某某学院毕业设计
tgI?Vsin?sin? (1-16) ?'?r?Vcos???cos?I?i?? (1-17)
以及优化的攻角变化i=A?sin?，可得
??tg?1(sin?)?A?sin? (1-18)
?'?cos? 由于?'??VI/V，所以式(2—14)实际上体现了叶片的桨矩角?、方位角?以及尖速比?之间的关系，而这些参数，对于风力机的性能非常重要。当A=10。垂直轴风力机桨矩角的变化情况如图2—7所示。
图2—10浆矩角变化曲线
从图2—10中可以得出垂直轴风力机的变浆矩规律：
(1).当风力机低速运行时，即?'较小时，风力机浆矩角的变化范围随?'的增大而减小。
(2)当?'小于某一值时，本文对应的是?'?5，当风力机叶片处于上风向位置时，即0°
(3)当?'大于某一值时，本文对应的是?'> 6矩角?的变化方向正好相反，但变化幅值较小。
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1.4.3变桨矩方式结果分析
对本文提出的变桨矩方式进行验证分析。当?'=3时，得到定桨矩、变桨矩Ct系数的对比结果，如图2—8所示，可以看出，采用本文制定的变浆矩方式，在45°
图2—11定浆距、变浆距的
1.5风轮的基本功能设计
通过上述分析，所开发的新型垂直轴风力机是直叶片的达里厄垂直轴风力机，此风力机的风轮通过安装变桨矩机构，能够提高风力机的风能利用率和启动性能。本文以基本垂直轴风力机的气动原理和变桨矩运行方式为基础，设计了一种适用于变桨矩垂直轴风力机的风轮，如图2—12所示该风轮的特点是： (1)风力机叶片为直叶片，并且能够绕自身轴线偏转，不可沿叶片展向偏转。 (2)叶片采用中间单杆支撑，这种结构简单，便于研究分析。若是单机容量大的风力机，叶片可以采用上下双杆两端支撑，可以改善受力情况，适用于大型垂直轴风力机。
(3)采用一种特殊的改变叶片桨矩角的运行方式。与传统垂直轴风力机相比，叶片采用这种变桨矩的方式能够减小风力机转矩的波动，提高风力机的启动性能以及风能利用率。
Ct系数对比图
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图2—12变浆矩垂直轴风力机风轮
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2.风轮参数设计及计算
2.1风轮设计特点
风轮是风力机最重要的部件之一，是风能转化为机械能最主要的装置。风力机的气动性能主要表现为风轮的气动性能，因此风轮的设计对风力机的性能具有重大影响。本章以第一章介绍的翼型空气动力特性、叶素理论、动量理论为基础，探讨了基于风速分布函数设计垂直轴风力机叶轮的设计方法，并设计一种适用于变桨矩垂直轴风力机的风轮，如图2—1所示。该风轮的特点是： 1.风力机叶片为直叶片，并且能够绕自身偏转。
2.叶片采用上下杆支撑，叶片受力情况较好，可用于小型风力机。
3.采用一种特殊的改变叶片桨矩角的运行方式。与传统垂直轴风力机相比，叶片采用这种变桨矩角的方式能够减小风力机转矩的波动，提高风力机的自启动性能以及风能利用率。
风轮设计主要包括确定风力机的特征风速与功率、计算风轮尺寸、确定风轮轮的叶片数、选取叶片翼型、确定变桨矩方式等方面的内容。
2.2风轮的参数确定 2.2.1尖速比
风轮叶片尖端的线速度与该风速之比称为尖速比，通常用?表示，也有用TSR(Tip Speed Ratio)表示的，可用下式计算：
?=?RV?2?nR (2-1) 60V式中：?—旋转角速度，rad／s；R—风轮的半径，m；n—风轮转速，r／mira V—风速，m／s。
现代风力发电机希望尖速比尽量大一些，尖速比大意味着风轮转速增加。一方面齿轮箱的增速比可以减少，使齿轮箱的研制变得容易一些；另一方面风轮产生相同功率时的转矩较小，主轴和发电机的重量可以减轻；还有随着尖速比的增加，使风轮实度减小，叶片材料减少，成本降低。但是，如果尖速比太高，需采用昂贵的碳纤维材料来满足其强度和刚度的要求。
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2.2.2风能利用系数
风能利用系数是指风轮从自然风中获得的能量与风轮扫掠面积内的未扰动气流所含的动能之比。它表明风轮从风中获得的有用能量的比例。
根据风力发电机设计理论可知，水平轴风力发电机的理想风能利用系数Cp，最大值为0．593；达里厄H型风力发电机的理想风能利用系数Cp，最大值为0．536。说明即使在理想状态下，风力发电机从自然风中所能索取的能量是有限的。对于实际使用的风力发电机来说，空气流动是可压缩的和叶片是有轮毂的，所以风能利用系数会有所下降。一般，高性能螺旋桨式风力发电机的CP值是0.45，阻力型风力发Cp值只有0.15左右。Cp值越大，表示风力发电机能够从自然中获得的能量百分比越大，风力发电机的效率越高，风力发电机对风能的利用率越高。
2.2.3风机电机的确定
根据性能要求本文选定Y100L1—4立式电机，其额定功率为P=2.2KW。
2.2.4风机额定风速的确定
根据性能要求本文选定额定风速为：VN=10m/s；
2.2.5启动风速的确定
启动风速是风力机风轮由静止开始转动并能连续运动的最小风速。目前国内外100多种风力机，启动风速的范围是2-6m/s，这一范围能满足风能丰富区、较丰富区、可利用区的不同需要。风力机的启动风速可以参照风场出现概率最大的风速珞，也可以根据成熟机型的启动风速进行选择。
2.2.6风轮半径R及风轮高度
在确定风轮的额定功率后，风力机的直径可由式进行计算：
13PN=Cp?SVN? (2-2)
2D?8PN (2-3) 3?CP?VN- 25 -