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畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
設(shè)計（論文）題目：
豎軸風(fēng)機變角機構(gòu)設(shè)計
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學(xué)生姓名： 學(xué) 號：
專 業(yè)：
所在學(xué)院：
指導(dǎo)教師：
職 稱：
20xx年 2月 27日
開題報告填寫要求
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1．開題報告（含“文獻綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效；
2．開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見；
3．“文獻綜述”應(yīng)按論文的框架成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻綜述的參考文獻應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊）；
4．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。
5、開題報告（文獻綜述）字體請按宋體、小四號書寫，行間距1.5倍。
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畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 開 題 報 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫不少于1000字左右的文獻綜述：
新興市場的風(fēng)電發(fā)展迅速，在國家政策支持和能源供應(yīng)緊張的背景下，中國的風(fēng)電特別是風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)也迅速崛起，已成為全球風(fēng)電最為活躍的場所。2006年全球風(fēng)電資金中9%投向了中國，總額高達16.2億歐元。2007年，中國風(fēng)電裝機容量已排名世界第五。截止到2012年，中國風(fēng)電裝機容量達到42287MW，躍居世界第一。 1.風(fēng)力發(fā)電機的分類 1.1根據(jù)軸的狀態(tài)分類：盡管風(fēng)力發(fā)電機的種類多種多樣，但總體來說可以歸納為兩類：1.水平軸風(fēng)力發(fā)電機；2.垂直軸風(fēng)力發(fā)電機；3.s型風(fēng)車。這其中性能最為優(yōu)越的當(dāng)屬垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，首先，它無須在風(fēng)向改變時進行對風(fēng)，這一點比水平軸風(fēng)機簡便；第二，輸出功率高，這又是s型風(fēng)車所欠缺的。總結(jié)來說，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機不僅結(jié)構(gòu)設(shè)計簡化，且減少了風(fēng)輪對風(fēng)時的陀螺力。 1.2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機分類：垂直軸風(fēng)力發(fā)電機還可以進行再分類，其中包括：1.達里厄式風(fēng)輪。是由法國人G.J.M達里厄于19世紀(jì)30年代發(fā)明的。在20世紀(jì)70年代，加拿大國家科學(xué)研究院對此進行了大量的研究，是水平軸風(fēng)力發(fā)電機的主要競爭者。達里厄式風(fēng)輪是一種升力裝置，彎曲葉片的剖型是翼型，它的啟動力矩低，但尖速比可以很高，對于給定的風(fēng)輪重量和成本，有較高的輸出。這些風(fēng)輪可以設(shè)計成單葉片，雙葉片，三葉片或者多葉片。其他形式的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機有馬格努斯效應(yīng)風(fēng)輪，他由自旋的圓柱體構(gòu)成，當(dāng)它在氣流中工作時，產(chǎn)生的移動力是由馬格努斯效應(yīng)引起的，其大小與風(fēng)速成正比。有的垂直軸風(fēng)輪使用管道或者漩渦發(fā)生器塔，通過套管或者擴壓器使水平氣流變成垂直氣流，以增加速度，偶爾還利用太陽能或者燃燒某種燃料，使水平氣流變成垂直氣流。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機發(fā)展到目前為止已經(jīng)經(jīng)歷了很大的變化，隨著科技的進步，目前已出現(xiàn)了一種新型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。該種發(fā)電機采用空氣洞力學(xué)原理，針對垂直軸旋轉(zhuǎn)的風(fēng)洞模擬，葉片選用了飛機翼型形狀，在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時，它不會受到因變形而改變效率等；它用垂直直線4-5個葉片組成，由4角形或5角形形狀的輪轂固定，連接葉片的連桿組成的風(fēng)輪，由風(fēng)輪帶動稀土永磁發(fā)電機發(fā)電送往控制器進行控制，輸配負(fù)載所用的電能。該技術(shù)原理根據(jù)空氣片條理論，實際計算可選取垂直軸風(fēng)力發(fā)電機旋轉(zhuǎn)軸的切面進行計算模型，按葉片的實際尺寸，每個葉片的旋轉(zhuǎn)軸心距為N米；用CFD技術(shù)進行模擬氣動系數(shù)計算，計算原理采用離散數(shù)字方法求解翼形斷面的氣動力，用網(wǎng)格方法對雷諾數(shù)流動渦量分布比較形成高雷諾數(shù)下對Navier-Stokes方程進行數(shù)字模擬計算的原理結(jié)果。采用稀土永磁材料發(fā)電的原理，配套空氣洞力學(xué)原理的風(fēng)輪，采用直驅(qū)式結(jié)構(gòu)進行選裝發(fā)電。 1.3根據(jù)驅(qū)動方式分類：同時，還可分為阻力型和升力型。阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機主要是利用空氣流過葉片產(chǎn)生的阻力作為驅(qū)動力的，而升力型則是利用空氣流過葉片產(chǎn)生的升力作為驅(qū)動力的。由于葉片在旋轉(zhuǎn)過程中，隨著轉(zhuǎn)速的增加阻力急速減小。而升力反而會增大，所以升力型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的效率要比阻力型搞得多。 2.垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的未來發(fā)展風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電一樣，最初的目的是為了解決應(yīng)急電源和邊遠地區(qū)供電而開發(fā)出來的產(chǎn)品，因而在最初的發(fā)展并不是很快。到了上個世紀(jì)二，三十年代，全球經(jīng)濟危機帶來的能源緊張，讓世界各國的專家想到了以風(fēng)力發(fā)電作為補充能源的可能性，二次世界大戰(zhàn)后，各國紛紛進行研究，由于當(dāng)時的技術(shù)水平有限，啟動風(fēng)速要求較高，發(fā)電噪音也很大，所以只能將風(fēng)力發(fā)電機放在人跡罕至的地方或風(fēng)力較大的地方。設(shè)備也往往是往大型風(fēng)力發(fā)電機發(fā)展，專門建設(shè)大型風(fēng)力發(fā)電機廠，由于水平軸風(fēng)力發(fā)電機的特性，小型風(fēng)力發(fā)電在相當(dāng)長的時間里未得到較好的發(fā)展。各個發(fā)達國家均致力于發(fā)展新興能源產(chǎn)業(yè)，而太陽能一直是新興能源商業(yè)化的首選，因為太陽能的設(shè)置地點較靈活，不會產(chǎn)生噪音，可以和建筑進行一體化設(shè)計，在建筑周圍設(shè)置小型風(fēng)力發(fā)電機而又不影響人的生活質(zhì)量，這成了歐美一些國家研究的焦點。 3.垂直軸風(fēng)力發(fā)電機發(fā)展現(xiàn)狀 2002年，中國率先開始了新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的研究，由部隊通訊部牽頭，上海某公司為研發(fā)主體，西安軍電，西安交大，同濟大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)等搞笑的多位專家配合，在短短一年時間里就產(chǎn)生了首臺新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。并在不到5年的時間里將功率擴展至200W~100KW，處于世界領(lǐng)先地位。按照我國“十二五”規(guī)劃目標(biāo)，預(yù)計到2015年風(fēng)力發(fā)電機容量將達到1*108KW，年發(fā)電量1900*108KW.h。GWEC和Greenpeace預(yù)測，今后20年風(fēng)力發(fā)電將成為世界主力電源，2030年裝機容量有可能達到23*108KW，可供應(yīng)世界電力需求的22%。
畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 開 題 報 告
2．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
1.明確設(shè)計要求 參考其他同類型設(shè)計，從形狀，原理尺寸精度等方面考慮設(shè)計的可行性與經(jīng)濟性。 2.運用CAD及Creo軟件完成設(shè)計 零件圖尺寸合理性，裝配圖零件與零件間的連接等方面需特別注意認(rèn)真繪制。 3.結(jié)構(gòu)設(shè)計 查閱有關(guān)空氣洞力學(xué)相關(guān)書籍，綜合考慮零件消耗和功率問題。 4.總體尺寸的確定 參考其他設(shè)計，查閱相關(guān)書籍進行計算。
畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 開 題 報 告
指導(dǎo)教師意見：
1．對“文獻綜述”的評語：
該生通過大量搜集和查閱文獻資料，對本課題相關(guān)的國內(nèi)外前人工作較好地進行了綜合分析和歸納整理，并針對某一學(xué)者具體的研究工作進行了比較專門的、全面的、深入的和系統(tǒng)的描述與評價，語言簡潔，層次清楚。達到了學(xué)校“文獻綜述要求”。
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2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測：
預(yù)期成果可以完成
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3.是否同意開題：√ 同意 □ 不同意
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???????????????????????????????????? ??指導(dǎo)教師：??????????????
???????????????????????????????????????? 20xx 年?? 03 月?? 19 日
所在專業(yè)審查意見：
同意
???????????????????????????????????????? 負(fù)責(zé)人：??????????????
?????????????????????????????????????????? 20xx 年??? 04 月?? 05 日
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摘 要
新興市場的風(fēng)電能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，在國家政策的支持和能源供應(yīng)緊張的背景下，中國的風(fēng)電能源產(chǎn)業(yè)特別是風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)迅速崛起，已成為全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展最為活躍的地區(qū)。2006年，全球風(fēng)電發(fā)展所用的資金中有9%投向了中國，總額高達16.2億歐元。2007年，中國風(fēng)電裝機容量已排名世界第五。截止到2012年，中國風(fēng)電裝機容量達到42287MW，躍居世界第一。而從2015年中國風(fēng)能協(xié)會公布的數(shù)據(jù)來看，我國新增風(fēng)電裝機容量已達30.5吉瓦，達到峰值。2016年的發(fā)展趨勢將趨于平穩(wěn)，不再將重點放在數(shù)量，而是轉(zhuǎn)向質(zhì)量的提升。
與水平軸風(fēng)力發(fā)電機相比，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機具有著成本低，結(jié)構(gòu)簡單，無噪聲，無需對風(fēng)，啟動風(fēng)速低等諸多優(yōu)點。因此，在目前的經(jīng)濟市場上，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機更受歡迎，應(yīng)用前景也更加廣闊。
本課題針對市場現(xiàn)有的垂直軸風(fēng)機葉片特有機構(gòu)進行改良，以做到在不影響葉片自身轉(zhuǎn)動的同時，保護葉片，并達到提高利用率的目的。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電，垂直軸風(fēng)機，翼型件
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Abstract
The present invention concerns a wind turbine having a plurality of vertically extending airfoils forming a rotating carousel rotating about a central axis thereof.The airfoils pivot about their leading edges to adjust the pitch angle thereof to maximize energy harvest when the airfoils are rotating both in an upwind direction and a down wind direction .This pivoting movement results from trailing edges of the airfoils being pivot-ally secured to rigid spokes or cables of a trailing edge hub.An adjustment mechanism is pivot-ally mounted between a carousel hub and the trailing edge hub and is used to control the separation between a central axis of the trailing edge hub and the axis of rotation of the carousel as they co-rotate.As the carousel rotates,the offset distance between the two axes determines the maximum achievable pitch angle of each airfoil.The airfoils then continually cycle between a positive and negative value of the maximum pitch angle relative to its position around the carousel and relative to the existing wind direction in order to create maximum lift.A wind direction rudder is secured to the adjustment mechanism to provide for movement thereof resulting in movement of the trailing edge hub as wind direction changes so that the most desirable pitch angle of the airfoils relative to wind direction is maintained.
Key words: wind energy,wind turbine,trailing edge hub.
目 錄
摘 要 II
Abstract III
1 緒 論 1
1.1風(fēng)能發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2課題涉及領(lǐng)域 1
1.3課題設(shè)計背景 2
2 垂直軸風(fēng)機各部件綜述 3
2.1 垂直軸風(fēng)機翼型件 3
2.2 垂直軸風(fēng)機螺桿電機機構(gòu) 3
2.3 垂直軸風(fēng)機電子控制機構(gòu) 4
3 垂直軸風(fēng)機葉片選擇 5
3.1 風(fēng)機葉片數(shù)目及葉形 5
3.2 垂直軸風(fēng)機發(fā)電效率 5
4 設(shè)計圖詳述 8
4.1 三維圖，俯視圖 8
4.2 輪轂部分剖面圖、各狀態(tài)下翼型件位置示意圖 9
4.3 電子控制示意圖 12
5 結(jié)論 14
參考文獻 15
致 謝 16
XIII
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1 緒 論
本設(shè)計所涉及的是一個具有多個成型的旋轉(zhuǎn)圓盤傳送帶圍繞其中心軸線垂直延伸的翼型件的風(fēng)力發(fā)電機，簡稱垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。設(shè)計的主要目的是建立一個垂直軸風(fēng)力發(fā)電機葉片的變偏角機構(gòu)，以保證在滿足葉片自身偏轉(zhuǎn)的要求同時控制旋轉(zhuǎn)角度防止葉片受損。同時風(fēng)力發(fā)電機的前緣翼件型樞軸在調(diào)整俯仰角時不管是在逆風(fēng)向還是順風(fēng)向上下旋轉(zhuǎn)時都能獲得最大化的能量[1]。
這種旋轉(zhuǎn)運動是由于翼型件后緣被可樞轉(zhuǎn)地固定到剛性的輻條或后沿輪轂的電纜所導(dǎo)致的。而整個系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)整機構(gòu)則被可樞轉(zhuǎn)的安裝在圓盤傳送帶轂和后緣輪轂之間，并用來控制后緣輪轂的中心軸和共同旋轉(zhuǎn)的圓盤傳送帶的旋轉(zhuǎn)軸線之間的距離。隨著轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動，中心軸與旋轉(zhuǎn)軸之間的偏移距離決定了每個翼型的最大可實現(xiàn)槳距角[2]。之后，翼型件繼續(xù)根據(jù)其周圍的轉(zhuǎn)盤位置的最大槳距角的正負(fù)值以及所受風(fēng)向的循環(huán)影響來制造最大的升力。為了使得翼型件相對于風(fēng)向的最大可實現(xiàn)槳距角保持不變，風(fēng)向舵就需要被固定在調(diào)節(jié)機構(gòu)，只有它們移動，才能保證后緣輪轂在風(fēng)向變化時產(chǎn)生運動.
1.1風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀
2002年，中國率先開始了新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的研究，由部隊通訊部牽頭，上海某公司為研發(fā)主體，西安電子科技大學(xué)，西安交大，同濟大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)等高校的多位專家配合，在短短一年時間里就產(chǎn)生了首臺新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。并在不到5年的時間里將功率擴展至200W-100KW，處于世界領(lǐng)先地位。按照我國“十二五”規(guī)劃目標(biāo)，預(yù)計到2015年風(fēng)力發(fā)電機容量將達到1*KW，年發(fā)電量1900*KW.h[3]。GWEC和Greenpeace預(yù)測，今后20年風(fēng)力發(fā)電將成為世界主力電源，2030年裝機容量有可能達28 *KW，可供應(yīng)世界電力需求的22%。
1.2課題涉及領(lǐng)域
本課題所涉及的是一種風(fēng)能能量產(chǎn)生裝置，主要是縱軸翼型風(fēng)力發(fā)電裝置。
1.3課題設(shè)計背景
風(fēng)力發(fā)電機在風(fēng)能能量產(chǎn)生裝置中屬于非常重要的一大類。根據(jù)其旋轉(zhuǎn)軸可分為兩個類別。一種是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機：一般是圍繞一條垂直軸線具有多個翼型件（葉片）：另一種是水平軸風(fēng)力發(fā)電機：一般圍繞水平軸線具有翼型件（葉片）?？傮w而言，不論是垂直軸還是水平軸都有自己不同的優(yōu)缺點[4]。從目前來看，對于一個給定的風(fēng)力流動，水平軸風(fēng)力發(fā)電機提取電能的能力更加高效。例如，商用主流發(fā)電組就適合使用水平軸風(fēng)力發(fā)電機。為了實現(xiàn)高效操作，水平軸風(fēng)力發(fā)電機往往需要安裝在高塔上，并且它的葉片及其上面所產(chǎn)生的空氣障礙物會造成振蕩，阻礙其性能。同時，水平軸風(fēng)力發(fā)電機通常只能有兩到三個處于遠高于事故風(fēng)速的高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，存在極大的不穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)軸還通常耦合有發(fā)電機和齒輪箱，這兩樣物品也需要一起安裝到塔上，這就大大增加了安裝和后期維保的難度。水平軸風(fēng)力發(fā)電機還存在的一個問題就是，它的螺旋槳為了能夠更有效地吸收席卷整個盤孔的大部分風(fēng)能，經(jīng)常是采用在風(fēng)吹過時能夠改變螺距的刀片作為葉片，并且只有當(dāng)感知到最小風(fēng)速的時候水平軸風(fēng)力發(fā)電機才可以按要求發(fā)起供電協(xié)助以啟動旋轉(zhuǎn)運動。相反的，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機可以允許多個單片葉片在低風(fēng)速的時候進行操作并且不要求必須要面對風(fēng)向時才可以進行旋轉(zhuǎn)，任何風(fēng)向都可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。這種可以從任意風(fēng)向較低風(fēng)速立即啟動工作的能力使得垂直軸風(fēng)力發(fā)電機非常適合小型低地面的設(shè)施，相較于水平軸風(fēng)機，節(jié)約了建造高塔架的成本，并降低了維修或更換各個發(fā)電機部件的難度。在平均風(fēng)速較低的地區(qū)，垂直軸風(fēng)機提供了一種可替換的低成本風(fēng)力發(fā)電的可能性。
桶形的垂直軸風(fēng)機的葉片只有在其翼型件旋轉(zhuǎn)一半的時候和回轉(zhuǎn)期間與風(fēng)向相反做出運動時才能產(chǎn)生能量[5]。因此，這種類型的垂直軸風(fēng)機不能以比風(fēng)速大的速度進行旋轉(zhuǎn)，這就嚴(yán)重的限制了它們獲取更大能量的能力。
一個Darrieus（達里厄）式或稱為“打蛋器”式的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機是可以實現(xiàn)在兩個方向產(chǎn)生功率的，但事實卻是，它們經(jīng)常需要協(xié)助才能開始進行旋轉(zhuǎn)。
我們所要提到的第三種垂直軸風(fēng)機是被稱為Giromill型風(fēng)機，該種風(fēng)機是通過翼型件圍繞軸的完整旋轉(zhuǎn)來提供動力。在這種類型中葉片通常會被設(shè)計成能夠提供足夠扭矩的形態(tài)，以保證發(fā)電機在0轉(zhuǎn)速時能夠做到自啟動，但由于其固有的大量處于峰值的阻力的存在，速度也受到了限制。在某些翼型設(shè)計中方向可以在啟動時被最大化，然后調(diào)節(jié)為高速運轉(zhuǎn)。它也被作為循環(huán)或改變當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時對風(fēng)向的角度來獲取風(fēng)能的一種途徑。然而，這其中存在這一個很重要的問題，即成本。該類風(fēng)機的復(fù)雜性導(dǎo)致了維修量的增加和發(fā)電效率的降低，成本大大增加。因此，對于翼型的調(diào)整在所難免。在實際的生產(chǎn)生活中，人們都希望可以創(chuàng)造出一種可以通過調(diào)整翼型來達到獲取風(fēng)能最大化的使用簡單、成本低廉、操作可靠的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機[6]。
14
第2章 垂直軸風(fēng)機各部件綜述
2 垂直軸風(fēng)機各部件綜述
2.1 葉片框架三維立體圖
2.1 垂直軸風(fēng)機翼型件
本課題設(shè)計是屬于垂直軸類型發(fā)電機，是一種提供了可調(diào)節(jié)翼型方向的操作簡化而結(jié)構(gòu)緊湊的機構(gòu)。這其中包含有多個垂直延伸的較厚前緣部分和輕薄的后緣部分，每個翼型和與其對稱的翼型都被固定在靠近底部前緣從下方中心輪轂伸展出的一條臂上。其頂端被地固定在相同的前緣從上端部中心輪轂延伸出來的一條臂上。中心垂直延伸的驅(qū)動軸被固定在底部，并形成一個由上下輻條臂組成的旋轉(zhuǎn)型翼盤的頂部中心。中央驅(qū)動軸的下端是一種基本的支撐結(jié)構(gòu)，是用于驅(qū)動裝置的連接，例如，發(fā)電機，制冷壓縮機，流體泵等等[7]。
翼型的后緣被固定在每個靠近后緣的翼型件頂端。而后緣的相對端則被固定在后緣角度調(diào)整轂上。后緣輪轂覆蓋在上部輻條臂上，其中的翼型件角度調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在兩者之間。
翼型件角度調(diào)節(jié)機構(gòu)包括有一個用于定位的沿螺紋載體旋轉(zhuǎn)的螺紋軸電操作螺絲機構(gòu)，一個通過后緣槳距角調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)和中心控制的中心輪轂，一個固定在調(diào)整軸上的風(fēng)力葉片或舵。
2.2 垂直軸風(fēng)機螺桿電機機構(gòu)
當(dāng)螺桿電機機構(gòu)處于零位置時，后緣傾斜角調(diào)整輪轂與兩線上下部前緣輪轂共同延伸出的軸線繞同一中心軸旋轉(zhuǎn)。這一部分設(shè)計是為了使得這個零件的翼型件線性延伸與切線平行于旋轉(zhuǎn)圓。此時翼型件具有零槳距角。當(dāng)螺桿電機機構(gòu)的操作由此中心軸以距離D分離并移動到相對于上述中前緣傾斜角控制集線器及其相關(guān)聯(lián)的后緣輻條臂時，此次通過俯仰角相對于零位置γ切線位置的移動導(dǎo)致了翼型件后緣的運動。如果前緣連接點的中心軸與輪輻臂之間的距離被定為C的話，則其所得到的傾斜角就具有最大值且最大值等于D/C的反正弦[8]。
在操作中，我們也需要了解到調(diào)節(jié)機構(gòu)可以憑借安裝方法保持相對靜止，并可以與在特定時間所產(chǎn)生的風(fēng)向下保持相對靜止的舵進行連接。同時也可以理解的是，由于后緣中心輻射結(jié)構(gòu)基本上是剛性的，翼型件之間隔開180°，即，在彼此相對的兩側(cè)，將具有相反的γ角度。因此，在任意一個旋轉(zhuǎn)過程中，在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)前半部分的翼型件將具有正γ值而后半部分翼型件將具有負(fù)γ值。角度θ用于描述在360°翼型轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)過程中，以0°為點直面風(fēng)向的弧旋轉(zhuǎn)的角度。處在0°θ角的翼型具有最大的γ角，也就是說，當(dāng)翼型處于180°θ角時，它的γ角度為負(fù)值。舵作為改變風(fēng)向的機構(gòu)，它將會相應(yīng)的移動之前所講的調(diào)整機構(gòu)與翼型旋轉(zhuǎn)有關(guān)的后緣調(diào)節(jié)中樞。這種運動的目的是確保0°θ角度位置能夠一直面對翼型件轉(zhuǎn)動后緣輪轂的中心軸的偏心定位，使得翼型件可以在正負(fù)γ角之間來回擺動。
從任意一項翼型件后緣部分的運動都可以看出在處于180°θ角時該運動可表達為一個正余弦函數(shù)，其中γ角的值從θ角為0時的最高值逐漸減小到θ角為90°時的最低值，則當(dāng)θ角為180°時，γ角值達到最大負(fù)值，而當(dāng)θ角變?yōu)?70°時，γ角度返回變?yōu)樽畲笾?。這整一個過程代表著完成了一個旋轉(zhuǎn)，最后回到θ角0°的狀態(tài)。
螺桿電機機構(gòu)可以被理解為用于調(diào)節(jié)后緣傾斜角調(diào)整轂與轉(zhuǎn)盤中心距離的一個機構(gòu)，同時還能用于調(diào)節(jié)γ角的大小。這種能力是設(shè)計本課題的最大性能的關(guān)鍵。當(dāng)啟動螺桿電機機構(gòu)時，我們需要注意的是，一個正的大γ角度目的是產(chǎn)生空氣阻力，由此才有足夠的扭矩來對翼型件施加力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，尤其是遇到低風(fēng)速狀態(tài)時。因此，一旦具有了足夠的轉(zhuǎn)速，γ角就可以進行減小，以此來減少阻力增加轉(zhuǎn)速[9]。
2.2螺桿電機機構(gòu)
2.3 垂直軸風(fēng)機電子控制機構(gòu)
當(dāng)電子控制機構(gòu)被連接到螺桿電機機構(gòu)時，風(fēng)速和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速將起到調(diào)整γ角度的作用。在電子控制和螺桿電機兩個機構(gòu)中，優(yōu)選方案所選用的電池都將會是具有可再充性能的電池儲備，例如太陽能電池。
本課題設(shè)計完善了一部分現(xiàn)有技術(shù)的不足之處。比如，處于后緣調(diào)整轂和上部傳送帶或前緣輪轂之間的調(diào)整機構(gòu)就可以保護這些部件免受不利天氣條件影響。此外，舵與調(diào)整軸之間的特殊連接方法也提供了一個垂直而緊湊的機制，比普通機構(gòu)更加堅固耐用。
2.3電子控制示意圖
第3章 垂直軸風(fēng)機葉片選擇
3垂直軸風(fēng)機葉片選擇
3.1 風(fēng)機葉片數(shù)目及葉形
3.1.1風(fēng)機葉片數(shù)目
目前市場上大多數(shù)風(fēng)機葉片數(shù)目為2~4片，從簡單的高中物理來分析的話，在不計摩擦的情況下，葉片的轉(zhuǎn)動其實就是一個風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動能和勢能，然后再由勢能和動能轉(zhuǎn)化為電能的過程。接下來就從不同數(shù)目來分析到底多少片最適合垂直軸風(fēng)機。
兩葉式：風(fēng)力吹動之后，葉片旋轉(zhuǎn)無法連續(xù)，在第一個葉片轉(zhuǎn)動時，第二個葉片無法及時跟著轉(zhuǎn)動，會產(chǎn)生較大的阻力。導(dǎo)致風(fēng)機無法較好的轉(zhuǎn)動，發(fā)電功率較低。
三葉式：各葉片間夾角為120°，在第一個葉片轉(zhuǎn)動時，風(fēng)向與葉片垂直帶動旋轉(zhuǎn)，此時作用最大；而當(dāng)風(fēng)向與葉片呈60°角時，葉片運動方向與風(fēng)運動方向逐漸一致時，作用力逐漸減小。但隨著第一個葉片角度逐漸增大，第二個葉片也隨著角度變化逐步啟動。以此類推，三個葉片互相帶動[10]。
四葉式：各葉片夾角為90°，當(dāng)?shù)谝粋€葉片啟動并呈90°時，第二個葉片角度程為0°。由于風(fēng)吹動的不確定性，如果在第二個葉片啟動之前產(chǎn)生風(fēng)力停滯，那么不僅不能產(chǎn)生電能，還會對裝置產(chǎn)生損耗。
綜上所述，三葉式是風(fēng)能利用率最高的風(fēng)機種類。
3.1.2 風(fēng)機葉片葉形
本課題所設(shè)計的垂直軸風(fēng)機可以采用多種葉形，以下將對三種考慮到的葉形進行分析，通過圖片直觀的來展示翼型的幾何形狀。
1. 對稱翼型（優(yōu)選）：能夠提供良好的升降能力和相對較小的失速區(qū)域。
2. 扁平翼型：可以使用但與對稱翼型相比不夠有效。
3. 單面弧翼型：有效但造價昂貴且在運轉(zhuǎn)過程中所受阻力更大。
3.1.2葉形示意圖
3.2 垂直軸風(fēng)機發(fā)電效率
3.2.1風(fēng)機發(fā)電效率計算
風(fēng)機發(fā)電效率的計算公式：
1 風(fēng)機的輸入功率
當(dāng)空氣流吹過風(fēng)輪掃面A時，其質(zhì)量流量為，每秒所攜帶的能量為：，其中ρ為空氣密度，,通常因風(fēng)速較低而視為不可壓縮流體；v為風(fēng)速，m/s；A為旋轉(zhuǎn)直徑D與高度H的乘積[11]。
2 風(fēng)機的輸出功率
風(fēng)能發(fā)電為間斷發(fā)電，實際應(yīng)用中一般將風(fēng)機所發(fā)的電存儲到蓄電池再使用，這個過程中必須經(jīng)過整流、濾波、升壓、穩(wěn)壓等過程，電能轉(zhuǎn)換效率進一步下降。將該過程簡化后可得公式為，其中R為負(fù)載的電阻值；U為負(fù)載兩端的電壓；I為流過負(fù)載的電流大小；φ為電壓與電流的功率因素角[12]。
3.2發(fā)電機效率實驗
第4章 設(shè)計圖詳述
4 設(shè)計圖詳述
4.1整體機構(gòu)分析圖
如圖4.1,4.2中所示垂直軸風(fēng)機由標(biāo)號指明。風(fēng)力機由多個具有前緣部位和后緣部位的垂直延伸翼型件組成。而翼型件的前緣部分則通過下端連接的延伸臂與中心樞軸相連。相對的，翼型件上端由另一延伸臂可轉(zhuǎn)動地連接于中心輪轂的頂部。這部分細(xì)節(jié)可以在圖4.3中詳細(xì)觀察到，每個上端臂都有一個用于插入翼型件啟動樞軸的孔，上端臂與翼型件延伸翼面之間還有一個用于連接的銷。除此之外，每個翼型件還有一個彈簧復(fù)位機構(gòu)，包含有一個連接上端臂和翼型件在銷左右延伸的彈簧。
圖4.1中，中心樞軸的驅(qū)動軸由上下兩個樞紐固定并在中間形成一個翼型件旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。中心樞軸的下端提供了通過皮帶和輪滑系統(tǒng)連接的驅(qū)動裝置，（例如，發(fā)電機，制冷壓縮機，流體泵極其他類似物。）以及一個底部支撐結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，這個驅(qū)動裝置也可以直接連接到中心樞軸，與其中一個電樞或工作軸一起共同旋轉(zhuǎn)。
每個翼型件的后緣部分槳距角調(diào)整臂都固定在翼型件上端靠近后緣部分或者銷上而另一端則固定于后緣傾斜角調(diào)整中心轂。再次參考圖4.3長C由大銷與小銷之間沿平分線BL之間的距離決定。后緣傾斜角調(diào)整中心轂與上端臂輪轂由螺旋調(diào)節(jié)機構(gòu)定位。
4.1整體三維圖
4.2整體俯視圖
·
4.3翼型件上端
4.2部件剖視解析
在圖4.4中能詳細(xì)展示出后緣傾斜角調(diào)整中心轂限定的內(nèi)部容納區(qū)就是螺旋調(diào)節(jié)機構(gòu)所在的位置。具體位置則是被固定于分隔器轂盤的一個薄平板上方。分隔器轂盤則是被后緣傾斜角調(diào)整中心轂固定并一起旋轉(zhuǎn)。調(diào)整機構(gòu)包括了用于固定薄平板的旋轉(zhuǎn)螺紋軸以及用于定位的螺紋螺母載體和電操作驅(qū)動電動機。而后緣傾斜角調(diào)整中心轂則由一根小軸固定在載體上。圖4.4右半部分涉及到的另一個部分，則是整個機構(gòu)的舵。首先，舵的整體被一根臂連接到載體中向上延伸的那根小軸上。電子控制裝置是用于調(diào)節(jié)機構(gòu)的操作使用，同時該控制裝置由電池供能。電池是固定在薄平板上，并通過一根導(dǎo)線定位在舵，和通過固定在舵上的光伏太陽能電池充電。舵臂通過傳感器系統(tǒng)固定于電子控制裝置，傳感系統(tǒng)主要是使用無線傳輸?shù)姆绞絹硖峁┬D(zhuǎn)速度和負(fù)荷所需的信息。風(fēng)速計則同樣使用無線傳輸?shù)姆绞絹斫o控制裝置提供相關(guān)信息。
當(dāng)調(diào)整機構(gòu)是在一個零點位置時，中心軸周圍的后緣槳距角調(diào)整轂與兩個共線的上和下前緣臂轂的軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的圓延伸出的線處于于同一軸線上。為了更好理解前一句話，可以參照圖4.5理解，本設(shè)計在此被設(shè)計成處于零位置時翼型件的傾斜角為0的狀態(tài)，由翼型件線性延伸出的線條與線平行相切并據(jù)此限定圓的大小。
參照圖4.4和圖4.6，操作螺絲調(diào)整機構(gòu)時可以使后緣槳距角調(diào)整中心轂和與其相關(guān)聯(lián)的后緣傾斜角調(diào)整臂，較高中心樞紐發(fā)生位置上的變化。其中，中心軸是以距離D相隔開的。翼型件旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)將導(dǎo)致繞中心軸旋轉(zhuǎn)的翼型件前緣部分的運動軌跡形成一個半徑為C1的圓，而翼型件后緣的運動軌跡則將形成一個半徑為C2的圓?？梢岳斫獾氖牵?dāng)翼型件旋轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)時圓C1與圓C2發(fā)生偏移時將導(dǎo)致翼型件后緣部分跟隨旋轉(zhuǎn)機構(gòu)向內(nèi)向外的轉(zhuǎn)動發(fā)生位置上的移動并從而引發(fā)前緣部分的轉(zhuǎn)動。
后緣部分的移動可以用傾斜角γ表示，可以寫作γ，大小與L1和圓C1相切時的距離有關(guān)。γ角的最大值（）由現(xiàn)有的軸向間距D決定。在本設(shè)計中螺絲調(diào)整機構(gòu)可以提供一個很大范圍的γ角值范圍，優(yōu)選范圍是從正γ角90°到負(fù)γ角6°。因而，我們可以理解圖6中的指的是γ角達到一個相對特別的偏移距離時產(chǎn)生的角度值，如通過螺絲調(diào)整機構(gòu)達到最大γ值。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)每完成一次完整的旋轉(zhuǎn)過程，翼型件都將旋轉(zhuǎn)360°，用θ角表示翼型件旋轉(zhuǎn)角度。而圖6展現(xiàn)的就是θ角為零即零位置時翼型件的狀態(tài)，與圓C1半徑相交的點直面風(fēng)向，風(fēng)向由箭頭表示。
在操作中，螺絲調(diào)整機構(gòu)相對靜止的保持在后緣槳距角調(diào)整中心轂與較高的中心樞紐之間并與向上延伸軸連接，其位置安裝的關(guān)鍵在于特定時間的風(fēng)向。當(dāng)風(fēng)向出現(xiàn)變化時舵將帶動螺絲調(diào)整機構(gòu)和后緣槳距角調(diào)整中心轂進行移動。這一移動的目的是為了保證零θ角的位置能時刻面對風(fēng)。因此，當(dāng)翼型件θ角從0°到90°轉(zhuǎn)變時，γ角的值從最大值逐漸減小到零。隨著翼型件θ角再逐漸增大到180°時，后緣部分將完全移動到相反位置，此時γ角處于最大負(fù)值。當(dāng)θ角增加至270°時，后緣部分產(chǎn)生的γ角度又逐漸從最大負(fù)值回復(fù)到零。一個完整旋轉(zhuǎn)過程結(jié)束θ角重新變?yōu)榱銜r，后緣部分γ角重新達到最大值。之后的旋轉(zhuǎn)過程中，θ角與γ角的值將不斷重復(fù)這一過程。翼型件旋轉(zhuǎn)過程中，后緣槳距角調(diào)整中心轂導(dǎo)致翼型件在正負(fù)γ角之間來回?fù)u擺。從任意一個翼型件的后緣部分我們都能看出，角度的變化所表示的是一個余弦波函數(shù)。其中γ角從θ角0°時的最大值逐漸減小到θ角90°時的0值，緊接著θ角180°時γ角變?yōu)樨?fù)值，隨著θ角增大為270°γ值也重回0°，最后完成一個完整的旋轉(zhuǎn)過程的最后階段，θ角變?yōu)?°，γ值再次達到最大峰值。翼型件后緣部分不斷交替位置的目的，是為了他們圍繞旋轉(zhuǎn)機構(gòu)順風(fēng)和逆風(fēng)的各半部分能夠?qū)崿F(xiàn)最大空氣動力升力，從而取得現(xiàn)有風(fēng)能資源的最大功率。
圖4.7中可以看出，螺絲調(diào)節(jié)機構(gòu)改變了垂直中心軸和向上延伸軸的相對位置，在這其中用-D來表示，這是為了提供當(dāng)θ角度為0時產(chǎn)生一個負(fù)的γ角度值。在某些高速風(fēng)值的情況下會產(chǎn)生一些小的負(fù)γ角。
圖4.8展示的是γ角為90°時翼型件的狀態(tài)。略小于90°的γ角可以確保后緣傾斜角調(diào)整臂能輕松并可靠地返回到一個較小的γ角，即，不超過90°就可以使得翼型件不會處于相反得方向以避免與上端臂之間產(chǎn)生干擾。最大γ角使垂直中心軸與后緣傾斜角調(diào)整臂臂之間產(chǎn)生了一個特定距離表示為D，其函數(shù)及弦長C可見圖3。γ角最大值等于D/C的反正弦。在實例中，翼型件的長度為1.2米，二等分線（BL）長度為0.15米，弦長C為0.1米。螺絲調(diào)整機構(gòu)具有能將從零位置起算的正0.91米距離D轉(zhuǎn)變?yōu)樾∝?fù)值距離D的能力。負(fù)距離值D提供了與圖7相關(guān)的負(fù)6°γ角狀態(tài)。
翼型件前緣上的銷位置一般定在整個翼型件重心稍前的位置或是中心。這就提供了翼型件后緣部分向外定向運動的合適G載荷。因此，后緣部分上的銷最適宜放置的位置是二等分線（BL）靠近尾端的四分之一處，前緣部分的銷則應(yīng)放置在二等分線（BL）靠近前段的四分之一處。從圖可得，上端臂與后緣傾斜角調(diào)整臂都包含有電纜，棒，渠道庫存并通過這些來影響翼型件的定位與移動。其中，使用G載荷的電纜對于保持拉緊狀態(tài)很有效果。圖3中的彈簧調(diào)節(jié)機構(gòu)是用來保證提供服務(wù)所需的壓力，同時為后緣部分提供正確位置。
4.4中心輪轂剖視圖
4.5零位置翼型件狀態(tài)
4.6軸正偏移狀態(tài)
4.7負(fù)γ角狀態(tài)
4.8安全停止?fàn)顟B(tài)
4.3 電子控制示意圖
參照圖4.9可知，電子控制機構(gòu)1接收來自傳感器系統(tǒng)2的信息，傳感器信息包括轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)傳感器3以及負(fù)載傳感器4的輸入。電子控制機構(gòu)還從風(fēng)速傳感器5中接受信息，例如風(fēng)速計。所有信息的傳送都采用無線傳輸?shù)姆绞?。控制機構(gòu)通過螺絲調(diào)節(jié)機構(gòu)來調(diào)整偏移距離D和γ角度值。控制機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)均由電池8供電，而電池則由太陽能板9管理?？刂茩C構(gòu)1和傳感系統(tǒng)2都用于制動機構(gòu)7以控制旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的減緩或停止。
通過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速度，當(dāng)前風(fēng)速，驅(qū)動裝置上的負(fù)載等數(shù)據(jù)可以得出控制機構(gòu)的偏移距離D和γ角度。在具有零轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)速度和在其強度足以影響轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)的風(fēng)啟動時，控制機構(gòu)將產(chǎn)生比較大的γ角的信號，通常為45°的量級。較大的γ角度可以產(chǎn)生足夠的升力引起轉(zhuǎn)動。一旦旋轉(zhuǎn)開始進行，控制機構(gòu)將發(fā)送信號給調(diào)整機構(gòu)，以減少偏移D。這就不難理解，較大的γ角為了開始旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了一個升力，但這是以產(chǎn)生一個較大比例氣動阻力為代價的。這種阻力會限制為給定的風(fēng)速達到的最大傳送帶的轉(zhuǎn)速，從而降低角γ并將減少阻力，允許更快的旋轉(zhuǎn)和取得更多的風(fēng)能，提高利用率[13]。
有一個問題是困擾著所有風(fēng)力發(fā)電機的，那就是大風(fēng)條件下的速度問題。根據(jù)現(xiàn)有風(fēng)速來看，本設(shè)計翼型前緣部分或頂端部分的旋轉(zhuǎn)速度可高達10。因此，如果遇到一個風(fēng)速會導(dǎo)致過快轉(zhuǎn)動或?qū)Ρ驹O(shè)計各部分造成過大壓力，控制機構(gòu)可以通過將驅(qū)動裝置上的負(fù)荷減少和/或通過增加γ角度來達到增加阻力，減慢轉(zhuǎn)動的效果[14]。如果這些方法都不足以維持低于設(shè)計安全極限轉(zhuǎn)速，制動機構(gòu)就可以通過控制機構(gòu)或預(yù)防傳感器系統(tǒng)接合，特別是在非常高的風(fēng)速狀況下，其中渦輪機結(jié)構(gòu)的主要目標(biāo)不再是提取能量而是保證自身不受損壞，即圖8中出現(xiàn)的情況。在此種狀況下，在此角度的所有翼型件將基本上與風(fēng)平行的，不能提供升力，并因此，很少或基本沒有產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。
4.9電子控制
第5章 結(jié)論
5 結(jié) 論
近年來隨著清潔能源產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，風(fēng)能的利用越來越受到關(guān)注。由于垂直軸風(fēng)機體積小，噪聲低，利用率高等種種優(yōu)點，使其在未來的能源發(fā)展過程中應(yīng)用前景十分開闊。本設(shè)計主要是針對市場上現(xiàn)存的垂直軸風(fēng)機進行改善，在進一步提升用能效率的同時，力求在保持垂直軸風(fēng)機葉片正常旋轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，滿足葉片自身偏轉(zhuǎn)的要求，并保證偏轉(zhuǎn)角度，防止造成葉片損傷。從結(jié)構(gòu)等方面進行設(shè)計改造，制造出新型垂直軸風(fēng)機。
在對翼型件部分進行改良后，本設(shè)計仍存在著種種不完善之處。例如，葉片偏轉(zhuǎn)角度控制等問題，且從設(shè)計到實物的生產(chǎn)中也會不可避免的遇到困難。
總體而言，在成本幾乎不增長的情況下，本設(shè)計不僅提升了利用率，而且減少了葉片的損耗，在實際應(yīng)用中會取得更好的使用效果。
參考文獻
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致謝
致 謝
本次畢業(yè)設(shè)計感謝我的導(dǎo)師姜勁老師對我的細(xì)心指導(dǎo)，在他的指導(dǎo)下我順利完成了畢業(yè)設(shè)計及論文。從畢業(yè)設(shè)計選題初期到最終的論文設(shè)計完成，多虧了姜老師給予我無限的包容與理解，我才能解決各種難題，完成最終的設(shè)計。
另外，姜老師擁有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，在畢業(yè)設(shè)計過程中對我們嚴(yán)格要求，同時也在我遇到困難感到壓力時及時排憂解惑，對于問題更是有獨到的見解和處理方式，所有這些都讓我受益匪淺。
感謝校領(lǐng)導(dǎo)和學(xué)院的其他老師，感謝我的母校金陵科技學(xué)院，在這里四年的校園生活將成為我以后生活中的美好回憶，本文參考了大量的文獻資料，感謝各位學(xué)術(shù)界的前輩們
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