垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì),垂直,風(fēng)力發(fā)電機(jī),設(shè)計(jì)
垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)09283622 09283622 莫昃莫昃v近幾十年來(lái)，作為主要能量來(lái)源的石油，煤炭等不可再生能源消耗越來(lái)越快，世界各地出現(xiàn)了價(jià)格上漲，短缺的情況，并且產(chǎn)生的廢氣污染空氣，日益破壞地球環(huán)境。尋找利用可再生能源變得尤其重要。n 風(fēng)能是一種普遍的可再生能源，具有蘊(yùn)藏量巨大，無(wú)污染，可再生，分布廣的特點(diǎn)，而且風(fēng)能利用技術(shù)是世界上發(fā)展速度最快的科學(xué)技術(shù)之一。風(fēng)力發(fā)電已成為世界可再生能源發(fā)展的重要方向。多種多樣的風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳統(tǒng)水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的缺陷傳統(tǒng)水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的缺陷1.需對(duì)風(fēng)轉(zhuǎn)向，發(fā)電不平穩(wěn)2.能量傳遞轉(zhuǎn)換裝置在頂部3.不耐強(qiáng)風(fēng)，易故障4.維修困難，修理費(fèi)用高5.啟動(dòng)風(fēng)力大6.風(fēng)能損失水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺陷水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺陷優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1.無(wú)需對(duì)風(fēng)裝置，發(fā)電曲線飽滿(mǎn)2.能量傳遞轉(zhuǎn)換裝置在地面3.能耐12-14級(jí)強(qiáng)風(fēng)4.維修方便，降低費(fèi)用5.啟動(dòng)風(fēng)力小6.風(fēng)能利用率高缺陷缺陷1.風(fēng)大時(shí)速度難以控制2.風(fēng)過(guò)小時(shí)，升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)難以自啟解決思路解決思路 主要由三片互相主要由三片互相成成120120角的葉片構(gòu)角的葉片構(gòu)成，每片葉片周?chē)谐?，每片葉片周?chē)幸豢蚣?，在接近轉(zhuǎn)軸一框架，在接近轉(zhuǎn)軸的地方設(shè)置一垂直桿，的地方設(shè)置一垂直桿，用于卡住葉片。用于卡住葉片。特點(diǎn) 這種垂直的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，能夠水平360接受受風(fēng)，不管哪個(gè)方向的風(fēng)能都能利用，且在風(fēng)向改變時(shí)不需要像水平風(fēng)力發(fā)電機(jī)一樣將轉(zhuǎn)向。在風(fēng)葉順風(fēng)時(shí)在風(fēng)葉順風(fēng)時(shí)能很好的卡住能很好的卡住風(fēng)葉，使風(fēng)葉風(fēng)葉，使風(fēng)葉完全受風(fēng)力推完全受風(fēng)力推動(dòng)。動(dòng)。在風(fēng)葉逆風(fēng)時(shí)，此時(shí)，在風(fēng)葉逆風(fēng)時(shí)，此時(shí)，垂直桿并沒(méi)有卡住風(fēng)垂直桿并沒(méi)有卡住風(fēng)葉，這樣風(fēng)葉受風(fēng)阻葉，這樣風(fēng)葉受風(fēng)阻力較小。力較小。本次設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容1、了解目前發(fā)電機(jī)的過(guò)去，現(xiàn)在及未來(lái)的發(fā)展?fàn)顩r。2、分析垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作狀況，研究研究工作原理，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。4、根據(jù)工作原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。（包括材料的選擇、標(biāo)準(zhǔn)件的選擇、零部件的尺寸及安全校核、以及零部件的結(jié)構(gòu)等）。3、確定垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪形狀和連接方式。5、根據(jù)強(qiáng)度要求，對(duì)部分零件進(jìn)行強(qiáng)度校核，看是否滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)。具體研究方法步驟和措施第二階段：準(zhǔn)備階段，了解垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的第二階段：準(zhǔn)備階段，了解垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的過(guò)去與現(xiàn)狀以及未來(lái)的發(fā)展，查閱課題相關(guān)的國(guó)過(guò)去與現(xiàn)狀以及未來(lái)的發(fā)展，查閱課題相關(guān)的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，擬訂設(shè)計(jì)思路，挑選最佳方案。內(nèi)外文獻(xiàn)，擬訂設(shè)計(jì)思路，挑選最佳方案。第一階段：設(shè)計(jì)階段，確定總體設(shè)計(jì)方案，根據(jù)第一階段：設(shè)計(jì)階段，確定總體設(shè)計(jì)方案，根據(jù) 課題給定的條件和基本要求進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定課題給定的條件和基本要求進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定主要參數(shù)，對(duì)所得數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析、處理，對(duì)主要參數(shù)，對(duì)所得數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析、處理，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的主要零部件進(jìn)行選型和校核。制動(dòng)系統(tǒng)的主要零部件進(jìn)行選型和校核。第三階段：制圖階段，整理各類(lèi)資料和數(shù)據(jù)，利第三階段：制圖階段，整理各類(lèi)資料和數(shù)據(jù)，利用制圖，分別做出系統(tǒng)的總裝圖及各部件用制圖，分別做出系統(tǒng)的總裝圖及各部件的裝配圖和零件圖。的裝配圖和零件圖。第四階段：總結(jié)階段，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)，檢第四階段：總結(jié)階段，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)，檢查圖紙，準(zhǔn)備答辯。查圖紙，準(zhǔn)備答辯。湖州師范學(xué)院本科畢業(yè)論文
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（說(shuō)明書(shū)）
2012 屆
題 目 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)
專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名 ╳╳╳
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)教師 ╳╳╳
論文字?jǐn)?shù) 14274
完成日期 2012年12月
湖 州 師 范 學(xué) 院 教 務(wù) 處 印 制
VI
原 創(chuàng) 性 聲 明
本人鄭重聲明：本人所呈交的畢業(yè)論文，是在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。畢業(yè)論文中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)等，均已明確注明出處。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的科研成果。對(duì)本文的研究成果做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。
本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。
論文作者簽名： 日 期：
關(guān)于畢業(yè)論文使用授權(quán)的聲明
本人在指導(dǎo)老師指導(dǎo)下所完成的論文及相關(guān)的資料（包括圖紙、試驗(yàn)記錄、原始數(shù)據(jù)、實(shí)物照片、圖片、錄音帶、設(shè)計(jì)手稿等），知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬湖州師范學(xué)院。本人完全了解湖州師范學(xué)院有關(guān)保存、使用畢業(yè)論文的規(guī)定，同意學(xué)校保存或向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的紙質(zhì)版和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權(quán)湖州師范學(xué)院可以將本畢業(yè)論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用任何復(fù)制手段保存和匯編本畢業(yè)論文。如果發(fā)表相關(guān)成果，一定征得指導(dǎo)教師同意，且第一署名單位為湖州師范學(xué)院。本人離校后使用畢業(yè)論文或與該論文直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時(shí)，第一署名單位仍然為湖州師范學(xué)院。
論文作者簽名： 日 期：
指導(dǎo)老師簽名： 日 期：
垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)
摘要：本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是完成垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)。風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)今發(fā)展飛速，其中小型發(fā)電機(jī)組以其設(shè)備簡(jiǎn)單、成本較低、風(fēng)能利用率高、啟動(dòng)、制動(dòng)性能好等優(yōu)點(diǎn)，得到越來(lái)越多青睞。本論文主要介紹了小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，從獨(dú)立型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成特點(diǎn)、運(yùn)行特點(diǎn)、保護(hù)措施等各方面，介紹了實(shí)現(xiàn)機(jī)組無(wú)人值守全自動(dòng)運(yùn)行的設(shè)計(jì)思想和實(shí)施辦法。
本設(shè)計(jì)利用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)使整個(gè)系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)精巧，控制方便，性能可靠，應(yīng)用前景廣闊。
關(guān)鍵詞：垂直軸，風(fēng)力發(fā)電機(jī)，設(shè)計(jì)
Vertical axis wind turbine design
Abstract: The graduation project is mainly to complete the vertical axis wind turbine design. Wind power in rapid development, in which small generation units with its simple equipment, low cost, high wind energy utilization rate, starting, braking performance is good wait for an advantage, get more and more popular. This paper mainly introduces the small-scale wind turbine mechanical structure part, from the independent type of wind turbine characteristics, operation characteristics, protection measures and other aspects, introduced the implementation of unmanned automatic operation unit of the design idea and implementation method.
This design is the use of mechanical and electrical integration design of the whole system with simple structure, compact structure, easy control, reliable performance, wide application prospect.
Key words: Vertical axis，wind turbine， design
目錄
第1章 緒論 8
第2章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)介紹 11
2.2 垂直軸風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué) 14
2.2.1 風(fēng)能利用率 15
2.2.2 Cp-λ功率特性曲線 15
2.2.3 貝茨極限 16
2.2.4 葉尖速比 16
2.2.5 風(fēng)力機(jī)的功率及扭矩計(jì)算 17
2.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 17
2.3.1低速軸 18
2.3.2聯(lián)軸器 19
2.3.3增速箱 20
2.3.4制動(dòng)器 21
2.4塔架 21
第3章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總體性能 24
3.1機(jī)組的構(gòu)成及主要技術(shù)參數(shù) 24
3.1.1基本技術(shù)參數(shù) 24
3.1.2機(jī)艙傳動(dòng)總成 25
3.2工作條件及運(yùn)行參數(shù) 26
3.2.1運(yùn)行參數(shù) 26
3.2.2無(wú)人值守的運(yùn)行過(guò)程 26
3.2.3待風(fēng)狀態(tài) 26
3.2.4開(kāi)機(jī)與并網(wǎng) 28
3.2.5停機(jī)與保護(hù) 28
第4章 各附加裝置的設(shè)計(jì)選取過(guò)程 30
4.1 風(fēng)機(jī)軸承技術(shù)要點(diǎn)分析 30
4.2 制動(dòng)器的設(shè)計(jì)與選取 32
4.3 高效永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì) 33
4.4 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)與選取 33
4.5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的尾舵調(diào)向裝置設(shè)計(jì) 34
結(jié)論 36
參 考 文 獻(xiàn) 37
致謝 39
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第1章 緒論
自80年代以來(lái)，風(fēng)能利用的主要趨勢(shì)是風(fēng)力發(fā)電，最早在邊遠(yuǎn)山區(qū)應(yīng)用，主要有三種應(yīng)用方式：（1）單獨(dú)使用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)供家庭住宅使用。（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)與其他電源聯(lián)用，為海上導(dǎo)航系統(tǒng)和遠(yuǎn)距離通訊系統(tǒng)供電。（3）并入地方孤立小電網(wǎng)為鄉(xiāng)村供電。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也飛速前進(jìn)。以機(jī)組大型化、集中安裝和控制為特點(diǎn)的風(fēng)力場(chǎng)成為風(fēng)力發(fā)電主要的發(fā)展方向。近20年，世界各地近30個(gè)國(guó)家開(kāi)發(fā)建設(shè)了風(fēng)電場(chǎng)，且在未來(lái)投資計(jì)劃上有增無(wú)減。國(guó)外風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量正以每年30％的速度增長(zhǎng)。同時(shí)大幅降低了風(fēng)機(jī)的故障率，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的中央控制和跨地區(qū)、跨國(guó)界的遠(yuǎn)程控制。世界一些著名廠商，如NORDEX，VESTAS，DEWIND等，則把目光投向小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并且逐步實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)行。
我國(guó)作為風(fēng)力資源極其豐富的國(guó)家，風(fēng)力發(fā)電潛能巨大，風(fēng)能資源的利用也歷史悠久，古代甲骨文中的“帆”字存在，以及東漢劉熙著作里“隨風(fēng)張慢曰帆”的敘述，都說(shuō)明我國(guó)是利用風(fēng)能最早的國(guó)家之一，而我國(guó)對(duì)于現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究始于80年代，
從“六五”開(kāi)始，國(guó)家將風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用列入科技攻關(guān)計(jì)劃,國(guó)家計(jì)委和國(guó)家科委分別組織了綜合性風(fēng)能科技攻關(guān)，內(nèi)容涉及風(fēng)力資源、風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、電機(jī)、控制和材料等。國(guó)務(wù)院總理溫家寶在2012年5月30日主持召開(kāi)的國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議，又討論通過(guò)《“十二五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》。會(huì)議指出新能源產(chǎn)業(yè)要發(fā)展技術(shù)成熟的風(fēng)電、核能、太陽(yáng)能光伏和熱利用、生物質(zhì)發(fā)電、沼氣等，積極推進(jìn)可再生能源技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。我國(guó)風(fēng)電技術(shù)將會(huì)借此時(shí)機(jī)繼續(xù)創(chuàng)造出更多的輝煌。
為了促進(jìn)風(fēng)電建設(shè)，有關(guān)部門(mén)出臺(tái)了不少優(yōu)惠政策，中國(guó)原電力部就頒布了關(guān)于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)建設(shè)和管理的若干意見(jiàn),要求各地電網(wǎng)應(yīng)收購(gòu)各地風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的上網(wǎng)電力，風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)按照還本付息加合理利潤(rùn)的原則確定。雖然后來(lái)隨著電力部門(mén)的演變和國(guó)家管理體制的改革,這一政策現(xiàn)已無(wú)從實(shí)施,但它的出臺(tái)為我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的起步奠定了重要的基礎(chǔ)。中國(guó)政府又頒布了“關(guān)于促進(jìn)可再生能源發(fā)展有關(guān)問(wèn)題的通知”，提出了促進(jìn)可再生能源發(fā)電項(xiàng)目尤其是風(fēng)電的優(yōu)惠政策,包括由銀行安排基建貸款、銀行貸款的項(xiàng)目給予的財(cái)政補(bǔ)貼、采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備的風(fēng)電項(xiàng)目給予的投資利潤(rùn)率優(yōu)惠等。此外，風(fēng)力發(fā)電的增值稅率按照減半為征收，風(fēng)力發(fā)電零部件和整機(jī)的進(jìn)口關(guān)稅也暫時(shí)按照和征收。在國(guó)務(wù)院公布的新一輪電力體制改革方案中，明確提出將制定發(fā)電排放的環(huán)保折價(jià)標(biāo)準(zhǔn),形成激勵(lì)清潔電源發(fā)展的新機(jī)制，這就為風(fēng)電等來(lái)自可再生能源的電力提供了公平競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)會(huì)，從而會(huì)大大促進(jìn)風(fēng)電等清潔的可再生能源發(fā)電的發(fā)展。在電價(jià)改革方案中也特別提到，“風(fēng)電、地?zé)岬刃履茉春涂稍偕茉雌髽I(yè)暫不參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，電量由電網(wǎng)企業(yè)按政府定價(jià)或招標(biāo)價(jià)格優(yōu)先購(gòu)買(mǎi)，電力市場(chǎng)成熟時(shí)由政府規(guī)定供電企業(yè)售電量中新能源和可再生能源電量的比例，建立專(zhuān)門(mén)的競(jìng)爭(zhēng)性新能源和可再生能源市場(chǎng)”。這些規(guī)定對(duì)于尚處于初期發(fā)展階段的我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)將會(huì)起到重要的扶持作用。
?根據(jù)全國(guó)900多個(gè)氣象站陸地上離地10m高度資料進(jìn)行估算，全國(guó)平均風(fēng)功率密度為100W/m2，風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約32.26億kW，可開(kāi)發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量有2.53億kW。另外，近?？砷_(kāi)發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量有7.5億kW，共計(jì)約10億kW。如果陸上風(fēng)電年上網(wǎng)電量按等效滿(mǎn)負(fù)荷2000小時(shí)計(jì)，每年可提供5000億千瓦時(shí)電量，海上風(fēng)電年上網(wǎng)電量按等效滿(mǎn)負(fù)荷2500小時(shí)計(jì)，每年可提供1.8萬(wàn)億千瓦時(shí)電量，合計(jì)2.3萬(wàn)億千瓦時(shí)電量，大約相當(dāng)于我國(guó)目前一年的電力需求量。
???? ?(1)北部地區(qū)風(fēng)能分布帶。北部(東北、華北、西北)地區(qū)風(fēng)能豐富帶包括東北三省、河北、內(nèi)蒙古、甘肅、青海、西藏和等省/自治區(qū)近200km寬的地帶。三北地區(qū)風(fēng)能資源豐富，風(fēng)電場(chǎng)地形平坦，交通方便，沒(méi)有破壞性風(fēng)速，是我國(guó)連成一片的最大風(fēng)能資源區(qū)，有利于大規(guī)模的開(kāi)發(fā)風(fēng)電場(chǎng)，但是當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)容量較小，限制了風(fēng)電的規(guī)模，而且距離負(fù)荷中心遠(yuǎn)，需要長(zhǎng)距離輸電。
????? (2)沿海及其島嶼地區(qū)風(fēng)能分布帶。沿海及其島嶼地區(qū)包括山東、江蘇、上海、浙江、福建、廣東、廣西和海南等省/市沿海近10km寬的地帶，冬春季的冷空氣、夏秋的臺(tái)風(fēng)，都能影響到沿海及其島嶼，加上臺(tái)灣海峽狹管效應(yīng)的影響，東南沿海及其島嶼是我國(guó)風(fēng)能最佳豐富區(qū)。沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，沿海及其島嶼地區(qū)風(fēng)能資源豐富，風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)方便，與水電具有較好的季節(jié)互補(bǔ)性。然而沿海岸的土地大部份已開(kāi)發(fā)成水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)或建成防護(hù)林帶，可以安裝風(fēng)電機(jī)組的土地面積有限。
????? (3)內(nèi)陸風(fēng)能分布帶。在內(nèi)陸一些地區(qū)由于湖泊和特殊地形的影響，形成一些風(fēng)能豐富點(diǎn)，如鄱陽(yáng)湖附近地區(qū)和湖北的九宮山和利川等地區(qū)。
????? (4)海上風(fēng)能分布帶。我國(guó)海上風(fēng)能資源豐富，東部沿海水深2m到15m的海域面積遼闊，按照與陸上風(fēng)能資源同樣的方法估測(cè)，10m高度可利用的風(fēng)能資源約是陸上的3倍，即7億多kW，而且距離電力負(fù)荷中心很近。隨著海上風(fēng)電場(chǎng)技術(shù)的發(fā)展成熟，經(jīng)濟(jì)上可行，將來(lái)必然會(huì)成為重要的可持續(xù)能源。
我國(guó)較大規(guī)模地開(kāi)發(fā)和應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)，特別是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，始于70年代，當(dāng)時(shí)研制的風(fēng)力提水機(jī)用于提水灌溉和沿海地區(qū)的鹽場(chǎng)，研制的較大功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用于浙江和福建沿海，特別是在內(nèi)蒙古地區(qū)由于得到了政府的支持和適應(yīng)了當(dāng)?shù)刈匀毁Y源和當(dāng)?shù)厝罕姷男枨?，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究和推廣得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。對(duì)于解決邊遠(yuǎn)地區(qū)居住分散的農(nóng)牧民群眾的生活用電和部分生產(chǎn)用電起了很大作用[2]。掌握具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)，降低風(fēng)電成本，從可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求入手，完全符合我國(guó)現(xiàn)狀，走這條路勢(shì)在必行。
近年來(lái)，我國(guó)的風(fēng)電機(jī)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，但在風(fēng)機(jī)整機(jī)及關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)上與世界先進(jìn)水平仍然存在一定的差距，在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組方面，我國(guó)從事小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其配件開(kāi)發(fā)研制生產(chǎn)的單位多達(dá)78家，年產(chǎn)量、總產(chǎn)量、生產(chǎn)能力、出口均位列世界之首。由于汽油、柴油、煤油價(jià)格飛漲，且供應(yīng)渠道不暢通，使得小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用戶(hù)量繼續(xù)增加，根據(jù)我國(guó)風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)利用的現(xiàn)狀，以及風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展進(jìn)步及水平來(lái)看，我國(guó)的小型風(fēng)力發(fā)電，已從單純的風(fēng)力發(fā)電向多能互補(bǔ)方向；從單臺(tái)供電向群組機(jī)組集中供電發(fā)展；從師范、試驗(yàn)性向高效實(shí)用性發(fā)展。
事實(shí)證明，?小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的未來(lái)的發(fā)展方向掌握在我們的手中。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)進(jìn)步是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本保證。把小型風(fēng)力機(jī)與太陽(yáng)能電池結(jié)合作為最合理的獨(dú)立電源可開(kāi)發(fā)更多的應(yīng)用領(lǐng)域，包括風(fēng)光互補(bǔ)便攜式電源、風(fēng)光互補(bǔ)泵水系統(tǒng)、風(fēng)光互補(bǔ)增氧系統(tǒng)、風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)等等。隨著小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品的多樣化，風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)在市政項(xiàng)目、在邊防哨所、在偏遠(yuǎn)地區(qū)都有著極廣的應(yīng)用前景。?目前，國(guó)內(nèi)的小風(fēng)機(jī)產(chǎn)品開(kāi)始走向國(guó)外。英國(guó)、美國(guó)等國(guó)家已立法鼓勵(lì)家庭安裝小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，為小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)應(yīng)用提供很大的發(fā)展空間。但小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在家庭的推廣對(duì)產(chǎn)品提出了更高的要求，低風(fēng)速發(fā)電、低噪音、高可靠性、美觀性、安全性等都有了更高的要求。
由以上分析可見(jiàn)，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有很多優(yōu)越性與潛能性。本課題研究的就是小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
第2章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)
3.1 垂直風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的動(dòng)力機(jī)械。廣義地說(shuō)，它是一種以太陽(yáng)為熱源，以大氣為工作介質(zhì)的熱能利用發(fā)動(dòng)機(jī)。風(fēng)力發(fā)電利用的是自然能源，相對(duì)柴油發(fā)電要好的多。風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車(chē)葉片旋轉(zhuǎn)，再透過(guò)增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來(lái)促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。依據(jù)目前的風(fēng)車(chē)技術(shù)，大約是每秒三公尺的微風(fēng)速度（微風(fēng)的程度），便可以開(kāi)始發(fā)電垂直軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪軸是垂直布置的，葉片帶動(dòng)風(fēng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)再驅(qū)動(dòng)所要驅(qū)動(dòng)的機(jī)械。如圖2-2。
本課題研究的是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
風(fēng)力機(jī)從功率大小上分類(lèi)，可以分為微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、小型風(fēng)力發(fā)電及、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)四類(lèi)。如下表。
微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)
額定功率50-1000W
小型風(fēng)力發(fā)電及
額定功率1-50KW
中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)
額定功率50-100KW
大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)
額定功率大于100KW
本課題研究的20KW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)屬于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
垂直軸風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)低速軸與風(fēng)向垂直，如圖3-2所示，垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，風(fēng)輪無(wú)需對(duì)風(fēng)，其優(yōu)點(diǎn)有：1.可以接受任何風(fēng)向的風(fēng)，無(wú)需對(duì)風(fēng)；2.齒輪箱和發(fā)電機(jī)可以安裝在地面，檢修維護(hù)方便。
圖3-2 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)
按照槳葉受力方式分類(lèi)可分為升力型風(fēng)力機(jī)和阻力型風(fēng)力機(jī)。升力型風(fēng)力機(jī)利用葉片的升力帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而轉(zhuǎn)化風(fēng)能為電能，這種風(fēng)力機(jī)目前較為常見(jiàn)，大部分水平軸風(fēng)力機(jī)都屬于升力型風(fēng)力機(jī)。目前大中型風(fēng)電主要采用水平軸風(fēng)力機(jī)，屬升力型風(fēng)力機(jī)，具有轉(zhuǎn)速高、風(fēng)的利用率較高等優(yōu)點(diǎn)，其葉尖速比通常在4以上，最大功率系數(shù)可達(dá)50%，如圖3-3所示。阻力型風(fēng)力機(jī)利用葉片上受到的阻力來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，大部分阻力型風(fēng)力機(jī)為垂直軸，目前較少，如圖3-4所示。
圖3-3 升力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)
圖3-4 阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)
垂直軸升力型風(fēng)力機(jī)既有垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，又和升力型風(fēng)力機(jī)一樣具有較高轉(zhuǎn)速，風(fēng)能利用率有所提高。由于運(yùn)行過(guò)程中受力比水平軸好得多，疲勞壽命要更長(zhǎng)。
2.2設(shè)計(jì)思路
垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)利用的是空氣動(dòng)力學(xué)
如圖3-5所示建立平面坐標(biāo)系，假定風(fēng)速矢量為v，葉片端線速度矢量為u，葉片所在位置夾角為θ，則葉片的平均線速度為[5]
（3.1）
在圖3-5中，風(fēng)速矢量v=（0，-V），葉片速度矢量u=（-Usinθ,Ucosθ），風(fēng)對(duì)葉片的相對(duì)速度w=v+u，坐標(biāo)運(yùn)算后得w=（-Usinθ，-V+Ucosθ）。
圖3-5 垂直風(fēng)力機(jī)動(dòng)力原理
相對(duì)風(fēng)速的大小就是矢量w的模|w|，以表示w的單位矢量，表示u的單位矢量，則可以求出此時(shí)的攻角α，攻角就是相對(duì)風(fēng)速與葉片弦長(zhǎng)所在直線的夾角，按照矢量計(jì)算可推得：
（3.2）
在風(fēng)力的作用下，葉片在攻角α?xí)r受到的升力和阻力可以按以下公式計(jì)算：
（3.3）
（3.4）
將升力和阻力投影到風(fēng)輪切方向：
（3.5）
（3.6）
其中Flt為Fl在切向的分量；Fdt為Fd在切向的分量。
葉片受力分解如圖3-6所示[6]。
圖3-6 垂直風(fēng)力機(jī)的葉素力學(xué)模型
切向力的合力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片在位置角為θ時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為
（2.7）
2.2.1 風(fēng)能利用率
風(fēng)能利用系數(shù)Cp是表示風(fēng)力機(jī)效率的重要參數(shù)，由于風(fēng)通過(guò)風(fēng)輪的風(fēng)能不能完全轉(zhuǎn)化為風(fēng)輪機(jī)械能，其風(fēng)能利用率Cp為[7]
（3.8）
其中Pm為風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率；Pw為風(fēng)力機(jī)輸入的風(fēng)能。
目前大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率絕大部分是由葉片設(shè)計(jì)方計(jì)算得到的，一般在40%以上。由于之前一般都是利用葉素理論來(lái)計(jì)算垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率，得出的結(jié)果不如水平軸，但是根據(jù)國(guó)外最新的實(shí)驗(yàn)表明垂直軸的風(fēng)能利用率不低于40%[8]，再加上水平軸風(fēng)力機(jī)受到風(fēng)向變化的影響，而垂直軸風(fēng)力機(jī)可以在任何風(fēng)速角下工作，因此有理由相信垂直軸風(fēng)力機(jī)的利用率能夠超過(guò)水平軸。
2.2.2 Cp-λ功率特性曲線
風(fēng)能利用系數(shù)Cp一般是變化的，它隨著風(fēng)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化而變化，葉片尖端線速度與風(fēng)速之比叫做葉尖速比λ（將在第3.2.4節(jié)具體說(shuō)明），為了得到最佳的風(fēng)能利用率，一般根據(jù)Cp-λ曲線來(lái)選擇合適的葉尖速比，如圖3-7所示。
圖3-7 Cp-λ曲線圖
從圖3-7中看出，當(dāng)葉尖速比達(dá)到7.5左右時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)最大，風(fēng)能利用率最高，Cp值有一個(gè)最大值，實(shí)際風(fēng)力機(jī)一般都達(dá)不到這么高的風(fēng)能利用率，所以我們先初定葉尖速比在λ=6，風(fēng)能利用率Cp=0.4時(shí)對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體的Cp-λ圖還需根據(jù)具體的風(fēng)力機(jī)葉片試驗(yàn)及攻角調(diào)整來(lái)確定。
2.2.3 貝茨極限
風(fēng)能利用系數(shù)縮短能達(dá)到的最大值就是貝茨極限，德國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)家Albert Betz提出貝茨極限后,直到今天還沒(méi)有人能設(shè)計(jì)出超過(guò)這個(gè)極限的風(fēng)力機(jī)，該極限不是由于設(shè)計(jì)不足造成的，而是因?yàn)榱鞴懿坏貌辉谥聞?dòng)盤(pán)上游膨脹，使得自由流速比在圓盤(pán)處小，貝茨極限由一下微分方程得出[9]：
（3.9）
式中a為氣流誘導(dǎo)因子。
解微分方程可知當(dāng)a=1/3時(shí)，Cp最大，求得最大Cp=0.953。
2.2.4 葉尖速比
風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比稱(chēng)為葉尖速比，阻力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為0.3至0.6，升力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為3至8。在升力型風(fēng)力機(jī)中，葉尖速比直接反映了相對(duì)風(fēng)速與葉片運(yùn)動(dòng)方向的夾角，即直接關(guān)系到葉片的攻角，是分析風(fēng)力機(jī)性能的重要參數(shù)。葉尖速比計(jì)算公式為
（3.10）
2.2.5 風(fēng)力機(jī)的功率及扭矩計(jì)算
由福建省情資料庫(kù)中的圖像資料可以看出廈門(mén)地區(qū)地面平均風(fēng)速在4m/s～6m/s左右，如圖3-8所示。
圖3-8福建省風(fēng)速分布
從福建氣象網(wǎng)站（http://fj.weather.com.cn/）24小時(shí)監(jiān)測(cè)的結(jié)果可以看出，廈門(mén)地區(qū)一天內(nèi)4級(jí)風(fēng)（約8m/s）出現(xiàn)的頻率最高，如圖3-9所示。
圖3-9 廈門(mén)某日24小時(shí)風(fēng)速監(jiān)測(cè)圖
2.3 設(shè)計(jì)過(guò)程
（總設(shè)計(jì)圖和分設(shè)計(jì)圖，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)要求、相關(guān)參數(shù)說(shuō)明）
風(fēng)力機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般包括低速軸、高速軸、齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)和制動(dòng)器等(圖2-6)。但不是每一種風(fēng)力機(jī)都必須具備所有這些環(huán)節(jié)。有些風(fēng)力機(jī)的輪殼直接連接到齒輪箱上,不需要低速傳動(dòng)軸。也有一些風(fēng)力機(jī)(特別是小型風(fēng)力機(jī))設(shè)計(jì)成無(wú)齒輪箱的,風(fēng)輪直接連接到發(fā)電機(jī)。在整個(gè)傳動(dòng)系中除了齒輪箱其它部件基本上一目了然[8]。
圖 2-6 機(jī)艙傳動(dòng)總成圖
2.3.1低速軸
風(fēng)輪通過(guò)鍵把轉(zhuǎn)矩傳到低速軸上。小型風(fēng)力機(jī)一般采用單鍵。小、微型風(fēng)力機(jī)多采用45號(hào)鋼，經(jīng)過(guò)調(diào)制處理使鋼材獲得強(qiáng)度。塑性、韌性三方面都較好的綜合機(jī)械性能，所以設(shè)計(jì)時(shí)，在低速軸加工圖上也要注明這一技術(shù)要求。低速軸的材料實(shí)踐證明低速軸與輪轂的連接部分最好要有1：10的錐度，亦即軸端最好呈圓錐形。這種結(jié)構(gòu)不僅裝配牢固、拆卸方便，而且還避免了圓柱形軸端應(yīng)力集中的影響。鎖定風(fēng)輪用的軸端螺母究竟采用右旋還是左旋要視風(fēng)輪的轉(zhuǎn)向而定。如果順風(fēng)看風(fēng)輪是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則螺母要用左旋螺紋，反之要用優(yōu)選螺母，因?yàn)橹挥羞@樣才能保證風(fēng)力機(jī)在旋轉(zhuǎn)中螺母越來(lái)越緊而不至于松脫，為了安全起見(jiàn)，螺母上最好還要有止動(dòng)墊圈。低速軸零件圖如圖2-7所示。
圖 2-7 低速軸零件圖
根據(jù)國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，低速軸的直徑通常取風(fēng)輪直徑的1%，亦即d=0.01D。若按這一標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，其強(qiáng)度一般是有保證的。作用在低速軸上的主要負(fù)載有：工作轉(zhuǎn)矩M，風(fēng)輪的陀螺力矩M，以及風(fēng)輪所受到的重力G。軸端所承受的合成應(yīng)力為（N/cm）
（2-1）
式中：M為風(fēng)輪的陀螺力矩（Nm）；
G為風(fēng)輪所受重力（N）；
W為軸端抗彎截面模數(shù)(cm)；
A為軸端截面積（cm）。
M的大小與槳葉數(shù)B有關(guān)，當(dāng)B=3時(shí)，
（2-2）
式中，——風(fēng)輪繞低速軸的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）
如用單鍵，
（2-3）
式中：b為鍵槽寬度（cm）；
T為鍵槽深度（cm）。
倘若軸端呈圓錐形，其d為平均值。
為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可以將本設(shè)計(jì)中的軸近似看成為大徑，小徑的光滑軸。本設(shè)計(jì)中的彎矩。
將已知條件帶入上述公式，可以算出。
所以，本設(shè)計(jì)中的低速軸滿(mǎn)足條件，可以正常使用[9-11]。
2.3.2聯(lián)軸器
在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，常采用剛性聯(lián)軸器、彈性聯(lián)軸器（或萬(wàn)向聯(lián)軸器）兩種方式。剛性聯(lián)軸器常用在對(duì)中性好的二軸連接，而彈性聯(lián)軸器則可以為二軸對(duì)中性較差時(shí)提供二軸的聯(lián)接，更重要的是彈性聯(lián)軸器可以提供一個(gè)彈性環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)可以吸收軸系因外部負(fù)載的波動(dòng)而產(chǎn)生的額外能量。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中通常在高速軸選用彈性/萬(wàn)向聯(lián)軸器，一般用十字聯(lián)軸器或者輪胎聯(lián)軸器，低速軸用剛性聯(lián)軸器。一般用漲套式或者柱銷(xiāo)式聯(lián)軸器。
本課題在設(shè)計(jì)時(shí)在高速軸使用胎式聯(lián)軸器，在低速軸使用柱銷(xiāo)式聯(lián)軸器。如下所示，是聯(lián)軸器的示意圖。
柱銷(xiāo)式聯(lián)軸器
2.3.3增速箱
與風(fēng)力機(jī)匹配的增速器不僅要體積小、重量輕、效率高、噪音小、而且還應(yīng)該承載能力大，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小。鑒于這些要求，所以分力發(fā)電機(jī)的選擇至關(guān)重要。實(shí)現(xiàn)增速的方法也很多，最常用的有齒輪、皮帶輪、鏈輪傳動(dòng)三種，其中齒輪傳動(dòng)運(yùn)用最為廣泛，能夠滿(mǎn)足增速器以上要求。其中NW型與NGW型行星齒輪增速器用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上比較合適的。齒輪增速器的傳動(dòng)比可以根據(jù)風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速之比確定，而功率則要按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率的1.2-1.5倍考慮。在使用齒輪增速器時(shí)，要注意輸入軸與輸出軸的方向是一致還是相反，否則將會(huì)造成被動(dòng)，甚至不能使用。本風(fēng)力機(jī)所采用的齒輪箱為同軸行星增速齒輪箱，傳動(dòng)比為1：22.4，額定功率為55kW。
2.3.4制動(dòng)器
機(jī)械剎車(chē)是一種制動(dòng)式的減慢旋轉(zhuǎn)負(fù)載的裝置。通常機(jī)械剎車(chē)按照作用方式可以分為液壓、氣動(dòng)、電磁、電液、手動(dòng)等形式。按照工作狀態(tài)分為常閉式和常開(kāi)式兩種。在風(fēng)力發(fā)電中，為了減少制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，縮小制動(dòng)尺寸，通常機(jī)械剎車(chē)裝在高速軸上。
本課題選用電磁盤(pán)式剎車(chē)，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。
2.4塔架
風(fēng)力機(jī)的塔架除了要支撐風(fēng)力機(jī)的重量, 還要承受吹向風(fēng)力機(jī)和塔架的風(fēng)壓, 以及風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中的動(dòng)載荷。它的剛度和風(fēng)力機(jī)的振動(dòng)有密切關(guān)系, 如果說(shuō)塔架對(duì)小型風(fēng)力機(jī)影響還不太大的話,對(duì)大、中型風(fēng)力機(jī)的影響就不容忽視了[12]。一般要求塔架要有足夠的強(qiáng)度，足以承受設(shè)計(jì)要求的動(dòng)靜載荷。同時(shí)基礎(chǔ)不應(yīng)該發(fā)生顯著的、尤其是不均勻的下沉，因?yàn)榛A(chǔ)一旦下沉將導(dǎo)致整個(gè)塔架傾斜，因此為了保證他家不發(fā)生歪斜，塔架各基礎(chǔ)的重量合力必須與風(fēng)力機(jī)重心垂線重合。基礎(chǔ)則用混凝土砌筑，水泥、沙子和碎石的體積比約取1:2.5:5?；A(chǔ)的砌筑要與接地網(wǎng)、地腳螺栓以及地錨的預(yù)埋同時(shí)進(jìn)行。
塔架的高度為
水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架主要可分為管柱型和桁架型兩類(lèi),管柱型塔架可從最簡(jiǎn)單的木桿,一直到大型鋼管和混凝土管柱。小型風(fēng)力機(jī)塔桿為了增加抗彎矩的能力,可以用拉線來(lái)加強(qiáng)。中、大型塔桿為了運(yùn)輸方便,可以將鋼管分成幾段。一般圓柱形塔架對(duì)風(fēng)的阻力較小,特別是對(duì)于下風(fēng)向風(fēng)力機(jī),產(chǎn)生紊流的影響要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型風(fēng)力機(jī)上,其優(yōu)點(diǎn)是。價(jià)不高,運(yùn)輸也方便。但這種塔架會(huì)使下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)的葉片產(chǎn)生很大的紊流。其計(jì)算方法如下：
本風(fēng)力機(jī)所采用的塔架為柔性鋼管加拉索，重2.5t，智能化微機(jī)控制系統(tǒng)全自動(dòng)化無(wú)人值守故障檢測(cè)、報(bào)警狀態(tài)及參數(shù)記錄、顯示。
第4章 各附加裝置的設(shè)計(jì)選取過(guò)程
4.1 風(fēng)機(jī)軸承技術(shù)要點(diǎn)分析
風(fēng)力發(fā)電機(jī)用軸承主要包括:偏航軸承總成、風(fēng)葉低速軸軸承、變速器軸承、發(fā)電機(jī)軸承等,軸承的結(jié)構(gòu)形成主要有四點(diǎn)接觸球軸承、交叉滾子軸承、圓柱滾子軸承、調(diào)心滾子軸承、深溝球軸承等。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)常年在野外工作,工況條件比較惡劣,溫度、濕度和軸承載荷變化很大,風(fēng)速最高可達(dá)23m/ s ,有沖擊載荷,因此要求軸承有良好的密封性能和潤(rùn)滑性能、耐沖擊、長(zhǎng)壽命和高可靠性,發(fā)電機(jī)在2～3 級(jí)風(fēng)時(shí)就要啟動(dòng),并能跟蹤風(fēng)向變化,所以軸承結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)以保證低摩擦、高靈敏度,大型偏航軸承要求外圈帶齒,因此軸承設(shè)計(jì)、材料、制造、潤(rùn)滑及密封都要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。
偏航軸承總成：偏航軸承總成是風(fēng)機(jī)及時(shí)追蹤風(fēng)向變化的保證。風(fēng)機(jī)開(kāi)始偏轉(zhuǎn)時(shí),偏航加速度ε將產(chǎn)生沖擊力矩M = I ε( I 為機(jī)艙慣量) 。偏航轉(zhuǎn)速à 越高,產(chǎn)生的加速度ε也越大。由于I 非常大,這樣使本來(lái)就很大的沖擊力成倍增加。另外,風(fēng)機(jī)如果在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中偏轉(zhuǎn),偏航齒輪上將承受相當(dāng)大的陀螺力矩,容易造成偏航軸承的疲勞失效。根據(jù)風(fēng)機(jī)軸承的受力特點(diǎn),偏航軸承采用“零游隙”設(shè)計(jì)采用推力球軸承和深溝球軸承。通過(guò)對(duì)這兩種軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝方法改進(jìn)、生產(chǎn)過(guò)程清潔度控制及相關(guān)組件的優(yōu)選來(lái)降低軸承振動(dòng)的噪聲,使軸承具有良好的低噪聲性能。溝道進(jìn)行特別設(shè)計(jì)及加工,可以承受大的軸向載荷和力矩載荷。偏航齒輪要選擇合適的材料、模數(shù)、齒面輪廓和硬度,以保證和主動(dòng)齒輪之間壽命的匹配。同時(shí),要采取有針對(duì)性的熱處理措施,提高齒面強(qiáng)度,使軸承具有良好的耐磨性和耐沖擊性。風(fēng)機(jī)暴露在野外,因此對(duì)該軸承的密封性能有著嚴(yán)格的要求,必須對(duì)軸承的密封型式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)軸承的密封性能進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究,保證軸承壽命和風(fēng)機(jī)壽命相同。風(fēng)機(jī)裝在10m 的高空,裝拆費(fèi)用昂貴,因此必須有非常高的可靠性,一般要求20 年壽命,再加上該軸承結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因此在裝機(jī)試驗(yàn)之前必須進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn),以確保軸承設(shè)計(jì)參數(shù)無(wú)誤。
風(fēng)葉低速軸軸承：風(fēng)葉低速軸由兩個(gè)調(diào)心滾子軸承支承。由于風(fēng)葉低速軸承受的載荷非常大,而且軸很長(zhǎng),容易變形,因此,要求軸承必須有良好的調(diào)心性能。確定軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)和保持架的結(jié)構(gòu)形式,使軸承具有良好的性能和長(zhǎng)壽命。
圖 4－1 調(diào)心滾子軸承(圓錐孔)
名稱(chēng)＝調(diào)心滾子軸承(圓錐孔)
標(biāo)準(zhǔn)=摘自GB/T 288-1994 參照ISO15-1981
單位=(mm)
-----------------------------------------------------------
軸承代號(hào)(圓錐孔)=22206CK
尺寸\d=30 尺寸\D=62
尺寸\B=20 尺寸\d1=40
尺寸\D1=52.7 尺寸\B0=-
尺寸\rs(min)=1 重量(kg)≈=0.3
軸承類(lèi)型：調(diào)心滾子軸承
軸承代號(hào)： 22206C 軸承內(nèi)徑：30
軸承外徑：62 軸承寬度：20
額定動(dòng)載荷：46000 額定靜載荷：33500
極限轉(zhuǎn)速：8000 潤(rùn)滑方式：脂潤(rùn)滑
工作參數(shù)：
徑向載荷：18.8N 軸向載荷：400N
使用壽命：3600h 工作轉(zhuǎn)速：25m/s
接 觸 角：-2.620 載荷系數(shù)：1.5
工作參數(shù)： 徑向載荷：18.8
軸向載荷：400 使用壽命：3600
工作轉(zhuǎn)速：25 接 觸 角：
載荷系數(shù)：1.5
變速器軸承：變速器中的軸承種類(lèi)很多,主要是靠變速箱中的齒輪油潤(rùn)滑。潤(rùn)滑油中金屬顆粒比較多,使軸承壽命大大縮短,因此需采用特殊的熱處理工藝,使?jié)L道表面存在壓應(yīng)力,降低滾道對(duì)顆粒雜質(zhì)的敏感程度,提高軸承壽命。同時(shí)根據(jù)軸承的工況條件,對(duì)軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行再優(yōu)化設(shè)計(jì),改進(jìn)軸承加工工藝方法,進(jìn)一步提高軸承的性能指標(biāo)。
圖 4-2 60000型軸承
發(fā)電機(jī)軸承：發(fā)電機(jī)軸承采用圓錐軸承。通過(guò)對(duì)這兩種軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝方法改進(jìn)、生產(chǎn)過(guò)程清潔度控制及相關(guān)組件的優(yōu)選
來(lái)降低軸承振動(dòng)的噪聲,使軸承具有良好的低噪聲性能。
圖 4-3 發(fā)動(dòng)機(jī)軸承
4.2 制動(dòng)器的設(shè)計(jì)與選取
圖 4-4 YWZ液電力液壓?jiǎn)瓮茥U制動(dòng)器
YWZ液電力液壓?jiǎn)瓮茥U制動(dòng)器，基本規(guī)格為：400-1250，額定退距為1.25，額定制動(dòng)轉(zhuǎn)距1800/N.m，基本尺寸為500mm. 制動(dòng)器 動(dòng)作平穩(wěn)，無(wú)噪音，壽命長(zhǎng)；尺寸小，重量輕；動(dòng)作快，每小時(shí)可接電2000次；補(bǔ)償型單推桿具有補(bǔ)償由于制動(dòng)瓦磨損退距增大的功能，不需經(jīng)常調(diào)整；可調(diào)型單推桿，上升、下降時(shí)間可調(diào)，其范圍為0.5～10s，安全可靠，適用于工作要求高的場(chǎng)合；起升、運(yùn)行、旋轉(zhuǎn)及變幅機(jī)構(gòu)。
4.3 高效永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)
人們?cè)褂眠^(guò)直流發(fā)電機(jī)、電磁式交流發(fā)電機(jī)、爪極式發(fā)電機(jī)、磁阻式發(fā)電機(jī)以及感應(yīng)子式發(fā)電機(jī)等用于小型風(fēng)能發(fā)電裝置。隨著永磁材料的技術(shù)發(fā)展，永磁材料磁能積大大提高，目前主要使用永磁發(fā)電機(jī)。該類(lèi)電機(jī)不論從電氣性能上，還是在安全可靠性上講，都優(yōu)于前幾類(lèi)發(fā)電機(jī)。由于該類(lèi)發(fā)電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)所與一般發(fā)電機(jī)不同，其技術(shù)要求有其特殊性，在性能上又必須與風(fēng)力機(jī)有良好的匹配[12]。
永磁發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn) ：（1） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高（2）體積小、重量輕、比功率大（3） 中、低速發(fā)電性能好（4） 效率高 （5） 采用自啟動(dòng)式穩(wěn)壓器 （6） 特別適合于在潮濕或灰塵多的惡劣環(huán)境下工作（7） 無(wú)無(wú)線電干擾
4.4 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)與選取
圖 4-5 HLL型帶制動(dòng)輪彈性柱銷(xiāo)聯(lián)軸器
名稱(chēng)＝HLL型帶制動(dòng)輪彈性柱銷(xiāo)聯(lián)軸器
標(biāo)準(zhǔn)=摘自GB/T 5014-1985
單位=(mm)
-----------------------------------------------------------
型號(hào)=HLL11
額定轉(zhuǎn)矩Tn(N.m)=6300
許用轉(zhuǎn)速[n](r/min)=960
軸孔直徑d1、d2、dz=100;110
軸孔長(zhǎng)度\L\Y型=212
軸孔長(zhǎng)度\L1\J、J1、Z型=167
軸孔長(zhǎng)度\L\J、J1、Z型=212
D0=630
D=320
B=265
d3=40
l=112
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg.m^2)=314
重量(kg)=187
4.5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的尾舵調(diào)向裝置設(shè)計(jì)
風(fēng)力機(jī)的保護(hù)系統(tǒng). 該風(fēng)力機(jī)采用斜置鉸鏈尾舵?zhèn)绕L(fēng)輪保護(hù),其基本原理是當(dāng)風(fēng)速增大時(shí),風(fēng)輪側(cè)偏,使風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面背對(duì)風(fēng)向,減少風(fēng)輪的迎風(fēng)面積,從而使風(fēng)輪的吸收功率下降. 當(dāng)風(fēng)輪的迎風(fēng)面被側(cè)偏到與風(fēng)向一致時(shí)(或平行) ,風(fēng)輪會(huì)自動(dòng)停止轉(zhuǎn)動(dòng),達(dá)到保護(hù)整機(jī)的目的.
調(diào)向裝置就是在風(fēng)輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一直使風(fēng)輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的裝置。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)向裝置有好多種，但微小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用尾舵調(diào)向。因?yàn)槲捕嬲{(diào)向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)向可靠，制造容易，成本低等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)尾舵時(shí)應(yīng)保證尾舵在風(fēng)向偏離風(fēng)輪300角之內(nèi)調(diào)向，使風(fēng)輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。風(fēng)向是變化的，尾舵調(diào)向應(yīng)有迎合而不應(yīng)使風(fēng)輪頻繁擺頭。
尾舵設(shè)計(jì)計(jì)算如下：
當(dāng)風(fēng)向偏離風(fēng)輪葉片角時(shí)，風(fēng)對(duì)尾舵面積A的推力對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)中心O的力矩應(yīng)大于風(fēng)對(duì)風(fēng)輪葉片的推力對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)中心O的力矩，尾舵開(kāi)始調(diào)向。設(shè)計(jì)時(shí)建議調(diào)向角
（4-1）
其中。
式中 A——尾舵面積；
P——單位面積風(fēng)壓；
——裝盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)中心O至尾舵面積受力中心距離；
——風(fēng)對(duì)葉輪的推力；
——輪中心至轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)中心O距離。
用葉片風(fēng)輪葉片掃掠的面積S來(lái)表示時(shí)，高速風(fēng)輪發(fā)電機(jī)尾舵計(jì)算按下面的經(jīng)驗(yàn)公式：，所以：
(1) 尾舵的面積（調(diào)向角時(shí)，角尾舵與尾舵中心成150，角尾舵長(zhǎng)占尾舵總長(zhǎng)的25%35%，如下圖4-6所示）
(2)尾舵的中心到轉(zhuǎn)向軸的距離L
L=0.6D=0.6x6=3.6m,轉(zhuǎn)角r=15
(3)轉(zhuǎn)向軸與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面間的距離E
E=1/4L=1/4x3.6=0.9m
4 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能測(cè)試
3.1機(jī)組的構(gòu)成及主要技術(shù)參數(shù)
獨(dú)立型20kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用了3葉片、水平軸、上風(fēng)向旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪、定槳距失速調(diào)節(jié)，異步發(fā)電機(jī)發(fā)電、蓄能器儲(chǔ)能、高速軸抱閘雙重主動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)艙支撐為柔性鋼管拉索塔架，控制系統(tǒng)采用日本三菱公司F1-60MR可編程控制器（PLC）為控制核心，配以集成化、智能化I/O接口電路和先進(jìn)的傳感技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無(wú)人值守運(yùn)行[13]。
3.1.1基本技術(shù)參數(shù)
總體性能參數(shù)如表3-1所示：
表3-1 總體性能參數(shù)
類(lèi)型
水平軸、下風(fēng)向
額定功率
20kW
額定風(fēng)速
11m/s
切入風(fēng)速
4m/s
切出風(fēng)速
20m/s
抗最大風(fēng)速
50m/s
風(fēng)輪性能參數(shù)如表3-2所示：
表 3-2 風(fēng)輪性能參數(shù)
葉片數(shù)目
3
直徑
11m
額定轉(zhuǎn)速
180r/min
槳葉材料
增強(qiáng)型玻璃鋼
翼型
NACA44 X X
功率調(diào)節(jié)
定槳距失速調(diào)節(jié)
傳動(dòng)系統(tǒng)性能參數(shù)如表3-3所示：
表 3-3 傳動(dòng)系統(tǒng)性能參數(shù)
類(lèi)型
NG型行星齒輪增速箱
額定功率
11.2m
額定轉(zhuǎn)速
55kW
傳動(dòng)比
1：22.4
發(fā)電機(jī)性能參數(shù)如表3-4所示：
表 3-4 發(fā)電機(jī)性能參數(shù)
類(lèi)型
三相交流高滑差異步電機(jī)
額定功率
45Kw
同步轉(zhuǎn)速
1500r/min
電壓
380V，Y接
頻率
50Hz
塔架性能參數(shù)如表3-5所示：
表 3-5 塔架性能參數(shù)
類(lèi)型
柔性鋼管加拉索
重量
2.5t
控制系統(tǒng)
智能化微機(jī)控制系統(tǒng)全自動(dòng)化無(wú)人值守故障檢 測(cè)、報(bào)警狀態(tài)及參數(shù)記錄、顯示。
3.1.2機(jī)艙傳動(dòng)總成
20kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸總成設(shè)計(jì)采用同心軸連接，在機(jī)艙里面把葉輪、低速軸支承、剎車(chē)盤(pán)、增速機(jī)、發(fā)電機(jī)等安裝在機(jī)艙平臺(tái)的同一軸心上，此種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊密、外型美觀、工藝優(yōu)化、機(jī)械效率高，比多軸心傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，易于安裝，檢修，特別適用于定槳距、失速葉片風(fēng)力機(jī)的機(jī)艙布局[14]。
圖 3-1 機(jī)艙機(jī)構(gòu)圖
3.2風(fēng)力機(jī)的工作條件穩(wěn)定度和壽命等角度
3.2.1運(yùn)行參數(shù)
機(jī)組在環(huán)境溫度-25——75℃，空氣濕度不大于95%，電網(wǎng)電壓在95%——105%額定電壓下，頻率為±1°范圍內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以正常發(fā)電。
運(yùn)行參數(shù)如表3-6所示：
表 3-6 運(yùn)行參數(shù)
運(yùn)行風(fēng)速范圍
4.0m/s
4.5，V<15m/s
故障辨別
停機(jī)處理
開(kāi)槳松閘
N>1480r/min
延20分鐘
機(jī)器狀態(tài)差報(bào)警
等待開(kāi)機(jī)
并網(wǎng)運(yùn)行
N>1470r/min
V>4.5r/min
逆功率報(bào)警停機(jī)
N>1580r/min
N<100r/min
超速報(bào)警停機(jī)
超速傳感失靈
報(bào)警停機(jī)
V>4.5m/s
V>21m/s
手動(dòng)操作
小風(fēng)逆功停機(jī)
小風(fēng)連續(xù)5分停機(jī)
大風(fēng)報(bào)警停機(jī)
圖 3-2 20kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程流程圖
3.2.4開(kāi)機(jī)與并網(wǎng)
由風(fēng)速和轉(zhuǎn)速傳感作為主激勵(lì)信號(hào)，輔以對(duì)傳動(dòng)、偏航、剎車(chē)系統(tǒng)的即時(shí)監(jiān)控，在風(fēng)速達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，機(jī)組自動(dòng)開(kāi)機(jī)，進(jìn)入工作狀態(tài)。
①當(dāng)風(fēng)速連續(xù)60秒不小于4.5m/s，低速軸盤(pán)式剎車(chē)釋放，傳動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始工作。
②由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)變矩機(jī)構(gòu)，將葉片由順風(fēng)的保護(hù)位置拉至迎風(fēng)的工作位置，進(jìn)入定槳距失速調(diào)節(jié)工作狀態(tài)，完成這一過(guò)程的時(shí)間可調(diào)，其長(zhǎng)短以有助于加速完成啟動(dòng)過(guò)程為宜，我們選在50秒左右。
③在運(yùn)行①、②的同時(shí)，三葉片風(fēng)輪通過(guò)增速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)1500r/min
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