文档介绍：木结构定向风力发电塔及叶片
方案设计与理论分析
作品名称沐风
参赛学校四川大学
参赛队员吴恒兴、董凯、邓小燕
专业名称土木工程、土木工程、土木工程
指导教师傅昶彬
二○○九年十一月
设计说明书
春天来了,一位美丽的少女到郊外踏青,尽情地享受春风的沐浴。塔身宛如她修长的身姿,叶片好似她飘柔的秀发(见图1-1)。
图1-1 寓意构形
根据赛题的要求,塔身外轮廓采用方棱台体,柱网尺寸:下端120mm×120mm,上端60mm×60mm,塔高800mm,高宽比800/120≈。三片风叶互成120°角,叶轮直径796mm,叶片外表为流线型双曲面。
(1)塔身。在满足赛题规定的承载力和变形刚度要求条件下,为了设计最轻的结构,我们选用了空间桁架结构形式,并试图做到较多的杆件满应力受拉,尽量减少受压杆杆和赘余杆件。在设计空间桁架的具体形式时,遵循对称均匀,受力明确,传力直接,方便制作的原则。
(2)叶片。在满足赛题规定的条件下,为了获得重量轻、发电功率大的叶片,在分析了目前各系列翼型的参数后,结合给定的风速要求,采用流线型双层双曲面薄壳结构形式,支座为主梁转换,根部安装角20°,端部10°。
(1)形体。通过多方案比较、数值仿真和模型实验,选定底面120mm×120mm、顶面60mm×60mm、,高800mm的高挑尺寸,并抽掉塔身迎风面和背风面的赘余水平杆件(见图1-2),形成柱间菱形串构图,以体现少女身材修长苗条、婀娜多姿的寓意。
图1-2 塔身空间框线图
(2)柱子。柱截面采用轮廓尺寸为6mm×6mm的格构柱,,分肢由四根截面2mm×2mm的细杆组成,缀件采用2mm×2mm×6mm的短节十字交叉于柱的空腹部位,形成暗缀件。暗缀件格构柱既有利于相交杆件在节点处的穿斗连接,又使柱的外形简洁美观,富有新意。另外,在轴心压力下(柱子实际的弯矩、剪力很小,可以忽略不计)柱子在两个主轴方向是等稳定的,从而可以达到合理用材的目的。
(3)传力。发电机是塔顶的主要荷载,但同时又具有巨大的刚度。为此,将发电机总成(含叶片、连接件等)的荷载直接传给塔顶的四根柱子,并锁紧发动机与塔顶支座板的连接螺栓,使发电机与塔架融为一体,不再强调承重梁和增设顶面刚度杆件,以达到传力直接、受力合理、节约用材的目的。
结构图所标注的长度以mm计,标高以m计。叶片的结构图见图2-1和图2-2,塔身的结构图见图2-3~图2-7,整个装置的效果图见图2-8。
图2-1 叶片结构主视图
a) 1—1 b ) 2—2 c) 3—3 d) 4—4 e) 5—5
图2-2 叶片截面
a) 侧风面 b)迎风面
图2-3 塔身几何尺寸
a) 正立面 b)侧立面
图2-4 塔身立面结构布置
a) ZI立面投影图(±~) b) 1—1
图2-5 格构柱
图2-6 基脚结构平面
图2-7 塔顶结构平面
图2-8 效果图
叶片
(1)工作原理
由于翼型表面形状的干扰,作用在翼型表面上的空气压力是不均匀的。
如图3-1所示,翼型上表面压力低于周围气压,称为吸力面,下表面压力高
于周围气压,称为压力面。由伯努利理论,翼型上表面的气流速度较高,下
图3-1 风向与叶片面力分布示意
表面的气流速度较低,形成一个环绕翼型流动的环流。环流的存在导致了
叶片的工作。
为了取得良好的气动性能,叶片截面应为流线型,由叶素理论可知,
叶片的升力和阻力主要与攻角、截面形式和角速度有关。如图3-2所示,在
一定的风速下,要使发电机的发电功率大,就要转速快,要转速快就要叶
片产生的转矩大,要转矩大就不仅要求叶片质量轻,而且要求叶片每个截
面的升阻比大。升阻比与攻角有关,而攻角沿叶片的展向是在不断变化的,
所以要确定最佳的叶片形式是有难度的。为此,我们参考相关的资料和实
验,最终选定叶片为流线型双层双曲面薄壳结构,根部安装角为20°,端
部安装角为10°,从而保证良好的气动性能。
图3-2 攻角与升力示意
(2)荷载计算
简化:取风速v=9m/s计算风压,不考虑发电机转速影响,如图3-3所示,将叶片分成四块区域,分别计算各块上的风压,风压体型系数及风
图3-3 叶片风压分区示意
压计算见表3-1。
表3-1 体型系数与风压p(N/mm2)
(3)结构仿真分析
木材按各向同性考虑,取弹性模量E=×104N/mm2,容重=4×10-4N/mm3,抗拉、抗压强度(赛题所给顺文抗拉强度30N/mm2),挠度限值取(为叶片悬长)。
叶片数值仿真分析