直驅(qū)永磁微風(fēng)發(fā)電機(jī)葉片的設(shè)計與制造

彭 胡，郭維城，李 卉，李 強(qiáng)，楊洪超，劉寶新

(1.沈陽工程學(xué)院機(jī)械學(xué)院，遼寧沈陽110136;2.沈陽新科元機(jī)電技術(shù)應(yīng)用研究所，遼寧沈陽110136)

微風(fēng)發(fā)電機(jī)多為民用，具有尺寸小、安裝使用方便、成本低、效率高、適用于各種地域和氣候環(huán)境等特點(diǎn)。葉片是微風(fēng)發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換最直接、最關(guān)鍵的部件。葉片設(shè)計與制造的好壞，直接影響發(fā)電效率。

目前國內(nèi)學(xué)者對葉片研究的部分成果如下:

1)陳家權(quán)等人提出了一種在計算機(jī)上能立體顯示葉片截面及其線框結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，但該方法比較復(fù)雜，并且僅僅實(shí)現(xiàn)了線框顯示。

2)范正萍等人進(jìn)行了垂直軸微風(fēng)發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計與模擬分析研究，探討了葉片設(shè)計的通用方法，對葉片精確的實(shí)體進(jìn)行建模仿真，并建立風(fēng)洞模型，對葉片的動力學(xué)特性進(jìn)行了分析。

3)宗楠楠等人根據(jù)傳統(tǒng)的葉片設(shè)計方法對400 W小型水平軸風(fēng)力機(jī)的葉片進(jìn)行了設(shè)計，生成了三維幾何模型，并采用有限元方法對葉片進(jìn)行了振動模態(tài)分析，得到各階振動頻率和振型。

在前人研究成果的基礎(chǔ)之上，根據(jù)沈陽地區(qū)風(fēng)力資源的具體情況，設(shè)計了一種微風(fēng)發(fā)電機(jī)葉片。

1 葉片的設(shè)計與計算

1.1 計算風(fēng)輪直徑

由公式

可得

式中，D為設(shè)計風(fēng)輪的直徑，P為設(shè)計功率，CP為風(fēng)能利用系數(shù)，v為設(shè)計風(fēng)速，ρ為空氣密度，η1和η2分別為機(jī)械效率和發(fā)電機(jī)效率。

根據(jù)沈陽當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，在滿足“微風(fēng)啟動，微風(fēng)發(fā)電”的前提下，取額定設(shè)計功率P=50 W，額定設(shè)計風(fēng)速v=6.8 m/s，風(fēng)速和功率之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 風(fēng)速與發(fā)電功率關(guān)系曲線

當(dāng) ρ取1.29 kg/m3，η1和 η2均取 0.9 時，由貝茨理論可知:在理想條件下，風(fēng)能利用系數(shù)的最大值為CP=0.593，根據(jù)葉片翼型、葉片數(shù)量以及功率大小等因素的影響，CP的取值范圍在0.25至0.45之間，此時取CP=0.42。由此可得設(shè)計風(fēng)輪的直徑D=0.96 m。

1.2 確定葉片數(shù)和尖速比

為了獲得較高的風(fēng)能利用系數(shù)，取葉片數(shù)B=6，取尖速比λ=5，由公式

得風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n=672 r/min，(3)式中，R為風(fēng)輪半徑。

1.3 翼型選擇及參數(shù)確定

目前，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中最常用的就是NACA翼型，該翼族具有風(fēng)能利用系數(shù)高，震動小，噪聲小和一致性好的氣動特性。其中，NACA4412翼型的相對厚度較小，在弦長的40.9%處為其最大相對彎度，為4.00%;在弦長的29.8%處為其最大的相對厚度，為12.02%。其原始數(shù)據(jù)如表1所示，對應(yīng)的翼型如圖2所示。

表1 NACA4412翼型原始數(shù)據(jù)

圖2 NACA4412翼型截面

翼型截面的坐標(biāo)如表2所示。

生成的二維翼型如圖3所示。

從圖3可以看出，該翼型尾部尺寸太小，為了滿足使用要求、加工要求，需在葉片建模時對尾部進(jìn)行優(yōu)化。

2 基于CATIA軟件的葉片建模

NACA4412翼型葉片是扭曲成型，這樣可使葉片各部分處在最佳的迎角狀態(tài)，從而獲得最高的風(fēng)能利用系數(shù)。建模時，取其具有代表性的9個翼型截面，計算出它們之間的扭角，弦長以及最大相對厚度，數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 設(shè)計翼型的截面坐標(biāo)

圖3 二維翼型截面

表3 翼型截面數(shù)據(jù)

風(fēng)輪直徑包括葉輪和葉片兩部分，當(dāng)葉輪直徑為0.24 m時，葉片長度為0.36 m。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，葉片在葉根至處對于風(fēng)能的吸收不明顯，所以葉片截面的范圍在。在CATIA軟件中分別繪制出9個翼型截面，如圖4所示;掃描生成葉片三維實(shí)體模型，如圖5所示。

3 基于RP技術(shù)的葉片制造

將生成的葉片三維模型，用快速成型機(jī)INSPIRE D255加工，形成葉片實(shí)物，如圖6所示。

圖4 翼型截面

圖5 葉片三維實(shí)體

圖6 基于RP技術(shù)加工葉片實(shí)物

4 結(jié)語

根據(jù)沈陽及周邊地區(qū)風(fēng)能資源的具體情況，確定了微風(fēng)發(fā)電機(jī)的功率和翼型結(jié)構(gòu)。對NACA4412翼型經(jīng)過分析計算，確定了風(fēng)輪、葉片及其截面參數(shù)的尺寸，利用CATIA軟件進(jìn)行三維建模并運(yùn)用快速成型制造出了葉片實(shí)體，為微風(fēng)發(fā)電機(jī)的進(jìn)一步設(shè)計和研究奠定了基礎(chǔ)。

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