毕业设计（论文）-气垫车用气垫开放设计.doc

本科毕业设计（论文）说明书气垫车用气垫开发设计 系 别 机电工程 专业班级 机械工程及自动化5班 学生姓名 指导教师 提交日期 2012年 5月 21日华南理工大学广州学院内容丰富，可以提交答辩。注意红色部分，最后，自己再核实一下有关公式的推导，文字要把好关，图号、章节号前后要一致，引文要注明出处，严格按照学校规定的格式排版。答辩时间已经定好在6月2日，学校规定过时不候，做好答辩准备。2011-5-25学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学广州汽车学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名： 日期： 年 月 日指导教师签名： 日期： 年 月 日华 南 理 工 大 学 广 州 学 院毕 业 设 计 （论文） 任 务 书 兹发给 08机械5 班学生 杨名银 毕业设计（论文）任务书，内容如下： 1.毕业设计（论文）题目： 气垫车用气垫开发设计 2.应完成的项目： （1） 资料收集 （2） 气垫设计 （3） 气垫功率计算分析 （4） 3.参考资料以及说明： （1）户用小型风力发电机使用与维护 邓可蕴主编 沈德昌编著 中国农业出版社 （2）风能与风力发电技术 刘万琨 等编著/2007年01月/化学工业出版社 （3）风力发电机组设计 芮晓明 等编著/2010年03月/机械工业出版社 （4）风力发电机组原理与应用 姚兴佳，宋俊 等编著/2009年08月/机械工业出版社 （5）风力发电用感应发电机 弗拉基斯拉夫阿赫玛托夫（akhmatov,v） 著；风力发电用感应发电机翻译组 译/2009年08月/中国电力出版社 （6）风力发电机组控制技术 霍志红 等编著/2010年05月/水利水电出版社 （7）其它相关参考资料，如机械设计手册等。 4.本毕业设计（论文）任务书于 年 月 日发出，应于 年 月 日前完成，然后提交毕业考试委员会进行答辩。 专业教研组（系）负责人 审核 年 月 日 指导教师（导师组） 签发 年 月 日毕业设计（论文）评语： 毕业设计（论文）总评成绩： 毕业设计（论文）答辩小组负责人签字： 年 月 日 38摘 要气垫运输车用于载人飞船整船、推进舱、轨道舱等大型设备、仪器工装的移动，已成功应用于载人飞船在总装厂房和发射阵地的移动，载荷重量可达22吨。气垫运输车通过压缩空气对气垫盘充气，使气垫保持压缩空气不断喷出，在气垫与地面间形成一层气膜，使运输车“浮”在地面上，车与地面间摩擦阻力很小，较小的推力即可推动承载几十吨的气垫车前进。运输车的移动动力也利用压缩空气，操纵者可通过便携式控制盒上的操纵柄或按钮使气垫车起升、前进、后退、左右移动或360转动。气垫运输车的起升、运动灵活，性能安全可靠。气垫技术现已在运输交通，日常生活，医疗卫生当中应用，但是并不是为大多数人说熟知，很多人都是知其然而不知其所以然，近年来，气垫技术得到改进，以气垫船、气垫车为代表的创新发展，甚至出现了可以与磁悬浮列车娉美的气垫列车，气垫技术以其低廉的开发成本，稳定的工作、灵活性得到人们的青睐，是未来交通运输一大生力军，而且气垫技术基本不对环境产生危害，完全可以利用电力驱动的鼓风机提供动力，符合未来清洁能源的利用。气垫技术是一种独特的21世纪新技术，其中气垫设计是核心技术，如何提高气垫的利用效率、功率、现实生活的适用性是其主要的发展趋势。关键词： 气垫技术 摩擦力 运输 abstracttheair cushiontransport vehiclesused fortheentire shipmanned spacecraft,thepropulsion module,orbital module,and otherlarge equipment,toolingmovementofthe instrument,has been successfullyusedinmanned spacecraftintheassemblyplant andthelaunch positionof themobileloadweightofupto22 tons.air cushiontransportersbycompressed airso thatair cushioninflatablecushionplate,keepthecompressed airemittinglayerofair filmformedbetweenthecushionandtheground,thetruckfloaton the ground,thefrictional resistancebetweenthecar andtheground, the smaller thethrusttopromotethecarryinghundredsoftons ofhovercraftforward.thetrucksmobilepowerusing compressed air,themanipulatorcanmake thehovercraftthroughthemanipulation ofthehandleorbuttonon theportablecontrol boxlifting, forward, backward,move around,or360 rotation.cushiontrucklifting, exerciseflexibility,performance, safety and reliability.theair cushiontechnology is nowin thetransportof daily life,medical and healthamong theapplications,but notfamiliar withmost people say, many people areknowingbut not the why, in recent years, air cushiontechnologyis improved,hovercraft,hovercraftastherepresentativeoftheinnovation and development,evenair-cushiontrainmaglev trainpingmei,theair cushiontechnologywithitslowdevelopment costs,a stable job,theflexibility ofpeople of all ages, isanew forceofthefuture transport, andair cushiontechnologythebasicenvironment is notharmful,canuseelectric-poweredblowerto power, in line withtheuse of clean energyfuture.theair cushiontechnologyis a uniquenew technologyofthe21st century, includingair-cushiondesignisthecore technology,andhow to improve theutilization efficiency ofthe air cushion, power,real-lifeapplicability ofits maindevelopment trends.keyword: angle of attack, tip speed ratio, wind energy utilization coefficient目录摘 要iabstractii第一章：绪论1.1我国气垫车用气垫应用状况1.2气垫车和其他与起重机械相比的优势第二章：气垫盘各特征参数介绍2.1气垫盘的工作原理2.2气垫盘空气动力学基础第三章：气垫盘设计3.气垫盘外形设计3.气垫盘内设计3.气垫密封第四章：气垫盘功率分析4.1气垫压力4.2气垫产生的气流厚度4.3输入压力和流量4.4计算功率第五章：总结5.1结论355.2展望36参考文献37致谢38第1章 绪论1）气垫车用气垫利用意义垫运输车用于载人飞船整船、推进舱、轨道舱等大型设备、仪器工装的移动，已成功应用于载人飞船在总装厂房和发射阵地的移动，载荷重量可达22吨。气垫运输车通过压缩空气对气垫盘充气，使气垫保持压缩空气不断喷出，在气垫与地面间形成一层气膜，使运输车“浮”在地面上，车与地面间摩擦阻力很小，较小的推力即可推动承载几十吨的气垫车前进。运输车的移动动力也利用压缩空气，操纵者可通过便携式控制盒上的操纵柄或按钮使气垫车起升、前进、后退、左右移动或360转动。气垫运输车的起升、运动灵活，性能安全可靠。 2）气垫车用气垫背景(1)行业现状。气垫技术现已在运输交通，日常生活，医疗卫生当中应用，但是并不是为大多数人说熟知，很多人都是知其然而不知其所以然，近年来，气垫技术得到改进，以气垫船、气垫车为代表的创新发展，甚至出现了可以与磁悬浮列车娉美的气垫列车，气垫技术以其低廉的开发成本，稳定的工作、灵活性得到人们的青睐，是未来交通运输一大生力军，而且气垫技术基本不对环境产生危害，完全可以利用电力驱动的鼓风机提供动力，符合未来清洁能源的利用(2)发展趋势。气垫技术是一种独特的21世纪新技术，其中气垫设计是核心技术，如何提高气垫的利用效率、功率、现实生活的适用性是其主要的发展趋势，第二章 风力机基本理论2.1风力机的能量转换原理（1）风力机性能的特征参数 风力机性能的特征参数主要有：风能利用系数cp、叶尖速比、扭矩系数ct、阻力系数cd和实度sa。风能利用系数cp：cp的物理意义是，风力机能够从风中获得的能量与风轮扫掠面积内的未扰动气流所含风能的百分比。cp值越大，表示风力机能够从风中获得的能量百分比也越大，风力机对风能利用率越高。风能利用系数cp的最大值是0.593，高性能螺旋桨式风力机的cp值可达0.45，而阻力型风力机的cp只有0.15左右。叶尖速比：叶尖速比，是指风力机叶片的叶尖线速度和风速的比值，也叫周速比，有时用tsr表示。扭矩系数ct：ct表示风力机扭矩的特征系数，而阻力系数cd是表示风力机所受阻力的特征系数，为了便于和其他风力机比较，这两个系数都无因次性能参数（无因次性能参数仅与风力机类型有关，它与转速和风力机大小无关，或者说它消除了转速和尺寸大小的因素，从另一个角度反映风力机的性能特征。而风力机性能参数不仅与风力机类型有关，还与转速和风力机大小有关）。高速风力机的输出功率系数较小，扭矩系数小，适用于风力发电；低速风力机的输出功率系数较小，扭矩系数大，适用于风力提水。实度sa：实度是风轮投影面积与风轮扫掠面积的比值。通常，实度大的风力机属于叶尖速比小的大扭矩、低转速型，而实度小的风力机则属于叶尖速比大的小扭矩、高转速型。如图2-1所示，为风力机实度sa和叶尖速比之间的关系。图2-1 风力机的实度和叶尖速比关系16（2）风力机输出功率风力机工作曲线：图2-2表示了风力机的输出功率和风轮转速之间的关系，称为风力机工作曲线，横坐标表示转速，纵坐标表示输出功率，风速是变量。一般来说，风力机在无负载是达到最高转速，如图2-2曲线a表示，随着负荷增加，转速减低，当与输出功率和转速降低，叶片失速。风力机的输出功率：风力机的输出功率为pe=cpcq（千瓦） （注意核实） （2-1）式中-空气密度，在空气温度为15及大气压力为101.32kpa时，=1.225千克/立方米；cq-传动装置及发电机的效率系数；图2-2 风力机工作曲线16（3）风能转换的轴动量理论 该理论假定空气为无粘性理想流体，并将风轮理想化为一个进行能量转换的均匀圆盘，从质量、动量和能量守恒来研究风能转换的规律，这一理论又称为圆盘理论。圆盘理论合理地描述了风轮周围空气速度场、压力场的变化规律，为风力机气动理论的早期发展奠定了研究基础。但它不能描述风轮旋转导致的涡流现象。根据圆盘理论，风轮周围空气速度场、压力场见图2-3描述。图2-3 风轮对周围风速场和压力场的影响16根据动量守恒原理，可知空气作用在风轮上的推动力为： t=0.5au（v0-u1 ） （2-2）式中a为风轮扫掠面积，u为通过风轮的风速，au代表了单位时间内流过风轮的空气质量，v0 为风轮前方为受风轮影响的来流风速，u1 为尾流中达到原权利平衡后的风速。根据能量守恒定律，风轮推力对气流做的工tu应与气流通过风轮后的动能变化相等，因此：t=0.5au（v02-u12） （2-3）联立式（2-2）和式（2-3）得到：u=0.5（v0+ u1 ） （2-4）即流过风轮的风速是风轮上游风速和下游风速的平均值。如果定义轴向诱导速度因子a=（v0- u1 ）/ v0 则：u=（1-a）v0 u1 =（1-2a）v0 (2-5)假定气流通过风轮后的动能全部被风轮转换为机械能，则风轮功率为：p=0.5au（v02-u12）=0.5au（v0+ u1）（v0- u1） （2-6）即可得到圆盘理论的风能利用系数为：cp=4a（1-a）2 （2-7）由式（2-7）可知，当诱导因子a=1/3时，cp有极大值：cpmax=16/27=0.5926 （2-8）这就是风力机风能利用系数的betz极限。162.2气动力分析与水平轴风力机叶片一样，垂直轴风力机叶片截面也是翼型。由于垂直轴风力机属于开式旋转机械，风轮一般由多个叶片组成，叶片产生的尾迹会影响下一叶片的来流状态，继而可能导致到叶片前缘攻角的变化。同时，叶片的自诱导和互诱导尾迹对叶片前缘攻角也产生影响，所以垂直轴风力机的流动问题具有外流和内流空气动力学的双重特点。对于特定翼型的叶片，相对叶片流动的风在叶片上表面的流速加大，风压降低，形成吸力面；在叶片下表面流速降低，压力升高，形成压力面，由此形成垂直于相对来流的升力凡和平行来流的阻力fd。图2-4 垂直轴风力机的叶素力学模型如图2-4所示，考虑风向矢量，分别取垂直和平行风向的两参考轴x、y，建立坐标系xoy；分析一旋转半径为r，转速为力的叶素上的气动力。令叶片所处位置角为，并设与风向相同的方位角为=0，则在叶片厚度中心处的平均线速度：u=rn （2-1）在图1所示xoy参考系中，风速矢量=0,-v， 叶片的速度矢量=-usin,ucos，风对叶片的相对速度:=- (2-2)经矢量运算得到=usin,(-v-ucos) (2-3)而的长度即是相对风速的模|。作用在叶片上的升力fl和阻力fd：fl= sclvr2 (2-4)fl= scdvr2 (2-5)式中，p为空气密度，s为叶片受风面积，cl、cd分别是叶片的升力系数和阻力系数。fl和fd可分解为作用在风轮径向和切向的分力：flt=flsinflr=flcos （2-6）fdt=fdsinfdr=fdcos由式（2-6）得到到径向分力fr和切向分力ft为ft=flt+fdt （2-7）其中径向力fr作用在叶片和风轮轴上，而切向力ft则使转子产生转动力矩m=ftr （2-8）式中，r为风轮半径，m是方位角为的叶片对风力机转子所产生的转矩。对于多叶片构成的的叶轮，可将各叶片相对于参考叶片的夹角分别代入式（2-8）中，就可以得到整个叶轮的气动特性。当然，式（2-8）是做了很大简化的静态结果，式中没有考虑诱导速度对叶片的影响，但通过该式可以简单了解垂直轴风机叶片的气动原理。对于叶片处于不同方位角时的速度三角形的研究表明，除在叶素型的对称面与风向平行或接近平时，几乎在所有的位置上作用力都能产生相应的驱动转矩。考虑到相对风速w与翼型间的攻角不会超过极限值若风轮的圆周速度大于风速，叶片就可以满足小攻角的条件，保证叶片不至于出现完全失速，能够产生较大的升力使叶轮旋转。但是如果叶轮静止，攻角会很大，在某些位置发生失速，叶片不能产生足够的转矩使叶轮旋转，这是达里厄风力机不能自起动的原因。采用必要的技术措施对达里厄风力机改进，同时选用适当的叶片数目配置，使得至少有一叶片满足升力产生条件，使垂直轴风力机能够自启动。17第三章h型垂直轴风力机的攻角分析3.1影响叶尖速比选择的因素图3-1 风速与叶片截面的受力关系 图3-2 攻角与升力系数cl、阻力系数cd的关系由图所示， 气流方向与叶片横截面的弦长方向的夹角 称为攻角；叶轮安装时，叶片要以叶轮自身轴为轴线转过一个给定角度， 叶片的翼弦与叶轮旋转平面的夹角 称为安装角；v 为吹向风轮旋转平面的自然风速，r为计算点叶片旋转的线速度，vr为气流相对于叶片计算点的相对风速，它们的矢量关系为：（图3-1中有误，没有画出，请核实）vr=r+v （1）水平卧式风力机叶片上各点r和v 的比值是不同的， 把叶片尖点的线速度与自然风速之比（=r /v）称为叶尖速比。确定叶尖速比时， 要考虑叶尖速比对风能利用系数或升力系数的影响，以及叶尖速比对离心力的影响。一般而言，在相同条件下，叶尖速比越大，风力机的旋转速度就越大，其离心力以2 次方关系加大，进而使叶片、塔架等结构出现更大的应力，并影响它们的振动频率等动力学特性。对于功率不大的风力机， 可以通过加强结构条件来减小应力、改善动力学特性。因此，一般情况下，先尽可能从提高风能利用系数或升力系数入手来选择叶尖速比值。由于叶尖速比的不同，气流方向与翼弦的攻角改变，影响风力机的升力系数和风能利用率。由图3-1 可知，r与v 的比值直接影响攻角 的大小， 即影响着升力系数cl和阻力系数cd，升力系数越大则风能利用率越高。图3-2 反映了攻角 和升力系数cl及阻力系数cd的关系。当攻角 值增加到某个临界值时，升力fl达到最大； 当攻角 继续增大时， 升力突然下降，阻力fd急剧增大；因此存在一个使升阻比（cl /cd）最大的最佳攻角（ 一般为1214 ），此时风能利用率最高。1819叶片数少于4 个的高速水平卧式风力机的叶尖速比 为5 左右，此时叶尖点的攻角处于最佳值。叶片其它截面处的r与v 比值要小于叶尖点，为了使整个叶片截面都能获得有利的攻角值，可使叶片每一个截面的安装角 随着半径的增大而逐渐减小。安装角 和攻角 的关系如图3-1 所示。当安装角 确定时，叶尖速比 越大，则同一截面的攻角 越小。垂直轴风力机一般不存在安装角问题，因此主要考虑攻角对叶尖速比的影响。3.2 垂直轴风力机叶片攻角变化特点3.2.1 h型垂直轴风力机叶片攻角的基本特点当自然风速不变、叶尖速比一定时，垂直轴风力机在旋转过程中，叶片上某点的攻角值 随位置的不同而变化。以h 型垂直轴风力机（darrieus）为例，垂直轴风力机运行时，叶片绕竖直立轴旋转，a，b，c，d 是叶片旋转的4 个位置点（图3-3）。图3-3 h 型垂直轴风力机叶片运动示意图如图所示，在b，d 两点处，自然风速和叶片旋转的线速度在同一方向上，气流不产生升力fl（叶片截面形状基本呈翼弦对称）； 在a，c 两点处，自然风速v 和叶片旋转的线速度r垂直，气流相对于叶片计算点的相对风速vr和叶片形成较大攻角，并可产生较大的升力fy，驱动风力机旋转。可见，在不同位置叶片的受力情况是不同的。3.2.2 攻角变化与叶片位置的关系以图3-4 中的e，f，g，h 这4 点为例， 分析不同位置点各种风速的相互关系。图3-4 叶片旋转位置与攻角的关系如图3-4 所示， 叶片旋转到h 点时，oh 与ob的夹角hob 值为，它表示了叶片的位置关系。叶片线速度wr方向和h 点的切向相同， 自然风速v 方向和ob 垂直， 根据几何关系，v 和wr的夹角等于，vr和wr的夹角即为气流形成的攻角。以同样方法可知e，f，g 点的攻角。由图2 和图5 可知， 当自然风速v 不变时，气流相对于叶片计算点的相对风速vr不仅和叶片旋转的线速度wr有关，还和垂直轴风力机叶片所处的位置有关。不同 角值对应不同的相对风速vr和不同的攻角 值。随着位置的变化，攻角 会以翼弦为基准在翼弦两侧摆动变化， 使得攻角 有正有负，叶片由b 点旋转到d 点时，攻角 设为正值；由d 点旋转到b 点时，攻角 为负值。翼弦两侧叶片的工作条件和环境基本一样，因此垂直轴风力机叶片一般应设计成对称形。3.2.3攻角和叶尖速比的计算分析在垂直轴风力机旋转过程中，叶片上某点的攻角值 随位置（角）的不同而变化，攻角和位置（角）的关系可根据图2-2-2 所示的几何关系求得。根据几何分析可知第一、二象限计算公式相同。由正弦定律可得： (3-1)由叶尖速比公式得： (3-2)由（3-1）(3-2)公式可得： (3-3)第三、四象限计算公式相同。由正弦定律可得： （3-4）由(3-2)（3-4）公式可得： (3-5)由（3-3）（3-5）公式可知，当叶尖速比确定时，就可得到不同位置点的攻角。表3-1 叶尖速比与攻角关系图3-5 不同叶尖速比时攻角与位置关系图3-5把表3-1的计算结果更加直观地表示出来。随着叶尖速比的递增，攻角的变化范围在缩小，叶片攻角值不仅和叶尖速比值有关，还和叶片所处的位置有关，随着位置的变化，攻角会以翼弦为基准在翼弦两侧摆动（或正或负），而翼弦两侧叶片的工作条件和环境是基本一样的， 因此垂直轴风力机叶片一般应设计成对称形。根据对称翼型的升力系数与攻角间的关系，失速角一般在11至13度，理想状态下可达15度，所以翼型的最大攻角不要超过15度。从以上图中可看出只有在叶尖速比大于4时，翼型的最大攻角才不超过15度。但叶尖速比也不能过大，过大使攻角过小而升力小，所以垂直轴风力机的理想工作范围应该在4至6之间。第四章垂直轴风力机的功率计算及风能利用率分析为了比较全面地分析翼叶对风力机功率的影响和为本毕业设计小组提供更好的数据，本章采用naca0012、naca0015、naca0018翼型进行计算，如图4-1，三种翼型均为对称翼型。nacaoo12、naca0015和nacao018翼型的最大厚度位于距叶片前缘0.297倍弦长处，且最大厚度分别为弦长的12%、15%和18%。图4-1 naca翼叶4.1升力系数cl和阻力系数cd与攻角关系升力系数：物体（如飞机）飞行时因为其本身的形状而受到气流所作用的向上的力与物体相应的动压和参考面积之积的比率升力系数用c表示,动压用q表示,参考面积用s表示,升力用l表示,则c=l/(qs)它是一个无量纲的量。阻力系数：对于飞行器来说，阻力系数定义为物体（如飞机、导弹）所受到的阻力与气流动压和参考面积之比，是一个无量纲量。雷诺数：这是流体力学里面的一个参数判别粘性流体流动状态的无因次数(即无量纲参数)群，其表达式： relup/式中u为流体流动速度；l为流场的几何特征尺寸（如管道的直径）；p为流体的密度；为流体的粘度。雷诺数是流体流动中惯性力与粘性力比值的量度：式中t为时间;u/t是加速度；u/l为剪切应力（见粘性流体流动）。1883年，英国物理学家o.雷诺观察了圆管内的流动状态,首先提出:由层流向湍流的过渡取决于比值dup/（d为管子内径）。这个比值即雷诺数 re。流态转变时的re值称为临界雷诺数。实验（见层流）表明：对于圆管内的流动，当re2300时，流动总是层流；re4000时，流动一般为湍流；其间为过渡区，流动可能是层流，也可能是湍流，取决于外界条件。对于平行流体流过光滑平板的情况，边界层由层流转变为湍流的临界雷诺数约在1053106之间。依据雷诺数的大小可以判别流动特征，从而对运动方程作不同的近似处理，得出方程的解。此外，在涉及流体流动的热量传递和质量传递等过程中也广泛应用雷诺数。雷诺数对流体流动过程的实验研究有重要作用。若几何相似的模型实验与实际过程的雷诺数相等，则称两者为动力相似的流动。这对研究粘性流体流动的实验设计和数据处理有重大意义。16通过文献sheldahl, r. e. and klimas, p. c., aerodynamic characteristics of seven airfoil sections through 180 degrees angle of attack for use in aerodynamic analysis of vertical axis wind turbines, sand80-2114, march 1981, sandia national laboratories, albuquerque, new mexico.可查得naca0012、naca0015、naca0018升力、阻力系数。由于上一章已经算出最大攻角范围不超过+-26，所以本章只选取了攻角在+26-26之间的参数和雷诺数为160000，如下表：表4-1 naca0012升力系数和阻力系数与攻角的关系由上述表格中可以得出更为直观的曲线图，如下图：图4-2 naca0012cl、cd与攻角关系从图中可以看出，naca0012阻力系数在攻角-1010度之间相对在其他攻角时候是比较小的，基本接近零，升力系数和阻力系数在攻角-88度之间有比较好的数值差，所以在攻角-88度之间风力机有比较大的转动力使其转动。表4-2 naca0015升力系数和阻力系数与攻角的关系由上述表格中可以得出更为直观的曲线图，如下图：图4-3 naca0015cl、cd与攻角关系从图中可以看出，naca0015阻力系数在攻角-1414度之间相对在其他攻角时候是比较小的，基本接近零，升力系数和阻力系数在攻角-1010度之间有比较好的数值差，所以在攻角-1010度之间风力机有比较大的转动力使其转动。表4-3 naca0015升力系数和阻力系数与攻角的由上述表格中可以得出更为直观的曲线图，如下图：图4-4 naca0018cl、cd与攻角关系从图中可以看出，naca0018阻力系数在攻角-1414度之间相对在其他攻角时候是比较小的，基本接近零，升力系数和阻力系数在攻角-1212度之间有比较好的数值差，所以在攻角-1212度之间风力机有比较大的转动力使其转动。由上述图表可知升力系数cl和阻力系数cd随攻角的变化：三种翼型的曲线变化趋势基本一致。由图中可知，当攻角由零增大时，升力系数cl增大，与clmax对应的攻角m 点称为失速点。当攻角大于m ，cl将减小，阻力系数将迅速增大。当攻角为负值时，cl减小，并能出现负值，在某一负攻角下，cl达到最小值clmin。对应某一攻角，阻力系数cd有最小值，攻角增大或减少，cd都增大。4.2作用在翼叶上的气动力图4-2-1是风轮在转动时，垂直于转轴的一个剖面上，叶片处于相对风速及其所引起气动力的受力分析图。图4-5 垂直轴风力机受力分析图中，v是自然风，vr是相对于叶片的气流速度，wr是叶片线速度，vr与弦线的夹角为攻角。假定流过风轮的风速的速率和方向是固定的，对叶片在不同方位的速度三角形的分析表明，除了当翼型的对称平面平行或近似平行于风的方向外，在其他所在方位的力都能产生一个驱动风轮的旋转力矩。图3-2-1是分析了在风轮旋转一周中，叶片在各个位置上的速度三角型。当气流流过有攻角的翼型时，将产生垂直于vr的升力和平行于vr的阻力，其合力未f，图3-2-1中表明所有位置上叶片都能产生驱动风轮转动的正转矩。首先计算作用在叶片上的气动分力：取一翼型，如图4-2-2所示，其中fd为翼叶所受阻力，方向与相对气流速度vr相同，fl为翼叶所有升力，方向与阻力垂直。图4-6 翼叶受力分析翼叶所受气动压力为：q=vr2 （4-1）那么，翼叶升力fl为：fl=chclvr2 （4-2）翼叶阻力fd为： fd=chcdvr2 （4-3）式中：c为弦长，h叶片长度。升力fl和阻力fd在弦线方向上的合力：ft=flsinfdcos （4-4）升力fl和阻力fd在法线方向上的合力：fn=flcos+fdsin (4-5）由上述公式可知，如果确定叶片长度h，风轮半径r，翼叶弦长c和风速v，可以求出风速与弦线方向合力ft关系。假定风速根据式（4-2）（4-3）（4-4）求得结果如下表：表4-4 不同尖速比下ft与攻角关系 表4-5 不同尖速比下ft与攻角关系 由上表可以得出下面更直观的曲线图，如图：图4-7 =2时，ft的变化曲线图图4-8 =3时，ft的变化曲线图图4-9 =4时，ft的变化曲线图图4-10 =5时，ft的变化曲线图图4-11 =6时，ft的变化曲线图图4-12 =7时，ft的变化曲线图图4-13 =8时，ft的变化曲线图图4-14 =9时，ft的变化曲线图由上图看出，在叶尖速比2和3的时候，翼叶切向力ft有比较多的情况下处于负值，这不利于风轮做功。叶尖速比从49时，翼叶切向力ft基本上都大于零，对风轮输出功率比较有利。但是，翼叶切向力ft最大值随着叶尖速比的增大而减少，这也影响着风轮输出功率。叶尖速比在4、5的时候，翼叶切向力ft最大值在8n左右，当叶尖速比6的时候，ft最大值剧降到6n以下。所以处于叶尖速比4、5的时候，风轮做功比较理想。图2-1-1至图2-1-3，选用naca0012翼型，来流风速为8m/s时，叶尖速比为29时翼叶切向方向上的合力ft的变化。从图中可以看出风轮转到大多数位置上切向力合力ft都是正数，这说明翼叶大多数情况都都能做正功，使风轮在一个方向上转动。所以，h型垂直轴风力机是可以正常工作输出功率。由于naca系列的翼型情况基本一致，在大量的数据计算和分析下，叶尖速比从29时，切向方向上的合力ft的情况也大致相同，所以在这里只列举了叶尖速比从29时，切向合力ft的变化。4.3风轮功率与风能利用系数分析风能输出功率：根据上一节求出的在翼叶上风轮转动方向上的切向力合力ft，可以求出风轮转动一圈需要的扭矩。由于风轮是360转动，攻角随着位置角的不同，就有不同的攻角，这个在第3章中已有分析，所以使风轮做正功的切向力合力ft的瞬时扭矩t各不相同。我们只是需要分析风轮转动一圈的扭矩情况和输出功率，所以可以计算转动一圈的平均切向力合力，再计算平均扭矩t。平均扭矩t：t=rh （4-6）式中：r是翼叶半径，h是翼叶长度。通过式（4-4）、（4-6）可以求出平均扭矩t，继而求出风轮输出功率p。翼叶的输出功率p：p=t （4-7）式中：是风轮角速度。= （4-8）式中：wr是风轮翼叶线速度。假设翼叶半径是r是1m，长度h是1m，来流风速v为8m/s。通过式（3-2）、（4-4）、（4-6）、（4-7）、（4-8）求出naca0012、naca0015、naca0018翼叶输出功率p，结果如下表：表4-6 平均功率p图4-15 平均功率p-叶尖速比从上图可以看出三种翼叶在不同叶尖速比下的性能，当风速在8m/s下，平均功率p在叶尖速比为3、4、5时，输出功率能获得较大值。叶尖速比在3以下逐渐增大，当达到最大值时，随着叶尖速比的增大风轮输出平均功率p逐渐减少。风能利用系数：风能利用系数cp值越大，表示风力机能够从风中获得的能量百分比也越大，风力机对风能利用率越高。所以制造风力机时，最重要就是能造出风能利用率大的风力机。根据上面的章节分析计算，已经获得了影响风能利用系数的数据，风能利用系数cp为cp= (4-9)式中：为空气密度，在空气温度为15及大气压力为101。32kpa时，=1.225千克/立方米；a为风轮扫风面积，a=2rh,v为来流风速。根据（3-2）、（4-6）、（4-8）公式可以求出不同叶尖速比下cp值，结果如下表：表4-7 风能利用系数cp与叶尖速比图4-16 风能利用系数cp-叶尖速比从图中看出三种翼叶的风能利用系数趋势基本一样，风能利用系数naca0015获得的最大值是三种翼叶中最大的为0.270153，随着叶尖速比的增大，风能利用系数从最大值逐渐下降。因此，选择叶尖速比为3、4、5时，风能利用系数相对比较高。换句话说，叶尖速比确定了，就能确定风轮在来流风速下的转速，从而使风力机获得最佳性能。线速度wr=2rn （4-10）由上式知道，转速n和线速度wr有关系，根据式（3-2）可以知道wr与叶尖速比有关系。所以，无论来流风速如何，只要控制好风轮的转速，就可以获得最佳风能利用率。第5章 总结及展望5.1结论本文针对小型h型垂直轴风力发电机，建立矢量数学模型对其速度、力学瞬时分析，通过三种叶片翼型对风轮的计算结果分析得到如下结论：1、垂直轴风力机叶片攻角值不仅和叶尖速比值有关，还和叶片所处的位置有关，随着位置的变化，攻角 会以翼弦为基准在翼弦两侧摆动（或正或负），而翼弦两侧叶片的工作条件和环境是基本一样的， 因此垂直轴风力机叶片一般应设计成对称形。根据在不同叶尖速比值条件下叶片攻角值分布情况的比较分析， 如只从提高风能利用系数考虑， 可以初步判断垂直轴风力机叶尖速比应选择为4。2、叶尖速比对风轮的气动性能影响较大，通过不同的位置角度对叶尖速比从2到9进行计算，对不同翼型的转矩、功率和风能利用率进行比较和分析当叶尖速比在4左右时，h型垂直轴风力机能获得最优的气动性能。从上述分析可知垂直轴风力机的风能利用系数(功率系数)cp并不大，但结构简单，能全风向工作，且具有较好的白起动性能。通过对垂直轴风力机的特征分析，表明其系统构成较目前主流的水平轴风力发电机更加合理，且运行条件更加宽松。若能发挥这些技术特点，适时开发实用的并网型垂直轴风力机，将有望突破水平轴风力机的技术瓶颈，大幅降低风电成本，促进该领域的技术进步和风电产业的发展。垂直轴风力机具有外流空气动力学和内流空气动力学的特点，因此在进行叶片的气动设计时，须综合考虑内流与外流的物理条件、流动条件及其对流型所产生的影响