作品名称

紫气东来

获奖学生

张逢(专业：土木)、姚刘镇(专业：土木)、刘天一(专业：土木)

设计说明

此次结构设计竞赛模型为定向木结构风力发电塔。竞赛限定塔身高为800mm，叶轮直径为800mm。竞赛目的是为了在满足竞赛要求的情况下，通过合理设计叶片形状和数目，使得风力发电机的发电效率最大，同时尽量保证发电塔的塔身结构材料消耗较轻，结构强度和刚度能够满足竞赛要求。这需要综合运用空气动力学、结构力学和材料力学等相关的力学知识。从结构刚度要求和节约材料角度出发，发电塔结构选择正三角形截面的格构式结构。其具有较好的刚度，同时在视觉上，我们也希望以尽量少的杆件形成刚度较好的塔架结构，并通过合理的设计尽量减小杆件的截面尺寸，这样从各个角度观赏结构都具有较好的视觉效果。

叶片设计

风力发电机的效率和叶片对发电机产生的扭矩密切相关，其与电流强度、叶片的动力扭矩成正比。风力发电机叶片设计是风力发电机捕捉风能的核心部件，叶片设计的好坏直接决定了风力发电机的发电效率，是整个风力发电机系统最为关键的部分。根据竞赛中给定的风速条件，本风力发电机的叶片应设计为低速叶片。叶片设计需要遵循以下几个原则。叶片面积要适中，不能过大和过小，叶片面积过大则各个叶片相互之间会有干扰，从而影响叶片对电机的扭转力矩；叶片面积过小，则叶片的兜风面积过小，每个叶片对电机的扭矩减小。叶片的角度要合理，角度过小，风的扭矩不足；角度过大，在转动过程中，空气的阻力也较大。

发电塔架设计

根据竞赛要求，塔架截面为正多边形。风力发电塔结构的主要受水平风荷载作用。发电塔结构受力近似为悬臂梁结构。在迎风一侧的立柱主要受拉力，在背风一侧的立柱主要承受压力。基于此，考虑塔架刚度和强度要求，以及风的方向，塔架截面设计为正三角形。且三角形发电塔的底边要和来流风荷载的方向垂直，同时将一根立柱前置，位于迎风向，受拉为主；另外两根立柱位于背风向，受压为主。

这样使得由于风力发电机选用的叶片面积较大，风荷载较大，将塔架分为5段，每段160mm。在风荷载作用下，由于风轮扫略面上下部位风速的不均匀分布、叶轮和电机的位置轻微偏心而引起的振动都会导致发电塔架受扭。应增加塔架截面的抗扭刚度以抵抗该扭转力矩，为此将斜腹杆设计为交叉腹杆。