垂直轴风力发电机叶片建模与研究农用

赵辉+闫震

摘 要：采用独立供电系统的小型风力发电机能够解决农业用电问题。本文研究垂直轴风力发电机叶片，采用 Darrieus 式H型风轮，设计NACA0018升力型垂直轴风力发电机，利用三维建模软件solidworks建立叶片的三维实体模型。

关键词：风力发电;叶片;垂直轴风力发电机;三维建模

中图分类号： TM315         文献标识码： A            文章编号： 1673-1069（2016）33-152-2

0  引言

对于我国农村地区，由于电力负荷分散密度较低，致使输送线路电能浪费。又因为干旱季节、农忙时节用电量大，其他时间用电量小，这样很难对电网资源进行有效的配置，因此常规大电网不适于农业用电。小型农用风力发电机结构简单、成本低、安装维护方便，而且保护环境，有利于国家的可持续发展，因此，采用独立供电系统的小型风力发电机能够有效地解决农业用电问题。小型风力发电机分为水平轴和垂直轴两种类型，相对水平轴风力机，垂直轴风力机安装、维护方便，成本也低，更适合于农户使用。其中，风力机叶片是风力发电机组最为关键的部分，叶片的翼型和结构形式，直接影响了发电机组的性能、功率和使用寿命。本文进行叶片造型及三维建模。选择NACA-0018翼型，为普通家庭用户提供电力，拟用300W永磁直驱式小型风力发电机组叶片，实现220V家用电器的电力供给[1-3]。

1  叶片选型

设计的NACA0018升力型垂直轴风力发电机，拟定采用 Darrieus 式 H 型风轮。H型风力机的叶片数一般为2到6个，达里厄风力机叶片是通过两端或中部，进而固定在转轴上，这有助于加大机械的强度，同时可以做得很轻巧;达里厄风力机对塔架要求比较低，安装简单，检修便利。然而对于达里厄风力机的不能自起动问题，叶片的重心必须要放在叶片转轴上，由于叶片转轴是在叶片弦线的前部四分之一的地方，很难做到前后的平衡。我们在叶片前方固定一个平衡杆，平衡杆的轴线是在叶片弦线延长线上，离心摆杆是指向风轮的外侧，它的轴线是通过叶片转轴和风轮转轴，在平衡杆上方安装可调节位置的平衡锤，通过调节平衡锤位置，来使叶片重心落在叶片的转轴上。采用离心力与风力，直接调节风轮叶片攻角的垂直轴风力机的运动副，最少、制造、安装、维护简单、结构稳定、能自动起动、并能应对风速和负荷的突变、可在较宽风速和较宽负荷变化的范围内工作，总风能利用系数会比较高。

2  风力发电机叶片建模

利用Solidworks进行三维实体建模。打开solidworks软件，以XY面为基准面建立水平坐标系，风力发电的叶片翼型弦长为210mm，垂直轴叶片的攻角α应小于15°，叶片绕风轮转角θ在运动中不断变化，以210m为水平轴分别乘以不同位置位标数确定水平长度和竖直上下表面长度，绘制出弦长210mm的翼型，画出如下的二维草图1：

转换成三维模式，以在二维模式下已经绘制的草图为基准面，进行拉伸操作，沿Z轴正方向拉伸，长度为1200mm。风叶的压力中心在弦长靠左端的四分之一处，并且在水平方向的对称中心上。在风叶中心线上打一半径为r1的圆形通孔，再通一半径为r的叶片转轴，拉伸出一定长度，风叶与叶片转轴的配合关系为过盈，打孔并加入中心转轴的三维图如图2。

先确定平衡杆的位置，沿平行于弦长且垂直平行轴的方向，平衡杆中心通过叶片转轴的中心，且与端面的水平距离为L，平衡杆截面的直径为D，再在平衡杆上截取一个圆环面，以垂直于圆环面且平行于中心转轴的中心线为转动中心，旋转出一个球体，即为平衡锤，如下图3。

离心杆的绘制方法与平衡杆的绘制方法相似，方向为垂直于风叶转动中心与风叶的平衡杆，离心锤的绘制方法与平衡锤的绘制方法也相同，通过确定转动中心轴与截取的圆环面便可确定离心锤的位置及大小。具体图形如图4：

下面为设计好的H型NACA0018升力型垂直轴风力发电机风叶的立体图，如图5。

3  结论

风力发电机有效地解决了农业用电问题，叶片为风力机的重要元件。本文研究了采用 Darrieus 式 H 型风轮的NACA0018升力型垂直轴风力发电机，进行了叶片建模，为农用风力发电机的应用提供了技术参考。

参 考 文 献

[1] 王亚荣，邵联合.风力发电与机组系统[M].北京：化学工业出版社，2013，12.

[2] 詹姆斯·曼韦尔，乔恩·麦高恩.风能利用——理论、设计和应用[M].西安交通大学出版社，2013，11.

[3] 李春鹏.立轴风力发电机毕业设计文献综述[J].河北科技大学，2013（2）.

[4] 迟远英，张少杰，李京文.国内外风电发展现状[J].生产力研究，2008（18）：75-76.

[5] 李滨波，段向阳.风力发电机原理及风力发电技术[J].湖北电力，2007，31（6）：54-55.

[6] 林闽，张崇巍.小型风力发电机叶轮设计[J].风机技术，2007（1）：28-47.