直驱永磁微风发电机叶片的设计与制造

彭 胡，郭维城，李 卉，李 强，杨洪超，刘宝新

(1.沈阳工程学院机械学院，辽宁沈阳110136;2.沈阳新科元机电技术应用研究所，辽宁沈阳110136)

微风发电机多为民用，具有尺寸小、安装使用方便、成本低、效率高、适用于各种地域和气候环境等特点。叶片是微风发电机能量转换最直接、最关键的部件。叶片设计与制造的好坏，直接影响发电效率。

目前国内学者对叶片研究的部分成果如下:

1)陈家权等人提出了一种在计算机上能立体显示叶片截面及其线框结构的设计方法，但该方法比较复杂，并且仅仅实现了线框显示。

2)范正萍等人进行了垂直轴微风发电机的叶片设计与模拟分析研究，探讨了叶片设计的通用方法，对叶片精确的实体进行建模仿真，并建立风洞模型，对叶片的动力学特性进行了分析。

3)宗楠楠等人根据传统的叶片设计方法对400 W小型水平轴风力机的叶片进行了设计，生成了三维几何模型，并采用有限元方法对叶片进行了振动模态分析，得到各阶振动频率和振型。

在前人研究成果的基础之上，根据沈阳地区风力资源的具体情况，设计了一种微风发电机叶片。

1 叶片的设计与计算

1.1 计算风轮直径

由公式

可得

式中，D为设计风轮的直径，P为设计功率，CP为风能利用系数，v为设计风速，ρ为空气密度，η1和η2分别为机械效率和发电机效率。

根据沈阳当地的气象条件，在满足“微风启动，微风发电”的前提下，取额定设计功率P=50 W，额定设计风速v=6.8 m/s，风速和功率之间的关系如图1所示。

图1 风速与发电功率关系曲线

当 ρ取1.29 kg/m3，η1和 η2均取 0.9 时，由贝茨理论可知:在理想条件下，风能利用系数的最大值为CP=0.593，根据叶片翼型、叶片数量以及功率大小等因素的影响，CP的取值范围在0.25至0.45之间，此时取CP=0.42。由此可得设计风轮的直径D=0.96 m。

1.2 确定叶片数和尖速比

为了获得较高的风能利用系数，取叶片数B=6，取尖速比λ=5，由公式

得风轮转速n=672 r/min，(3)式中，R为风轮半径。

1.3 翼型选择及参数确定

目前，在风力发电机叶片中最常用的就是NACA翼型，该翼族具有风能利用系数高，震动小，噪声小和一致性好的气动特性。其中，NACA4412翼型的相对厚度较小，在弦长的40.9%处为其最大相对弯度，为4.00%;在弦长的29.8%处为其最大的相对厚度，为12.02%。其原始数据如表1所示，对应的翼型如图2所示。

表1 NACA4412翼型原始数据

图2 NACA4412翼型截面

翼型截面的坐标如表2所示。

生成的二维翼型如图3所示。

从图3可以看出，该翼型尾部尺寸太小，为了满足使用要求、加工要求，需在叶片建模时对尾部进行优化。

2 基于CATIA软件的叶片建模

NACA4412翼型叶片是扭曲成型，这样可使叶片各部分处在最佳的迎角状态，从而获得最高的风能利用系数。建模时，取其具有代表性的9个翼型截面，计算出它们之间的扭角，弦长以及最大相对厚度，数据如表3所示。

表2 设计翼型的截面坐标

图3 二维翼型截面

表3 翼型截面数据

风轮直径包括叶轮和叶片两部分，当叶轮直径为0.24 m时，叶片长度为0.36 m。通过分析可以发现，叶片在叶根至处对于风能的吸收不明显，所以叶片截面的范围在。在CATIA软件中分别绘制出9个翼型截面，如图4所示;扫描生成叶片三维实体模型，如图5所示。

3 基于RP技术的叶片制造

将生成的叶片三维模型，用快速成型机INSPIRE D255加工，形成叶片实物，如图6所示。

图4 翼型截面

图5 叶片三维实体

图6 基于RP技术加工叶片实物

4 结语

根据沈阳及周边地区风能资源的具体情况，确定了微风发电机的功率和翼型结构。对NACA4412翼型经过分析计算，确定了风轮、叶片及其截面参数的尺寸，利用CATIA软件进行三维建模并运用快速成型制造出了叶片实体，为微风发电机的进一步设计和研究奠定了基础。

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