3KW升阻復(fù)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與靜動力學(xué)分析.pdf

1、垂直軸風(fēng)力機(jī)具有無需對風(fēng)裝置、結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)、運(yùn)行噪聲低和安全性高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)其葉片做功方式不同可以分為升力型和阻力型兩種。阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)具有起動力矩大、起動風(fēng)速低的優(yōu)點(diǎn)，但存在轉(zhuǎn)速低和風(fēng)能利用率低的問題，而升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)則具有轉(zhuǎn)速高和風(fēng)能利用系數(shù)高的優(yōu)勢，但存在低風(fēng)速下起動性差的問題。升阻復(fù)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)正是將這兩者進(jìn)行結(jié)合的一種新型風(fēng)力機(jī)，具有較好起動性和較高風(fēng)能利用率的特點(diǎn)。目前，很多學(xué)者通過數(shù)值計(jì)算和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的方法

2、對垂直軸風(fēng)力機(jī)的性能（起動性、風(fēng)能利用率）進(jìn)行了深入的研究，取得了一定的研究成果。然而對垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的研究較少，要想讓使垂直軸風(fēng)力機(jī)在現(xiàn)實(shí)生活中得到廣泛應(yīng)用，發(fā)揮其價(jià)值，還需要對其整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行迸一步的研究。
　　該研究以3 KW升阻復(fù)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)為研究對象進(jìn)行了以下三部分的研究:
　　(1)風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)組成，將風(fēng)力機(jī)分為風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架三部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。風(fēng)輪部分的設(shè)計(jì)首先通過風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)理論分析

3、，選取了NACA0018作為升力型葉片翼型，其次對升力型和阻力型葉片的弦長、翼展、回轉(zhuǎn)半徑進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算?；陲L(fēng)輪氣動參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果，最后對橫梁的結(jié)構(gòu)截面選擇和尺寸參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。機(jī)艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分根據(jù)所設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)和氣動特性，選擇了盤式永磁無鐵芯發(fā)電機(jī)和電磁制動器。接下來對主軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并完成了軸承的選型。塔架的設(shè)計(jì)對風(fēng)力機(jī)的安全運(yùn)行起著重要的作用。通過對鋼混、桁架、鋼筒塔架優(yōu)缺點(diǎn)的分析，選擇鋼筒結(jié)構(gòu)塔架作為3KW升阻復(fù)合型

4、垂直軸風(fēng)力機(jī)塔架。
　　(2)風(fēng)力機(jī)主要結(jié)構(gòu)靜動力學(xué)分析。首先分別對葉片、橫梁、主軸、塔架在額定工況下的載荷進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用ANSYS有限元軟件對其應(yīng)力和位移大小進(jìn)行計(jì)算求解，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度校核和改進(jìn)設(shè)計(jì)。在靜力學(xué)分析基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)的低階固有頻率和振型，分析結(jié)果表明，葉片、主軸和塔架的固有頻率均小于其一階固有頻率，不會發(fā)生共振現(xiàn)象。對風(fēng)力機(jī)的主要結(jié)構(gòu)靜動力學(xué)分析保障了風(fēng)機(jī)的安全可靠運(yùn)行。
　

5、　(3)制作樣機(jī)和野外運(yùn)行測試?；诶碚摲治鼋Y(jié)果，對所設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行加工圖紙的繪制和零部件的制作，完成風(fēng)力機(jī)安裝和調(diào)試工作。通過觀測風(fēng)力機(jī)在野外工作環(huán)境下的空轉(zhuǎn)運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)該風(fēng)力機(jī)能夠在2 m/s的低風(fēng)速下順利起動，起動性能較好。在13 m/s的風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)運(yùn)行正常，各零部件沒有發(fā)生明顯的變形和振動現(xiàn)象。
　　該研究基于解析計(jì)算和有限元分析相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，對升阻復(fù)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和制作。樣機(jī)野外運(yùn)行實(shí)驗(yàn)研究表明理