论文总字数：31083字

摘 要

目前国内外的垂直轴风力机大多是定桨距的，但是定桨距垂直轴风力机存在自启动差和发电功率较低的严重问题，限制了它的进一步发展。为此，本文为H型垂直轴风力机设计研究了一种可以自动改变安装角的机构。基于叶素动量理论，极限理论、流管模型进行理论分析，借助MATLAB软件和ProE软件，完成了变桨机构的设计工作，并验证了该变桨机构可以达到改善H型垂直轴风力机发电功率和自启动性能的目的。

(1) MATLAB软件用于桨距角、有效迎角和功率输出等参数的计算，分别绘制其与方位角的关系曲线图，并完成变桨机构的载荷强度校核。

(2) ProE软件用于变桨机构整体及其零部件的三维建模、组件的装配图生成和运动仿真工作。

关键词：变桨机构 H型垂直轴风力机 三维建模 MATLAB

variable-pitch machine of the type-H vertical axis wind turbines

ABSTRACT

In the world now,most of the vertical axis wind turbines are in the form of fixed pitch.However,there are some serious problems in the fixed-pitch vertical axis wind turbines,such as the lower efficiency of the turbines itself and the bad performance of its self-starting,which greatly limits it’s development.Therefore,this airticle tried to develop a kind of variable-pitch machine for type-H verticle axis wind turbines.Based on the blade element momentum,Betz theory,stream tube model and so on,this paper carried on the theory analysis.With the help of MATLAB and ProE,this paper completed the design of the variable-pitch machine,and proved that the variable-pitch machine can meet the requirements of improving the the efficiency of the turbines itself and the performance of its self-starting.

1. Matlab software is used for the calculation of the pitch angle,the effective angle of attack,the output power and so on,ploting of its relationship with the azimuth angle respectively and completing the load checking of the variable-pitch machine.
2. ProE software is used for the 3D modeling of the overall structure and the parts of the variable-pitch machine,generating the assembly drawings and the work of motion simulation.

Chen Tianyu(Wind energy and power engineering)

Directed by prdf.Tan Jianfeng

KEY WORDS: variable-pitch machine, type-H vertical axis wind turbines,

3D modeling, MATLAB

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 学科背景、意义及内容 1

1.2 发展风力机的历史和意义 2

1.3 发展垂直轴风力机的历史和意义 2

1.4 垂直轴风力机变桨机构的研究进展 3

1.5 课题的研究内容 5

第二章 H型垂直轴风力发电机的设计理论基础 7

2.1 垂直轴风力机的空气动力基础 7

2.2 贝茨理论 9

2.3 叶素理论 11

2.4 动量理论 12

2.5 动量-叶素理论 13

2.6 多流管模型 13

第三章 垂直轴风力机的变桨距方案 16

3.1 叶片的气动分析 16

3.2 诱导因子计算 18

3.3 变桨前垂直轴风机功率特性分析 21

3.4 变桨距设计 22

3.5 本章小结 26

第四章 风轮参数设计 27

4.1 垂直轴风力机风轮的主要特点 27

4.2 风轮设计相关参数介绍 27

4.2.1 叶尖速比 27

4.2.2 风能利用系数 27

4.2.3 风力机电机 27

4.2.4 风力机额定风速 28

4.2.5 风力机起动风速 28

4.2.6 风轮半径及风轮高度 28

4.2.7 叶片数和弦长 28

4.2.8 叶片翼型 28

4.2.9 风轮实度 29

4.3 尺寸设计实例 29

4.3.1 额定风速值确定 29

4.3.2 额定功率值确定 29

4.3.3 叶片半径和高度确定 29

4.4 结构设计实例 31

4.4.1 叶片的相关内容 31

4.4.2 支撑杆的相关内容 31

4.4.3 轮毂部分的相关内容 32

第五章 H型垂直轴风力机的载荷计算 33

5.1 建立合适的坐标系 33

5.1.1 坐标系知识介绍 33

5.1.2 坐标系的建立注意点 33

5.2 垂直轴风力机的载荷分析 34

5.3 塔架载荷分析 35

5.4 风机的载荷分析统计表 36

5.5 载荷计算分析 36

第六章 H型垂直轴风机变桨机构三维建模 41

6.1 机构相关知识 41

6.1.1 原理介绍 41

6.1.2 约束分析 42

6.1.3 变桨机构的基本尺寸设计 43

6.2 使用ProE软件进行三维建模 43

6.2.1 介绍ProE软件及三维模型绘制 43

6.2.2 组件装配 45

6.2.3 运动仿真 46

第七章 全文总结 48

参考文献 49

附录 图纸表 51

第一章 绪论

1.1 学科背景、意义及内容

21世纪的地球，人类的生存与发展受到了巨大的威胁，而能源开始匮乏与环境持续破坏是最明显的问题。人类经常使用的能源主要包括煤炭、石油、天然气等，但是这些资源已经开始显现出疲态，人类已经开始预见到这些资源无法满足人类未来的生存需要了，并且最重要的是这些资源还会对空气质量产生严重影响，使人类的生活环境越来越糟糕。这里暂不考虑其他国家，光考虑本国国情，中国的人数众多一直是个大问题，具最新的统计，中国的人数大约是全球总人数的五分之一，虽然我国地大物博，上诉的煤炭等资源总量占世界总含量的18%，但是分配到每个人头上，每个国人拥有的资源含量甚至还不到外国平均占有量的一半，所以能源问题迫切需要我们解决。

自从改革开放以来，我国的经济不断发展，同时由于我国计划生育之前的历史遗留问题导致即使实施了计划生育，人数总量还是在快速增加。面对这些日益突出的问题，人们意识到开发新能源是解决各种各样问题的关键^[1]，因此，自从20世纪以来，全球的科学家和有志人士都在积极寻找可再生能源或者开发新能源，这些人的努力已经在一定程度上缓解了环境问题和能源短缺的问题^[2-3]。

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