低风速小型永磁风力发电机叶片及支承的研究与设计

论文摘要

风能是绿色可再生能源。在当今世界能源短缺,同时又突出强调环保的情况下,大力开发风能资源是普遍的趋势和潮流。降低风力发电机的启动风速可以更充分的利用风能资源,而叶片和主轴的支承是影响风力发电机启动风速的主要因素之一,由此开展对风力发电机叶片和主轴支承方式的研究具有重要的现实意义。介绍了几种叶片的设计理论,贝茨理论表明风力发电机的最大风能利用系数为0.593,至今都没有风力发电机能超过这个极限；介绍了叶素理论,通过叶素理论的假设条件推导出了叶素的受力情况和叶素上的轴向风轮转矩。介绍了涡流理论,涡流理论是经过风轮后以及风轮上方气流的漩涡与相似导线的磁场理论得到的,其结论和贝茨理论一致。在叶片的技术方面本文主要介绍了翼型的相关基本概念以及NACA系列翼型和风力发电机专用翼型,并利用CFD软件Fluent对两种NACA系列翼型进行了气动性分析,包括对压力场、速度场以及升阻比特性的对比分析,并对翼型进行了改进设计使其更能满足低风速启动的要求。将新翼型与原来的翼型进行对比分析,确定适合的翼型。根据贝茨理论,采用设计的翼型对叶片进行实体建模和有限元分析。为了降低风力发电机的启动阻力矩,在小型风力发电机中采用永磁轴承的支承方式。对永磁轴承进行有限元分析得到内外磁环之间的径向偏移对永磁轴承的径向力和轴向力的影响,根据分析结果对永磁轴承进行结构设计。通过两台采用不同支承方式的风力发电机的对比实验分析了磁悬浮支承对风力发电机启动阻力矩的影响。设计低风速小型磁悬浮风力发电机样机,主要分析了小型永磁悬浮风力发电机在装配时所遇到的问题和解决方法。装配永磁轴承时由于磁环产生的强大磁力,有必要设计出一套装配机构,并对永磁轴承的装配过程进行了详细介绍。简单介绍了整机的装配过程并对小型永磁悬浮风力发电机的结构特点进行了分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.2.1 课题研究的目的
• 1.2.2 课题研究的意义
• 1.3 国内外研究现状和存在的问题
• 1.3.1 国外研究现状和存在的问题
• 1.3.2 国内研究现状和存在的问题
• 1.4 课题研究的主要内容
• 第2章 叶片的设计理论
• 2.1 贝茨理论
• 2.2 叶素理论
• 2.3 涡流理论
• 2.4 本章小结
• 第3章 叶片翼型的气动性分析
• 3.1 翼型
• 3.1.1 翼型的基本概念
• 3.1.2 NACA系列翼型
• 3.1.3 风力发电机专用翼型
• 3.2 翼型的气动性分析
• 3.2.1 翼型的建模与网格划分
• 3.2.2 翼型的压力场对比分析
• 3.2.3 翼型的速度场对比分析
• 3.2.4 翼型的升力和阻力特性分析
• 3.3 翼型的改进设计
• 3.3.1 新翼型的结构分析
• 3.3.2 新翼型与NACA4412翼型的对比分析
• 3.3.3 新翼型之间的对比分析
• 3.3.4 新翼型在一定雷诺数下的压力分布
• 3.4 本章小结
• 第4章 叶片的设计与支承方式的设计
• 4.1 叶片的设计
• 4.1.1 叶片设计参数的确定
• 4.1.2 叶片的实体建模
• 4.1.3 叶片的有限元分析
• 4.2 支承方式的设计
• 4.2.1 磁悬浮支承
• 4.2.2 关于启动阻力矩的对比实验
• 4.3 本章小结
• 第5章 小型永磁悬浮风力发电机
• 5.1 永磁轴承的装配
• 5.2 小型永磁悬浮风力发电机的结构特点
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 致谢