垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)
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垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)目錄摘要 .ABSTRACT .第一章 概述 .1 1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)概況 .1 1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀 .1 1.2.1 國(guó)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制情況 .1 1.2.2 國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制情況 .2 1.3 研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的目的和意義 .41.4 我國(guó)的風(fēng)能資源及其分布 .5第二章 風(fēng)力機(jī)理論 .8 2.1 基本公式 .8 2.1.1 風(fēng)能利用系數(shù) .8 2.1.2 風(fēng)壓強(qiáng) .8 2.1.3 阻力式風(fēng)力機(jī)的最大效率 .8 2.2 工作風(fēng)速與輸出功率 .92.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出效率 .92.2.2 工作風(fēng)速與輸出功率 .92.2.3 啟動(dòng)風(fēng)速和額定風(fēng)速的選定 .10 2.3 風(fēng)能利用與氣象 .122.3.1 風(fēng)的觀測(cè)對(duì)風(fēng)能利用的意義 .122.3.2 風(fēng)能利用中需要的氣象調(diào)查 .132.4 風(fēng)的觀測(cè) .13第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .14 3.1 小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案設(shè)計(jì) .14 3.2 風(fēng)葉 .14 3.3 行星齒輪加速器設(shè)計(jì)計(jì)算 .143.3.1 設(shè)計(jì)要求 .153.3.2 選加速器類(lèi)型 .163.3.3 確定行星輪數(shù)和齒數(shù) .163.3.4 壓力角()的選擇 .163.3.5 齒寬系數(shù)的選擇 .173.3.6 模數(shù)選擇 .173.3.7 預(yù)設(shè)嚙合角 .173.3.8 太陽(yáng)輪與行星輪之間的傳動(dòng)計(jì)算 .173.3.9 行星輪與內(nèi)齒輪之間的傳動(dòng)計(jì)算 .183.3.10 行星排各零件轉(zhuǎn)速及扭矩的計(jì)算 .183.3.11 行星排上各零件受力分析及計(jì)算 .193.3.12 行星齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度校核計(jì)算 .203.4 電磁離合器設(shè)計(jì)計(jì)算 .243.4.1 選型 .243.4.2 牙嵌式電磁離合器的動(dòng)作特性 .243.4.3 離合器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 .243.4.4 離合器的外徑 .243.4.5 離合器牙間的壓緊力 .243.4.6 線圈槽高度 .243.4.7 磁軛底部厚度 .253.4.8 銜鐵厚度 .254傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) . .25結(jié)束語(yǔ) . . .33致謝 .34參考文獻(xiàn) .35 第一章 概述1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)概況隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展, 風(fēng)力發(fā)電迅猛發(fā)展。以機(jī)組大型化(50kW 2MW )、集中安裝和控制為特點(diǎn)的風(fēng)電場(chǎng)(也稱(chēng)風(fēng)力田、風(fēng)田) 成為主要的發(fā)展方向。20 年來(lái), 世界上已有近30 個(gè)國(guó)家開(kāi)發(fā)建設(shè)了風(fēng)電場(chǎng)(是前期總數(shù)的3 倍) , 風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量約1400 萬(wàn)kW (是前期總數(shù)的100 倍)。目前, 德國(guó)、美國(guó)、丹麥以及亞洲的印度位居風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量前列, 且未來(lái)計(jì)劃投資有增無(wú)減。美國(guó)能源部預(yù)測(cè)2010 年風(fēng)電至少達(dá)到國(guó)內(nèi)電力消耗的10%。歐盟5 國(guó)要在2000 2002 年達(dá)到本國(guó)總發(fā)電量的10%左右, 丹麥甚至計(jì)劃2030 年要達(dá)到40%。中國(guó)是一個(gè)風(fēng)力資源豐富的國(guó)家, 風(fēng)力發(fā)電潛力巨大。據(jù)1998 年統(tǒng)計(jì), 風(fēng)力風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)22.36萬(wàn)kW , 僅占全國(guó)電網(wǎng)發(fā)電總裝機(jī)的0.081% , 相對(duì)于可開(kāi)發(fā)風(fēng)能資源的開(kāi)發(fā)率僅為0.088%。中國(guó)第一座風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)于1986 年在山東榮成落成, 總裝機(jī)較小, 為355kW。到1993 年我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量達(dá)17.1MW , 1999 年底, 我國(guó)共建了24 個(gè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng), 總裝機(jī)268MW。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)主要分布在風(fēng)能資源比較豐富的東南沿海、西北、東北和華北地區(qū), 其中風(fēng)電裝機(jī)容量最多的是已達(dá)72.35kW。在未來(lái)2 3 年內(nèi), 我國(guó)計(jì)劃新增風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量將在800MW 以上, 并且將會(huì)出現(xiàn)300 400MW 的特大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。1.2 研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的目的和意義中國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó),能源利用以煤炭為主。在當(dāng)前以石化能源為主體的能源結(jié)構(gòu)中,煤炭占73.8%,石油占18.6%,天然氣占2%,其余為水電等其它資源。在電力的能源消費(fèi)中,也是以煤炭為主,燃煤發(fā)電量占總發(fā)電量的80%。但是,能為人類(lèi)所用的石化資源是有限的,據(jù)第二屆環(huán)太平洋煤炭會(huì)議資料介紹,按目前的技術(shù)水平和采掘速度計(jì)算,全球煤炭資源還可開(kāi)采200年。此外,石油探明儲(chǔ)量預(yù)測(cè)僅能開(kāi)采34年,天然氣約能開(kāi)采60年。隨著人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,能源供需矛盾加劇,如果不趁早調(diào)整以石化能源為主體的能源結(jié)構(gòu),勢(shì)必形成對(duì)數(shù)億年來(lái)地球積累的生物石化遺產(chǎn)更大規(guī)模的挖掘、消耗,由此將導(dǎo)致有限的石化能源趨于枯竭,人類(lèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的惡性循環(huán),不利于經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。電力部己制定“大力發(fā)展水電,繼續(xù)發(fā)展火電,適當(dāng)發(fā)展核電,積極發(fā)展新能源發(fā)電”的基本原則,把風(fēng)力發(fā)電作為優(yōu)化我國(guó)電力工業(yè)結(jié)構(gòu)跨世紀(jì)的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)。八屆人大四次會(huì)議批準(zhǔn)的我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“九五”計(jì)劃和2010年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中提出“積極發(fā)展風(fēng)能、海陽(yáng)能、地?zé)崮艿刃履茉窗l(fā)電”的指導(dǎo)方針,為我國(guó)發(fā)展多能互補(bǔ)的能源結(jié)構(gòu)新格局起到了指導(dǎo)和促進(jìn)作用。風(fēng)能是對(duì)人類(lèi)生存環(huán)境影響最小的能源。除此之外,風(fēng)能資源非常豐富,取之不盡,用之不竭。據(jù)統(tǒng)計(jì),太陽(yáng)向地球輻射的巨大能量中,約有1%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能。這些能量相當(dāng)于全球每年消耗的煤、石油等化石燃料能量的總和,可見(jiàn)風(fēng)能的潛力是非常大的。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日趨成熟,風(fēng)力發(fā)電規(guī)模也不斷擴(kuò)大,美國(guó)加州由數(shù)家風(fēng)能公司提供給電網(wǎng)的電量,足以供應(yīng)舊金山這樣的大城市的居民需求。我國(guó)風(fēng)電事業(yè)近年來(lái)發(fā)展較快,已有16萬(wàn)臺(tái)微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)用于邊遠(yuǎn)山區(qū)、牧區(qū)、海島,初步解決了地處邊遠(yuǎn),居住分散,電網(wǎng)難以到達(dá)地區(qū)的居民用電問(wèn)題。同時(shí)也遏制了微型汽油發(fā)電機(jī)的發(fā)展,在節(jié)約石化燃料的同時(shí),避免了各種有害氣體的排放。國(guó)家“九五”新能源發(fā)展計(jì)劃提出,“九五”期間全國(guó)風(fēng)力發(fā)電的總裝機(jī)容燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文量要突破40萬(wàn)千瓦。為此,國(guó)家從宏觀規(guī)劃角度出發(fā),制定了“乘風(fēng)計(jì)劃”,面向國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)發(fā)展風(fēng)力發(fā)電?!俺孙L(fēng)計(jì)劃”不僅會(huì)大大促進(jìn)我國(guó)風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展,而且對(duì)減排有害污染物,促進(jìn)環(huán)境的改善有著重要意義。風(fēng)力發(fā)電近幾年發(fā)展如此之快,是因?yàn)樗性S多優(yōu)點(diǎn):1.設(shè)備簡(jiǎn)單,投資少,成本低,風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整個(gè)設(shè)備成本不足功率相當(dāng)?shù)幕鹆Πl(fā)電,水力發(fā)電和核電站成本的1/4,在二、三年內(nèi)就可以收回全產(chǎn)投資;2.節(jié)省燃料和運(yùn)輸費(fèi)用。在風(fēng)力資源豐富的地區(qū),風(fēng)力是取之不盡,用之不竭的,可就地建立風(fēng)力發(fā)電站,就地用電,這樣就可以節(jié)省大量的輸電設(shè)備和能源。許多燃料是十分重要的化學(xué)原料,把它白白的燃掉是十分可惜的。我國(guó)資源并不十分豐富,充分利用風(fēng)力資源意義就更重大了;3.利用風(fēng)力可以減少對(duì)大氣的污染,保護(hù)我們?nèi)祟?lèi)賴(lài)以生存的自然環(huán)境。化學(xué)燃料不斷向大氣中排放對(duì)生物有害物質(zhì),嚴(yán)重的威脅人們健康,而風(fēng)力能源則沒(méi)有任何影響人類(lèi)健康的有害物質(zhì)。由于它是清潔能源,對(duì)環(huán)境無(wú)污染,又由于我們國(guó)家地形復(fù)雜,人口又多,居住分散,對(duì)于電網(wǎng)涉及不到的地區(qū),特殊行業(yè),可以補(bǔ)充大電網(wǎng)的缺陷,起到拾遺補(bǔ)缺的作用,可以利用小型風(fēng)機(jī)風(fēng)力發(fā)電的地方主要有:(l)航運(yùn)系統(tǒng)我們有長(zhǎng)江等水系幾條大河流,如長(zhǎng)江航運(yùn)中的拖船,一般在100一200噸,經(jīng)常被擱置在江中間的錨地上,用電主要靠蓄電池。使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)蓄電池補(bǔ)充充電效果很好,這方面有成功的經(jīng)驗(yàn)。但是,由于國(guó)有運(yùn)輸企業(yè)的不景氣,影響了市場(chǎng)。另外,我們大小河流湖泊上的船舶數(shù)量驚人,用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)解決它們的照明、收視電視、聽(tīng)廣播,有很重要的意義和市場(chǎng)。(2)森林防火高山觀察站據(jù)林業(yè)部防火指揮部介紹,東北約有400個(gè)觀察站,西南也有幾百個(gè)高山觀察站,各省市都有一些森林高山防火觀察站,站上的工作人員,在防火期從10月到第二年4、5月期間晝夜在站上值勤,解決他們的照明及聽(tīng)廣播、看電視頗為費(fèi)神。由于山高、道路狹窄歧嶇、運(yùn)輸困難,又不能使用明火,使用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以基本解決觀察站的照明及娛樂(lè)用電。90年代初,個(gè)別觀察站曾使用過(guò)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的某些技術(shù)問(wèn)題及使用人員的素質(zhì)因素,沒(méi)有得到推廣。(3)無(wú)人值守的差轉(zhuǎn)臺(tái)和微波站。(4)東南沿海各孤立的島嶼。(5)圍網(wǎng)養(yǎng)殖系統(tǒng)。(6)農(nóng)牧區(qū)。(7)國(guó)際市場(chǎng)。第二章 風(fēng)力機(jī)理論2.1 基本公式2.1.1 風(fēng)能利用系數(shù)風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中吸收的能量大小程度用風(fēng)能利用系數(shù)表示。橫截面積為s()的氣流的動(dòng)能為2.1.2 風(fēng)壓強(qiáng)如圖2-1a,根據(jù)伯努力方程,風(fēng)中物體受到的風(fēng)壓Q為2.1.3 阻力式風(fēng)力機(jī)的最大效率建立簡(jiǎn)單的理想模型,一個(gè)平板在風(fēng)的氣動(dòng)壓力作用下沿著風(fēng)速方向運(yùn)動(dòng),如圖2-lb,并規(guī)定平板上游一定距離上的風(fēng)速為,平板的運(yùn)動(dòng)速度為v,那么平板吸收的功率可以表示為圖2-1 平板模型對(duì)給定的上游風(fēng)速玲,可以寫(xiě)出以平板的運(yùn)動(dòng)速度V為函數(shù)的功率變化關(guān)系式,對(duì)v進(jìn)行微分得從上式中可以看出,阻力式風(fēng)力機(jī)的效率是比較低的,提高效率的唯一辦法是設(shè)法提高風(fēng)的阻力系數(shù)C。2.2 工作風(fēng)速與輸出功率2.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出效率最理想的風(fēng)力機(jī)也不可能吸收全部的風(fēng)能,而只能吸收部分風(fēng)能。如上一節(jié)推導(dǎo)的那樣,有一個(gè)最大風(fēng)能利用系數(shù)。但是,風(fēng)力機(jī)在制做過(guò)程中,由于受到各種條件的限制,做不到完全理想的形狀。因此實(shí)際的風(fēng)力機(jī)和理想的風(fēng)力機(jī)之間也有差異。實(shí)際風(fēng)力機(jī)吸收的功率與理想風(fēng)力機(jī)吸收的功率的比值叫做風(fēng)力機(jī)的效率。用表示。另外還有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率甲和發(fā)電機(jī)的效率等,所以實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的效率,可以表示為2.2.2 工作風(fēng)速與輸出功率風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)時(shí),為了克服其內(nèi)部的摩擦阻力而需要一定的力矩。這一最低力矩值叫做風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)力矩。啟動(dòng)力矩主要與風(fēng)力機(jī)本身的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦阻力有關(guān)因此風(fēng)力機(jī)有一最低工作風(fēng)速稱(chēng),只有風(fēng)速大于時(shí)風(fēng)力機(jī)才能工作。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)某一值的時(shí)候,基于安全上的考慮(主要是塔架和槳葉強(qiáng)度),風(fēng)力機(jī)應(yīng)該停止運(yùn)轉(zhuǎn),所以每一臺(tái)風(fēng)力機(jī)都規(guī)定有最高風(fēng)速,最高風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度有關(guān),是設(shè)計(jì)時(shí)給定的參數(shù)。最小風(fēng)速稱(chēng),和最大風(fēng)速之間的風(fēng)速叫做風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速,相應(yīng)于工作風(fēng)速風(fēng)力機(jī)有功率輸出。當(dāng)風(fēng)力機(jī)的輸出功率達(dá)到標(biāo)稱(chēng)功率時(shí)的工作風(fēng)速叫做該風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速。2.2.3 啟動(dòng)風(fēng)速和額定風(fēng)速的選定如何根據(jù)風(fēng)能資源來(lái)選用風(fēng)力機(jī),使風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)最佳,確定起動(dòng)風(fēng)速和額定風(fēng)速是關(guān)鍵。2.2.3.1 雙參數(shù)威布爾分布 風(fēng)能就是流動(dòng)空氣具有的動(dòng)能。單位時(shí)間通過(guò)垂直于空氣流的單位面積的空氣流所具有的動(dòng)能叫風(fēng)能密度,設(shè)為空氣密度,v為風(fēng)速,則風(fēng)能密度p=0.5,隨v的立方增大,變化非常快,故知道風(fēng)速的變化情況是利用風(fēng)能的先決條件。風(fēng)速V是隨機(jī)變量,經(jīng)研究專(zhuān)家們多認(rèn)為用雙參數(shù)威布爾概率密度函數(shù)擬合風(fēng)速頻率分布最好腳。威布爾分布函數(shù)形如下式其中K為形狀參數(shù),無(wú)量綱,C為尺度參數(shù),量綱為m。不同地區(qū),不同時(shí)期參數(shù)K、C是不同的,可根據(jù)某地連續(xù)30年的風(fēng)資料算出該地的K、C參數(shù),威布爾分布函數(shù)曲線見(jiàn)圖2-2。參數(shù)K、C影響曲線形狀,K大C大曲線陡峻,峰右移,反之亦然。圖2-2 威布爾分布函數(shù)曲線上式滿(mǎn)足2.2.3.2 起動(dòng)風(fēng)速 啟動(dòng)風(fēng)速為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪由靜止開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)并能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最小風(fēng)速:風(fēng)力機(jī)分水平軸和垂直軸兩大類(lèi),每一類(lèi)又有多種形式,同一形式還有若干種規(guī)格,只有科學(xué)地選擇適合當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源的風(fēng)力機(jī),才能以較少的投資獲取較多的風(fēng)能。根據(jù)國(guó)內(nèi)外100多種風(fēng)力機(jī),起動(dòng)風(fēng)速的范圍是2m,至6m,這一范圍能滿(mǎn)足風(fēng)能豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)的不同需要。雙參數(shù)威布爾分布函數(shù)曲線峰值對(duì)應(yīng)的凡就是起動(dòng)風(fēng)速(圖2-2)。對(duì)上式求一階導(dǎo)數(shù)且令其等于O有解得證明氣是出現(xiàn)概率最大的風(fēng)速。使用起動(dòng)力風(fēng)速大于上式計(jì)算的氣的風(fēng)力機(jī)會(huì)損失小風(fēng)速這一區(qū)段的風(fēng)能,使用起動(dòng)風(fēng)速小于上式計(jì)算的咋的風(fēng)力機(jī)是否更好呢?表面看低風(fēng)速的風(fēng)能得到更多的利用,深入研究可知在之氣的較高風(fēng)速區(qū)風(fēng)能利用率下降,總體上是得不償失,故選用盡可能接近上式結(jié)果的風(fēng)力機(jī)最為理想。2.2.3.3 額定風(fēng)速 額定風(fēng)速的選定直接影響風(fēng)能利用系統(tǒng)整體的效率和經(jīng)濟(jì)性,是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。己知風(fēng)能密度p=12,對(duì)一臺(tái)效率為,槳葉半徑為廠的風(fēng)力機(jī),輸出功率w(V)的威布爾分布函數(shù)為w(V)峰值對(duì)應(yīng)之風(fēng)速應(yīng)是額定風(fēng)速,此時(shí)風(fēng)力機(jī)提取的風(fēng)能最多。令2.2.3.4 風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系 風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系可以簡(jiǎn)單地如圖2一3來(lái)表示(注:圖中縱坐標(biāo)表示輸出功率,單位為:w/;橫坐標(biāo)表示風(fēng)能,單位為:m/s)A一理論風(fēng)能曲線B一扣除空氣動(dòng)力損失后的風(fēng)力機(jī)吸收的功率C一計(jì)算傳動(dòng)損失和機(jī)械能轉(zhuǎn)換損失后的功率曲線D一發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出功率曲線圖2一3 功率與風(fēng)速的關(guān)系2.3 風(fēng)能利用與氣象2.3.1 風(fēng)的觀測(cè)對(duì)風(fēng)能利用的意義在前面已經(jīng)講述過(guò),風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比。所以,當(dāng)風(fēng)速測(cè)量有10%的誤差時(shí),風(fēng)力機(jī)輸出功率的誤差將擴(kuò)大到33%。在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中,輸出功率出現(xiàn)30%以上的誤差,將帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失。風(fēng)速隨時(shí)間變化很大,而且地區(qū)性差異也很大,正確把握風(fēng)況并不是一件容易的事情。所以在風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)劃中,對(duì)風(fēng)的觀測(cè)非常受重視。2.3.2 風(fēng)能利用中需要的氣象調(diào)查在風(fēng)能利用中,需要進(jìn)行四項(xiàng)氣象調(diào)查:(l)風(fēng)能密度調(diào)查 結(jié)合風(fēng)能的地區(qū)分布和可設(shè)立風(fēng)力機(jī)地區(qū)面積的調(diào)查,在全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)可利用的風(fēng)能量進(jìn)行估算。(2)選定適合地點(diǎn) 在一年中,對(duì)通過(guò)強(qiáng)風(fēng)場(chǎng)所的調(diào)查。(3)風(fēng)速的頻率分布調(diào)查 在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中,為了估算平均出力和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等量,必須了解風(fēng)力機(jī)軸高處的風(fēng)況。(4)為了風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)強(qiáng)度和安全系數(shù)的氣象調(diào)查 異常的強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)的概率、風(fēng)的不定向性以及突風(fēng)程度,冰暴、鹽害等的調(diào)查。2.4 風(fēng)的觀測(cè)風(fēng)的觀測(cè),因其目的不同而有各自的特點(diǎn)。對(duì)于風(fēng)能利用,通過(guò)對(duì)風(fēng)的觀測(cè),可以估算出該地區(qū)可利用的風(fēng)能大小,為風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)和性能研究以及開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)性等提供條件。風(fēng)速的測(cè)量包括風(fēng)向和風(fēng)速的測(cè)量。因?yàn)轱L(fēng)速隨時(shí)間變化很大,而且變化不定,所以測(cè)量時(shí)取一定時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速大小的平均值和最長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)向。我國(guó)現(xiàn)行的風(fēng)速觀測(cè)有兩種方法:一種是每日定時(shí)4次兩分鐘平均風(fēng)速觀測(cè);一種是一日24次自記10分鐘平均風(fēng)速觀測(cè)。實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明,前一種方法的誤差比較大,因此在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)中采用后一種測(cè)量方法得到的數(shù)據(jù)。第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案設(shè)計(jì)現(xiàn)在,各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家均大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè),雖然太陽(yáng)能一直是新能源商業(yè)化的首選,因?yàn)樘?yáng)能的設(shè)置地點(diǎn)較靈活,不會(huì)產(chǎn)生噪音,可以和建筑進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。但是風(fēng)力發(fā)電較太陽(yáng)能而言,它的成本優(yōu)勢(shì)明顯。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速要求較高,發(fā)電噪音也很大,所以只能將風(fēng)力發(fā)電機(jī)放在人跡罕至的地方或風(fēng)力較大的地方。設(shè)備也是往大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展,專(zhuān)門(mén)建設(shè)大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng),這樣,小型風(fēng)力發(fā)電在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里未得到較好的發(fā)展。所以,如何使風(fēng)力發(fā)電和建筑進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),降低小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)噪音,使其安裝在建筑周?chē)挥绊懭说纳钯|(zhì)量,已成為各個(gè)國(guó)家研究的焦點(diǎn)!我設(shè)計(jì)的是一種新型的立式垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī),由風(fēng)機(jī)葉輪、立柱、橫梁、變速機(jī)構(gòu)、離合裝置和發(fā)電機(jī)組成。如下圖所示:漿 葉 固定架變速箱星形齒輪加速器電磁離合器發(fā)電機(jī)整流器蓄電池逆變器負(fù) 載圖3-1小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)框圖該小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理為:在風(fēng)的吹動(dòng)下,風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái),使空氣動(dòng)力能轉(zhuǎn)變成了機(jī)械能(轉(zhuǎn)速+扭矩)。通過(guò)增速系統(tǒng)和離合器使轉(zhuǎn)矩和扭矩傳遞到風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸上,帶動(dòng)發(fā)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn),從而使永磁三相發(fā)電機(jī)發(fā)出三相交流電。風(fēng)速的不斷變化、忽大忽小,發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流和電壓也隨著變化。發(fā)出的電經(jīng)過(guò)控制器的整流,由交流電變成了具有一定電壓的直流電,并向蓄電池進(jìn)行充電。從蓄電池組輸出的直流電,通過(guò)逆變器后變成了220伏的交流電,供給用戶(hù)的家用電器。該新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)為:1、 風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率 1KW;2、 額定轉(zhuǎn)速600r/min;該新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)為: 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 易維護(hù) 運(yùn)行平穩(wěn)安全 抗強(qiáng)風(fēng)能力強(qiáng) 操作簡(jiǎn)單 價(jià)格低廉3.2 風(fēng)葉采用帆翼式風(fēng)葉,帆翼式是英國(guó)發(fā)展的一種立軸帆翼式風(fēng)力機(jī),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能較高。帆翼的形狀如下圖所示。由于其制造簡(jiǎn)單,成本低,性能好,所以適于推廣使用。圖3-2 帆翼式3.3 行星齒輪加速器設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.1 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)壽命5年,單班,一年360天,中等傳動(dòng),傳動(dòng)逆轉(zhuǎn),齒輪對(duì)稱(chēng)布置,不允許點(diǎn)蝕,無(wú)嚴(yán)重過(guò)載,閉式傳動(dòng)。齒輪精度8-7-7,齒輪材料:20CrNiMoH,碳氮共滲處理,硬度為Hv740以上。軸材料:20NiCrMoH或20CrMnMo。齒圈材料:42CrMo,氮化處理,硬度為Hv40O以上。3.3.2 選加速器類(lèi)型小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是安裝在樓頂或屋頂上的,所以盡量選擇體積小、重量輕、性能穩(wěn)定的設(shè)備。在選擇行星齒輪時(shí),我選擇NGW型星形齒輪加速器,因?yàn)檫@個(gè)型號(hào)的齒輪傳動(dòng)效率高,體積小,重量輕,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造方便,傳遞功率范圍大,軸向尺寸小,可用于各種工作條件的特點(diǎn)。輸入軸輸出軸RSCP圖3-3 NGW型行星齒輪加速器3.3.3 確定行星輪數(shù)和齒數(shù)在行星齒輪加速器中選擇行星輪數(shù):=3通過(guò)查表法確定了齒輪的齒數(shù)(機(jī)械手冊(cè)):總傳動(dòng)比 i =5.4太陽(yáng)輪齒數(shù) =20 內(nèi)齒輪齒數(shù) =88 行星輪齒數(shù) =343.3.4 壓力角()的選擇我們國(guó)家和許多國(guó)家都把齒輪的標(biāo)準(zhǔn)壓力角規(guī)定為,因此,本次設(shè)計(jì)的變速箱采用壓力角,以提高加工刀具的通用性。3.3.5 齒寬系數(shù)的選擇對(duì)于硬齒面齒輪的齒寬系數(shù)應(yīng)小于軟齒面的齒寬系數(shù)。一般情況下,硬齒面值齒輪可取3 所以 =1取=380Ml. 相對(duì)齒根的圓角敏感系數(shù) 查表得 太陽(yáng)輪、行星輪、齒圈的敏感系數(shù)均為=1m. 相對(duì)齒根表面狀況系數(shù)查表得 =0.9n.應(yīng)力修正系數(shù) =2o.齒輪的彎曲疲勞極限由公式 =46012110.9=828(M)=32212110.9=579.6(M)=38012110.9=684(M)安全系數(shù)S=2.32=1.57=1.87按具有高可靠性要求取最小安全系數(shù)=1.5 從而可看出: 所以彎曲強(qiáng)度校核通過(guò)。(2) 接觸疲勞強(qiáng)度校核a. 接觸強(qiáng)度的齒間載荷分配系數(shù)太陽(yáng)輪與行星輪嚙合時(shí)總重合度1.47 查表得 =1.2齒圈與行星輪嚙合時(shí)的總重合度1.583 查表得 =1.2b.節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)計(jì)算=得=2.3186c.彈性系數(shù)可由公式=得太陽(yáng)輪與行星輪嚙合時(shí)=0.918齒圈與行星輪嚙合時(shí)=0.8975d.接觸疲勞強(qiáng)度極限太陽(yáng)輪與行星輪是合金鋼滲碳處理,取1500M齒圈是合金鋼氮化處理,取1200Me.壽命系數(shù)=60rnt5 所以 =1f.潤(rùn)膜影響系數(shù)太陽(yáng)輪和行星輪為8級(jí)精度,齒圈為9級(jí)精度,選用=115/s的礦物油,則查表得:太陽(yáng)輪和行星輪為=0.9,齒圈為=0.8g.齒面工作硬化系數(shù)=1h.尺寸系數(shù)=1i.齒輪的接觸疲勞極限由公式=150010.911=1350M=150010.911=1350M=150010.811=9600Mj.安全系數(shù)S =1.05=1.05=1.47 按具有高可靠性要求取最小安全系數(shù)=1.0從而看出齒輪滿(mǎn)足使用要求。3.4 電磁離合器設(shè)計(jì)計(jì)算3.4.1 選型為滿(mǎn)足風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作環(huán)境的需要,在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中我選擇牙嵌式電磁離合器,因?yàn)檠狼妒诫姶烹x合器有外形尺寸小,傳遞轉(zhuǎn)矩大,無(wú)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩,無(wú)摩擦發(fā)熱,無(wú)磨損,不需調(diào)節(jié),傳動(dòng)比恒定無(wú)滑差,使用壽命長(zhǎng),脫開(kāi)快,干、濕兩用的特點(diǎn)。(電源為12v直流電)3.4.2 牙嵌式電磁離合器的動(dòng)作特性如圖所示,通電后,當(dāng)激磁電流按指數(shù)曲線上升時(shí),由于銜鐵被吸引,線圈中電感增大,引起電流第一次短時(shí)間下降,以后還會(huì)由于銜鐵吸引后尚不能起動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩,出現(xiàn)牙間嵌合、脫開(kāi)和再嵌合的滑跳現(xiàn)象,致使電流發(fā)生多次跳動(dòng),直到能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)才趨向穩(wěn)定。對(duì)于靜態(tài)接合,起動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短主要與銜鐵吸引時(shí)間有關(guān),而對(duì)動(dòng)態(tài)起動(dòng),則與相對(duì)轉(zhuǎn)速、負(fù)載特性、負(fù)載的增加情況以及牙的相對(duì)位置等因素有關(guān)。離合器的脫開(kāi)時(shí)間就是從切斷激磁電流開(kāi)始到牙完全脫開(kāi)嵌合,傳遞力矩消失所經(jīng)歷的時(shí)間,此時(shí)電流也按指數(shù)曲線衰減。3.4.3 離合器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 式中 T-離合器傳遞的理論轉(zhuǎn)矩,它包括工作轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)的慣性轉(zhuǎn)矩 T=2168(Nm); K-工作情況系數(shù) K=1.5所以 1.5 2168=3252(Nm)3.4.4 離合器的外徑 =1333.4.5 離合器牙間的壓緊力 Q式中 -牙形角, = -摩擦角, = -牙的平均直徑 -銜鐵摩擦面的摩擦系數(shù) -銜鐵導(dǎo)向孔直徑 -彈簧推力,=403.4.6 線圈槽高度 =20mm式中 -線圈槽高度比, =5 -傳熱系數(shù),=11 -填充系數(shù), =0.6 -電阻系數(shù),=0.0173.4.7 磁軛底部厚度 =4mm3.4.8 銜鐵厚度 =8mm一般取余量 =44 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算4.1 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)主傳動(dòng)軸只承受扭矩,不受彎矩,按空心主軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算主軸最小直徑: (4.8)其中A為系數(shù),按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承及其連接表5-1-19選??;d為軸端直徑,mm;n為軸的工作轉(zhuǎn)速,r/min;P為軸傳遞的功率,kW;查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承及其連接表5-1-19得45鋼的A值取110,已知功率為1KW,主軸額定轉(zhuǎn)速n為600轉(zhuǎn)/min。代入式(4.8)后得到d=C= 110X=13.04472mm (4.9)按照主軸扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算直徑: (4.10)其中B為系數(shù),按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承及其連接表5-1-20選取,查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行-本軸承及其連接表5-1-20得一般傳動(dòng)時(shí)B值取91.5,已知功率為1kW,主軸額定轉(zhuǎn)速n為600轉(zhuǎn)/min,代入式(4.10)后得到d=B=20.55MM (4.11)如果截面上有鍵槽時(shí),應(yīng)將求得的軸徑增大,其增大值見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-22,增大值應(yīng)選7%,最后得出的最小外徑d=21.5mm。為了安全,我們選擇的軸外徑為d=30mm,內(nèi)徑d1=18mm,采用45鋼調(diào)質(zhì)處理,主軸如圖4-2所示。圖4-2 主軸示意圖校核主軸安全系數(shù),主軸轉(zhuǎn)矩為 (4.12)只考慮扭拒作用時(shí)的安全系數(shù)為 (4.13)其中為對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限,Mpa,見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-1,;為扭轉(zhuǎn)時(shí)的有效應(yīng)力集中系數(shù),見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-30表5-1-32,;為表面質(zhì)量系數(shù),一般用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-36;軸表面強(qiáng)化處理后用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-38;有腐蝕情況時(shí)用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-35或機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-37,;為扭轉(zhuǎn)時(shí)的尺寸影響系數(shù),見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-34,;、為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力,Mpa見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-25,;為材料扭轉(zhuǎn)的平均盈利折算系數(shù),見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-33,。將各數(shù)據(jù)代入公式后得根據(jù)調(diào)質(zhì)45鋼,要求查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(機(jī)工版)第2版第19篇第5章得安全系數(shù)為5.0,因此設(shè)計(jì)的主軸滿(mǎn)足要求。4. 2 軸承的計(jì)算及選型由于風(fēng)力機(jī)不僅承受風(fēng)輪的扭矩,而且要承受氣流方向的一定彎矩,角接觸球軸承不僅能夠承徑向力,同時(shí)能夠承受一定的徑向載荷,因此在主軸上安裝兩個(gè)角接觸球軸承。1角接觸球軸承1的選用計(jì)算角接觸球軸承1的安裝位置如圖4-3所示。角接觸球軸承圖4-3 軸承1的安裝位置軸徑d=30mm,額定轉(zhuǎn)矩T=4.3Nm。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-82選擇角接觸球軸承36000型新代號(hào)7000C,之所以選用接觸球軸承是考慮到主軸在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有可能產(chǎn)生徑向載荷,軸承1參數(shù)如表4.2所示??讖絛外徑D軸承代號(hào)極限轉(zhuǎn)速r/min(脂潤(rùn)滑)額定動(dòng)負(fù)荷額定靜負(fù)荷重量30mm55mm7006C950011.65kN8.49kN0.11kg表4.2 軸承1參數(shù)軸向載荷:徑向載荷按照最不利狀況計(jì)算,根據(jù)伯努利方程,氣流作用在葉片上的壓力為: (4.14)作用在4個(gè)葉片上的總力為 (4.15)由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-12推薦使用壽命為100000小時(shí), 軸承當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算公式為 (4.16)式中X、Y分別為徑向動(dòng)載荷系數(shù)及軸向動(dòng)載荷系數(shù)??赏ㄟ^(guò)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表283-2得:因?yàn)樗詰?yīng)該選擇X=0.44,Y=1.47,代入式子得到軸承基本額定動(dòng)載荷按如下公式計(jì)算:式中:為基本額定動(dòng)載荷計(jì)算值,N;為速度因數(shù),按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-9選取5.85;為力矩載荷因數(shù),力矩載荷較小時(shí)取1.5,較大時(shí)取2,這里選取2;為沖擊載荷因數(shù),按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-10選取1.2;為溫度因數(shù),按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-11選取1;為壽命因數(shù),按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-8選取0.405;為當(dāng)量動(dòng)載荷。將各個(gè)數(shù)據(jù)代入式(4.13)得:故選用此軸承能夠滿(mǎn)足額定載荷的要求。2角接觸球軸承2的選用計(jì)算角接觸球軸承2的安裝位置如圖4-4所示。軸承圖4-4 軸承2安裝位置按照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-82選擇軸承型號(hào)36105(新型號(hào)7005C),參數(shù)如表4.3所示??讖絛外徑D軸承代號(hào)極限轉(zhuǎn)速r/min(脂潤(rùn)滑)額定動(dòng)負(fù)荷額定靜負(fù)荷重量25mm47mm7006C120009.38kN7.73kN0.074kg表4.3 軸承2參數(shù)按照軸承1校核公式(4.15)對(duì)軸承進(jìn)行校核:軸承當(dāng)量動(dòng)載荷按公式(4.16)得:式中X、Y分別為徑向動(dòng)載荷系數(shù)及軸向動(dòng)載荷系數(shù)??赏ㄟ^(guò)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表283-2得:因?yàn)樗詰?yīng)該選擇X=0.44,Y=1.40,代入公式(4.16)得到由機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(第五版)公式16-3計(jì)算軸承壽命: (4.17)式中:為溫度因數(shù),按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-11選取1;為沖擊載荷因數(shù),按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-10選取1.2;C為額定動(dòng)載荷,C=9.38kN;N為主軸額定轉(zhuǎn)速,n=400r/min;為壽命指數(shù),對(duì)于球軸承取3。將各數(shù)據(jù)代入式子后得由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-12推薦使用壽命為100000小時(shí),所以可以滿(mǎn)足使用要求。主軸與發(fā)電機(jī)之間用圓錐銷(xiāo)套筒聯(lián)軸器進(jìn)行連接,如圖4-5所示,聯(lián)軸器具體參數(shù)見(jiàn)圖紙。圖4-5 圓錐銷(xiāo)套筒聯(lián)軸器結(jié)束語(yǔ)本論文在理論方面通過(guò)模型論證了實(shí)際應(yīng)用的可行性、可靠性,為該類(lèi)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和商品生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。但是,在機(jī)械部件方面沒(méi)有模型,沒(méi)有進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證,所以這個(gè)設(shè)計(jì)還存在很大的不足之處。希望以后做出機(jī)械模型,進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算從而逐步完善該型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。致謝本論文是在導(dǎo)師教授的親切關(guān)懷和精心指導(dǎo)下完成的。在接受老師指導(dǎo)的時(shí)間里,他那淵博的知識(shí),縝密的邏輯,活躍的思維,敏銳的洞察力,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度以及民主的作風(fēng)給我留下了深刻的印象,為我開(kāi)闊了視野,豐富了學(xué)識(shí),并將受益終身。至此論文完成之際,對(duì)老師曾經(jīng)給予的學(xué)術(shù)上的指導(dǎo),生活上的關(guān)心和幫助致以最誠(chéng)摯的謝意!感謝同學(xué)和朋友們的大力支持和幫助!最后,衷心感謝機(jī)電工程系全體老師的辛勤培養(yǎng)和教誨!參考文獻(xiàn)1世界能源理事會(huì).新的可再生能源一未來(lái)發(fā)展指南.北京海洋出版社,19982中國(guó)國(guó)家科委一歐盟能源總司.中國(guó)一歐洲聯(lián)盟能源合作大會(huì)文集,19963中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展司編.中國(guó)新能源與可再生能源1999白皮書(shū).中國(guó)計(jì)劃出版社,20004國(guó)家經(jīng)貿(mào)委可再生能源發(fā)電及熱利用研究項(xiàng)目組.中國(guó)可再生能源技術(shù)評(píng)價(jià).中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,19995胡蛟抨.取之不盡的風(fēng)力發(fā)電.生態(tài)經(jīng)濟(jì),20016黃素逸.能源科學(xué)導(dǎo)論.中國(guó)電力出版社,19997國(guó)家經(jīng)貿(mào)委可再生能源發(fā)展經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策研究組中國(guó)可再生經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策研究.中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,19988張煥芬.喜文華.先進(jìn)國(guó)家的風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及其前景.甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),19989江文.政府的支持推動(dòng)新能源快速發(fā)展.能源政策研究,199710張廣盛.風(fēng)能的利用.青??萍?,199711郭繼高.風(fēng)能發(fā)電一小型風(fēng)能發(fā)電及其發(fā)電機(jī)(1).微特機(jī),199912NREL.Renewable 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