小型H型垂直軸風(fēng)車葉片的設(shè)計(jì)分析

張學(xué)忱， 李 山

（長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

伴隨著社會(huì)的發(fā)展，能源的供需矛盾日益突出。因此，對(duì)可再生能源的開(kāi)發(fā)利用，特別是對(duì)風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。據(jù)估計(jì)，地球上所接受的太陽(yáng)輻射能有 2%轉(zhuǎn)化成風(fēng)能，裝機(jī)容量可達(dá)10tw，風(fēng)能具有取之不盡，用之不竭，不消耗能源，清潔衛(wèi)生，分布廣泛等特點(diǎn)；同時(shí)風(fēng)能相對(duì)于太陽(yáng)能來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)成本低，是可再生能源中最具前景的。風(fēng)能日益受到廣泛關(guān)注，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究就是其中之一[1-2]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2010年全國(guó)大約還有530萬(wàn)無(wú)電用戶[3]，其中大部分集中在偏遠(yuǎn)地區(qū)，居住相對(duì)分散，如果采用常規(guī)電網(wǎng)來(lái)供電，從經(jīng)濟(jì)效益上是不行的。此外一些偏遠(yuǎn)的農(nóng)場(chǎng)、牧場(chǎng)、林場(chǎng)以及部分工廠，由于距供電線路較遠(yuǎn)，架設(shè)新的供電新路成本太高，只有采用獨(dú)立的風(fēng)力供電系統(tǒng)才能解決供電問(wèn)題。

本文對(duì)小型垂直軸風(fēng)車葉片進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)、載荷分析 ，為葉片設(shè)計(jì)提供了參考。

1 垂直軸風(fēng)車的優(yōu)勢(shì)

風(fēng)車按照風(fēng)輪軸的不同，可以分為水平軸風(fēng)車和垂直軸風(fēng)車。能量驅(qū)動(dòng)鏈（即風(fēng)輪、主軸、變速箱、發(fā)電機(jī)）呈水平方向的，稱為水平軸風(fēng)車（水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)）。能量驅(qū)動(dòng)鏈呈垂直方向的，稱為垂直軸風(fēng)車（垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)）。

垂直軸風(fēng)車很早就被應(yīng)用于人類的生活領(lǐng)域中，中國(guó)最早利用風(fēng)力的形式就是垂直軸風(fēng)車。由于人們普遍認(rèn)為垂直軸風(fēng)車的葉尖速比不可能大于1，風(fēng)能利用率低于水平軸風(fēng)車，因此現(xiàn)在使用最多的為水平軸風(fēng)車，而垂直軸風(fēng)車長(zhǎng)期得不到重視。

隨之科技的發(fā)展和人類認(rèn)知水平的不斷提高，人們逐漸認(rèn)識(shí)到垂直軸風(fēng)車葉尖速比不能大于1僅僅適用于阻力型風(fēng)輪（Savonius式風(fēng)輪），而升力型風(fēng)輪（Darrieus式風(fēng)輪）的葉尖速比可以達(dá)到6，并且有著較高的風(fēng)能利用率。近年來(lái)越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)和人員開(kāi)始研究垂直軸風(fēng)車，并且取得很大的發(fā)展[4]。

2 小型H型垂直軸風(fēng)車葉片的設(shè)計(jì)

葉片是風(fēng)車結(jié)構(gòu)中最重要的，也是受力最復(fù)雜的部件。風(fēng)車運(yùn)行在隨時(shí)變化的自然環(huán)境中，受力情況復(fù)雜，風(fēng)車葉片的設(shè)計(jì)是風(fēng)車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。葉片是風(fēng)車吸收風(fēng)能的部件，也是主要的受力部件。設(shè)計(jì)優(yōu)良的葉片能夠很好的控制載荷，同時(shí)最大幅度的提高風(fēng)車的效率。因此，對(duì)風(fēng)車葉片的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

2.1 風(fēng)輪的簡(jiǎn)化

風(fēng)車能量的轉(zhuǎn)化是通過(guò)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，風(fēng)輪主要由葉片、連桿、輪轂等部件組成。其中，連桿主要起連接作用，輪轂是傳動(dòng)部件，對(duì)風(fēng)輪的起動(dòng)性能影響不大，葉片的設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵。將連桿和輪轂簡(jiǎn)化掉，得到風(fēng)輪的簡(jiǎn)化模型（圖1）。將葉片從風(fēng)輪中提取出來(lái)，便于風(fēng)車的葉片設(shè)計(jì)。

2.2 葉片材料的選擇

在風(fēng)車的發(fā)展史上，先后出現(xiàn)了木質(zhì)葉片、鋁合金葉片、復(fù)合材料葉片[5]。木質(zhì)葉片的強(qiáng)度差，耐腐蝕性差；鋁合金葉片由于其空氣動(dòng)力效率低均已被淘汰。復(fù)合材料葉片是以環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和樹(shù)脂根據(jù)使用情況滲入不同形式玻璃纖維復(fù)合而成，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗氧化的特點(diǎn)。本文選擇輕質(zhì)復(fù)合材料來(lái)制造風(fēng)車的葉片，密度p=0.81g/cm3。

圖1 簡(jiǎn)化后的三維風(fēng)輪模型

2.3 葉尖速比λ

為了表示風(fēng)輪在不同風(fēng)速中的狀態(tài)，用葉片的葉尖做圓周運(yùn)動(dòng)的速度與風(fēng)速之比來(lái)衡量，稱之為葉尖速比λ。葉尖速比與風(fēng)輪效率密切相關(guān)，在風(fēng)車沒(méi)有過(guò)速的條件下，運(yùn)轉(zhuǎn)于高葉尖速比狀態(tài)下的風(fēng)車具有較高的效率。本設(shè)計(jì)葉尖速比取λ=4.0，同時(shí)確定額定轉(zhuǎn)速 m=180r/min，設(shè)計(jì)功率為300w。

2.4 葉片數(shù)

葉片的數(shù)目n取決于葉片葉尖速比，一般高速風(fēng)車葉片比較少，而低速風(fēng)車的葉片比較多。本設(shè)計(jì)的垂直軸風(fēng)力機(jī)屬于低速風(fēng)力機(jī)，即葉尖速比λ＜5，采用5葉片設(shè)計(jì)，間隔72°布置，以保證風(fēng)力機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

2.5 設(shè)計(jì)風(fēng)速

設(shè)計(jì)風(fēng)速取決于使用風(fēng)車風(fēng)能資源的分布。小型 H型垂直軸風(fēng)車設(shè)計(jì)目的是為偏遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)供電與為城市提供補(bǔ)充供電，故要求風(fēng)車可以在全國(guó)大部分地區(qū)可安裝使用，啟動(dòng)風(fēng)速低，運(yùn)行穩(wěn)定。根據(jù)我國(guó)風(fēng)資源分布情況，本設(shè)計(jì)額定風(fēng)速取v=10m/s，工作風(fēng)速為4～25m/s，安全風(fēng)速為40 m/s。

2.6 風(fēng)輪的直徑

對(duì)于一般給定的風(fēng)車風(fēng)輪直徑D可由下式確定

式中，P為風(fēng)機(jī)輸出功率，本設(shè)計(jì)取300w；PC為風(fēng)能利用系數(shù)，低速風(fēng)力機(jī)一般取0.31～ 0.36；ρ為空氣密度，一般取1.29kg/m3；v為額定風(fēng)速，取 10m/s；η為傳動(dòng)效率與風(fēng)車效率的積，一般取0.85～0.95。代入求得風(fēng)輪直徑D≈0.78m。

2.7 翼 型

構(gòu)成風(fēng)車葉片的翼型性能如何，直接影響著風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。由于普通航空翼型空氣動(dòng)力學(xué)已得到充分研究。所以傳統(tǒng)風(fēng)車葉片翼型一般沿用這一系列成熟航空翼型。最常用的傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)翼型為NACA翼型，其特點(diǎn)是最大升力系數(shù)高，最小阻力系數(shù)低。本設(shè)計(jì)采用NACA4412翼型。同時(shí)確定，葉片高度為150cm，剖面弦長(zhǎng)23cm。

以上是從葉片材料、葉尖速比、葉片數(shù)、設(shè)計(jì)風(fēng)速、風(fēng)輪直徑、翼型這幾個(gè)葉片的重要參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使所設(shè)計(jì)的風(fēng)車滿足工作條件。

3 小型H型垂直軸風(fēng)車葉片的基本載荷分析

在風(fēng)車的設(shè)計(jì)中需要確定在不同的工作環(huán)境下所產(chǎn)生的基本載荷。其作用是對(duì)風(fēng)車葉片進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析、強(qiáng)度分析，計(jì)算出風(fēng)車的可靠性，確保風(fēng)車葉片的安全運(yùn)行。

在風(fēng)車的設(shè)計(jì)中，需要考慮的載荷源包括：第一，空氣動(dòng)力載荷；第二，重力載荷；第三，慣性力載荷；第四，控制系統(tǒng)動(dòng)作引起的載荷。我們主要考慮前3個(gè)基本載荷[5]。

3.1 空氣動(dòng)力載荷

作用在風(fēng)車葉片上的空氣作用力是風(fēng)車的主要?jiǎng)恿?lái)源，葉片是最主要的承載部分。葉片上的空氣動(dòng)力載荷主要是根據(jù)動(dòng)量理論和葉素理論進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)兩理論可以得到：

1） 葉片上單位長(zhǎng)度的氣動(dòng)力

式中，ρ為空氣密度，取1.29kg/m3；W為相對(duì)速度，取額定風(fēng)速10m/s ；c為剖面翼型弦長(zhǎng)，取0.23m；α為最佳攻角，取8°；Ci，Cd為翼型升力系數(shù)和阻力系數(shù)，分別取1.3和0.15；Cn，

Ct為法向力系數(shù)和切向力系數(shù)。計(jì)算得到

2） 氣動(dòng)力剪力

式中，R為風(fēng)輪高度一半，取0.75m；r為葉根半徑，取中心為0。代入已知數(shù)據(jù)得

3） 氣動(dòng)力彎矩

式中，γ1為積分變量；代入數(shù)據(jù)求得

（4） 氣動(dòng)力扭矩

式中，KaM向量指向軸負(fù)方向時(shí)為正，即使扭角減小的方向?yàn)檎籶為翼型截面壓力重心；c為扭轉(zhuǎn)中心，取葉片的中心。一般情況下認(rèn)為點(diǎn)p、點(diǎn)c在正常工作狀態(tài)下近似重合，所以氣動(dòng)力扭矩為0。

3.2 重力載荷[12-14]

作用在葉片上重力對(duì)其的作用形成擺振方向的彎矩，它隨著葉片方位角變化形成周期變化，是葉片主要的疲勞載荷。

1） 單位長(zhǎng)度重力

其中，ip和iF為剖面部分的密度和面積

φ為葉片軸線與水平方向的夾角，為90°；RMq為重力在徑向上的分量；RWq為重力在法向上的分量；由于Darrieus式H型風(fēng)車葉片始終在水平方向上運(yùn)動(dòng)，所以重力在徑向上分量為0。g取9.83；p0為輕質(zhì)復(fù)合材料密度，取 0.81g/cm3；F0為橫截面面積，取 9.12cm2；求解得：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度所受重力為68.93g/cm(在葉片豎直方向上取截面）。

2） 重力拉力

代入數(shù)據(jù)可以求得，RWP=89.65N，即每個(gè)葉片所受到的重力。

3） 重力剪力

在橫截面重力剪力為0。

4） 重力彎矩

在橫截面重力剪力為0。

5） 重力扭矩

由于重心與扭轉(zhuǎn)中心近似重合，為0。

3.3 離心力載荷

由于風(fēng)輪繞主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力載荷，作用在翼剖面的中心上，與重力載荷相互作用會(huì)給葉片帶來(lái)很大的作用力，需要考慮。

1） 單位長(zhǎng)度離心力

式中，Ω為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，額定風(fēng)速下，計(jì)算得轉(zhuǎn)速為 5.43m/s ；r為風(fēng)輪回轉(zhuǎn)半徑，取 0.39m；代入求得，Rpq=88.19N/m。

2） 離心拉力

式中，d為葉片的高度，取1.5m；葉片每點(diǎn)所受離心拉力一樣，代入求得所受離心拉力為132.29N。

3） 接觸點(diǎn)離心剪力

式中，Y為剪力系數(shù)，取 0.32；代入求得：Q=42.33N。

4） 離心力彎矩

由于兩連接桿與葉片連接處位于葉片中心線且對(duì)稱，故產(chǎn)生的離心力彎矩相抵為0。

5） 離心力扭矩

與離心力彎矩類似，兩連接桿與葉片連接處位于葉片中心線且對(duì)稱，產(chǎn)生扭矩相抵為0。

3.4 載荷對(duì)不同風(fēng)車可靠性的影響

在載荷計(jì)算的過(guò)程中，需注意載荷對(duì)水平軸風(fēng)車葉片與垂直軸風(fēng)車葉片的作用是不相同的。

水平軸風(fēng)車葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過(guò)程中，慣性力的方向是隨時(shí)間變化的，而重力的方向不發(fā)生變化，葉片所受到的是一個(gè)交變載荷，這對(duì)于葉片的疲勞強(qiáng)度是非常不利的。

垂直軸風(fēng)車的葉片在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，其受力情況要好一些，由于慣性力與重力的方向相對(duì)于葉片保持不變，所受到的是恒定載荷，且產(chǎn)生的彎矩、扭矩近似為零，因此在相同的材料工況疲勞壽命要比水平軸風(fēng)車長(zhǎng)，其工作的可靠性要好。

4 結(jié) 論

本文對(duì)風(fēng)車葉片的空氣動(dòng)力載荷、重力載荷、離心力載荷進(jìn)行了計(jì)算，在計(jì)算中我們可以看出，垂直軸風(fēng)車葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)中，由于重力和慣性力方向始終不變，所受載荷為恒定載荷，而水平軸風(fēng)車葉片所受慣性力是變化的，為交變載荷，所以，在相同的工況下，垂直風(fēng)車葉片的疲勞壽命要長(zhǎng)一些。本文的研究可為小型垂直軸風(fēng)車葉片的設(shè)計(jì)提供了參考。

[1]宋海輝. 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及工程[M]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2009: 1-9.

[2]都志杰, 馬麗娜. 風(fēng)力發(fā)電[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2009: 1-22.

[3]齊 慧. 農(nóng)村電改待升級(jí): 目前全國(guó)仍有無(wú)電人口約530萬(wàn)人[N]. 中國(guó)經(jīng)濟(jì)報(bào), 2010-7-14(3).

[4]嚴(yán) 強(qiáng), 蔣超奇. 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用[J]. 上海電力, 2007, (2): 34-37.

[5]魏玉通, 田 德. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片動(dòng)態(tài)載荷分析[J].農(nóng)村牧區(qū)機(jī)械化, 2009, (1): 26-27.