风力发电机的叶片结构设计开题报告(4)
6.1 Savonius风叶。
装置在风机顶部，利用S型风叶在低风速下仍具有较大启动转矩的优势，带动主轴先转动。由两组互差90。角的S型风叶共垂直轴叠放而成，每组叶片由两个半圆柱面型桨叶构成。两组四桨叶的设计保证不同风向的充分采集，在低风速非集中风向的情况下，S型风叶能够自启动从而带动下部H型风叶的旋转。定义风力机的单位宽度输出功率Pc，等于风力机的输出功率P与风力机的水平宽度L的比值。J L Menet以L-σ准则为基础，计算两叶片水平轴和Savonius型风力机得到的单位宽度输出功率Pl,H和Pl,S分别为：
Pl,H=0．31pRv3
Pl,s=1．37pRv3
可以看出，在同样条件下，设计合理的Savonius风力机的单位宽度输出功率远远大于水平轴风力机，具有明显优越性。
6.2 Darrieus式H型风叶
装置在风机中部，由互差1200的3个叶片组成，选择3叶片组可明显降低扭矩波动的影响且平衡性较好，每个叶片可由小短杆调节垂直翻转角度，以达到最佳旋转状态。H型风叶制造起来比水平轴风叶和Darrieus式中型风叶简单得多，后两种叶片是变截面的，而且有可能扭曲，制造运输都比较困难。H型叶片截面不变，也不扭曲，形状简单，可批量生产，降低成本。同时三叶片设计可接受来自各个方向的风，不需要昂贵的偏航系统。其自身低风速不启动的缺憾已被上部的S型风叶弥补。
6.3 超越离合系统。
装置在s型叶片和H型叶片之间，在低风速的时候，S型叶片先开始转动，通过超越离合器带动H型风叶转动，随着风速逐渐增大，H型叶片转速迅速增大，远大于S型叶片转速，超越离合系统保证了“一轴两速”的和谐运转。类似于骑自行车，上坡时脚踏板带动后轮转动，下坡时脚踏板几乎不转，而车轮飞速旋转。具体结构如图2所示。
图2 风机主体结构图
7 本课题研究的方向与待解决的问题【7】
叶轮是风力发电机最主要的部件，它由叶片和轮毂组成。叶片应具有良好的空气动力外形，在气流作用下能将风能转换成机械能，再通过齿轮箱增速，驱动发电机发电。叶片气动特性的优劣是风力发电机运行的关键，其设计需要花费大量的时间和精力，却很难得到最佳的设计方案。
7.1 叶片的结构设计
叶片的设计主要考虑荷载规范、荷载计算、极限强度及疲劳强度验算，变形计算，固有频率计算和屈曲稳定计算。
7.1.1 设计载荷工况及强度校核
作用在叶片上的载荷可简化为三种：气动型、离心型和重力。叶片可简化为悬臂梁。有分布气动力、离心力、重力则可计算出分布弯矩、剪力、扭矩。根据薄壁结构理论则可求出剖面正应力和剪应力。载荷工况要考虑正常设计工况和正常外部条件，正常设计工况和极端外部条件，故障设计工况和允许的外部条件，运输安装和文修设计工况等组合情况。对每种荷载工况要区分极限荷载与疲劳荷载。对已极限荷载，至少要计算50年一遇的极端风速，风速在50~65m/s，要求叶片在极限载荷下满足强度、变形、稳定条件。高风速时的飞车次数也不会多，极端荷载可作为一次性的短期荷载处理。
强度校核有两项：疲劳强度及破坏强度。疲劳强度分析可采用有限和无限寿命方法。叶片的疲劳荷载较复杂，规范提供了简化疲劳荷载谱。根据叶片材料的S-N曲线，应用Palmgren-miner线性累积损伤准则进行叶片的疲劳强度计算公式中：前者要知道叶片的荷载谱、材料的S-N曲线，应用Palmgren-miner线性累积损伤法则就可得结构疲劳强度判据：
D=
Ni为应力水平为σ 时工作循环数，N 为相应的材料破坏循环数。无限寿命是较简单的疲劳分析方法。此方法要求结构的疲劳载荷小于材料的疲劳极限。可采用条件疲劳极限概念，根据叶片使用寿命定义某一次数作为交变基数，对应于该交变次数的材料疲劳强度定义为条件疲劳极限。
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