垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片建模與研究農(nóng)用

趙輝+閆震

摘 要：采用獨立供電系統(tǒng)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠解決農(nóng)業(yè)用電問題。本文研究垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，采用 Darrieus 式H型風(fēng)輪，設(shè)計NACA0018升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，利用三維建模軟件solidworks建立葉片的三維實體模型。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;葉片;垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī);三維建模

中圖分類號： TM315 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 1673-1069（2016）33-152-2

0 ?引言

對于我國農(nóng)村地區(qū)，由于電力負(fù)荷分散密度較低，致使輸送線路電能浪費。又因為干旱季節(jié)、農(nóng)忙時節(jié)用電量大，其他時間用電量小，這樣很難對電網(wǎng)資源進(jìn)行有效的配置，因此常規(guī)大電網(wǎng)不適于農(nóng)業(yè)用電。小型農(nóng)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、安裝維護(hù)方便，而且保護(hù)環(huán)境，有利于國家的可持續(xù)發(fā)展，因此，采用獨立供電系統(tǒng)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠有效地解決農(nóng)業(yè)用電問題。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)分為水平軸和垂直軸兩種類型，相對水平軸風(fēng)力機(jī)，垂直軸風(fēng)力機(jī)安裝、維護(hù)方便，成本也低，更適合于農(nóng)戶使用。其中，風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最為關(guān)鍵的部分，葉片的翼型和結(jié)構(gòu)形式，直接影響了發(fā)電機(jī)組的性能、功率和使用壽命。本文進(jìn)行葉片造型及三維建模。選擇NACA-0018翼型，為普通家庭用戶提供電力，擬用300W永磁直驅(qū)式小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片，實現(xiàn)220V家用電器的電力供給[1-3]。

1 ?葉片選型

設(shè)計的NACA0018升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，擬定采用 Darrieus 式 H 型風(fēng)輪。H型風(fēng)力機(jī)的葉片數(shù)一般為2到6個，達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)葉片是通過兩端或中部，進(jìn)而固定在轉(zhuǎn)軸上，這有助于加大機(jī)械的強(qiáng)度，同時可以做得很輕巧;達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)對塔架要求比較低，安裝簡單，檢修便利。然而對于達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的不能自起動問題，葉片的重心必須要放在葉片轉(zhuǎn)軸上，由于葉片轉(zhuǎn)軸是在葉片弦線的前部四分之一的地方，很難做到前后的平衡。我們在葉片前方固定一個平衡桿，平衡桿的軸線是在葉片弦線延長線上，離心擺桿是指向風(fēng)輪的外側(cè)，它的軸線是通過葉片轉(zhuǎn)軸和風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸，在平衡桿上方安裝可調(diào)節(jié)位置的平衡錘，通過調(diào)節(jié)平衡錘位置，來使葉片重心落在葉片的轉(zhuǎn)軸上。采用離心力與風(fēng)力，直接調(diào)節(jié)風(fēng)輪葉片攻角的垂直軸風(fēng)力機(jī)的運動副，最少、制造、安裝、維護(hù)簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、能自動起動、并能應(yīng)對風(fēng)速和負(fù)荷的突變、可在較寬風(fēng)速和較寬負(fù)荷變化的范圍內(nèi)工作，總風(fēng)能利用系數(shù)會比較高。

2 ?風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片建模

利用Solidworks進(jìn)行三維實體建模。打開solidworks軟件，以XY面為基準(zhǔn)面建立水平坐標(biāo)系，風(fēng)力發(fā)電的葉片翼型弦長為210mm，垂直軸葉片的攻角α應(yīng)小于15°，葉片繞風(fēng)輪轉(zhuǎn)角θ在運動中不斷變化，以210m為水平軸分別乘以不同位置位標(biāo)數(shù)確定水平長度和豎直上下表面長度，繪制出弦長210mm的翼型，畫出如下的二維草圖1：

轉(zhuǎn)換成三維模式，以在二維模式下已經(jīng)繪制的草圖為基準(zhǔn)面，進(jìn)行拉伸操作，沿Z軸正方向拉伸，長度為1200mm。風(fēng)葉的壓力中心在弦長靠左端的四分之一處，并且在水平方向的對稱中心上。在風(fēng)葉中心線上打一半徑為r1的圓形通孔，再通一半徑為r的葉片轉(zhuǎn)軸，拉伸出一定長度，風(fēng)葉與葉片轉(zhuǎn)軸的配合關(guān)系為過盈，打孔并加入中心轉(zhuǎn)軸的三維圖如圖2。

先確定平衡桿的位置，沿平行于弦長且垂直平行軸的方向，平衡桿中心通過葉片轉(zhuǎn)軸的中心，且與端面的水平距離為L，平衡桿截面的直徑為D，再在平衡桿上截取一個圓環(huán)面，以垂直于圓環(huán)面且平行于中心轉(zhuǎn)軸的中心線為轉(zhuǎn)動中心，旋轉(zhuǎn)出一個球體，即為平衡錘，如下圖3。

離心桿的繪制方法與平衡桿的繪制方法相似，方向為垂直于風(fēng)葉轉(zhuǎn)動中心與風(fēng)葉的平衡桿，離心錘的繪制方法與平衡錘的繪制方法也相同，通過確定轉(zhuǎn)動中心軸與截取的圓環(huán)面便可確定離心錘的位置及大小。具體圖形如圖4：

下面為設(shè)計好的H型NACA0018升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)葉的立體圖，如圖5。

3 ?結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電機(jī)有效地解決了農(nóng)業(yè)用電問題，葉片為風(fēng)力機(jī)的重要元件。本文研究了采用 Darrieus 式 H 型風(fēng)輪的NACA0018升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，進(jìn)行了葉片建模，為農(nóng)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用提供了技術(shù)參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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[2] 詹姆斯·曼韋爾，喬恩·麥高恩.風(fēng)能利用——理論、設(shè)計和應(yīng)用[M].西安交通大學(xué)出版社，2013，11.

[3] 李春鵬.立軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)畢業(yè)設(shè)計文獻(xiàn)綜述[J].河北科技大學(xué)，2013（2）.

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