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垂直轴风力机开题报告

毕业设计（论文）开题报告

题目：

垂直轴风力机设计与结构优化

学生姓名：

学号：

090501234

专业：

机械设计制造及其自动化

指导教师：

刘恩福（教授）

2013年03月30日

1文献综述

1.1引言

为了减小能源危机的影响，世界各国近几十年来对风能、太阳能、核能、生物质能、潮汐能及地热能等新能源进行了研究。

目前，风能的利用在技术上最成熟，具有同燃油、燃煤、核电等发电技术相竞争的经济性。

而且，单机容量从最初的数十千瓦级发展到现在的兆瓦级机组，功率控制方式从定桨距失速控制向全桨叶变距变速控制的方向发展，商业化风电场已形成了相当的规模和经济效益。

在技术上全球风电资源是整个世界预期电力需求的2倍，只要利用地球上50%的风电资源就能满足全球能源需求[1]。

我国作为一个风能大国，风能资源丰富，风能储量大，分布面广，可开发利用的风能储量为10亿千瓦，这些资源主要分布在我国的东南沿海、内蒙古、新疆和甘肃一带。

到2012年，我国风电总装机容量已超过了5258万千瓦，并网风力发电将近5026万千瓦，成为世界第一的风电大国[2]。

我国风力发电的巨大潜力带动了国内风电设备的大发展，但是目前在风电设备市场，外资企业产品占据了大半江山，主要原因是尽管国产风机自主创新取得一定进展，但市场认可度仍然偏低，生产能力有待提升。

因此，逐步掌握核心技术，是风电设备行业发展的关键，以此来实现风电机组基本国产化，以国产化降低风电建设成本，是我国大规模发展风电的必由之路。

1.2风力发电系统的种类

风力发电就是把风能通过转换装置而生产电能，即是通过风力机这种机械结构系统装置把自然界中的风能捕获，然后经过转换产生电能。

为了有效地利用风能发电，世界各国对风力发电形式进行了广泛深入的研究，归纳起来风力发电系统的运行方式有以下三种方式[3]。

（1）独立运行式。

这种运行方式主要对象是微小型的风力发电机组。

微小型机组由于容量小、负载小和不需要并网，所以可以用蓄电池储能，且使用风速范围较大，无精确调速控制系统。

（2）多台风力发电机组成风车田方式。

它由数十台甚至数百台兆瓦级的风力发电机组成风电场联合向电网供电。

（3）风力发电混合能源系统。

它是由两种或两种以上的能源组成的供电系统，其中至少有一种能源相对稳定，才能保证系统供电的连续性和稳定性。

例如，风柴系统、太阳能系统与柴油机发电构成的系统、风—柴—蓄电池系统等，都属于混合能源系统。

1.3风力发电机的分类及比较

风力机经过多年的研究和发展，出现了多种多样的风力机，一般根据风力机的用途、容量、叶片个数和风轮与塔架的相对位置等进行分类[4]。

一般按照风力机风轮转轴与风向位置分的水平轴风力机和垂直轴风力机。

（1）水平轴风力机

水平轴风力机是目前国内外研制最多，最常见的一种风力机，也是技术最成熟的一种风力机，占整个风力发电机使用的97%。

其风轮叶片数一般为2~3叶，叶片形状一般为翼形，该风轮启动力矩较大，风能利用系数高。

为使扫风面随时对风，需装有调向装置[5]。

图1水平轴风力机

（2）垂直轴风力机

垂直轴风力机叶轮的转动与风向无关,因此不需要像水平轴风力机那样采用迎风装置。

垂直轴风力机可分为2个主要类型：

一类是利用空气动力的阻力做功,称为阻力

图2垂直轴风力机

型垂直轴风力机。

目前，阻力型垂直轴风力机的种类主要有萨渥纽斯型、涡轮型、风杯型、平板型和马达拉斯型等。

其中：

萨渥纽斯型和涡轮型是阻力型垂直轴风力机的典型代表。

根据这些典型的风力机的工作原理和形状又可以派生出许多形状不同、功能各异的阻力型垂直轴风力机。

另一类是利用翼型的升力做功，称为升力型垂直轴风力发电机，最典型的是达里厄（Darrieus）型风力机。

达里厄风力机有多种形式，Φ型、H型、Y型和菱形。

但总的说来,目前研究应用的主流基本上是直叶片和弯叶片，以H型和Φ型风轮最为典型[6~7]。

（3）水平轴与垂直轴风力发电机的简单比较

水平轴风力发电机因具有风能利用效率高和理论研究成熟的优点成为目前商业化风力发电的主要形式。

随着科技的发展，人们在对水平轴风力机的研究时，发现垂直轴风力机在某些关键技术方面可能能够很好的解决水平轴风力机目前所要面临的问题，主要由于垂直轴风力发电机组发电机的齿轮箱在底部，结构稳定，采用钢索等，这样系统维护便利和制造成本大大减少；不需要对风系统,系统复杂性降低,能接受来自各个方向上的风能并且减少了对风损失；垂直轴风力机的尖速比要比水平轴的小，气动噪声也就小。

因此垂直轴风力机的有点主要体现在在整个系统的结构稳定可靠、制造成本相对较低、风能利用率较高和环保效果好等方面[8]。

1.4垂直轴风力机的国内外发展现状

垂直轴风力机的应用早于水平轴风力机。

中国最早利用风能的形式机是阻力型垂直轴风车。

当时普遍认为，垂直轴风力机不如水平轴风力机的风能利用率高，所以垂直轴风力机并没有得到确实的发展。

随着科技的发展，人们逐渐认识到要进一步发展水平轴风力机受到材料和解决系统复杂性等方面的限制，恰恰垂直轴风力机具备这方面的优势，而且目前的研究也表明以往认为的垂直轴风轮的尖速比不能大于1仅仅适用于阻力型风轮，而升力型风轮的尖速比甚至可以达到6，并且其风能利用率也不低于水平轴，兆瓦级的垂直轴风力机也成为可能[9~10]。

垂直轴在这样的背景下，被提上风力发电机发展方向的议程。

目前最常见的垂直轴风力机是1931年发明的达里厄型风力机（Darrieusturbine）。

国外发展研究垂直轴风力发电机在20世纪70年代开始迅速发展，特别是达里（Darrieus）型风力机由于石油危机在北美迎来了发展高峰[11]。

到80年代，达里厄型风力机已经在加利福利亚的一些风电场实现了商业化。

目前已经建成的最大的风力机的额定功率达4兆瓦。

然而，由于达里厄型风力机的结构存在的问题和风力机在能源市场的占有率极少，所以很多垂直轴风力机被拆除并且有些研究也被迫停止。

近期发展方向主要集中在研究和发展小型的垂直轴风力发电机上。

在我国，垂直轴风力机的研究主要集中在空气动力学特性方面，主要包括对垂直轴风力发电机的适用翼型空气动力学性能研究和使用各种翼型的整体空气动力学性能研究，取得了一定的进展，但并没有获得规律性的认识。

1.5垂直轴风力机的主要研究方向

（1）进一步发展垂直轴风力机的可行性和实用性的研究

目前的垂直轴风力机在实际应用中还没有被大型化，小型的垂直轴风力发电机已经投入市场。

TrevorJ.Price主要介绍了名为Musgrove型的垂直轴风力机，在20世纪80~90年代，Musgrove型垂直轴风力机曾作为一种可与水平轴风力机竞争的风机，并且受到英国政府和中央发电局的鼓励和支持，并且在英格兰和威尔士等地得到了应用[12]。

张国铭从风电机的效率与风向关系，风能利用系数，风电机的启动，风涡轮动力系统的合理性，叶片结构，单机容量等方面，论述了发展大型垂直轴风力发电机的合理性，为发展兆瓦级的垂直轴风力机准备了条件[13]。

杨慧杰等论述了小型垂直轴风力发电机在国外的新发展，小型垂直风力机能运用野外工作，家庭供电，屋顶安放发电等，表明垂直轴风力机已经开始适应市场的需要，也为国内发展垂直轴风力机提供了参考[14]。

尹建国等利用垂直轴风力机噪声低，系统简单，360º接受风能的特点，认为能运用于通信基站的供电，进一步推广了垂直轴风力机的适用场合[15]。

因此发展垂直轴风力机具有小型化的实用性、大型化的可能性，将具有广阔的应用前景。

（2）优化垂直轴风力机的结构动力方面的研究

垂直轴风力发电机的结构性能决定着风力机的运行状态是否安全可靠。

D.W.Lobitz等认为垂直轴风力机的运行主要因素是疲劳失效和系统的可靠性，并且介绍了适用于垂直轴风力机的受力分析模型，包括了陀螺效应，结构阻尼,空气动力风荷载等方面,为结构动力的分析奠定了一定的基础[16]。

田海姣等分析了巨型垂直轴风力发电机组的动力特性分析，揭示了转子与纤绳这两部分的动力特性，认为整体结构的频率随着纤绳预应力的增大而减小[17]。

张婷婷等采用有限元法对垂直轴风力机的结构特性进行了研究分析了工作状态下风机的动力钢化问题，认为风机在一定的转速下，能避开共振区,是能够安全运行的[18]。

总之垂直轴风力机大型化在结构方面的制作是可行的，并且它在稳定性和可靠性等方面优于水平轴风力机。

（3）垂直轴风力机的静、动力学分析

风力机的结构设计在气动性能分析之后进行，结构设计必须对系统收受的外载荷进行分析。

作用在风力发电机上的载荷有静载荷和动载荷。

在不同工况下系统所受的载荷情况不同，H型垂直轴风力发电机考虑的荷载主要包括：

转速变化、风压变化、阵风效应、突然停机、停机遇最大阵风。

同时也要考虑风力机在运转时振动的问题，包括静态固有频率、动态固有频率、转速与固有频率的关系等。

通过计算，确定最危险的疲劳载荷和静载荷作为结构设计的依据[19]。

国内外对垂直轴风力机的静、动力学分析研究主要包括以下几方面：

1）研究一个相对性能的钢和混凝土塔架的设计选择方案，通过一个数值模型的风力机的高度和风速大小来选择塔架结构尺寸。

并且对塔架受到风轮转动产生振动进行分析，为塔架的结构设计提供依据[20~21]。

2）结合有限元分析软件ANSYS，对垂直轴风力发电机组的风轮、塔架、叶片、主轴等关键部位进行了强度校核及有限元仿真分析，以确定其强度刚度能否满足要求，并根据仿真结果优化结构和尺寸参数。

根据动力学有限元的基本原理，讨论模态分析时有限元模型建立的原则和方法，分析风机的低阶固有频率和固有振型，并结合风机的实际工作条件，进行了系统的共振特性评估[22-23]。

3）对风力机的结构振动特性进行了研究，分析了工作状态下风机的动力刚化问题。

对某垂直轴风力机进行不同转速下的固有频率分析,绘制Campbell图，并计算了风机的临界转速，以判断其工作状态是否安全，为立轴风力机结构的振动特性设计提供参考[24-25]。

4）文献[26]针对750KW风力发电机轮毂和主轴的变形问题，运用UG三维绘图软件构建750KW风机中轮毂和主轴的实体模型，借助有限元软件ANSYS，对轮毂和主轴进行应力分析，计算轮毂和主轴的最大应力和最大应变，归纳出轮毂和主轴设计时要考虑的问题，为风力发电机的设计提供依据。

1.6结语

目前世界正逢风电发展的大好时机，风电设备市场需求增加。

国家的政策支持将是风电设备制造业迅猛发展的根本保障，随着中国国产风机设备的自主制造能力不断加强，风电设备制造业面临难得的历史发展机遇。

总的说来，相对于传统的水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机具有设计方法先进、风能利用率高、无噪声等众多优点，具有更加广阔的市场应用前景。

目前国内外对垂直轴风力机的研究可以说尚处于初级阶段，从垂直轴风力机的研究进展方面，特别是研究方法方面，论证了目前对垂直轴风力机的设计制作的方面尚处于探索阶段，并没有形成规律性的认识。

垂直轴风力机的发展还需要政府、企业和研究工作者做大量的工作，它的发展将为未来的风力发电事业做出大的贡献。

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2研究手段及途径

2.1任务分析

（1）课题研究内容

完成垂直轴风力机设计与结构优化。

（2）技术要求

1）实现对垂直轴风力机叶片桨距角的自动化控制。

2）风力机的额定功率初步定为3MW。

3）风力机的运转额定风速初步定为11.5m/s（或由风电场数据计算得出）。

4）保证风力机运转的稳定性，额定转速初步定为15r/min,运行范围为9-19r/min。

5）风力机运行温度范围-20℃到40℃。

（3）设计要求

1）毕业实习期间要求深入了解垂直轴风力机原理及相关机械结构功能，熟悉现有垂直轴风力机技术及其应用，完成前期资料的收集与整理。

2）确定变桨距垂直轴风力机工作原理及方案。

（包括调研，资料检索，确定原理，总体方案的论证）完成垂直轴风力机的具体结构设计，综合设计、计算。

3）应用UG工程设计软件绘制整机的二维、三维总体装配图和零件图。

4）研究垂直轴风力机载荷计算分析的方法，对变桨矩垂直轴风力机进行载荷分析。

并应用UG/ANSYS对关键部件（叶轮、叶片、塔架）进行结构优化。

5）编写设计计算说明书。

要求文献综述、方案选择、问题解决方法、计算过程等。

2.2技术路线和实施方案

（1）基于对垂直轴风力机气动原理的分析，进行所开发新型风力机的基本功能设计和原理分析。

首先，我们深入学习垂直轴风力发电机的气动理论，包括动量理论模型、叶素理论、多流管模型。

依据旋转叶片式风力发电机的工作原理和结构特性，分析出哪种理论更加适合其气动性能分析。

其次，通过对目前变桨距垂直轴风力机的学习和研究，构思出新型变桨距控制方法，图3展示了控制机构的设计思想，偏心距e的大小即为从旋转中心O到偏心点P的距离。

偏心相角ε即OP线和垂直线之间的角度。

偏心距的大小和相角用于调整转子旋转的幅度和方向。

图4显示出了当最大桨距角是10°时，桨距角随方位角的变化。

此变桨距控制方法属于同步控制，简单、方便，有利于使叶片处于最佳桨距角，从而更好地实现最大风能的利用。

图3CWT控制机构的设计思想图4摆线风力机桨距角的变化

叶素理论

图5

（2）以水平轴变桨矩风力机设计技术为基础，开展变桨矩垂直轴风力机的总体技术方案的研究，进行风力机总体参数、总体布局等方面的设计工作。

基于变桨矩垂直轴风力机的气动原理和功能设计，以水平轴变桨矩风力机设计技术为基础，开展变桨矩垂直轴风力机的总体技术方案的研究，进行风力机总体参数以及总体布局的设计。

风力机设计原理

图6

（3）依据风力机的总体参数及布局设计方案，进行变桨矩垂直轴风力机风轮的总体结构详细设计。

总体参数主要涉及：

风轮叶片数、风轮直径、设计风速、尖速比、翼型分布及其与气动性能的关系。

总体布局设计主要指气动设计方案，整机各部件、各子系统、附件和设备等的布置方案，结构承力件的布置、传力路线的分析，以及各部件和子系统的要求、组成、原理分析、结构形式、参数以及附件的选择等工作。

风力机设计方法

图7

（4）利用UG三维软件对风力机整体结构进行实体建模、绘制整机的二维、三维总体装配图和零件图。

学习使用UG三维软件，由以上设尺寸计先画出各个零件三维图，再由总体设计方案将各个零件装配起来，进行装配分析，最后导出二维工程图纸。

UGNX6.0教程

图8

（5）研究对此种垂直轴风力机载荷计算分析的方法，对变桨矩垂直轴风力机进行载荷分析。

并应用UG/ANSYS对关键部件进行结构优化，并导出其二维工程图纸。

图9

2.3研究进度安排

（1）2月13日~2月26日熟悉课题，搜集毕业设计课题相关资料。

（2）2月27日~3月4日阅读相关文献和资料，参加实习，构思设计方案。

（3）3月5日~3月31日翻译外文资料、撰写开题报告，开题。

（4）4月01日~5月16日完成总体设计，装配图详细设计和计算，绘制零件图。

（5）5月17日~5月30日编写设计计算说明书。

（5）5月31日~6月10日准备毕业答辩，答辩。

（6）6月11日整理提交设计资料。

指导教师意见：

指导教师：

2013年月日