某某学院毕业设计
几年我国进一步加强了风力机组制造行业的建设，并在全国形成了一批风电设备制造
随着电力电子技术和计算机控制技术的不断进步，具有投资少、能量损失小、低发电成本、低噪声、低维护费用、可靠性高等优点的直驱式风力机，会成为未来变速恒频风力发电的重要趋势。
3.课题研究的意义
本课题的研究目标，是研究一种新型垂直轴风力机的基本原理和结构技术方案，使其具有较高的风能利用率和较好的启动性能，为日后高性价比的新型风力机的研制和开发提供必要的解决方案。这对于降低风电设备的成本，促进风力发电领域的技术进步，加快风力发电的步伐无疑具有重要的意义。
4.课题的研究内容
水平轴风力机采用变桨矩技术，通过改变叶片的桨矩角来改变叶片的升力与阻力，从而获得较高的风能利用率，得到了广泛的应用。借鉴水平轴风力机这一成功经验，如果能将变桨矩技术与垂直轴风力机很好的结合起来，提高垂直轴风力机的启动性能和风能利用率，开发一种新型高效的垂直轴风力机，由于垂直轴风力机制造成本低廉、维护费用低，这种新型的风力机将会进一步降低风力发电的成本，对风电产业的快速发展起强有力的促进作用。
开发这种新型的变桨矩垂直轴风力机，需要做很多的研究工作，本文的主要研究内容如下：
（1）根据性能要求，进行风轮主要参数计算； （2）对风机进行总体设计，确定功能模块布局；
（3）对风机整体进行详细设计，讨论变浆矩结构对风机性能的影响，并设计合理的变浆矩风轮结构；；
（4）建立主要零部件的参数化三维模型，完成虚拟装配设计，消除可能出现的设计问题，建立风机的虚拟化样机，并经过必要的评估校核；
（5）输出完整规范的风机主要零部件与装配总成图纸，为制造与安装调试打下基础。
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1.风机总体设计方案
国外风力机研制的初期就考虑过采用变桨矩机构，但由于对变桨矩控制理论并未进行深入研究，导致了许多故障。本章在对变桨矩风力机空气动力学方面进行分析的基础上，提出了变桨矩控制规律。通过对整个变桨矩风力机进行机理建模，为最终仿真结果验证了变桨矩控制规律的合理性，为变桨矩机构设计提供理论基础。
1.1叶片的气动力分析
图2—1表示的是垂直轴风力机的一个叶片在某一位置时的气动力分析，i
?是桨矩角，?是方位角，是攻角，并规定?以减小攻角i的方向为正。令I?i??，并设叶片的弦长为C，作用在叶片上的气动压力为q?1?W2。 2
图2—1气动力分析图
此时，气动力作用在翼弦垂直方向的分量dN以及与翼弦平行方向的分量dT为：
dN?(CIcosI?CdsinI)qCdz (1-1) dT?(CIsinI?CdcosI)qCdz (1-2)
式中CI、Cd分别为翼型的升力系数和阻力系数。令Cn?CIcosI?CdsinI，
CI?CIsinI?CdcosI，其中Cn和CI分别为垂直和平行于翼弦方向的利兰热尔气
动系数。则，
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dN?CnqCdz (1-3) dT?CnqCdz (1-4)
沿作用于风轮的流向力dF
dF?dNsin??dTcos??作用在叶素上的空气动力的转矩dM
1?W2c(Cnsin??Ctcos?)dz (1-5) 2dM?dT?r (1-6)
由于作用在单个叶片微段上的力dF、dM随风轮的转动是变化的，所以必须计算其名义值，设风轮叶片弦长C和叶片数B为常数,得作用在风轮上的推力F以及扭矩M为：
F?BC?H2?12?W(Cnsin??Ctcos?)d?dz (1-7) ???H02?2BC?H2?2C?Wrd?dz (1-8) t2???H?0P?M? (1-9)
M?风力机的功率：
由式可知，垂直轴风力机扭矩随方位角?的变化情况可以通过研究系数Ct来获得。
为了便于讨论风力机的叶片在旋转一周过程中扭矩的变化情况，本文取叶片翼型的升力、阻力系数曲线如图2—2所示。为了便于计算叶片所受的扭矩，需要对翼型的升力系数和阻力系数进行多项式拟合，对升力系数拟合时为了提高拟合精度，往往需要进行分段拟合，否则由于计算机计算精度的原因，可能会出现计算机返回值为?的现象，而在对阻力系数进行拟合时，不需分段。本文以0°攻角为分界点，取(-30，-0.25)，（-20，-0.3），（0，0.3），（15,1.1），（40，0.65）进行分段拟合，得翼型的升力系数曲线
?0.0012i2?0.0533i?0.3,i?0Ct=? (1-10) 2?0.0018i?0.0801i?0.3,i?0?取（-30，.025）,（0，0.05）,（30,0.25）进行拟合，得翼型的阻力系数曲线多项式为，Cd?0.0002i2?0.05
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当?'?3时，得风力机系数Ct的变化情况如图2—6所示。
图2—2系数
Ct的变化曲线
由图2—2可以看出，叶片在0°
CP=P1?VI3S2 （1-11）
式中
P——风力机实际获取的功率，W； ?——空气密度，kg/m3； S——风轮的扫风面积，m2； VI——上游风速，m/s；
可知，当风轮转速一定时，垂直轴风力机的功率主要由处于上风向位置的叶片提供，并且垂直轴风力机的风能利用系数在上风向和下风向位置时是不同的，下风向位置的风能利用系数小于上风向位置的风能利用系数，并且往往会削弱上风向位置的风能利用系数。
1.2翼型的几何参数与气动特性
翼型的气动性能直接与翼型外观有关。通常，翼型外形由下列几何参数决定。 中弧线：翼型周线内切圆圆心的连接线称为中弧线。 1.翼的前缘：翼型中弧线的最前点。
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2.翼的后缘：翼型中弧线的最厚点。
3.翼弦：翼型前后缘之间的连接线称为翼弦，翼弦的长度称为弦长。 4.翼的上表面：翼弦上面的弧面。 5.翼的下表面：翼弦下面的弧面。
6.翼的最大厚度：翼的上表面与下表面相对应的最大距离。
7.翼的弯度：中弧线到弦线的最大垂直距离称为翼型的弯度，弯度与弦长的比值称为相对弯度。
图2—3翼型几何参数
1.2.1翼型的空气动力特性 1.2.1.1作用在翼叶上的气动力
假定翼叶静止处于均匀来流速度V中，此时作用在翼叶表面上的空气压力是不均匀的，上表面的压力减小，下表面的压力增大，根据伯努利理论，上表面的气流速度将会增大，下表面气流速度将会减小。因此，围绕翼叶的流动可以看成两个流动的组成：一个是围绕翼叶的无升力流动，一个是环绕翼叶表面的流动，如图2—2所示。正是由于翼叶表面上存在着速度环量导致了翼叶的升力。作用在翼叶上的作用力如图2—4所示。其中F是翼叶所受的气动力，其方向与相对速度的方向有关。F可以分解为两不分：分量Fd与速度V平行，称为阻力：分量Fl与速度垂直，称为升力。对于升力型风力机，主要由翼叶的升力提供风轮的转矩，而对于阻力型风力机则翼叶的阻力提供风轮的转矩。
图2—4气流围绕翼叶的流动
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