小型风力发电机动力结构设计

图3-4 达里厄垂直轴风力发电机 图3-5 旋翼式垂直轴风力发电机 1- 塔架；2-发电机；3-制动器；4-联轴器； 1-发电机；2-增速器；3-塔架； 5-增速器；6-垂直轴；7-叶片；8-拉线 4-下支撑；5-翼片致动器；6-钢架；

7-叶片；8-上支撑

通过上述介绍及其所查资料显示，水平轴风力发电机的研究远远多于垂直轴风力发电机的研究，水平轴风力发电机已有大量资料可用来进行设计计算，而垂直轴风力发电机的研究却没有较大进展，虽然垂直轴风力发电机有很多缺点，但其优点是水平轴风力发电机所不能替代的，所以在下一章节将重点介绍本课题研究的内容，垂直轴风力发电机组的部分零部件的设计。

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小型风力发电机动力结构设计

第四章 垂直轴风力发电机组部分零部件的设计

一定速度前进的风吹在静止的风力机叶片上做功并驱动发电机发电，将风能有效地转变成电能。风力发电机就是由风力机驱动发电机的机组。本章将对风力发电机的部分结构进行设计计算。

4.1风力机的基本原理

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小型风力发电机动力结构设计

4.2小型风力发电机部分零部件的设计

在贝茨(Betz) 基本理论的基础上，通过实践设计小型风力发电机的部分零部件。

垂直轴风力发电机不受风向限制，不用调向，发电机、增速器、联轴器、离合器、制动器等可直接安装在地面上，具有结构简单，维修方便等优点，致使一些国家不遗余力地研究。但垂直轴风力发电机启动困难，需其他动力来启动，且效率较水平轴风力发电机低。所以其发展受到限制，目前世界发达国家商品风力发电机都是水平轴。尚未见到垂直轴风力发电机商品。

下面介绍本课题中垂直轴小型风力发电机的部分零部件的设计。

4.2.1叶片

4.2.1.1．风轮功率的确定

经验公式给出风轮输出功率的最大值 Ne=0.25Sv式中 Ne--最大输出功率，w或kw； S--叶片扫掠面积，m； v--风速，m/s。

4.2.1.2叶片扫掠面积S

S= Ne/0.25 v式中 R--叶片扫掠的最大半径，m H--风轮高度之半，m。

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3

2

3

（4-7）

（4-8）

还可以表达为 S=8/3RH （4-9）

小型风力发电机动力结构设计

4.2.1.3．风轮半径R的确定

R=3S/8H （4-10）

4.2.1.4尖速比λ的确定

λ=2πnR/60v （4-11）

4.2.1.5叶片各处的尖速比

λ

i=

riλ/R （4-12）

式中λi--距转动中心不同半径的尖速比； ri--叶片至转动中心不同位置的半径，m； R--叶片最大转动半径，m。

4.2.1.6叶片弦长L

根据加拿大涅太华的J．TemPlin(J·腾普林)试验结果 叶片弦长可由下式给出

L=5R/K λ2

式中 L--叶片弦长，m； K--叶片数。

4.2.1.7叶片距转动中心不同位置的半径的弦长Li Li=5ri/kλi

2 式中 Li--叶片距转动中心不同半径的弦长，m；

ri--叶片距转动中心不同位置的半径，m； k--叶片数。

4.2.1.8增速比i的确定

i= nD /n 式中 nD--发电机额定转速，r／min； n--风轮额定转速数，r／min。

4.2.1.9叶片设计计算

本课题所设计的叶片如图4-2所示，a）、b）为二维图，c）为三维图。其总长为1000mm，总宽为355mm，最大使用风速为20m/s 由此得叶片扫掠面积

S=1000×355=0.355 m2

风轮输出功率的最大值

Ne=0.25Sv3

=0.25×0.355×203

=0.71kw。

符合设计要求。

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（4-13）

（4-14） （4-15）

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图4-2 c）叶片三维图

4.2.1.10叶片的材料

本设计中叶片材料采用的铸造铝合金（ZL104）。Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，密度小，具有良好的耐蚀性、耐热性和焊接性能，可通过热处理来强化。最后表面抛光处理。

图4-3 a）轴毂的三维图

图4-2 b）叶片的主视图 图4-2 a）叶片左视图

4.2.2轴毂

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图4-3 b）轴毂的二维图