S型风力发电机的总体设计

摘要在现在这个能源快要枯竭的时代，人类过度的开发资源，使得全球环境变差，温室效应加剧，发展新型能源已经是迫在眉睫，使用清洁的能源是以后的主流。风能是太阳能的一种转换形式，取之不尽，用之不竭的绿色可再生能源。使用风能发电可以很好地减少不可再生能源的损耗，同时也能很好的保护环境。垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机相比，有着其独特的优点，第一，重量较大的发电机和齿轮箱的安装位置较低；第二，无需安装变桨装置和偏航装置；第三，风轮尖速比较低，产生的噪声小。本文根据垂直轴风力机的优点设计了一种树状垂直轴风力机群，它的组成单元是50W垂直轴风力发电机。首先对单元风机进行设计，根据经验公式，计算风轮的相关参数；然后对传动系统的零部件进行设计，选择合适的发电机；最后对单元风机如何排列布局进行设计。对于风力机群的电能如何输出利用，做了一个简单的介绍，并对各环节的装置进行了选型。树状垂直轴风力机群的三维模型通过Solidworks进行绘制，并利用流体仿真软件FLUENT对风轮的二维模型进行简单的数值模拟仿真，分析了叶片重叠区和风机布局因素对风机工作的影响，并对其进行优化处理。另外对部分零件进行静力学分析，得出在安全工作范围内最优结构尺寸。关键词：风能；垂直轴风力发电；树状支撑结构；流体仿真分析；静力学分析AbstractInthecurrenterawhenenergyisabouttobeexhausted，theexcessiveexploitationofhumanresourcesmakestheglobalenvironmentworseandthegreenhouseeffectintensifies.Itisextremelyurgenttodevelopnewenergy，andtheuseofcleanenergyisthemainstreaminthefuture.Windenergyisaformofsolarenergyconversion，inexhaustiblegreenrenewableenergy.Theuseofwindpowercaneffectivelyreducetheconsumptionofnon-renewableenergy，butalsoagoodprotectionoftheenvironment.Comparedwithhorizontal-axiswindturbines,vertical-axiswindturbineshavetheiruniqueadvantages.First,theinstallationofheavy-dutygeneratorsandgearboxesislow.Second,thereisnoneedtoinstallpitchandyawdevices.Third,thetipspeedofthewindwheelisrelativelylow,andthegeneratednoiseissmall.Inthispaper,atreeverticalaxiswindturbinegroupisdesignedaccordingtotheadvantagesoftheverticalaxiswindturbine.Itscomponentisa50Wverticalaxiswindturbine.Firstly,theunitfanisdesigned,andtherelevantparametersofthewindwheelarecalculatedaccordingtotheempiricalformula;thenthecomponentsofthetransmissionsystemaredesignedandtheappropriategeneratorisselected;finally,howtheunitfanisarrangedandarrangedisdesigned.Abriefintroductionwasmadetohowthepowerofthewindturbinegroupwasexportedandutilized,andthedevicesofeachlinkwereselected.The3DmodelofthetreeverticalaxiswindturbinegroupisdrawnbySolidworks,andthefluidsimulationsoftwareFLUENTisusedtocarryoutsimplenumericalsimulationofthe2Dmodelofthewindwheel.Theinfluenceofthebladeoverlapareaandthefanlayoutfactoronthefanworkisanalyzed.Optimizeit.Inaddition,staticanalysisofsomepartsiscarriedouttoobtaintheoptimalstructuralsizewithinthesafeworkingrange.Keywords：Windpower；Verticalaxiswindturbine；Treesupportstructure；Fluidsimulationanalysis；Staticanalysis

目录TOC\h\z\u\t"标题2,3,标题,1,副标题,2"1. 绪论 71.1 课题研究背景 71.2 风力发电机种类 91.2.1 水平轴风力机（HAWT） 91.2.2 垂直轴风力机（VAWT） 101.3 阻力型垂直轴风力发电机的研究现状 111.4 本文研究的主要内容 132. 风力发电基础理论 132.1 风力机的工作原理 132.2 S型风力机的主要参数介绍 152.2.1 叶尖速比 152.2.2 风能利用系数 162.2.3 高径比 163. S型风力发电机的总体设计 163.1 风力发电机系统的组成 173.2 风轮总体设计及相关参数的计算 173.2.1 风轮总体设计 173.2.2 叶片横扫面积计算与风轮直径计算 203.2.3 叶尖速比与风轮转速的计算 203.3 传动结构设计 203.4 发电机的选型 214. S型风力发电机的零部件的设计 224.1 风轮的设计 224.1.1 叶片的设计 224.1.2 风轮转轴的设计 234.2 主轴的设计 244.3 法兰盘设计 264.4 主轴套筒设计 264.5 滚动轴承选用 274.6 上下轴承盖设计 294.7 电机外壳设计 304.8 桅杆设计 314.9 塔架设计 324.10 树状结构风力机组的分布 335. 风力机风轮部分的数值模拟仿真 345.1 计算流体力学（CFD）的简介 345.1.1 湍流模型 355.1.2 湍流的数值模拟方法 355.2 数值计算主要软件介绍 365.2.1 FLUENT软件介绍 365.2.2 数值求解方法 375.3 滑移网格技术 385.3.1 滑移网格原理 385.3.2 网格建立前提条件 385.4 风轮模拟仿真分析 395.5 模拟仿真结果分析 465.5.1 叶片重叠区（S）关系 465.5.2 风机分布分析 506 部分零件的静力学分析 536.1 叶片的静力分析 536.1.1 前处理设置 536.1.2 数据分析 556.2 桅杆的静力学分析 566.2.1 前处理设置 566.2.2 数据分析 587. 风力发电的储存与利用 597.1. 小型风力发电系统原理 597.2. 离网型风电系统 607.3. 各部件的功能和原理及产品的选型 607.3.1 控制器 617.3.2 蓄电池 627.3.3 逆变器 638. 总结与展望 659. 全文总结 6510. 展望 66致谢 67参考文献 67绪论课题研究背景随着工业技术的快速发展，人们越来越关注环境和能源问题。为了有效降低紧张的能源形势，国际能源署使得第三大能源结构的变化，也就是说，从旧能源主要由石油、煤炭和天然气的可持续能源由太阳能、风、水、潮汐和其他可再生能源。许多国家都制定了相应的能源政策，以保持不断增长的能源需求。没有具体的能源政策，一个国家不可能解决温室气体排放、能源短缺等环境问题。经过各种选择和试验，新能源的开发和利用已成为首选，包括风能作为一种新型能源可再生，易于改变，储量大，无污染的特性成为最有前途的可再生清洁能源，风力发电已成为最广泛和最有前途的能源生产战略之一。近年来，随着全球风能的快速发展，风能已成为能源结构的重要组成部分。绿色和平组织表示，到2020年，全球10%的电力将来自风力发电。随着技术的不断进步和经济的跨越式发展，良好的风电技术已经可以与传统的化石燃料等发电技术相竞争。国际环境研究所(internationalinstituteforTheenvironment)预测，2030年至2035年间，当风能从地球表面接收的2%的太阳辐射转化为电能时，全球风电将达到1.9x10kW。风能作为可再生能源之一，在减少大气和环境污染，促进能源结构适应，促进风能技术进步，提高社会经济效益方面具有现实和积极的作用。风力发电作为风能的一种利用方式，其优势主要体现在以下五个方面:（1）风能可多次利用，绿色且储量很大；（2）风力发电场相对于其它火力发电和水力发电场而言，建设时间快，且风机的安装简便;

（3）整体经济性较高；

（4）风力发电技术相对成熟，已经成为一种安全、稳定、洁净的能源利用方式;

（5）风力发电所需的占地面积小，大大地减少了土地资源的浪费，提高了资源利用率。近十年来，主流风电机组的装机容量逐渐从千瓦级提升到兆瓦级，世界市场主流风电机组已逐渐被兆瓦级机组所取代。从能量转换的角度来看，风力机主要由风力机和发电机组成，其中风力机主要将风能转化为机械能，发电机是将机械能转化为电能的装置。根据主轴和位置不同的风力发电机，风力机可分为水平轴风力机(HAWT)水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机(简称为垂直轴风力机VAWT)，水平轴风力机为风力机轴平行风向，垂直轴风力机转子轴垂直风向，分别如图1.1和图1.2所示。图1.1水平轴风力机图1.2垂直轴风力机目前，垂直轴风力发电机的发展仍处于早期发展阶段，研究过程将面临各种问题，如垂直轴风力发电机的风能利用率低，难启动，转子系统设计等复杂性等，因此垂直轴风力发电机的研究具有重要意义。垂直轴风力机与水平轴风力机相比，在以下几个方面具有优势:（1）垂直轴风力机可以自动发电在任何方向偏航装置，简化了设计的风力发电机结构，而水平轴风力发电机偏航装置需要直接风当风向变化时，会导致某些过程中的能源消耗，从而减少风能的利用率。

（2）水平轴风力发电系统等设备需安装在离地面较高的塔上。垂直轴风力机的风轮与主轴平行，许多设备可以安装在较低的位置，安装维修方便，稳定性得到了很大的提高。（3）水平轴风力机叶轮转速很高，从而导致叶尖速比很高，噪声大；垂直轴叶尖速比低，噪声可以忽略不计。（5）垂直轴风力机旋转惯性力和重力的方向不变，受的是恒定负载，而水平轴风力机受的是交变载荷，使垂直轴的叶片使用寿命更长，然而由于垂直轴风力机的缺点，使得垂直轴风力机的市场应用远远落后，具体表现为:（1）风能利用率低:目前市场上理想的垂直轴风力机还不达0.4。（2）启动性能差:垂直轴风力机静力矩为零，无法自主启动。一般情况下，风力机在高风速下，需要借助外力将风力提升到一定速度后才能启动。（3）技术研究相对落后:理论和实践不够深厚，制造方面远落后于水平轴风力机，需要在后期投入更多的时间和精力。

综上所述，许多研究机构和大学意识到潜力巨大，希望为垂直轴风力发电机的发展，并逐步提高其研究的深度和广度，针对研究中存在的问题和发展垂直轴风力机的深入讨论和研究。风力发电机种类风力发电机的分类方法有很多，目前常用的是根据风力机旋转主轴的安装方向（即主轴与地面的相对位置）来分类。按照这种分类方法，风力机可分为水平轴风力机（HAWT）和垂直轴风力机（VAWT）。水平轴风力机（HAWT）水平轴风力发电机以其高效、成熟的技术成为商业风力发电的主流。工作时，风轮的旋转平面垂直于风向。风轮上的叶片呈放射状放置，垂直于旋转轴，与风轮的旋转平面成一定角度，如图1.3所示。根据叶片是否可调，水平轴风力机可分为定桨距(失速型)风力机和变桨距风力机。图1.3水平轴风力机定桨距(失速型)风机叶片与轮毂连接是固定的，当风速变化时，叶片的风角不能改变。定桨距(失速)风力发电机组由于结构简单、性能可靠，以往的风能开发利用一直处于主导地位。但是定桨距(失速型)风力发电机有很多缺陷，当流动当风速大于额定风速的风力涡轮机叶轮设计、风力涡轮叶片旋转太快，没有办法安全停机时间，在这个时间，因为风力发电机输出功率大于其设计风力发电机的额定功率会损害电子系统和控制。可变螺距风力涡轮机叶片可以左右旋转叶片的中心轴旋转，可使叶片攻角在一定范围内(通常在0°~90°)监管的变化，使输出功率稳定，但也可以避免和减少动态失速现象的发生，其性能比定桨距改善很多。为了提高水平轴风力机的发电能力，需要增加风力机的扫掠面积，而水平轴风力机则需要增加叶片长度。叶片长度增加会导致风力涡轮机叶片过重，太长，风轮叶片在运行的过程中弯矩的存在，叶片疲劳损伤，和风力叶片长度的权利运输、安装方便，所有这些问题对水平轴风机进一步提出了重大的挑战。垂直轴风力机（VAWT）垂直轴风力机的转轴垂直于地面，设计简单。当风向改变时，风轮不需要对风。垂直轴风力机可分为阻力型垂直轴风力机和升力型垂直轴风力机两种类型。

图1.4和图1.5为两种常见的阻力型垂直轴风力机。图1.5所示的s型垂直轴风力机是阻力型垂直轴风力机最典型的机型。它由两个交错轴的半圆柱体组成。该型风力机的优点是启动力矩较大，可在低风速下启动。由于叶尖速比小，运行时噪音小，运行平稳。但其风能利用效率不高。图1.4多叶片型风力机图1.5S型风力机结构示意图升力垂直轴风力机最典型的型式是达里乌斯型。城市型风力发电机有很多不同的结构和形式如Φ，H，Y等等，其中最H类型和Φ典型和普遍，如图1.6和1.7所示。直叶片用于H型风力涡轮机，其结构相对简单。此外，直叶片固定需要使用辅助支持，如水平杆或套索辅助支持将产生空气动力阻力叶片旋转，H效率降低。Φ型涡轮使用是弯曲的叶片，从而使弯曲应力的小型风力发电机一般材料承受拉力的能力远比承受弯曲应力的能力，这使得Φ类型叶片可以做比较轻，比直叶片和H在更高的速度。图1.6达里厄H型风力机图1.7达里厄Φ型风力机阻力型垂直轴风力发电机的研究现状水平轴风力机叶片的旋转面积为平面，垂直轴风力机的旋转面积为圆柱体，具有独特的结构优势。近年来，垂直轴风力机越来越受到国内外研究者的重视。下面将介绍国内外垂直轴风力机的研究现状。传统Savonius风力机与来流成某些角度时，静力矩系数较高，但在135°165°和315°~345°时，其静力矩系数为负数。为此，KamojiMA等人在2007年提出了一种叶片90扭转的螺旋形风力机如图1.8所示，并进行了风洞实验，结果显示，该风力机各角度下静力矩系数都为正，并且周向力矩曲线波动比常规Savonius风力机小。虽然此风力机性能好于常规Savonius风力机，但其叶片形状过于复杂，制造工艺较为复杂且成本较高。图1.8螺旋形Savonius风力机SamuelMays和BehnamBahr设计了一款由一系列小叶片组成Savonius风轮叶片的新型风力机，如图1.9所示。在旋转过程中，这些小叶片可以组成任意的形状来减小旋转过程中的负转矩，通过风洞实验验证了其优良的自起动性能，并与传统的Savonius风力机进行了对比。图1.9新型Savonius风力机2014年，西北工业大学田文龙的等人对Savonius风轮叶片的轮廓进行了研究，该研究将Savonius风轮叶片简化成椭圆形状，其模型图如图1.10所示。通过将椭圆进行扁化处理，从而达到提升Savonius风力机性能的目的。研究发现，改变Savonius风轮叶片扁度可以提升Savonius风力机叶轮的风能转化效率。研究结果显示，减小Savonius风轮叶片扁度可以提升叶片最大静力矩系数但会导致最小力矩系数下降，在扁度为072时，叶轮平均功率系数最大为0.265，比常规Savonius叶轮提升了584%。该方法改善风力机性能的主要原因在于，叶片扁度降低导致叶片背风面风速加大，并且叶片背风面高速流动的区域面积更大，因此该叶片背风面压力小于常规Savonius风轮叶片背风面压力，导致叶片周围所产生的压力差增大，由此产生更大的正转矩，提升了叶片的最大力矩系数。如图1.11为Savonius风轮叶片附近速度场云图。图1.10叶轮二维示意图（a）扁度为0.72叶轮（b）常规叶轮图1.11Savonius叶轮附近速度场云图本文研究的主要内容垂直轴风力机工作时风轮周围的气动性能比较复杂，在研究周围气场的技术还在处于发展中，所以对其研究有较大的上升空间和意义。本次设计主要针对S型垂直轴风力发电机进行空气动力学的三维数值仿真模拟，主要是对风轮周围的流体气场进行分析，并根据分析结果对风轮进行优化设计和整体结果的设计。主要研究内容：（1）借阅垂直轴风力机相关论文和期刊，了解风力机整个设计步骤和需要重点设计的部分，对其结构有个大致了解；（2）根据相关计算对风轮进行初步的设计，确定风轮相关的结构，在运用SolidWorks软件对设计出来的风机结构进行三维建模；（3）利用FLUENT数值模拟，对风轮的二维几何模型进行有限元分析，并对数据进行分析，根据分析结果对风轮结构做出优化分析；（4）利用ANSYS对某些零件或部件进行静力学分析，通过结构的变形和压强分析结构是否设计合理；（5）对垂直轴风力发电机整体结构进行设计，包括风机内部的塔架、主轴、叶片、电机、端盖和套筒等等；（6）了解并简单介绍风力机发电后电能的输出和利用，并对各环节的装置根据本设计的数据进行型号的选择；（7）结构设计完之后绘优化制出CAD零件图和装配图，写毕业设计说明书。风力发电基础理论风力机的工作原理1926年德国哥廷根研究所的

Albert

betz提出了凤力机的第一个完整的基本理论——贝茨理论，其模型如图2.2所示。Betz理论是讨论在理想状态下风力机的最大风能利用系数，主要依据是一元定常流动的动量方程。Betz理论是基于水平轴风力机，但也适合于垂直轴风力机。在理想条件下Betz理论假设为:

（1）风轮流动模型简化为一个单元流管;

（2）风轮理想化成一个没有锥角、倾角和偏角的平面桨盘；

（3）通过风轮的气流没有任何阻力，且风轮旋转时叶片之间也没有摩擦;

（4）作用在风轮上的推力是均匀的；

（5）风轮原始的气流静压与风轮后的气流静压相等即，且不管是在风轮前后还是在流动的过程中气流流动的方向始终都是沿着风轮的轴线方向。图2.2Betz理论模型设风轮前方远处的风速为，通过风轮时气流的速度为，风轮后方远处的风速为，由前面的假设可知，在整个叶轮扫掠面积上的速度都是均匀的。为气流通过风轮的前方截面，为后方截面。当空气为不可压缩时，根据连续性条件可得：根据欧拉定理，风作用在风轮上的力：因此，风轮所吸收的功率可以表示为：气流通过风轮前后的动量变化可以表示为：根据能量守恒定律，风力机空气动能的减少转化为风轮产生的机械能，即P和的表达式相等，可得：将上式求得的V代入到风轮受力和功率表达式中，即风轮上的力及其输出功率可以表示为：对上式进行微分求导可得：令则有两个解：（1），没有物理意义，舍去；（2），将V值代入P的表达式中，可以得到风轮所产生的理论上的最大功率为：将上式除以气流通过扫掠面S是风所具有的动能，则可以推算出风力机的理论风能利用率，即理论上的最大功率为：上式即为著名的风力机风能利用率的贝兹极限，说明风力机从自然界中获取的风能第有限的，因为无论是在能量的吸收和转化过程中，必然存在着各种能量损失的消耗，且实际的风能利用率肯定小于理论中，一般约为最大输出功率的。S型风力机的主要参数介绍叶尖速比风轮叶尖的线速度和来流风速的比值，对于水平轴风力机而言，最大半径处的圆周速度为叶尖线速度，而垂直轴风力机离主轴半径最大处的线速度，通常用符号表示为：式中：为风轮半径，为风轮转速，为风轮的角速度，为来流风速。风能利用系数表征风力机从自然风能中吸取能量的大小程度，也称功率系数，一般用表示：其中为风力机从自然界中获取的实际功率，表示通过风轮流动的空气动能：这里，为气体质量，为气体速度，假设单位时间内气体流过横截面积为的体积为，则：那么，就可以表示为式中，为实际功率，单位为W；为空气密度，单位为；为风轮的扫风面积，单位为；为来流风速，单位为。高径比垂直轴风力机风轮的高度与叶片直径的比值称为高径比，一般用符号表示：其中，为垂直轴风力机风轮的高度，为叶片直径。S型风力发电机的总体设计风力发电机系统的组成风力发电机主要包含三大部分，分别是风轮、传动系统和发电机，如下面框图3.1所示，其中风轮部分还包含叶片、转轴和叶片的固定盘，传动系统包含主轴、主轴套筒、法兰盘、联轴器、轴承和端盖，发电机是永磁盘式无铁芯交流发电机，是垂直轴风力发电中特有的风力发电机，启动力矩较小，能在低风速下启动。图3.1风力发电机系统风轮总体设计及相关参数的计算风轮总体设计将各种风力机的风能利用系数绘制在同一张图上，如图3.2所示。从图中可以看出，传统的Savonius风力机的风能利用系数是较低的，最大值为0.2左右。图3.2各种传统风力机的风能利用系数随着对Savonius的深入研究，人们发现对Savonius风力机的合理优化可以提高风力机的风能利用系数，如图3.3所示图3.3优化设计后的Savonius风力机对优化后的Savonius风力机性能进行测试，得出风力机的叶尖速比和风能利用系数的拟合曲线，如图3.4所示，优化后的Savonius风力机的最大风能系数已经超过0.3，约为0.34。相比传统Savonius风力机的风能系数0.2，风能利用系数提高了70％。图3.4新型Savonius风力机的风能利用系数与尖速比关系曲线图根据前人研究的基础理论知识可以知道，传统的Savonius风力机，即单层风力机，它的风能效率非常的低，无法满足本设计的要求，而改进后的Savonius风力机，即双层风力机，它的风能利用系数得到很大的提升，满足本设计的要求，故本设计采用了与优化后的Savonius风力机相似原理，同样采用两阶结构和半圆叶片，取风能系数，其结构如图3.5所示。图3.5风轮结构叶片横扫面积计算与风轮直径计算本文选择低功率小型风力机设计使用的设计风速为8，风力机额定功率为50W，尖速比取0.8，风能效率初取0.3，重叠比OL取0.18，高径比取4，偏心率e取0.2，为空气密度，取值1.29，取机械传动效率为0.9，发电机效率为0.7，则总效率。联立上式可得： 式中：为风轮直径，为叶片直径，为叶片重叠区，为叶片高度，为转轴直径。叶尖速比与风轮转速的计算查阅相关资料取叶尖速比。相应的转矩系数。则转矩可得转速传动结构设计传动结构的功能是将风轮吸收的风能传递给发电机，能量传递过程是风轮→法兰盘→主轴→联轴器→发电机。传动结构的组成也包含上述零件以及与之配合的零件，如上端盖、主轴套筒、下端盖、轴承、普通平键和电机外壳底座。其结构如图3.6所示：图3.6传动结构发电机的选型随着永磁材料技术的发展，永磁材料的磁能积显着提高，目前使用永磁发电机。这些电机在电效率和安全可靠性方面优于以前类型的发电机。根据苏州市三禾机电有限公司生产的外转子永磁盘式无铁芯交流发电机，在微风（<）的情况下就可以启动，与传统风力发电机相比，具有以下几点优点：无铁芯，无磁滞和齿槽效应，启动转矩低；无铁损耗，效率高；采用独特的无铁芯精密绕组技术设计高精度线圈；采用稀土类永磁，多极，小气隙，功率密度高，输出功率大；低速直驱，无转矩波动；结构紧凑，高体积功率比；由于无铁损耗，发热量低，温升小。发电机的主要规格和性能参数如表3-1所示，发电机外形结构如图3.7所示。表3-1外转子永磁盘式无铁芯交流发电机规格与性能参数规格额定功率W额定转速转/分额定电压DCV/ACV额定电流A启动扭矩N/m效率重量kgSHF1505030014/283.57/1.8<0.1>70％3.8SHF20010030014/287.14/3.6<0.1>80％5.8SHF16515050014/2810.7/5.35<0.1>70％3.5图3.7永磁盘式交流发电机S型风力发电机的零部件的设计风轮的设计叶片的设计空气流经风轮叶片时根据左右两边的空气阻力的不同使叶片转动带动风力机发电，叶片是具有空气动力学特征的，所以叶片的质量直接相关风力机发电的质量，所以设计叶片有一些标准，主要考虑几点：1）具有良好的强度，刚度；2）外形结构具有较好的空气动力学特征；3）耐腐蚀性好，结构简单方便维修；4）启动性能好。在满足相应的条件下尽量减少叶片的重量，降低材料成本，所以根据综合考虑在材料方面选择用硬质铝合金6061-T651，硬质铝合金有质量轻、硬度高、耐磨、强度和韧性较好。6061-T651的加工性能极佳、抗腐性、韧性高、加工后不变形等优点。由于我们设计的风力机是处于低速的小型风力机，所处环境的风力资源不是非常的多，因此对于叶片形状来说我们选用弯曲叶片，相比于直叶片来说弯曲叶片有几个优点：1）弯叶片效率更大，直叶片受转动力矩小风轮效率低；2）风轮叶片用弯叶片启动风速低；根据风轮的的参数计算，可得叶片的的尺寸，高度为692mm，直径为346mm，厚度为2mm。如图4.1所示图4.1半圆型叶片风轮转轴的设计风轮转轴的材料同样选用铝合金，加工性能好、抗腐蚀性、抗弯强度以及抗扭强度高，转轴是风轮的支撑结构，保证风轮在工作时的稳定运行，其次主轴与法兰盘相连是风轮能量的输出结构，将风轮吸收的风能传输出去。转轴两端直径为110mm，并预留好了6个通孔，使用M4的螺栓与风轮固定盘装配，中间直径为55mm，壁厚为3mm，总高度为694mm。风轮转轴结构如图4.2所示：图4.2风轮转轴主轴的设计风力机主轴的材料选用45钢，45钢的性能主要是具有较高的强度和较好的切削加工性，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，材料来源方便。初步确定轴的最小直径风轮产生的功率。选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表4-1，取=110，于是表4-1轴常用几种材料的及值轴的材料Q235A、20Q275、354540Cr、35SiMn、3Cr3/MPa15~2520~3525~4535~55149~126135~112126~103112~97根据计算可知，考虑到实际现场风力强度和环境的变化以及键槽对轴强度的影响，取。根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度为了满足法兰盘的轴向定位和配合要求，取，另外A-B轴段右端需制出一轴肩，同时考虑到B-C段是用来与轴承装配，故取B-C段的直径，法兰盘与轴配合的孔长度，为了保证轴的端面不与法兰盘接触，法兰盘只压在轴肩上，故A-B段的长度应比略短一些，故取。考虑到轴承的宽度，上端盖的厚度，以及端盖的装配要求，故取。D-E段的装配零件以及装配要求与B-C段相同，故同理可得D-E段轴的直径和长度分别为，。轴承的内圈装配直径，故取C-D段的直径，另外考虑到该轴段是两个轴承的内圈定位，故取。考虑到联轴器轴向定位和装配要求，取，联轴器与轴配合的孔长度为，为了保证轴的端面不与联轴器接触，联轴器只压在轴肩上，故E-F段的长度应比略短一些，故取。轴上零件的周向定位法兰盘、联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按照和查表可得平键截面键槽用键槽铣刀加工，根据和取键长。确定轴上圆角和倒角尺寸查找轴的设计表，取轴端倒角为，各轴肩处的圆角半径为。主轴结构示意图如图4.3所示： 图4.3主轴结构示意图法兰盘设计风轮旋转带动主轴转动再带动发电机工作，从而进行发电。而风轮与主轴的连接是通过法兰盘来连接。法兰盘材料选用45钢。法兰盘的上端是与风轮转轴进行配合，故上端的直径与风轮转轴两端的直径相同，直径为110mm，6个通孔的大小同样为M4，且孔的位置与风轮转轴两端用的位置相同。法兰盘的下端与主轴的输入端配合，主轴输入端的直径为20mm，故法兰盘的下端孔径为20mm，并且法兰盘与主轴的周向定位是通过键进行固定，所以在法兰盘下端孔壁需加工尺寸为的键槽。法兰盘结构如图4.4所示：图4.4法兰盘结构主轴套筒设计主轴套筒的材料选用和主轴的材料一样选择45钢，它主要作用是用于轴和轴承的固定，以及和上下端盖进行安装。主轴套筒主要与轴承进行配合，选用的角接触球轴承7205AC，查轴承表可知该角接触球轴承的外径D为52mm，所以主轴套筒的孔径为52mm，壁厚为4mm。主轴套筒与端盖通过尺寸为M6的螺栓连接，考虑到螺栓的安装方便，确定主轴上下两端的直径为90mm。主轴套筒结构如图4.5所示：图4.5主轴套筒结构滚动轴承选用滚动轴承是风力机转动中传动设计需要考虑的重要问题，不管是风机重力的传递还有抵抗风载都需要用到轴承，根据所受到力的不同而选择不同类型的轴承。本设计中选用的轴承需考虑到风机的自身重力对轴承产生的轴向力，以及风载对轴承产生的径向力。本设计中轴承需要同时承受轴向载荷和径向载荷，故选用角接触轴承。根据B-C和D-E段的轴径和选择轴承代号为7205AC的角接触球轴承，其具体参数查表可知，基本尺寸内径d=25mm，外径D=52mm，宽度B=15mm，安装尺寸、，基本额定动载荷。滚动轴承的正常失效形式是内外圈滚道或滚动体上的点蚀破坏。由于大量的重复地载荷变化的接触应力所致，对轴承校核主要是对其寿命的校核。角接触球轴承当量动载荷计算公式如下：当时，当时，风轮部件重量的计算：风轮包括4个半圆叶片、3个叶片固定盘、两个中心空心轴及若干连接件。为单个叶片的质量，为叶片固定盘的质量，为风轮转轴的质量，为其他零部件的质量。轴向载荷主要来自于风轮的重力，而风轮部件的材料为铝合金材料，查资料可知铝合金的密度为，故可得：式中：——风轮材料密度，——当地重力加速度则。径向力主要有风载对风轮的作用而产生的，所以径向力F式中：P－压强（Pa）ρ－空气密度，V－风速（m/s）S－扫风面积（m2计算得：。因为，并且工作处于稳定状态，轻微冲击，取fd=计算预期寿命LL计算该轴承的基本额定动载荷C=P×选用的角接触球轴承为7205AC，查机械设计手册得基本额定动载荷为，远远大于该轴承的动载荷，故该轴承符合设计要求。上下轴承盖设计轴承端盖主要分为两类，分别为螺钉连接外装式轴承盖和嵌入式轴承盖。嵌入式轴承盖主要用于分体式零部件，与本设计不符，本设计采用螺钉连接外装式轴承盖。材料选用45钢。由于上端盖需与主轴套筒进行配合，所以上端盖的第一直径（最大直径）为90mm，螺栓连接厚度为1.2倍的螺栓直径（螺栓选用尺寸为M6），故厚度为7.2mm。由于轴承的外径为52mm，上端盖的第二直径为52mm。考虑到轴承的外圈装配要求，上端盖的第三直径为46mm。另外主轴需从端盖穿出，并且需使用毡圈进行密封，故第四直径为26mm。其结构如图4.6所示：图4.6上端盖结构下端盖的尺寸设计与上端盖的设计方法相似，同样是与外径为52mm的轴承进行配合，但下端盖与上端盖不同之处在于，下端盖不仅要考虑与主轴套筒进行连接，还需与电机外壳进行连接，使得下端盖的第一直径不是根据主轴套筒的尺寸进行设计，而是根据电机外壳的尺寸进行设计。所以下端盖的第一直径为200mm，螺栓连接厚度为7.2mm，第二直径为52mm，第三直径为46mm，第四直径为26mm。端盖既要和主轴套筒连接又要和电机外壳连接，故在端盖面处需加工两组螺栓孔，一组螺栓孔的位置与主轴套筒上螺栓孔位置相同，另一组螺栓孔的位置与电机外壳上螺栓孔位置相同。其结构如图4.7所示：图4.7下端盖结构电机外壳设计电机外壳主要用于发电机的安装与固定，避免环境对发电机产生的破坏。材料选用灰铸铁。另外电机外壳还要承受风轮以及主轴部件的重量，电机外壳下端内部的孔与发电机底部的螺纹孔进行配合，中心的孔用于发电机电线的引出，外围的孔与桅杆上的孔进行安装，使得整个风机固定在桅杆上。其参数主要根据电机的外形尺寸进行设计，电机外壳内腔直径为166mm，高度为147mm，螺栓连接厚度为3mm。电机外壳壁上的方孔便于发电机的散热。其结构如图4.8所示：图4.8电机外壳底座桅杆设计桅杆用来承载垂直轴风力机的重量以及抵抗风载，材料选用灰铸铁。桅杆总长1046mm，宽度为200mm，风力机安装在距塔架846mm处，并由6个M6的螺栓进行连接，桅杆与塔架进行配合的圆弧半径为塔架的外径108mm，三个桅杆成120度安装在塔架上，连接由4个M10螺栓进行连接。由于风机的安装要求，上中下三层桅杆的总体结构相似，都是以下层桅杆为基础，中层桅杆在风机安装孔的内部多了6个直径为4mm的孔用来安装卧式轴承座轴承。上层桅杆相比中层桅杆少了6个风机安装孔。上层桅杆结构如图4.9所示，中层桅杆结构如图4.10所示，下层桅杆结构如图4.11所示：图4.9上层桅杆图4.10中层桅杆图4.11下层桅杆塔架设计整个风力机组为了更好的接收到风所以整体要与地面有一定的高度，而风轮的整体大小已经确定而且风轮越大支撑部分受到的重力就越大，所以主要由塔架结构把风轮支撑到一定高度，使风轮周围的风力更多。材料选用灰铸铁。本设计的塔架有3个直径为内径200mm，壁厚分别为10mm（第一级）和8mm（第二、三级），长为2000mm的塔架连接而成，塔架与塔架之间由8个M10的螺栓进行连接，塔架与地面由8个M15的螺栓进行连接。图4.12塔架结构树状结构风力机组的分布树状风力机组的总共有6个50W的垂直轴风力发电机排列而成，主干是6m的圆柱塔架，桅杆组成上中下层三层，每层放置3个50W的单元风机，总共6个。风力机风轮部分的数值模拟仿真计算流体力学（CFD）的简介计算流体动力学（CFD）是使用电子计算机和离散数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析。计算流体动力学的研究在世界上强大的领域，这是一个基本的和重要的技术进行热交换，传质，燃烧和动量传递，研究多相流和化学反应，而被广泛应用于飞机，汽车和生物设计。医疗行业，化学工业，发动机设计，半导体设计等众多工程学科。流体流动的三大基本方程为质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。CFD就是在这三大基本方程的控制下对流体的数值模拟。三大基本方程如下：质量守恒方程：∂p∂t动量守恒方程：X方向：∂Y方向：∂Z方向：∂能量守恒方程：∂湍流模型湍流的流动本质上是一种普遍的现象，在大多数工程问题中，流体的流动往往处于流动状态。当流体流速低时，流动是平滑的，并且相邻的流体层以有序的方式彼此流动，并且该流动被称为层流。随着流速逐渐增加，流体流动线开始缓慢振荡，并且当流速达到一定速度时，流动受到干扰。此时，即使边界条件保持不变，流动也不稳定，并且诸如速度的流动特性随机改变，这种状态称为湍流。一般用雷诺数Re来反映流体的流动状态，雷诺数Re是一个无量纲的数，它是流体在流动中惯性力与黏性力的比值，其计算公式如下式中：——流体密度；——流体平均速度；——特征长度；——流体动力粘度。判断一种流动是层流还是瑞流，主要是看其雷诺数与临界雷诺数的大小关系。当时，流动为瑞流，当时，流动为层流，其中。由于风力机在运转发电过程中，叶片周围的气体存在强烈的扰动，则此时应视空气的流动状态为瑞流。湍流的数值模拟方法目前计算流体力学研究领域最热门即是湍流的数值模拟，其主要的模拟方法有直接数值模拟(DirectNumericalSimulation-DNS)、大涡模拟(LargeEddySimulation-LES)和基于雷诺时均方程的数值模拟(ReynoldsAveragedNavier-Stokes-BANS)三种方法。在商用计算软件Fluent里给出的湍流模型有Spalart-Allmaras、k-e和k-ω。三种模型，其中k-e模型包括标准k-e模型、Renormalization-group(RNG)k-e模型和带旋流修正k-e模型，k-ω。模型包括标准k-ω模型、压力修正k-ω。模型、雷诺兹压力模型和大漩涡模拟模型。这些模型没有一个对所有问题都是通用的，选择一个模型要对流体的可压性，对精度的要求，计算机的能力和时间的限制等几个方面去考虑。本文使用的湍流模拟模型为k-e模型。数值计算主要软件介绍在数值模拟计算中前处理器的主要目的就是把物理问题转化成计算中可以接受的数学形式，对物理模型进行计算域的定义和划分网格是计算中可以接受的有效形式，在计算前的处理划分计算域和划分网格，对其划分的越精准最后数值仿真出来的结构就越加准确。FLUENT软件介绍FLUENT是FLUENT于1983年在美国推出的世界领先的CFD项目之一，它是专门的CFD软件，用于模拟和分析复杂几何形状中的流体流动和热交换问题。FLUENT提供灵活的网格功能，允许用户使用结构和非结构化网格轻松创建不同复杂区域的网格。在具有大梯度的流场区域的情况下，FLUENT提供的网格自适应功能允许用户获得高精度的流场解。FLUENT通过交互式菜单界面与用户交互，用户可以使用多个窗口随时观察计算过程和计算结果。计算结果可以以各种方式显示，存储和打印，例如云图，等高线图，矢量图和XY点图。同时，FLUENT还提供用户编程接口，允许用户自定义或控制相关的计算和输出。事实上，FLUENT只是一个解决方案。FLUENT提供的主要功能包括引入网格模型，计算物理模型的交付，边界条件和材料属性的应用，解决方案和最终处理。因此，在使用FLUENT求解之前，必须使用GAMBIT，TGRID或其他CAD软件生成网格模型。该项目使用CFDFLUENT商业软件进行风力机流场的数值模拟分析。数值求解方法离散控制方程是数值求解之前的必要步骤。其基本思想是将物理模型中的连续求解区域划分为不同大小的网格，并在其中设置有限数量的计算节点。解决方案域中的连续函数将被分散到这些节点上的函数值中。最后，通过数学方法使用代数方程代替控制方程，以将节点上要评估的函数的值之间的关系联系起来。求解代数方程的节点值。FLUENT提供数值求解方法有限体积法，有限差分法，有限元法。目前，有限体积法是流体机械流动特性研究中应用最广泛的离散方法。离散格式是一种算法，用两个或更多数值点之间的差值代替偏微分方程的导数。离散格式进一步分为一阶差分格式，二阶上升格式和QUICK格式。一阶差分格式属于低阶精度格式，而二阶迎风格式和QUICK格式均属于高阶插值公式。本文采用二阶迎风格式。与一阶差分格式相比，该格式具有较高的精度，可以降低计算过程中出现的假扩散程度。本次仿真分析中的数值求解的基本步骤如图5.1所示：创建几何模型创建几何模型划分网格，指定边界条件划分网格，指定边界条件生成网格文件生成网格文件进行网格质量检查，将网格导入进行网格质量检查，将网格导入FLUENT中选择计算模型，设置边界条件，选择求解器选择计算模型，设置边界条件，选择求解器初始化流场，计算求解初始化流场，计算求解对结果进行后处理对结果进行后处理图5.1数值求解框图滑移网格技术滑移网格原理当风力机由不稳定值模拟时，叶片围绕轴线旋转并且存在可移动区域。商业CFDFLUENT软件提供三种模型：具有多个参考的系统模型，混合单侧模型和滑移网格模型。解决移动区域的问题。多参考框架模型和混合单面模型假设流动是稳定的，主要用于转子和定子之间的弱相互作用，而滑移网格模型假设流动不稳定，因此它可以逼真地模拟定子和转子。相互作用。问题在于滑动网技术面向时间周期性的必要性，并且可以通过该技术获得流场随​​时间变化的瞬态解。滑动网格技术可以执行相邻网格之间的相对移位，包括两个或更多个计算域，并且相邻计算区域中存在至少一个接口。在两个连续计算区域之间的计算过程中，一个计算区域相对于另一个计算区域沿着网格接口移动，并且在计算之前合并相邻的计算域接口。网格网格界面有许多形状。对于具有两个相邻计算区域的线性运动的移动网格，界面通常是直线或平面。在本文档中的风力涡轮机叶轮时，风力涡轮机受到瞬态的二维模拟绕中心轴线旋转时，移动的极限是圆形的，并且当执行所述三维仿真不稳定边界移动是圆柱形的。网格建立前提条件应用滑移网格模型，必须对其网格满足下面条件：1）不同滑动速度的区域对应不同的单元网格区域；2）网格分界面创建之前需定义所有的周期性区域；3）在划分网格分界面的时候需要保证该面在法线方向上没有运动；4）假定两分界面的边界是基于同一几何体时，网格分界面可以是任意形状，如果网格有明显特征，分界面两边都尽量近似遵循该特征；5）如果创建的是多单元区域的单一网格，必须保证每个单元在滑动边界有明显的面域；6）对于有周期性的转子/定子几何体，转子叶片网格的周期角度必须和静止叶片的角度相等；7）对于3D模型，如果分界面是周期性的，那么只有一对周期边界和分界面相邻。风轮模拟仿真分析本次仿真分析中使用ANSYSWorkbench17.0软件对风力机的风轮进行仿真分析，ANSYSWorkbench软件有很多分析模块，风轮是流体仿真分析所以运用的是FLUENT模块，用Fluent进行仿真分析的步骤主要有四步：绘制二维模型图、进行网格划分、进行参数设定计算、结果后处理。如下图5.2所示：图5.2ANSYSWorkbench中Fluent分析过程本次设计中的关键步骤将在下面进行列出，这些操作步骤是否正确将决定仿真分析的结构是否准确，我们将详细的讲解这些操作过程。第一步：打开ANSYSWorkbench16.0，再打开ComponentSystems栏下的Geometry模块，双击Geometry进入DM截面，DM就是ANSYSWorkbench17.0里几何模型的创建界面，我们先要在这个界面把风轮的二维模型创建完成。创建好的风轮模型如图5.3所示，风轮的二维模型主要是有两个区域组成：风轮旋转区域和外流场区域。旋转区域是模拟风机工作转动状态，大小和风轮大小差不多，风机工作时风轮转动带动周围流场的变化而这种流场的变化又反过来带动风轮自身的工作，所以模拟的旋转域大小和风轮的大小差不多；外流场域是一个形状和长方形一样的区域包围着旋转域，在现实中风机工作是处于一个范围很大的流场中，所以要完整的模拟出风机的工作环境就要设置出一个较大的外流场，但是过大的外流场增加了它的计算程度，由于计算机的能力限制而且太大就会产生浪费，并且考虑风机左侧有塔架的限制，所以进过思考和查阅相关资料决定外流场的大小是长2.5m，宽2m，风轮的位置处于离左边界0.938m，上下边界的中间。图5.3风轮的二维模型第二步：在mesh模块中进行网格划分，将画好的几何模型导入mesh中进行网格划分。进入mesh界面后首先要对模型中的边界进行命名，虽然此时只是把边界命名了但是没有进行定义，但是已经命名过得边界可以使得Fluent在识别中自动将命名的边界定义到对应的边界，这样在定义边界时将会减少很多工作量。命名完边界就开始划分网格，划分网格如图5.4所示，在旋转域中的网格比较密，外流场的网格相对较疏，图5.5是加密的网格，不同的区域进行不同的精密度网格的划分这样可以提高计算精度。并且使用的网格类型全部为三角形网格，可以提高网格的生成速度。图5.6所示是对不同边界进行命名。各个边界的命名：INLET：定义外流场入口；OUTLET：定义外流场出口；WALL：定义外流场的上下壁；BLADE：定义叶片是随旋转区域运动的壁；INTERFACE1：定义外流场的交界面；INTERFACE2：定义内流场的交界面；STATIONZONE：定义外流场为静止域；ROTATINGZONE：定义内流场为旋转域。图5.4网格划分图5.5网格加密图5.6边界命名第三步：将生成的网格模型导入Fluent中进行相关参数设置以及计算。刚开始进入Fluent界面时，首先设置的就是计算方法，在本次设计中选用的计算方法是标准的k-e湍流模型和SIMPLE算法，要求计算机性能不高，计算快，但是相对于其他几种算法而言精确度降低了点，不过对于我们初步设计过程中综合考虑这种算法的效率是最好的，所以选择了这中计算方法。第四步：选择完计算方法后就要对之前命名的边界进行定义了，Fluent软件中要开始计算则需要先对边界进行定义。在本次仿真分析中需要定义的有外流场域，旋转域，入口边界，出口边界，叶片等。旋转域定义为是旋转的有一个转速；外流场域参数使用默认参数；叶片默认定义为壁但是实际上是要跟随旋转域旋转的，所以定义叶片为旋转的壁；定义入口边界是定义速度入口；出口用默认定义；滑移边界需要定义两个面进行相对滑移。要进行仿真分析这些定义参数就是至关重要的，只有设置好需要的参数仿真才能进行下去。第五步：这一步就是仿真的最后一步了，开始计算，首先对流场进行初始化，然后设置迭代步数，我们这设置的步数是1000，当计算完成之后就可以把计算结果导入ANSYSWorkbench中的数据分析软件中进行分析处理了。参数设置和计算的主要步骤如下所示：图5.7Fluent起始界面图5.8Fluent模型的选择图5.9旋转区域的设置图5.10入口风速的设置图5.11旋转壁的设置图5.12交界面的设置图5.13迭代计算后的收敛曲线模拟仿真结果分析叶片重叠区（S）关系根据理论研究情况分析出来的结构才是符合要求的，刚开始设计风轮时主要是参考别人已经得出的结论，根据前人设计风机的经验来确定自己的结构，但是这种不是建立在实验的基础上总会有偏差，为了使设计更加合理，我们就需要研究风轮叶片数对风机效率的影响，从而选出风能利用率较高的叶片数量。通过一次次的仿真模拟得出一组组数据图，根据云图分析出叶片数量对风机了率的影响。根据压力云图分析图5.14S=90mm的压力图图5.15S=100mm的压力图图5.16S=110mm的压力图图5.17S=120mm的压力图图5.18S=130mm的压力图分析以上五张压力云图，主要从3个方面分析，分别是迎风叶片前后压力、背风叶片前后压力和重叠区压力。从压力云图可以看出五种情况下迎风叶片和背风叶片的前压力都是非常的大，而迎风叶片的后压力差不多一样，相应的对风力机的推力也一样。S=90mm、S=100mm的情况下背风叶片的后压力都较小，这样导致背风叶片的总压力较大，相应的阻力也就自然会非常大，会损耗风力机的功率，从而降低风能利用系数。S=90mm、S=100mm、S=110mm的情况下重叠区的压力较小，相应的对转轴的压力也小。而S=120mm、S=130mm的情况下重叠区的压力非常大，相应的对转轴的压力也是非常大，容易损坏风轮。根据速度云图分析图5.19S=90mm的速度图图5.20S=100mm的速度图图5.21S=110mm的速度图图5.22S=120mm的速度图图5.23S=130mm的速度图分析以上五张速度云图，主要从风轮前后的速度变化来分析，前后速度相差较大，说明风轮对风能的利用率高。从速度云图中可以看出五种情况风轮前后都产生了速度差，而且最低风速一样，不同的是前三种情况的风轮后低风速区域没有包围风轮的后半部分，后两种情况的低风速区域包围了风轮的后半部分，相比前两种情况吸收风的动能更多，风能利用系数更高。综合压力云图和速度云图的分析，本设计的风轮重叠区S=110mm。风机分布分析根据压力云图分析图5.242风机的压力图图5.253风机压力图图5.264风机压力图分析以上三张压力图，2风机和4风机的压力图可以看出左边风轮后面的压力非常小，这是由于风经过左边的风轮后，被风轮吸收了大部分能量。尤其是4风轮的分布很容易出现前面两个风轮影响了后面两风轮的运行。另外两风轮的后部分压力非常的小，但是两风轮之间的压力还是非常的大，可以再安装一个风轮，从3风轮的云图可以看出，安装的风轮可以很好的将多余的风轮加以利用。根据速度云图分析图5.272叶片的速度图图5.283叶片速度图图5.294风机速度图分析以上三张速度云图，部分零件的静力学分析静力学分析同样使用的是ANSYSWorkbench17.0软件，不过不在是使用FLUENT模块，使用的是Staticsstructural模块，分析步骤主要包括三维实体建模、网格划分、设置条件、数据分析等步骤。叶片的静力分析前处理设置在ANSYS软件Workbench中，打开应力分析模块，如图所示：图4-1应力分析在对材料进行选取，叶片的材料为铝合金，在对其进行三维建模，也可以通过SolidWorks进行导图，由于之前已经对立体车库进行了三维建模，所以选用导图。如图所示：图导图步骤对叶片进行网格划分，划分结果如图所示：图网格划分网格划分后对叶片进行约束，固定叶片的上下两端，如图所示：图定义约束约束完后对叶片施压力的作用，叶片受的力主要是风的风载，风载的大小:

F式中：P－压强（Pa）ρ－空气密度，V－风速（m/s），A－叶片面积（m2考虑到当地天气的变化，取，则风载大小F=130N，方向垂直于叶片凹面。如图所示图施加载荷定义约束和施加载荷后开始求解，并对数据进行分析。数据分析叶片形变分析，如下图所示：图叶片形变云图叶片应力分析，如下图所示：图叶片应力分析从形变云图中可以看出，桅杆的最大形变量为0.057727mm。从应力云图中可以看出，桅杆的最大应力为0.94253Mpa。从数据结果可以看出叶片在极限环境工作中的形变不是很大，再加上本身设计时叶片的材料为铝合金，设计厚度为2mm。若再减少叶片的厚度，对其有限元分析形变和应力过大，不符合设计。最终将叶片的厚度设计为2mm。桅杆的静力学分析前处理设置在ANSYS软件中进入静力分析，对其进行材料的设置，材料为结构钢，进行三维模型导入，然后在对其进行网格划分，如图所示：图网格划分对桅杆定义约束，约束如图所示图定义约束施加载荷，载荷主要来自风轮的自重和风对风轮的风载，本设计中下层的桅杆承受的力最大，需承受两风轮的重力，即竖直载荷力F1=400N，侧向的风载F2=140N。如图所示：图施加载荷定义约束和施加载荷后开始求解，并对数据进行分析。数据分析桅杆形变分析，如下图所示：图桅杆的形变云图应力云图分析，如下图所示：图桅杆的应力云图从形变云图中可以看出，桅杆的最大形变量为0.73068mm。从应力云图中可以看出，桅杆的最大应力为3.5763Mpa。最初的设计桅杆的材料为结构钢，模型的厚度为8mm，考虑到厚度过大，会导致桅杆的重量会过大，将桅杆的厚度减少，将模型的厚度设计为4mm，在用同样的方法对模型进行静力学分析。优化后桅杆形变分析，如下图所示：图改进后桅杆形变云图优化后桅杆应力分析，如下图所示从形变云图中可以看出，优化后桅杆的最大形变量为0.74771mm。从应力云图中可以看出，优化桅杆的最大应力为2.4682Mpa。风力发电的储存与利用小型风力发电系统原理由于风是间歇性的，风力发电机工作也是间歇性的，输出的电能不持续，所以需要将不持续的电能先储存起来（一般用蓄电池），使用时再提供给负载(可直流供电，亦可用逆变器变换为交流供给用户)。常见的小型风力发电系统如图所示，接线示意图如图所示：图小型风力发电系统框图图风力发电系统接线示意图离网型风电系统风电机组的运行方式可分为两类：离网型和并网型。离网型一般用于小型风力发电机组，并网型用于大型风力发电机组成的风电场。本设计是小型风力发电机组，故选用离网型。离网风能系统通常使用储能电池，逆变器中的交流输出功率单个容量小于10千瓦，这是能源短缺的偏远地区能源生产的重要模式。在远离电网的偏远地区，使用小型风能系统为当地负荷供电不仅减少了一次性大额投资，还消除了热能系统的温室气体排放，改善了环境，增加了能源多样化，有利于可持续发展性。目前，中国小型风力发电机的研究和生产积累了丰富的经验，技术已经越来越成熟，在中国和一些出口产生了一系列的光谱。各部件的功能和原理及产品的选型控制器功能和原理控制器在离网小型运行系统中起着很重要的作用，它不仅操控着整个系统的正常运行，而且实时监测系统各参数的变化以防异常情况的出现，一旦出现错误，它能立即进行解决。总的说来，控制器的主要作用有如下几个方面：最大效率捕获风能，提高电能传输效率和质量；防止蓄电池过充和过放；合理分配电能，保证负载能够持续工作；减少风速随机变化对输出电能的影响，使输出电压稳定；产品的选型树状风力发电机组的额定功率为300W，所以选择小型风力发电机常用的300W风力发电机控制器。产品如图所示产品参数蓄电池额定电压DC12/24V自适应风力发电机额定功率300W（12V）600W（24V）自身功率静态平均功耗约10mA风机刹车电压14.5V/29V（250C）风机刹车恢复电压13.2V/26.4V（250C）风机刹车电流30A工作环境温度-35~750C温度补偿3mV/2V，-350C--+800C，精度:10C参数设定方式红外遥控及专用软件控制器的外壳尺寸100*76*23mm产品使用范围12/24V风力发电机充电系统防护等级IP67设计寿命5-10万小时产品功能简介智能芯片，能在寒冷、高温、潮湿环境下正常运行工作；铝质机壳，多棱边的底板设计加大了散热面积；12V/24V自动适配；蓄电池反接保护功能。具有防雷击保护功能、过压保护和过流保护功能；采用无触点功率元器件、性能可靠，寿命长；采用了密封防水的设计，使控制器稳定可靠性大幅度提高；具有温度补偿功能。指示灯状态（如图所示，从左往右指示灯依次为BRAKE、WIND、BATTERY）电池电量指示灯（BATTERY）不亮，蓄电池没有接上或连线松动常亮，蓄电池连接正常风机充电指示灯（WIND）不亮，风机没有连接或没有转动常亮，风机正在充电风机刹车指示灯（BRAKE）不亮，风机没有刹车常亮，风机刹车蓄电池在独立运行的小型风力发电系统中，广泛采用蓄电池作为储能装置。阀控式密封铅酸蓄电池整体采用密封结构，不存在普通铅酸蓄电池的气涨、电解液渗漏等现象，使用安全可靠、寿命长，正常运行时无须对电解液进行检测和调酸加水，又称为免维护蓄电池，因此，在小型风力发电系统中一般选用阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA）。汤浅阀控式蓄电池NPL系列，如图所示在室温下寿命可达7-10年。电池规格如下表所示电池型号额定电压（V）额定容量（AH）长（mm）宽（mm）高（mm）重量（kg）NPL24-1212241751661259NPL38-12123819716517014.2NPL65-12126535016617423NPL100-1212100407172.521040NPL200-6620039817621640由于本设计的基本风机单元是50W的额定功率，树状风力发电机组是由6个基本风机单元组合而成，故风力发电机组的额定功率为300W，蓄电池的额定功率=额定电压*额定容量。根据此选用型号为NPL24-12作为本设计的蓄电池。逆变器逆变器是一种把直流电能转化为交流电能（一般为220V50HZ正弦或方波）。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。产品参数如下表所示：产品型号TXD-180VATXD-300VATXD-500VA逆变功率额定180W额定225W额定375W充电输入150V-250V150V-250V150V-250V频率50Hz50Hz50Hz电流调节10档10档10档充电电流5A-15A5A-15A5A-15A逆变输入12V12V12V逆变输出220V220V220V根据逆变器的参数，选用型号为TXD-500VA的逆变器。总结与展望整个风力发电机的主要部分就是风轮，风轮决定着风机的效率，而对于风力发电机而言主要看的指标就是风能利用率，所以设计研究中风轮的设计受到了设计者的高度重视。风轮的设计也是整个风力发电机中最复杂的一部分，因为风的流动、力的传动都会在风轮内部进行，整个风轮设计涉及到多个学科的知识，不仅仅要考虑它的转动还有考虑内部力的传递和产生的转矩怎样输出。材料、结构、装配都是在设计过程中需要考虑的问题。整个风轮在设计上需要尽量减少其自身的重力，转动的平稳性，在风力发电技术的不断发展中，材料上的选用也就多种多样的，硬质铝合金也被广泛的应用便于减少自身的重量。另外就是单个风力机的输出功率还是偏低，不能很好得满足日常生活的需要，这时就需要将单个的小型风力发电机进行分布组装，构成一个小型的风力发电机组，从而提高整体的输出功率。本设计就是先初步设计出风机的整体结构，以该结构为出发点考虑风轮周围空气动力学运用仿真分析来模拟现实工况下风机的效率，进行对风机结构的优化设计，以及风力机的布局优化，以这些为基础进行一种垂直轴风力发电机群的设计。全文总结本文根据给定的发电功率来确定整个风力机的尺寸，根据所给资料和参考文献计算出整个风轮大小为直径577mm，高度1384mm，先对风机进行初步的结构设计，再结合模拟仿真最终确定结构尺寸。全文得出主要结论如下：（1）通过课题了解了很多有关风力发电的知识，了解到了多种的风力发电机还有关于风机的发展及风力发电的基础原理。（2）查阅相关资料，国内外有关垂直轴风力机的设计方法进行风轮主要尺寸的计算设计，得出50W垂直轴风力发电机风轮尺寸参数。（3）根据风轮转动扭矩的传递和受力的传递来设计风机的各个零部件，通过需要用哪部分承受力来设计相关结构，确定好大体结构后，查阅相关标准件的尺寸和装配关系来确定其他非标准件的尺寸。（4）确定好单个垂直轴风力发电机结构后，初步设计一种树状风力机群的分布方式，通过对单个风力机排列布局提高输出功率。（5）利用CFD（计算流体动力学）对风轮结构进行模拟仿真分析，对不同参数下的风轮进行模拟分析，得出不同结构下的空气动力学参数与真实情况基本符合，说明了Fluent中的K-e湍流模型和滑移网格技术是可以适用的，这样可以大幅度减少设计时间。（6）通过模拟仿真分析可以确定风轮的重叠区S=100mm，树状结构每层安装3个单元风机最为合理，可以使每个单元风机能够正常工作。（7）通过静力学分析对部分零件进行有限元分析，在安全范围内对零件的尺寸进行优化，减少材料的使用，提高经济性，同时降低整体的重量。由于在仿真分析是受到各种条件的限制，本次实验研究中还存在一些不够完善的地方，在这次模拟中只是进行了风轮的一个二维空气动力学分析，只分析了一个截面上的流场问题，没有进行三维分析。因为时间上的关系在风轮参数上的选择没有展开大幅度分析，在每种参数中只选择了三到五种情况的分析，这样不能形成一个普遍规律性，结果不是非常精确。展望本设计对一种树状垂直轴风力发电机群的设计与优化进行了比较科学性的计算和实验研究，对于得出的结论比较符合实现，但是随着科技不断的发展，对风力发电不断的研究，有几个方面的研究还有比较有意义的。（1）在风轮的结构上再进行优化，如叶片的翼型、传动方式等，使得垂直轴风力机的效率再度提高。（2）由