式中： K风轮叶片数； K密实比。按照叶片密实度K与尖速比关系曲线图3-1中的数据关系选取，当=3时，K=0.120.27，取K=0.2，所以单个风轮叶片的面积为：Sy=KSK=0.21.9263=0.1284m2为了计算制造方便把结果取整Sy=0.13m2图 31叶片密实度K与尖速比关系曲线3.3 风轮转速n的计算及增速比i的确定3.3.1 风轮转速n的计算风轮的转动速度n是要看风力发电机主要被用来做什么，转速的多少还是要看风轮的尖速比，风轮的尖速比越大风力风轮的转动速度就越快。n=60v2R(r/min)#（3-4）上述公式中：R风轮的半径，单位m。所以n=60v2R=6031020.8358(r/min)3.3.2 增速比i的计算风能驱动风轮旋转，但其产生的机械能一般达不到发电机正常转速的要求，现在市面上的发电机大多是4级、6级、8级的，它们的正常同步转速都是在1500 r/min 、1000 r/min、750 r/min，跟风轮的实际转速严重不符，所以要使用增速箱将风轮产生的机械能增大使之达到发电机转速的要求，正常发电。现在市面上的直流或交流发电机的转速越小其效率也就越小，但为了减小风力发电机的增速比又不得不选择转速较低的发电机，以减小增速箱的传动比大小，减轻制造成本，增强可靠性。增速比i可由下式计算得出i=nDn#（3-5）上述公式中：nD发电机同步转速r/min；选用同步转速为600r/min；N风轮转速，r/min。所以： i=nDn=6003581.6763.4 风轮叶片具体尺寸的确定3.4.1 叶片从转动中心至叶尖不同位置的尖速比是指风轮叶片的尖端速度与实际风速的比值，而风轮叶片的转动中心到叶片不同半径叶尖处的尖速比i可由下面的公式计算得出：i=2nri60v#（3-6）i=2nri60v/2nR60v#（3-7）i=riR#（3-8）上述公式中： i叶片从转动中心至叶尖不同半径处的尖速比；ri叶片从转动中心至叶尖的不同半径；R风轮半径；R=0.8m，叶片不同半径ri处的尖速比i。将风轮叶片等分为8份，每段的间隔为0.1m，计算出每一截面的尖速比i的值，每一段尖速比值如下所示：1=30.80.8=32=30.70.8=2.6253=30.60.8=2.254=30.50.8=1.8755=30.40.8=1.56=30.30.8=1.1257=30.20.8=0.758=30.10.8=0.3753.4.2 叶片从转动中心至叶尖不同半径处的剖面翼型弦长为了使风能均匀的分布到整个风轮叶片，风轮叶片首先要有不一样的翼型弦长，还需要风轮叶片有一定的扭曲，这样才能够让风轮叶片各处的升阻比相同，这样就能最大的利用风能。不同的风轮叶片翼型所能利用风能的多少也不一样，为了区分各种风轮叶片利用风能的多少列出了风轮叶片的形状数据，风轮叶片的形状数据和尖速比的关系曲线如图3-2所示，其风轮尖速比越大，风轮叶片的面积则越小。图 32尖速比与叶片形状数据的关系曲线风轮叶片利用风能的多少还跟风轮叶片的迎风角有联系，也就是与迎角相关，相对迎风角为=+，从式子中可以看出要想让风轮叶片各部分的风能一样，风轮叶片各部分的安装角也要变化，也就是相对迎风角变化，扭曲叶片就是这么来的。风轮叶片的尖速比跟相对迎风角之间的数据关系如图3-3所示，图中表明了尖速比越大其相对迎风角也就越小。图 33尖速比与叶片的相对迎风角的关系曲线风轮叶片的翼型弦长跟升阻比、尖速比、叶片形状数据等都有很大关系，风轮叶片从中心到不同截面处的半径，其风轮叶片的翼型弦长Li的计算公式为：Li=riCcCLk(m)#（3-9）上述公式中： ri叶片从转动中心至叶尖的不同位置的半径； Cc叶片形状参数，可以根据图3-2计算出所对应的叶片形状数据；CL升力系数，根据图3-4选取最佳值CL=1.2；k风轮的叶片数。图 34翼型升力及阻力系数、升阻比与迎角的关系曲线通过查表，分析得出下列数据：表 34叶片的参数叶片的不同半径数N叶片的不同半径值ri (m)叶片不同半径处的尖速比 i叶片不同半径处的形状参数CCi叶片不同半径处的相对迎风角i10.830.471220.72.6250.571330.62.250.751740.51.8750.9818.550.41.51.252360.31.1251.82970.20.753.33580.10.3754.246将表中的数据带入翼型弦长公式中得：L1=riCcCLk=0.80.471.23=0.104mL2=riCcCLk=0.70.571.23=0.111mL3=riCcCLk=0.60.751.23=0.115mL4=riCcCLk=0.50.981.23=0.136mL5=riCcCLk=0.41.251.23=0.139mL6=riCcCLk=0.31.81.23=0.15mL7=riCcCLk=0.23.31.23=0.183mL8=riCcCLk=0.14.21.23=0.117m3.4.3 求风轮叶片的平均弦长计算叶片的平均弦长Lm可由下式得出：Lm=L1+L2+Lii#（3-10）Lm=0.104+0.111+0.115+0.136+0.139+0.15+0.183+0.1178=0.131875m3.4.4 求升力曲线平均斜率KL=CL(max)-CL0L（max）-0#（3-11）上述公式中： CL(max)升力曲线最大值；升力系数为零时所对应的迎角为-6.2；CL(0)零升力；aL(max)CLmax最佳升力角aLmax时的最大升力系数，在升阻比CL/CD最大值时所对应的迎角aLAMAX=14；a0升力系数CL为零时所对应的迎角为-2。所以：KL=CL(max)-CL（0）L（max）-0=1.2-014-(-2)0.0753.4.5 叶片的展弦比叶片的展弦比RZ可由以下公式计算得出：RZ=R2Sy=RLm#（3-12）上述公式中： Lm叶片的平均弦长；Sy叶片面积；R风轮转动半径。结合之前所求出的数值可以得出叶片的展弦比RZ为：RZ=R2Sy=RLm=0.80.131875=6.0663.4.6 求叶片的平均迎角叶片的平均迎角可由以下公式计算得出：am=0+CLKL1+3RZ#（3-13）上述公式中： a0升力系数为零时的叶片迎角（），通常为负值，0=-2；Rz展弦比；CL升力系数；KL升力曲线平均斜率；所以叶片的平均迎角为：am=0+CLKL(1+3RZ)=-2+1.20.089(1+36.066)=22.153.4.7 叶片的实际安装角风力发电机叶片的实际安装角应该是每一ri处所对应的实际安装角i的相对迎风角i减去风轮叶片的平均迎角am。其实际安装角可由下式计算出i=i-am#（3-14）上述公式中： i不同位置的半径ri与之相应的实际安装角，()； iri处所对应的叶片相对迎风角，()； am叶片的平均迎角，()。各ri处风轮叶片相应的实际安装角为i=i-am=i-22.151=12-22.15=-10.152=13-22.15=-9.153=17-22.15=-5.154=18.5-22.15=-3.655=23-22.15=0.856=29-22.15=6.857=35-22.15=12.858=46-22.15=23.853.4.8 叶片翼型的选择风力发电机的空气动力性能与风轮叶片的翼型、叶展的形状有密切关系，要想增大风力发电机的风能利用率，要增加它的升力减轻它的阻力，要使它接近于最大值。翼型是构成叶片的重要部分，风轮叶片根部的翼型力臂比较小，所以风轮叶片根部不会对风力发电机的性能产生太大影响，要考虑的是风轮叶片的强度和加工问题。要达到高升比的要求就要在叶片尖部采用薄翼型，为了达到足够的结构强度一般会在根部使用较大升力系数翼型和采用相同翼型 Abolfazl Pourrajabian,Peyman Amir Nazmi Afshar,Mehdi Ahmadizadeh,David Wood. Aero-structural design and optimization of a small wind turbine bladeJ. RenewableEnergy,2016,87.。常见的翼型有很多种，NACA644XX、NACA44XX、NACA230XX等航空翼型，瑞典的FFA2W系列翼型族，美国的SERI专用系列翼型。选取的翼型要根据设计的需要来选取，本次设计选用NACA4412翼型，其截面形状如图3-5所示；图 35NACA4412翼型截面形状3.4.9 叶片结构设计风轮叶片是风力发电机发机最重要的部分，其性能的好坏会对风力发电机产生直接影响，所以性能要达到以下指标。几何尺寸：弦长偏差2 mm (max)；厚度偏差1mm (max)；扭角偏差20mm (max)；一副风轮叶片（3个）对轴的力矩相差不能大于5gm；叶片重量（1副）相差不能大于500gm；叶柄与轴的同轴度公差0.50mm；叶片前、后弦和叶身各过渡处应光滑连接；叶片表面光洁度要达到指定要求。叶片的设计不仅是在翼型、安装角、叶片扭曲、升阻比、尖速比等方面有要求，还需要叶片的结构合理、材料先进和科学的加工工艺，使叶片能够承受叶片自重、离心力、风力等施加在叶片的各种拉力、弯矩。而且还需要叶片做到质量轻、疲劳强度高、运行安全可靠、结构强度高、制造容易、安装方便、维修简单、制造成本低和使用成本低。叶片表面的光滑要达到指定的要求。为了达到这些要求，玻璃钢全称玻璃纤维增强聚酯复合材料成了叶片制造的第一选择，本次设计选用的就是增强玻璃钢叶片。图3-5就是玻璃钢和其他材料制成叶片的截面结构，图3-6是叶片的整体结构。图 36叶片的结构形式图 37叶片整体结构3.4.10 风轮叶片在转动中所受的力及塔架的受力分析（1）叶片升力FLFL=12CLSyv2=121.251.20.13102=9.75N（2）叶片阻力FDFD=12CDSyv2=121.250.0240.13102=0.195N（3）风轮叶片轴向推力P=0.4v2=0.4102=400N（4）叶片受离心力FgFg=Gg2r=49.8(235860)20.35=229.5N（5）叶片受拉力P最大拉力 Pmax=FG+G=229.5+4=233.5N最小拉力 Pmin=FG-G=229.5-4=225.5N（6）重力对叶片纵梁的弯矩MGMG=GRcos=40.35cos30=1.21NM（7）叶片重量G对风轮轴的弯矩M=kGa=3430.2=7.2N 3.5 叶片的翼型流场数值模拟3.5.1 翼型流场分析的意义在风力发电机的叶片被设计出来后，要根据其三维模型进行一些模拟分析，以此来检测有没有达到所要设计的标准。也可以为实际的生产和安装提供一些有用的参数，因此模拟分析是十分必要的。3.5.2 叶片的翼型流场数值模拟现在用于分析叶片翼型动态流动现象的方法主要有三种，理论分析、数值模拟和实验。而分析翼型的二维动态分布主要是用数值模拟法，这种方法可以得到叶片的压力分布图、弦长变化对压力系数的改变和翼型模拟外形的分布图。本次对NACA4412翼型的流场模拟，将使用翼型专用的分析软件profili进行模拟操作。其中模拟参数的设定为雷诺输RE=697000, 攻角范围为010, 步进大小为2。以翼型的轮廓形状为研究目标，可以得到我们需要的各种数据 Nemat Keramat Siavash,G. Najafi,Teymour Tavakkoli Hashjin,Barat Ghobadian,Esmail Mahmoodi. Mathematical modeling of a horizontal axis shrouded wind turbineJ. Re newable Energy,2020,146.。3.5.3 翼型表面压力及压力系数随攻角变化关系（1） 翼型表面压力分布图如以下各图所示：图 38 =0时压力随攻角变化 图 39 =2时压力随攻角变化图 310 =4时压力随攻角变化 图 311 =6时压力随攻角变化图 312 =8时压力随攻角变化 图 313 =10时压力随攻角变化（2） 翼型表面压力系数随攻角分布图如以下各图所示： 图 314 =0时压力系数随攻角变化图 315 =2时压力系数随攻角变化 图 316 =4时压力系数随攻角变化图 317 =6时压力系数随攻角变化 图 318 =8时压力系数随攻角变化图 319 =10时压力系数随攻角变化根据翼型表面压力分布图我们可以知道，顺着压力分布的主要是翼型的前半部分而逆着压力分布的是翼型的后半部分。这样的分布情况是比较好的，可以有效减小前后两个部分之间的压力差。同时结合压力系数的分布图可以知道在翼型攻角变大的情况下，上下两表面所围成的面积也在变大，因为这些面积表示的是翼型表面存在压力差。可以由此看出压力角与攻角之间是正向比例的关系。叶片翼型的升力大小与上下表面之间的压力差有着密不可分的联系，升力就是靠上下表面的压力差产生的。所以在攻角变大的情况下也使得升力变大，而叶片的阻力主要是摩擦力且摩擦力是不会突然变化的。3.5.4 翼型虚拟外形与翼型攻角变化关系（1） 翼型虚拟外形分布图如以下各图所示： 图 320 =0时翼型虚拟外形图 图 321 =2时翼型虚拟外形图 图 322 =4时翼型虚拟外形图 图 323 =6时翼型虚拟外形图 图 324 =8时翼型虚拟外形图 图 325 =10时翼型虚拟外形图从上面的图中可以看出在翼型攻角一直变大的情况下，翼型尖部所在处也会跟着边界层一起分离，分离的大小与攻角的变化是成正比的。分离点的位置也是在变化的，攻角越大分离点与翼型前端越接近。在用profili软件对翼型进行分析后我们可以知道翼型会受到很多因素的影响，也相当于让我们知道了在设计制造中进行软件模拟的重要性。3.6 塔架的结构设计风力发电机的塔架将使用独杆拉索式，坚固耐用、使用方便，使用钢管作为立杆的主材料，为了使风力发电机能得到更多的风能，安装地点的附近不能有障碍物，前后百米范围内不能有高于风力发电机的建筑物，立杆要固定在结实的地面上。立杆的尺寸参数高6米、中空、直径60mm、厚3mm，其实际形状如图3-26所示；图 326立杆3.7 调向装置设计风能是风力发电机发电不可缺少的因素，而风力发电机所能利用风能的多少与风轮的垂直迎风大小有关系，当风力发电机的风轮垂直于风向时能最大限度的吸收风能，当风轮与风向不是成垂直有一定偏差时，所能吸收的风能就会减少。当风向平行于风轮时，几乎吸收不到风能。所以调向机构是风力发电机的必备机构，能让风轮与风向保持垂直，最大程度的吸收风能，才能产生较大的电能。一般的小型风力发电机都是采用尾翼调向，主要由尾翼板、尾翼梁构成，安装在风力发电机的尾部，与风轮是保持垂直的。其工作原理是：风力发电机在使用时尾翼板与风向始终保持平行，尾翼板的面积和尾翼梁的长度是产生这种原理的关键，当风向发生偏移时风压产生的力量就会推动风力达电机的转动，才会让风轮始终处在与风向垂直的位置。3.7.1 尾舵的长度和面积尾舵的长度由下面的式子计算L1L2=14#（3-15）设风力发电机的扫掠面积为A尾翼的面积是Af，其面积的比值按照下面的规律来取值：当L2=4L1时，风轮叶片较多，取Af=0.1A,风轮叶片在23片，取Af=0.04A，本次设计取Af=0.04A。Af=0.04A=0.0441.620.08m2实际中常取用L10.15D、L20.6D，式中D指的是风轮直径则：L1=0.15D=0.151.6=0.24mL2=0.6D=0.61.6=0.96m3.7.2 尾翼的形状尾翼的形状经历了许多变化，从老式到改进式再到新式。新式是最新的也是最好的，本次所选的尾翼形状如图3-27所示。它可以很好的感知风向、调整速度快，翼展和弦长的比值可以取hb=25，本次设计取hb=2。由上面的计算数据可知Af=0.08m2，可求得：h=0.4 b=0.2图 327尾翼形状4 传动系统的设计计算4.1 传动特点为了使风力发电机传动平稳，将使用圆柱斜齿轮作为传动齿轮，风轮产生的轴向力较小采用深沟球轴承来做支撑，轴与轴之间的连接全部使用联轴器连接。4.2 风力发电机总体及动力系统布置“一字型”的布局形式将作为本次设计的总体布置方案，如图4-1所示图 41一字型总体布置风力发电机中大多都会采用这种形式的布局，主要是因为它的负载分布均匀，对中性良好。不好的地方就是轴线较长，会造成主轴过短，使主轴承受的载荷增大。但是对于小型的风力发电机来说，基本不会过载。4.3 整机传动参数设计详细结构如图4-2所示其中：I轴为主动轴； II轴为安装大齿轮的轴； III轴为安装小齿轮的轴; IV轴为连接发电机的轴。图 42各轴布局（1）各轴转速(rmin)上图传动系统中各轴转速为：nI=nII=358rminnIII=nIV=inI=1.676358=600rmin（2）各轴输入功率PKWPI=400WPII=PI1=4000.992=392.04PIII=PII2=392.040.970.99=376.48PIV=PIII3=376.480.992=368.99（3）各轴输入转矩TNmTI=9550PInI=95500.4358=10.67NmTII=9550PIInII=95500.39204358=10.46NmTIII=9550PIIInIII=95500.37648600=5.99NmTIV=9550PIVnIV=95500.36899600=5.87Nm将数据整理成表格，方便后面的设计计算使用，如表4-1所示表 41总体动力参数项目轴I轴II轴III轴IV转速rmin358600功率W400392.04376.48368.99转矩Nm10.6710.465.995.87传动比1.676效率0.98010.96070.98014.4 斜齿圆柱轮传动的几何尺寸计算4.4.1 材料、热处理方法、精度等级的选定（1）小型风力发电机属于通用机械，风轮的转速也不是很快，所以采用7级精度就可以满足要求。（2）一般的大型风力发电机齿轮材料都是选用合金钢，但由于小型风力发电机的制造成本不能太高，所以主动、从动齿轮都使用45钢，在经过调质处理后大齿轮硬度210HBS，小齿轮硬度250HBS，两个齿轮的硬度差为40HBS，满足本次设计条件。（3）小齿轮的齿数取：Z1=20，大齿轮齿数为：Z2=uZ1=60035820=33.5，取Z2=34。4.4.2 按照接触强度进行初步计算设计斜齿圆柱齿轮，初选齿轮的螺旋角为=14。斜齿圆柱齿轮的接触强度的计算公式为：d1t32KtT1du+1u(ZEZHH)2#（4-1）（1）试选齿轮载荷系数为Kt=1.4。（2）计算小齿轮所传递的转矩T1=T3=5.99Nm（3）齿数比u=Z2Z1=1.676（4）齿宽系数d=1（5）查机械设计表10-6得材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa12（6）斜齿圆柱齿轮区域系数的确定，区域系数为ZH=2.432 斜齿圆柱齿轮循环次数计算公式为：N=60n1jLh#（4-2）假设风力发电机的工作寿命是10年，每年有300天在工作，每天至少工作20个小时，则：N1=6060011030020=2.16109 N2=N1=2.161091.676=1.29109 （7）查机械设计图10-19可得： KHN1=0.92 KHN2=0.94（8）查机械设计图10-21-d得： Hlim1=580MPa Hlim2=520MPa（9）计算斜齿圆柱齿轮的接触疲劳许用应力，失效概率取1%，安全系数SH=1H1=KHN1Hlim1SH=0.925801=533.6MPaH2=KHN2Hlim2SH=0.945201=488.8MPa（10）斜齿圆柱齿轮的许用接触应力为：H=H1+H22=511.2MPa（11）查机械设计图10-26得： 1=0.779 2=0.792 1+2=1.571（12）根据前面的数据计算小斜齿圆柱齿轮的分度圆直径d1t32Kt