小型风力机关键结构优化设计

发布时间：2020-05-17 15:46

【摘要】：风能是目前最具有开发前景的一种绿色能源。风力机的结构形式直接影响到风能的利用效率。近年来人们围绕着风力机的风能利用效率开展了大量的研究工作，取得了许多研究成果。从取得的研究成果来看，有关小型风力机的研究较少。由于小型风力机运行环境与大型风力机不同，如果采用大型风力机结构，其运行效率远低于大型风力机。针对小型风力机存在的问题，本文以小型风力机关键结构优化设计为课题，开展相关研究，具体研究内容及创新点如下： ⑴本文首先通过对小型风力机国内外发展现状的分析研究，确立了以风力机的风叶、平稳输出弹簧等关键结构为主要研究内容。 ⑵通过对小型风力机风叶气动特性的研究，构建了小型风叶动力学模型，以风力机吸收能量最大为目标，对风叶结构进行了优化设计。 ⑶通过对系统动力稳定性弹簧的分析研究，设计了一种适合小型风力机平稳输出的平面涡卷弹簧，并利用遗传算法对其进行优化。 ⑷为了验证本理论方法的可行性，利用ADAMS分析软件对风力机传动系统进行了虚拟仿真研究，实现了动载荷下最终端的位移、速度、加速度的输出和齿轮角速度、角加速度的输出；通过ANSYS对风叶的模态分析，避免叶片在工作过程中因发生共振而造成叶片强度降低、结构破损等问题。本课题主要创新点： ⑴以风力机吸收能量最大为目标，对风叶结构进行了优化设计；并利用遗传算法对平面涡卷弹簧进行优化。 ⑵利用ADAMS分析软件对风力机传动系统进行了虚拟仿真研究，实现了动载荷下最终端的运动特性曲线图和齿轮的角速度、角加速度的曲线图。 ⑶通过ANSYS对风叶的模态分析，避免叶片在工作过程中因发生共振而造成叶片强度降低、结构破损等问题；
【图文】：

风力发电机,英国

的风速下发电，使用了低阻力轴承，叶片材料采用铝合金减轻重量，同时该风力车通过减少部件的数量，降低造价，满足家庭使用，如图1-1所示。如图1-2所示，为英国Quietrevolution公司制造的一种新型垂直风力发电机QR5v1.2型风力发电机。该风力机适用于风向变化频繁的地区。风力机主体设计为高5 m，直径3.1 m，风速范围为4-16m/s，集成了多种形式的结构。3个S形螺旋状叶片的设计可以在获取风能的同时，消音减震效果较好，且只有一个可移动部件，密封性良好，易于日常维护。叶片、支撑杆、转矩管都采用高强度的碳纤维，直驱式内嵌发电机安装于支撑杆中，具有自动关闭和电力高峰跟踪的功能。但该风力机的直径较大

外形图,风力发电,路灯,垂直轴

3可以克服雷击，并且具有应对低风速性好，分件结构容易维修，低噪音发电等特点。如图1-3所示的涡轮风力发电路灯是其代表产品，该产品以自然风为动力发电，利用蓄电池进行储能，根据光照度自动点亮的路灯，有效发电风速为3 m/s[6]。美国Mag-Wind公司,推出了具有鲜明特色的VAWT,解决了其他形式风力涡轮机的很多技术不足，，把楼群的屋顶作为搭建风机的平台，如图1-4所示为Mag-Wind公司的主打产品MW1100 ，从风力机类型上这种产品属于利用风能阻力来推动叶片转动而转化为机械能,MW1100的设计额定功率为5kW, 额定风速约12.5m/s ,发电量在平均风速为5.8 m/s的条件下为1100kWh/月, 启动风速低于2.3 m/s, 最高风速高于45 m/s。但是此风力机必须以高建筑为依托，很难推广到农村偏远地区。芬兰Windside公司开发了一种外形独特的VAWT系统,该公司的WS系列风机图 1-3 韩国 IR 公司垂直轴涡轮风力发电路灯图 1-4 Mag-Wind 公司的风力机外形图
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK83

【参考文献】