风能是一种清洁、环保、储量巨大的可再生能源。由于风能的分布较为分散，能量密度低，因此风力发电机的工作环境较为恶劣。同时气动及流固藕合问题也相对复杂，这就对风力发电机的安全可靠性提出了很高的要求。随着对风力发电技术研究的不断深入，升力型垂直轴风力发电机越来越受到风电行业的普遍关注，其风能利用率不低于水平轴风力发电机，并且具有维护方便、适用范围广、噪音污染小和不需要偏航装置等优点。

 

叶片是风力发电机中最基础和最关键的部件之一，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证风力发电机稳定运行的决定因素。叶片不仅需要具有密度小、机械性能和疲劳强度好等特点，还必须能经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷考验．叶片主要承受旋转离心力、自身重力及风对叶片表面的压力，其强度问题应得到足够的重视。

 

风力发电机结构分析主要包括静力分析、模态分析、疲劳寿命分析和流固耦合分析等．实验分析和有限元分析是进行结构分析常用的方法．由于实验分析方法成本较高且可行度偏低，所以风力发电机结构分析更多采用有限元分析的方法。本文将对南通大学自主研发的1kw低风速直驱型垂直轴风力发电机的叶片进行静力学分析，来检验结构设计的合理性，并为风力发电机的检测打下理论基础。样机如图1所示。

 

 

 

1 风力发电叶片结构

 

本文研究的叶片采用NACA0018翼型，其特点是：在180°攻角范围内升力和阻力特性对称，俯仰力矩系数为0，在风轮工作过程中不产生反向力矩，优势较为明显．叶片如图2所示．

 

 

 

 

同时，为了保证叶片具有足够的强度、刚度、耐腐蚀、长寿命等性能，同时考虑到加工的难易程度、性价比高等特点，叶片的材料一般选用铝合金、玻璃钢以及碳纤维增强复合材料等制造．目前由于玻璃钢具有重量轻、强度高、性价比高等优点，已经成为风力机叶片设计的主流材料．本文研究的叶片也是采用玻璃钢材料制作而成的问，叶片尺寸参数及材料性能参数如表1,2所示．

 

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2 风载计算

 

载荷分析在风力发电机的力学计算中属于一项很基础的工作，是各部件设计的前提，同时也是后期力学计算及检测的基础．垂直轴风力发电机运行环境中的载荷非常复杂，主要可以概括为空气动力载荷、重力载荷和离心力载荷口］．其中重力载荷及离心力载荷均可在有限元软件中直接添加，而空气动力载荷则需要根据叶片翼型，设定工况进行计算．

 

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2.1 计算域的划分

 

为了尽可能地节省计算机资源和时间，本文在进行模拟时尽量减小边界条件对风场的影响．选择风力发电机的中心为坐标原点，在进行边界设定时，左侧边界到原点距离是直径的20倍，右侧边界到原点距离时直径的40倍，上下边界到原点的距离也是直径的20倍．本文所研究的风力发电机的风轮直径为2 m,所以计算域在x方向上的范围为(-40, 80)，在Y方向上的范围是（-40, 40)，单位为m，图3为将风轮部分局部放大后的计算区域示意图．

 

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对于风轮静止区域和旋转区域之间交界面的问题，本文采用滑移网格技术来解决，即在滑移面的两侧划分不同的网格，当交界面两侧的网格存在相互滑动时，流过交界面两侧的通量相等．在非定常数值模拟中，根据已经设定好的时间步长，滑移边界按照既定转速沿着指定的方向旋转，2个滑移边界都需要经过Fluent软件中的藕合处理，才能进行计算叹

 

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2.2 网格划分

 

网格的质量对数值模拟流场的结果有着极为关键的影响．网格是计算流体力学模型的几何表达式，是求解控制方程的基础，数值计算结果的收敛性和精度都受到网格质量的影响．由于叶片边界附近物理量存在较大的梯度变化，因此对叶片的边缘进行边界层处理是十分必要的．对叶片所在的动区域进行适当的网格加密处理，外部静止区域则采用较大的网格进行划分．整个流场区域均采用非结构三角形网格划分