2KW家用垂直軸風力發(fā)電機的設計

58頁 16000字數(shù)+論文說明書+任務書+14張CAD圖紙【詳情如下】

A0變向器裝配圖.dwg

A0小型風力發(fā)電機總裝圖.dwg

A0整體裝配圖.dwg

A3主動軸.dwg

A3從動軸.dwg

A3葉片.dwg

A3架子.dwg

A3軸.dwg

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外文翻譯--小型風力發(fā)電機入門.doc

小型風力發(fā)電機組動力結構設計開題報告.doc

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2KW家用垂直軸風力發(fā)電機的設計論文.doc

摘  要

能源危機是我們面對的最大挑戰(zhàn)之一，風力發(fā)電是具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉矗谶h期有可能成為世界重要的替代能源。盡管水平軸風力機是目前應用最廣的一種風力發(fā)電機，但垂直軸風力機有著優(yōu)越的性能，并越來越被人們所重視。垂直軸風力機具有比水平軸風力發(fā)電機更好的商業(yè)開發(fā)價值，應用領域十分寬廣。

闡述了垂直軸風力機的發(fā)展歷史及基本現(xiàn)狀，從各方面比較了水平軸風力機以及垂直軸風力機，得出垂直軸風力機在各方面的優(yōu)勢，并介紹了達里厄風力機的改進型式。論證了垂直軸風力機的整體方案，確定了風力機固定攻角及可變攻角兩種方案的運行方式。由于風力發(fā)電裝置所需的發(fā)電機未形成標準和系列，無法選型，因此自主設計了50kW發(fā)電機。最后詳細設計了垂直軸風力機的機械本體，確定了風力機各部分結構的最終數(shù)據(jù)，經(jīng)校核驗證垂直軸風力發(fā)電機的性能滿足設計要求。

關鍵詞：風能；垂直軸；風力發(fā)電機 

ABSTRACT

The energy crisis is one of the biggest challenge that we have ever faced. Wind electric power generating, which is a reproducible resource that have large-scale development potential, will be an important alternative energy in the future. Although the horizontal axis wind turbine is used widely, the vertical axis wind turbine has attracted the notice of us because of the extraordinary performance of it. Having much more commercial value than the horizontal axis wind turbine, the vertical axis wind turbine can be used in many areas.

This issue introduces the basic situation and phylogeny of the vertical axis wind turbine, shows us the advantages in many aspects by comparing with the horizontal axis wind turbine, and introduces the improved version of the Darrieus. The design program of the vertical axis wind turbine has been demonstrated, and the running modes of fixed angle and variable angle are designed either. Since the power generator of the wind turbine can not be available because of no standards or series are formed, so one 50kW power generator is designed in special. All the mechanisms of the vertical axis wind turbine have been designed in detail, and all the dimensions of the components are chosen either. It can be proved that the vertical axis wind turbine can meet the demands perfectly after being checked.

Key words: wind energy; vertical axis; wind turbines

目  錄

第1章 緒論 1

1.1 前言 1

1.2 世界及我國風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 1

1.3 國內(nèi)外風力機研究現(xiàn)狀 3

1.3.1 風力機的造型 3

1.3.2 水平軸風力機 3

1.3.3 垂直軸風力機 3

1.4 垂直軸達里厄型風力機 4

1.4.1 達里厄風力機的發(fā)展歷史 5

1.4.2 達里厄風力機與水平軸螺旋槳風力機的比較 6

1.4.3 達里厄風力機的改進 7

1.5 設計選題目的及意義 8

1.6 設計的主要內(nèi)容及具體要求 8

第2章 總體方案的論證設計 9

2.1 總體結構布局的初步確定 9

2.2 風力機運行方式的設計 9

2.2.1 固定攻角風力機的設計 10

2.2.2 可變攻角風力機的設計 11

2.3 本章小結 15

第3章 電機的設計 16

3.1 電磁設計的依據(jù)和任務 16

3.2 主要尺寸和極數(shù)的選擇 16

3.2.1 主要尺寸的確定 16

3.2.2 極弧系數(shù) 與電磁負載 及 的選擇 18

3.2.3 極數(shù)的選擇 20

3.3 電樞設計 20

3.3.1 電樞繞組、槽數(shù)和槽型 20

3.3.2 換向器的主要尺寸與電刷的選擇 22

3.4 磁路計算 23

3.4.1 直流電機的磁路與主極漏磁系數(shù) 23

3.4.2 氣隙 24

3.4.3 電樞齒部 24

3.4.4 主極 24

3.4.5 定子軛部 25

3.5 電機軸的設計 26

3.6 本章小結 26

第4章 機械本體設計及校核 27

4.1 聯(lián)軸器的選取 27

4.2 制動器的選取 27

4.3 支承軸及其附件的設計校核 28

4.3.1 支承軸最小直徑的確定 28

4.3.2 支承軸的校核 29

4.3.3 支承軸上鍵的校核 32

4.3.4 深溝球軸承的校核 33

4.3.5 推力球軸承的的校核 34

4.4 旋轉支撐筒的設計及校核 34

4.5 等速同向傳遞機構的設計及校核 35

4.5.1 軸的設計 35

4.5.2 齒輪的設計校核 40

4.5.3 軸承的選擇 42

4.6 橫桿的設計及校核 43

4.6.1 橫桿部分數(shù)據(jù)的確定 43

4.6.2 下橫桿的受力分析 44

4.7 橫桿與法蘭連接處螺栓的選取及校核 46

4.8 葉片與橫桿連接處的設計校核 47

4.8.1 連接軸的設計校核 47

4.8.2 校核連接板的拉伸強度 48

4.8.3 軸承的選擇及校核 48

4.9 本章小結 49

結論 50

參考文獻 51

致謝 53

第1章 緒論

1.1 前言

穩(wěn)定、可靠、清潔的能源供應是人類文明、經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的保障。煤炭、石油、天然氣等化石能源支持了19世紀和20世紀近200年人類文明的進步和發(fā)展。然而，化石燃料的大量消耗，不僅讓人類面臨資源枯竭的壓力，同時也感覺到了環(huán)境惡化的威脅。2l世紀是科技、經(jīng)濟和社會快速發(fā)展的世紀，也將是從化石燃料時代向具有持續(xù)利用能力的可再生能源時代過渡，逐步開創(chuàng)一個人類擺脫化石燃料桎梏的能源新時代的世紀。

風能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具有大規(guī)模開發(fā)的商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源。積極發(fā)展可再生能源，對增加能源供應，調(diào)整能源結構，緩解環(huán)境污染，保障能源安全，促進經(jīng)濟發(fā)展，建設和諧社會都起到重要作用。風力發(fā)電是近期內(nèi)技術成熟，在遠期有可能成為世界重要的替代能源。據(jù)專家們的估計，地球上所收到的太陽輻射能大約有2%轉換成風能，風力發(fā)電可以有效利用的風速范圍為 ，最適宜的風速范圍是 ，地球上蘊有風能約為2.74萬億kW，可利用的風能約為200億kW，裝機容量可達10TW，每年可發(fā)出電力 。地球上的風能資源是地球上水能資源的10倍，已經(jīng)利用的不足千分之一[10]。在技術上全球風能資源是整個世界預期電力需求的2倍，也就是說，只要利用地球上50%的風能資源就能滿足全球能源。

1.2 世界及我國風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

由于歐美國家風能資源豐富，工業(yè)技術水平高，這些國家在風力發(fā)電領域占絕對優(yōu)勢。目前世界上裝機容量最大的國家是美國，其次是德國、丹麥、印度。它們的單機容量已達 。美國、德國、等許多國家都把風力發(fā)電視為最大的補充能源。目前世界最大的風力發(fā)電機是德國制造，高達120m，風機直徑可達126m，每個葉片長61.5m，每片重18t，裝機功率可達5MW[23]。預計到2050年風力發(fā)電要占上述國家全國發(fā)電量的 。專家預測，到2010年，全世界風力發(fā)電機組裝機容量將突破1.2億kW。

4.9 本章小結

本章設計并校核了主要機械本體結構。選取了聯(lián)軸器及制動器，設計校核了支承軸及其附件，如軸承壽命、鍵的校核等，分析了橫桿的受力以及橫桿與法蘭連接處螺栓的受力，設計并校核了葉片與橫桿連接處軸及其附件，保證結構參數(shù)的合理性。

 

結  論

緒論中首先比較了水平軸及垂直軸風力機，從比較中可以得出：相對于傳統(tǒng)的水平軸風力機，垂直軸風力機具有設計方法先進、力學性能好，結構簡單，成本低，具有更加廣闊的市場前景。

在之后的設計中，主要完成了以下幾方面的工作：

1、進行了50kW垂直軸風力機整體結構的構思設計，并擬定了兩種攻角方案，即固定攻角和可變攻角型式方案，固定攻角方案為傳統(tǒng)型達里厄風力發(fā)電機，可變攻角方案為直葉片垂直軸風力機，葉片傾角的變化通過五桿機構獲得。

2、按照進度安排，擬定直流發(fā)電機作為風力發(fā)電裝置所用的電機并對其進行了初步的設計，確定了發(fā)電機主要結構參數(shù)。

3、最后對垂直軸風力機的機械本體進行了詳細的設計及校核，確定最終各部件的詳細尺寸，設計之中與Auto CAD及Autodesk Inventor作圖軟件相互配合，對風力機的結構進行了詳細的二維圖繪制，并繪制出風力機的三維效果圖。

雖然查閱了大量的文獻資料，并且結合實踐經(jīng)驗進行了精確的理論分析，設計出的垂直軸風力機達到了設計的要求，但是仍有不足和需要完善的地方，具體如下：

1、相對于傳統(tǒng)的達里厄風力機，設計的風力機仍沒有舍棄風向舵，結構上仍比較復雜。

2、由于結構上的復雜，不可避免地增加了成本，經(jīng)濟性有所降低。

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致  謝

經(jīng)過近四個月忙碌和工作，本次畢業(yè)設計終于完成，在設計中得到了導師的督促指導，以及一起學習生活的同學們的支持，所有的成果都離不開老師和同學們的幫助。

首先感謝我的導師楊副教授，從選題、開題答辯到CAD繪制裝配圖、零件圖，完成說明書，期間每一過程都得到楊副教授的悉心指導，楊老師每周安排見面會，兢兢業(yè)業(yè)，身體力行地為我們排憂解難，不僅治學嚴謹而且為人師表，堪稱良師益友，教給我們的不僅是知識還有待人處世的積極態(tài)度，在此再次表示衷心的感謝及崇高的敬意。

感謝大學四年來所有的老師，尤其機電學院所有的老師，為我們打下了堅實的機械專業(yè)知識的基礎；同時還要感謝寢室及所有的同學們，正是因為有了你們的支持和鼓勵，此次畢業(yè)設計才會順利完成。

最后再一次向在百忙之中抽時間對本設計進行審閱、評議及論文答辯的各位老師表示感謝，再一次向在我畢業(yè)設計期間所有做出無私幫助和支持的人表示最誠摯的謝意。

摘 要 能源危機是我們面對的最大挑戰(zhàn) 之一 ，風力發(fā)電是具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉?，在遠期有可能成為世界重要的替代能源。 盡管 水平軸風力機是目前應用最廣的一種風力發(fā)電機， 但 垂直軸風力 機 有著優(yōu)越的性能，并越來越被人們所重視。垂直軸風力機具有比水平軸風力發(fā)電機更好的商業(yè)開發(fā)價值，應用領域十分寬廣。 闡述了 垂直軸風力機的 發(fā)展歷史及 基本現(xiàn)狀， 從各方面比較了 水平軸風力機 以 及垂直軸風力機，得出垂直軸風力機在各方面的優(yōu)勢 ，并介紹了達里厄風力機的改進型式 。 論證 了 垂直軸 風力機的整體方案 ， 確定了 風力機 固定攻角及可變攻角兩種方案 的運行 方式 。 由于 風力發(fā)電裝置所需的發(fā) 電機未形成標準和系列， 無法 選型 ， 因此 自主 設計了 50電機。 最后 詳細設計 了垂直軸風力機 的 機械本體 ， 確定了風力機各部分 結構 的最終數(shù)據(jù)，經(jīng) 校核驗證 垂直軸 風力發(fā)電 機 的性能滿足設計要求。 關鍵詞： 風能 ； 垂直軸；風力發(fā)電機 he is of we is a be an in is of us of of be in of us in by of of of of be of no or so 0kW is in of in of It be 目 錄 第 1章 緒論 ·············································································· 1 言 ················································································ 1 界及我國風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 ··············································· 1 內(nèi)外風力機研究現(xiàn)狀 ························································ 3 力機的造型 ···························································· 3 平軸風力機 ···························································· 3 直軸風力機 ···························································· 3 直軸達里厄型風力機 ························································ 4 里厄風力機的發(fā)展歷史 ············································· 5 里厄風力機與水平軸螺旋槳風力機的比較 ···················· 6 里厄風力機的改進 ··················································· 7 計選題目的及意義 ··························································· 8 計的主要內(nèi)容及具體要求 ·················································· 8 第 2章 總體方案的論證設計 ····················································· 9 體結構布局的初步確定 ····················································· 9 力機運行方式的設計 ························································ 9 定攻角風力機的設計 ·············································· 10 變攻角風力機的設計 ··············································· 11 章小結 ········································································ 15 第 3章 電機的設計 ·································································· 16 磁設計的依據(jù)和任務 ······················································ 16 要尺寸和極數(shù)的選擇 ······················································ 16 要尺寸的確定 ······················································· 16 弧系數(shù)??與電磁負載 A 及 B?的選擇 ·························· 18 數(shù)的選擇 ····························································· 20 樞設計 ········································································ 20 樞繞組、槽數(shù)和槽型 ·············································· 20 向器的主要尺寸與電刷的選擇 ································· 22 路計算 ········································································ 23 流電機的磁路與主極漏磁系數(shù) ································· 23 隙 ······································································ 24 樞齒部 ································································ 24 極 ······································································ 24 子軛部 ································································ 25 機軸的設計 ·································································· 26 章小結 ········································································ 26 第 4章 機械本體設計及校 核 ··················································· 27 軸器的選取 ·································································· 27 動器的選取 ·································································· 27 承軸及其附件的設計校核 ················································ 28 承軸最小直徑的確定 ·············································· 28 承軸的校核 ·························································· 29 承軸上鍵的校核 ···················································· 32 溝球軸承的校核 ···················································· 33 力球軸承的的校核 ················································· 34 轉支撐筒的設計及校核 ··················································· 34 速同向傳遞機構的設計及校核 ·········································· 35 的設計 ································································ 35 輪的設計校核 ······················································· 40 承的選擇 ····························································· 42 桿的設計及校核 ···························································· 43 桿部分數(shù)據(jù)的確定 ················································· 43 橫桿的受力分析 ···················································· 44 桿與法蘭連接處螺栓的選取及校核 ···································· 46 片與橫桿連接處的設計校核 ············································· 47 接軸的設計校核 ···················································· 47 核連接板的拉伸強度 ·············································· 48 承的選擇及校核 ···················································· 48 章小結 ········································································ 49 結論 ························································································· 50 參考文獻 ················································································· 51 致謝 ························································································· 53 1 第 1章 緒論 言 穩(wěn)定、可靠、清潔的能源供應是人類文明、經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的保障。煤炭、石油、天然氣等化石能源支持了 19 世紀和 20 世紀近 200 年人類文明的進步和發(fā)展。 然而，化石燃料的大量消耗，不僅讓人類面臨資源枯竭的壓力，同時也感覺到了環(huán)境惡化的威脅。 2l 世紀是科技、經(jīng)濟和社會快速發(fā)展的世紀，也將是從化石燃料時代向具有持續(xù)利用能力的可再生能源時代過渡，逐步開創(chuàng)一個人類擺脫化石燃料桎梏的能源新時代的世紀。 風能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具有大規(guī)模開發(fā)的商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源。積極發(fā)展可再生能源，對增加能源供應，調(diào)整能源結構，緩解環(huán)境污染，保障能源安全，促進經(jīng)濟發(fā)展，建設和諧社會都起到重要作用。風力發(fā)電是近期內(nèi)技術成熟，在遠期有可能成為世界重要的替代能源。 據(jù)專家們的估計，地球上所收到的太陽輻射能大約有 2%轉換成風能，風力發(fā)電可以有效利用的風速范圍為 3 ~ 20m / s ，最適宜的風速范圍是 6 ~ 8m/ s ，地球上蘊有風能約為 億 利用的風能約為 200 億機容量可達 10年可發(fā)出電力 。地球上的風能資源是地球上水能資源的 10 倍，已經(jīng)利用的不足千分之一 [10]。在技術上全球風能資源是整個世界預期電力需求的 2 倍，也就是 說，只要利用地球上 50%的風能資源就能滿足全球能源。 界及我國風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 由于歐美國家風能資源豐富，工業(yè)技術水平高，這些國家在風力發(fā)電領域占絕對優(yōu)勢。目前世界上裝機容量最大的國家是美國，其次是德國、丹麥、印度。它們的單機容量已達 1 0 0 0 ~ 3 2 0 0 k W。美國、德國、等許多國家都把 2 風力發(fā)電視為最大的補充能源。目前世界最大的風力發(fā)電 機 是德國制造，高達 120m，風 機 直徑可達 126m，每個葉片長 片重 18t，裝機功率可達 53]。預計到 2050 年風力發(fā)電要占上 述國家全國發(fā)電量的 20% ~ 30% 。專家預測，到 2010 年，全世界風力發(fā)電機組裝機容量將突破 我國的風能資源豐富，總 儲量估計約 16 億 世界第三位。按目前估計的技術及可開發(fā)儲量計算，年電量可達 2 萬億 ，并且能有效地減少污染物的排放，緩解全球氣候變暖的趨勢。 2002 年歐洲風能協(xié)會和綠色和平組織發(fā)表了“風力 研究報告，提出了 2020 年風電在全球全部發(fā)電裝機中占據(jù) 12%的宏偉目標，屆時，中國的風力發(fā)電 將能夠占到全球風電總量的 14%[15]。 目前，全球風力發(fā)電居前三位的分別是德國、西班牙和美國，三國的風力發(fā)電總量占全球風力發(fā)電總量的 60%。近年來亞洲地區(qū)風力發(fā)電的增速顯著。我國是發(fā)展中國家，對風能資源的開發(fā)利用也十分重視。在 20 世紀 60年代就開始研制有實用價值的新型風力機， 20 世紀 70 年代以后發(fā)展較快，在裝機容量、制造水平及發(fā)展規(guī)模上都居于世界前列。中國已經(jīng)建成眾多風電廠，掌握了風電廠運行管理的技術和經(jīng)驗，培養(yǎng)和鍛煉了一批風電設計和施工的技術人才，為風電的大規(guī)模開發(fā)和利用奠定了良好的基礎。 2005 年 2月 ，《中華人民共和國可再生能源法》頒布后，我國風能發(fā)展進入了一個新的時期。到 2006 年底，全國除臺灣地區(qū)以外建成了 91 個風電場，風力發(fā)電總裝機容量達到了 2599中 2006 年新增 1337 2006 年新增風力發(fā)電機數(shù)量來看，印度和中國分別排第三位和第五位。專家預測，數(shù)年以后，全球風力發(fā)電量第一的寶座將由美國和中國爭奪 [23]。 隨著風電的發(fā)展，風 力 機制造業(yè)也在迅猛發(fā)展，成為一種新興的機械行業(yè)。 3 內(nèi)外風力機研究現(xiàn)狀 力 機的造型 風力機又稱風車，是一種將風能轉換成機械能、電能或熱能的能量轉換裝置。風 力 機的造型，既要考慮到結構和 質量 的需要，也要考慮到視覺的要求。按風輪軸的不同可分為水平軸風力機和垂直軸風力機。能量驅動鏈 (即風輪、主軸、增速箱、發(fā)電機 )呈水平方向的，稱之為水平軸風力機。能量驅動鏈成垂直方向的，稱之為垂直軸風力機 [10]。 平軸風力機 水平軸風力機是目前國內(nèi)外研制最多，最常見的一種風力機（1]），也是技術最成熟的一種風力機。其風輪葉片數(shù)一般為 2~3 葉，葉片形狀一般為翼形，該風輪啟動力矩較大，風能利用系數(shù)高。為使掃風面隨時對風，需 裝有調(diào)向裝置。 圖 平軸風力機 直軸風力機 傳統(tǒng)的 垂直軸風力機葉輪的轉動與風向無關，因此不需要像水平軸風力機那樣采用迎風裝置。 4 垂直軸風力機可分為兩個主要類型，一類是 是 利用空氣動力的阻力做功，典型的結構是 S 風輪，它由兩個軸線錯開的半圓柱形組成，其優(yōu)點是起動轉矩較大，缺點是由于圍繞著風輪產(chǎn)生不對稱氣流，從而對它產(chǎn)生側向推力。對于較大型的風力機，由于受偏轉與極限應力的限制，采用這種結構形式是比較困難的。另一類是利用翼型的升力做功，最典型的是達里厄 (風力機。達里厄風力機有多種形式 ，Φ型、 H 型、 Y 型和菱形（見圖 1]）?；旧鲜侵比~片和彎葉片兩種，以 Φ型 、 H 型 風輪為典型 [10]。 H 型風輪結構簡單，但這種結構造成的離心力使葉片在其連接點處產(chǎn)生嚴重的彎曲應力，另外，直葉片需要采用橫桿或拉索支撐，這些支撐將產(chǎn)生氣動阻力，降低效率；Φ型風輪看起來像是個巨型打蛋器，所采用的彎葉片只承受張力，不承受離心力荷載，從而使彎曲應力減至最小。由于材料所承受的張力比彎曲應力要強，所以對于相同的總強度，葉片比較輕，且比直葉片可以以更高的速度運行。 圖 型及 H 型垂直軸風力機 直軸達里厄型 風力機 雖然目前世界各地的大部分風場所用的風力機為水平軸的，但由于垂直軸風力機，尤其提到達里厄型風力機，有著優(yōu)越的空氣動力性能，提高了效 5 率，并且很大程度降低了造價，所以近年來廣泛受到各國研究人員的關注。 里厄風力機的發(fā)展歷史 達里厄風力機 是由法國人 1925 年發(fā)明的， 1931 年取得專利權。當時這種風力機并沒有受到 關注 ， 直到 20 世紀 70 年代石油危機以后，才得到加拿大國家科學研究委員會 (美國圣地亞 (家實驗室的重 視，進行了大量的研究。 美國第一個達里厄型風機只有 12 英寸高，安裝在一個工程師的桌子上，圣地亞的研究人員用扇子扇風來運行這個小風機。不久，一個 5 米高的模型產(chǎn)生了，葉片是由鋼結構做骨架，并用泡沫塑料和玻璃纖維罩面，葉片截面采用一般用于螺旋槳的淚珠形。實驗人員把它安裝在屋頂上，并且需要手動來啟動它繞軸旋轉。 1975 年圣地亞 17 米的達里厄風機的模型誕生了， 良好運行超過 10,000 小時。之后，這種風 力 機用于商業(yè)開發(fā)，并且在氣候條件良好的福利尼亞州建了風力發(fā)電場，該風場由 500 多個這種垂直軸風力機組成的 [10]。 80 年代中期， 司開始關注在 行的有關 降低造價以及提高可靠性方面的研究，并且給予了資金方面的支持。至此， 氣動力學，結構動力學，疲勞及可靠度，系統(tǒng)工程等。 由于 17m 風力機的成功， 究人員在 1988 年建成了高達 34m 的風力機試驗模型。該 產(chǎn) 500量，滿足該地區(qū)一半以上的用電量。該風力機的主要特性是在一定的風速范圍內(nèi) ( 25 ~ 40它都能工作，而大多數(shù)的風力機只能在某一恒定風速下運轉 。 現(xiàn)在， 續(xù)支持 研究。 驗室正利用它的計算機模型計算各種工況下產(chǎn)生的應力，并進一步分析對結構運轉產(chǎn)生的影響。 6 里厄風力機與水平軸螺旋槳風力機的比較 1、從葉片受力分析比較 水平軸 槳 葉上受到正面風載荷力，離心力，葉片結構相似懸臂梁，葉片根部受到的由彎矩產(chǎn)生的應力較大，大量事故都是葉片根部折斷 引起的 。 Φ型 垂直軸風力機葉片兩頭與軸固定，尤如一張弓，葉片是柔性的，葉片的形狀不是由葉片的剛度來保證的，而是軸旋轉后葉片自然形成一條“無彎矩應力曲線”，葉片只受拉應力，故受力較小，用料少 ，不易折斷。 2、從系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 水平軸風 力機機倉 放置在 較高 的塔頂，而且是一個可 360° 旋轉的活動聯(lián)接機構，自身重達十幾噸至幾十噸，葉片上隨機風荷載達幾十噸，重心高，結構不穩(wěn)定，且高位放置導致安裝和維護不便。垂直軸風力發(fā)電機組發(fā)電機的齒輪箱在底部，重心低，不僅穩(wěn)定，而且維護方便，風機塔架可以用鋼索進行固定，因而制造成本大大減小。 3、從迎風分析 水平軸機組機倉需 360° 旋轉，以達到“迎風”目的。這個調(diào)節(jié)系統(tǒng)包含有風向檢測、角位移發(fā)送、角位移跟蹤閉環(huán)電力拖動系統(tǒng)。垂直軸風力機不要迎風調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以接受 360° 方位中任何方向來風，主軸永遠向設計的方向轉動。 4、從附屬系統(tǒng)分析 達里厄系統(tǒng)不需要閉環(huán)液壓調(diào)距系統(tǒng)，不需要葉片迎風調(diào)節(jié)系統(tǒng)，不需要任何自動控制調(diào)速系統(tǒng)或特殊設計的變速恒頻發(fā)電機，在整個可發(fā)電風速范圍內(nèi)向電網(wǎng)輸出同頻率，同電壓的電功率。不需要發(fā)電機的過載、過流保護系統(tǒng)及復雜昂貴的監(jiān)控系統(tǒng)。 5、系統(tǒng)風電轉換效率高于其他機型與系統(tǒng) 風電轉換效率涉及到以下七個效率： （ 1）風機效率 —— 也 就是 風能利用系數(shù)平 7 軸風力機最大值一般為 達里厄風輪的氣動性，加拿大氣動研究委員會實驗室主任坦普林 (為該風輪的風能利用系數(shù)能達 華大學對直徑 600達里厄風輪機進行了風洞試驗 ， 表明其風能利用系數(shù)最高可達 于風輪葉片不可能永遠運行在最大值上。是隨系統(tǒng)工況而變。所以兩種風力機平均都取1 ?； （ 2）升速齒輪箱效率2 ?(減速箱效率較高，升速箱低 )； （ 3）發(fā)電機 滿載時效率為 輕載時效率為 取平均效率3 ?； （ 4）大功率整流器效率4 ?； （ 5）蓄電池充電效率5 ?； （ 6）蓄電池放電效率6 ?； （ 7）直流變?nèi)嘟涣?，逆變器效? ?。 水平軸交 交并網(wǎng)發(fā)電， 風電轉換綜合效率為以上七個效率相乘，等于 達里厄交流并網(wǎng)系統(tǒng)，因為低位布置可以配以低速發(fā)電機，而不要齒輪箱，它發(fā)出電能直接由發(fā)電機入網(wǎng)，不需要昂貴的交 交系統(tǒng)， 它的風電轉換效率是 21%，明顯高于水平軸風力機 [10]。 達里厄風力機的缺點 ： （ 1）不能自啟動； （ 2）調(diào)速、限速困難； （ 3）葉片彎曲，不易加工。 里厄風力機的改進 為克服上述達里厄風力機的問題，許多學者作了不少努力，在原先的達里厄基礎上做出了不少改進 ： （ 1）直葉片垂直軸風力機 [14]：直葉片風力機 不僅僅是具有活動葉片的另一種 達里厄。葉片傾角的變化是用導桿或凸輪獲得的。試驗表明在低速下直葉 片垂直軸風力機 的效率比傳統(tǒng)的達里厄 風力機 要高， 并具有 自啟動的特 8 點。 （ 2） 學的德拉加德（ 學的伊萬斯（ 設計 的達里厄風力機 ，是具有活動葉片的達里厄 風力機 。葉片的重心偏離葉片轉軸，作用在重心上大的離心力使葉片轉一定的角度，結果使風力機實現(xiàn)自調(diào)節(jié)。 （ 3）德拉加德風輪上的葉片角度由兩塊擋塊和附裝在后緣的彈性 帶 限位。在伊萬斯 風力機 [14]上這個功能 是通過 離心 錘 和作用在前緣上 的 彈 簧力實現(xiàn)的。 與傳統(tǒng)的達里厄風力機 比較，這三種 風力機 的優(yōu)點是 都 能夠實現(xiàn)自啟動。 計選題目的及意義 風能資源是大自然賜予人類取之不盡用之不竭的綠色能源，世界各國研究人員都在努力尋找各種途徑，能最大限度的利用風能。隨著科技的發(fā)展，水平軸和垂直軸風力機相繼問世，并在不同時期不同地區(qū)發(fā)揮作用。然而如何以最低造價、最小人力物資投入而獲益最多是值得探討的問題，總結上文，可以發(fā)現(xiàn)垂直軸風力機系統(tǒng)力學性能好，結構簡單，成本低，值得大力推廣。 計的主要內(nèi)容及具體要求 （ 1）詳細查閱相關資料，明確工作重心，進行論文及設計的 進度安排 ； （ 2）垂直軸風力發(fā)電裝 置的總體方案設計，主要為機械結構整體框架的設計，包括固定攻角型式風力機 的設計及可變攻角 型式風力機 的設計 ； （ 3）設計發(fā)電裝置的詳細機械本體，并 初步 設計發(fā)電機 ； （ 4）進行 受力及強度分析（不包括風動力分析）； （ 5） 通過 軟件繪圖 完成原樣圖，及工程化圖紙 ； （ 6） 撰寫 論文，詳盡闡述設計的細節(jié)、難點、重點。再次檢查、修改設計結構及畢業(yè)論文 ， 準備畢業(yè)答辯。 9 第 2章 總體方案的論證設計 體結構布局的初步確定 考慮到盡可能使風力機的發(fā)電效率達到最高，因此 風力機的設計 采取簡單的組合以達到最高 的效率并保證機構的安全系數(shù)。 風力發(fā)電裝置主要由葉片、連接桿、輪轂、發(fā)電機、制動裝置 及附件裝置 組成 ， 可簡單如圖 示。 a（ ） 方案為電機與輪轂間距離較小，電機的位置距離地面較高， b（ ） 方案為電機放置于地面，但輪轂與電機間需采用較長的聯(lián)軸器。經(jīng)比較，兩種方案各有優(yōu)缺點， a（ ） 方案在于電機需吊裝，發(fā)電機距離地面高，且不便于維護， b（ ） 方案電機便于維護，但需增加聯(lián)軸器，傳動效率下降，且經(jīng)濟性下降。 因此 ， 風力機的設計 采取 a（ ） 方案。 圖 力機的總體布局 力機運行方式 的設計 垂直軸風力機 需要進行兩種攻角的設計，即固定攻角和可變攻角。固定 10 攻角即葉片與橫桿固定連接，葉片與橫桿沒有相對運動；可變攻角可實現(xiàn)葉片與橫桿角度的相對變化，即葉片可根據(jù)設計達到最好的迎風面。 定攻角 風力機 的設計 1、固定攻角的介紹 固定攻角為傳統(tǒng)的達里厄風力機型式，葉片的受力主要靠葉片的自身的流線型 ，對葉片的設計不做詳細的闡述。 固定攻角原理：假設風輪在風的作用下轉動 ，如圖 示 ，氣流與葉片的相對速度 W 與風速 V 和葉片圓周速度的關系為 V U W?? ，如果已知矢量 V 和 U ，就可確定矢量 W 及葉片所受的空氣動力。 圖 片不同位置受力圖 2、橫桿的改進設計 傳統(tǒng)的 H 型風力機如圖 示， 這種方式對發(fā)電機輸出軸要求較高，并且結構相對復雜，現(xiàn)場安裝程序較 多。另外，從力學方面分析， H 型垂直軸風力發(fā)電機功率越大、葉片越長、平行桿的中心點與發(fā)電機軸的中心點距離越長，抗風能力越差 。因此，經(jīng)該進的方案如圖 示，采用三角形 向 11 圖 進的 H 型風力機葉片連接型式 量 法 。 這種方案的優(yōu)點在于： （ 1）中間旋轉筒的長度減小，從而減輕旋轉筒的質量； （ 2）減小了旋轉筒所受的應力； （ 3）葉片的中心相對于旋轉軸的中心 降低了，從而減小了對中間旋轉軸的應力； （ 4）旋轉時橫桿能依靠離心力減小葉片自身重力引起的橫桿端部螺栓的受力。 經(jīng)總結，這種方案最為合理。 變攻角 風力機的 設計 可變攻角是指 垂直軸風力發(fā)電機的風輪在轉動過程中，當葉片處于不同位置時根據(jù)風速、風向的變化情況，使葉片的“攻角”保持受控變化 ， 使其始終處在最佳的“攻角”位置，從而達到最大的風能利用率。 本次設計采用上文所述的 直葉片垂直軸風輪， 葉片變攻角本質上是靠五桿機構實現(xiàn)的。 平面 五 桿機構在機械設計中有著廣泛應用，隨著 工業(yè) 技術與可控機構的發(fā)展 ，五桿機構作為一種結構簡單 、可以產(chǎn)生豐富運動軌跡的多自由機構受到越來越多關注。 1、 五桿機構運動學正解分析 已知主動件的運動規(guī)律和機構桿長，求解運動輸出點的運動規(guī)律稱為運 12 動學正解分析 。 如圖 示 ， 取鉸鏈 A 點為絕對坐標系的坐標原點 。 已知：原動件為桿 1 和桿 4，1l、2l、3l、4機構的桿長，兩原動件的相位角為1?和4?；角速度為1?和4?； C 點的位置 ( , ) 由圖 封閉矢量法 得23C B Dr r l r l? ? ? ?； 圖 面五桿機構運動學分析簡 圖 由各矢量在 軸上的投影，可得 C 點的位置方程 ： 2 2 32 2 3c o s c o ss i n s i Dx x l xy y l y??? ? ? ???? ? ? ??（ 將式 （ 移項后平方相加 ， 消去3?得 ： 0 2 0 2 0c o s s i n 0A B C??? ? ?（ 式中 022 ( )l x x??； 022 ( )l y y??； 2 2 20 2 3l l l? ? ? ； 13 22( ) ( )B D D B D Bl x x y y? ? ? ?； 解式 （ 可得 ： 2 2 20 0 0 02002 a r c t a n ( )B A B ? ? ?? ? （ 式 （ 中 ， “ ? ”和“ ? ”表示已知兩鉸點 B 、 D 的位置和桿長2l、3l，該桿組可有兩種位置的可能 ， 如圖 1 中實線位置取“ ? ”，虛線位置取 “ ? ”。 將2?帶入式（ 可求得 C 點的位置可求得 3 a r c t a n ( / )C D C Dy y x x? ? ? ?2、 風力機的五桿設計 如圖 示， 為葉片， 為橫桿， 和 保持角速度相等并隨時保持平行，即14???，14???。設計時，根據(jù) 圖，初步選取1 ，2 1，3 ，4 1，5 ，初始時1490????，其中1海斯模電子設備有 限公司的 力發(fā)電機參數(shù) 。 圖 力機五桿運動學分析簡圖 設計中將 圖軟件與葉片位置動態(tài) 相聯(lián)合 ，繪制葉片在不同 14 位置時2?的 角度。 由圖 知葉片攻角的變化 ， 至于葉片在攻角的位置是否能達到迎風最大效率，需要考慮葉片的形狀，葉片的設計涉及流體力學相關知識，不在本設計之內(nèi)。本設計所確定的桿長也只是作為機械本體的設計基準，若流體效率方面存在問題，則需根據(jù)實際情況進行修改，以便到最大的發(fā)電機效率 。 圖 力機葉片 攻角變化圖 3、橫桿的結構設計 因變攻角在結構上的要求， 裝置上增加了等速同向傳遞機構，因此 橫桿的結構設計 不能采用圖 示的結構， 必須加以修改。 新改進的結構圖如圖 示， 上橫桿由原先的上傾斜變成水平。這種結構優(yōu)點在于減小了等速同向傳遞機構上軸的長度，從而減少了軸所受的應力。 15 圖 桿與輪轂布置示意圖 章小結 在本章中，介紹了 垂直軸風力機 結構布局 的理解及設計內(nèi)容，理清了設計思路， 并 剖析了 所設計裝置的原理， 改進了橫桿的設計， 確定了風力機 的運行 方式 ，即固定攻角和可變攻角兩種 運行 方案 ， 為下一 章 的 進 一步的設計奠定了基礎。 16 第 3章 電機的設計 在 我國，大、中型風力發(fā)電機的起步較晚，對風力發(fā)電機的專用電機還沒有形成標準和系列。因此，對發(fā)電機進行了 初步 的設計，以供參考。 考慮到電能的存儲，選取直流發(fā)電機為垂直軸風力發(fā)電裝置的發(fā)電機。直流電可以直接存儲于蓄電池中，減去了交流電存儲所需的逆變裝置，具有一定的優(yōu)點。所設計的電機基本要求為：額定功率 50速 50r/ 磁設計的依據(jù)和任務 直流電機電磁設計的任務是按電機額定數(shù)據(jù)確定其與電磁有關的幾何尺寸和繞組數(shù)據(jù)、計算換向參數(shù)、工作特性和溫升等。 電磁設計必須 使電機的工作特性、換向性能、溫升和一些主要安裝尺寸符合國家標準 機基本技術要求》及有關技術標準的規(guī)定，滿足產(chǎn)品技術條件。 電磁設計的程序一般是：（ 1）根據(jù)電磁負載經(jīng)驗值初步確定電樞直徑和長度，相應的確定極數(shù)；（ 2）確定電樞繞組、電樞鐵心和換向器、電刷的主要尺寸；（ 3）確定磁路各部分的尺寸，計算空載特性曲線、電樞反應去磁磁動勢并確定勵磁繞組；（ 4）確定換向極和補償繞組；（ 5）計算損耗、效率和工作特性；（ 6）估計溫升、冷卻空氣的風量和風壓，確定風扇尺寸。 設計中 主要是大致確定電機的主要尺寸參數(shù) ，其余 涉及 磁路部分參數(shù)主要 依 據(jù)電 機 專業(yè)相關知識進行完善，在此不進行詳細的計算。 要尺寸和極數(shù)的選擇 要尺寸的確定 直流電機的主要尺寸指電樞的直徑們與電樞繞組、換向 17 器、定子以及電機的運行性能和經(jīng)濟性密切相關。定轉速和所選擇的電磁負載有以下的關系： 112 6 . 1 1 0 e m e ma t a l n n?????? （ 式中 電機常數(shù) 3cm r / m 額定轉速 / 電樞長度 電樞直徑 ??—— 極弧系數(shù) ； B?—— 氣隙磁痛密度 G ； A —— 電負載 A/ 電磁功率 12?? （ 式中 額定功率 ? —— 電機效率 ； 據(jù)本風力發(fā)電裝置的要求，初步設定電機額定轉速為 50r/額定功率 50 根據(jù)圖 ] 選取電機效率 ? =則根據(jù)n=從圖 ]查得電機常數(shù)18 ? 104，據(jù)式（ 2a 1053 1、 電樞直徑的選擇 2確定后，一般先選取 確定電樞直徑根據(jù)圖 ]，由n ?1 查得直徑范圍60 ~ 80 中小型電機和低速中大型電機的換向問題較易解決，可選用較小直徑以 18 減少電樞的轉動慣量，提高電機的動態(tài)性能，因此經(jīng)綜合考慮選取電樞直徑5 2、 電樞長度的選擇 在上述 2樞長度22 4 5 . 8 c a 取46 從換向性能、通風發(fā)熱、機械強度和工藝等方面考慮，中大型電機中能用的最長電樞長度與電樞直徑有關，當250：m a x 6 5 0 。經(jīng)驗算，取6合要求。 3、 電樞長度與直徑的比值 （ ? 值的大小，影響電機的性能和經(jīng)濟指標。因此， 定后，應核算 ? 值。 ? 小，即電樞直徑短而長度短，有利于電樞通風散熱；且可減小電樞繞組的電抗電動勢，有利于電機換向；但電樞直徑增大，定子、換向器、刷架、端蓋的直徑隨之增大，經(jīng)濟性較差。 ? 值大，則轉動 慣量 小，電樞繞組端部用銅及銅耗也相應減小，但換向性能和冷卻條件隨 ? 值的增大而變壞。根據(jù)圖 ]，可知當 = 則 ? =合要求。 弧系數(shù)??與電磁負載 A 及 B?的選擇 從公式（ ： 116 1 0A????? 3cm r / m （ 19 上式中的??、 A 及 B?分別按下式確定 極弧系數(shù) ： ???' 電負載 ： A?2 a （ 氣隙磁 通 密度 ： B?? ?? G （ 式中 ' 極靴計算弧長 ? —— 極距 電樞電流 A ； N —— 電樞總導體數(shù) ； 2a —— 電樞繞組并聯(lián)支路數(shù) ； N?—— 額定轉速、電壓和電流時的每極氣隙磁通 ； ??大對縮小電機主要尺寸有利，但極靴之間距離窄，將使磁極漏磁增加，并不影響換向。參考圖 ]，??范圍為 合考慮取??= 選用的 B?和 A 值愈大，則電機的主要尺寸愈小。但若 B?過大，將引起電機鐵心過分飽和，從而增加勵磁繞組損耗，及電樞鐵心損耗，是電樞溫升增高和電機的效率下降。又若 A 值過高，電抗電動勢將增加，使電機換向性能惡化，電樞溫升增高。 B?和 A 值都不宜選上限，這樣 選擇雖然電機體積可以縮小，但對電機的工作特性和溫升將產(chǎn)生不良影響。 B? 的經(jīng)驗值根據(jù)圖 ]，可得8 7 0 0 ~ 1 0 5 0 0 ? ， A 的經(jīng)驗值根據(jù)圖 ]，可得 A = 4 0 0 ~ 4 8 0 A / c m。初步確定 B?=10000G ， A =450A/ 在確定??、 B?、 A 后帶入公式（ 核 20 116 1 0A????? 0??，經(jīng)比較與值 51 0?較接近，符合要求。 數(shù)的選擇 選擇極數(shù)應綜合考慮運行性能和經(jīng)濟指標。在電樞直徑與氣隙磁通密度確定后，電機氣隙的總磁通 2p? 為一定值。增加極數(shù)，由于每極磁通減少，可以減輕磁軛鐵重，并可以縮短換向器和電樞繞組端部長度，減輕銅重，減小電機外形。但極數(shù)增多時，制造工時增加；且由于電樞中交變磁化頻率的增高，使鐵耗及溫升增加。極數(shù)增多，極數(shù)縮短，使主極漏磁增加，為此要縮小極弧，將引起電機的主要尺寸 增加。 電機的極數(shù)選擇參考圖 ]，選擇 24p? 。 極數(shù)的選擇還應考慮極距的大小，極距按下式計算： 2 ?（ 經(jīng)計算 51? ，符合要求。 樞設計 樞繞組 、槽數(shù)和槽型 1、繞組型式的選擇 參照表 ]中各類型的繞組的特點及應用范圍，選取單波繞組，即2a=2。 2、電樞槽數(shù) 電樞槽數(shù) Z 的多少影響電機的性能和經(jīng)濟性，選擇時從以下幾方面考慮： （ 1）每極槽數(shù) 增加每極下的電樞槽數(shù)2以改善電機的換向性能， 21 減少磁通脈沖引起的損耗和噪聲。但2使槽面積利用率降低和制造工時增加。每極槽數(shù)2~20。 （ 2）電樞齒距 電樞槽數(shù)過多，齒距過小，齒根容易損壞。當0距 （ 3）槽電流 為使槽內(nèi)銅耗產(chǎn)生的熱量易于散出，應該核算每槽電流總量值 （ 4）電樞槽數(shù) 應符合繞組的接線規(guī)律和繞組的對稱條件。 經(jīng)綜合計算校核，選取27，此時齒距3、每元件匝數(shù)及每槽元件數(shù) 確定繞組型式及槽數(shù)后，電樞總導體數(shù) N 、每槽元件數(shù) u 、每元件匝數(shù)向片數(shù) K 可以按下式確定。 2? （ 2 K? （ K （ （ 1）每元件匝數(shù)盡可能采用較小的形導線的繞組，其匝數(shù)常為 1 或 2。選取。 （ 2）每槽元件數(shù) u 通常不超過 5。選擇時，應注意滿足繞組的接線規(guī)律和對稱條件，在 24p? 時應盡量不用 2u? 及 4u? 。經(jīng)綜合考慮選擇 3u? ，則經(jīng)過計算， K =204， N =408。 22 4、熱 負載電負載 A 和電樞導線電流密度自扇通風的中小型電機中，轉速高的電機散熱較好，可選取較大的強迫風冷的中大型電機中，轉速高的電機鐵耗較大，而通風散熱情況改善不多，應選取較小的閉式電機的熱負載應選的低些。根據(jù)圖 ]， 222 4 0 0 ~ 3 0 0 0 0 A / ( c m m m )?，綜合考慮選取 2500 22A / (c m m m )? ，? =A / ( ，導線截面積 2 =5、電樞槽型和尺寸 20 時通常采用全開口的矩形槽。 （ 1 ）槽高] 選 取 ， 槽 高 范 圍3 6 ~ 5 3 m ，選取 40（ 2）槽寬度和槽高寬，一般槽寬范圍為 0.5)取 0 c 。 向器的主要尺寸與電刷的選擇 1、換向器直徑 小型電機為獲得最多的換向片數(shù)其換向直徑接近于電樞直徑；中大型電機 為 降 低 換 向 器 圓 周 速 度 其 直 徑 宜 選 的 小 些 ， 當 50時，( 0 . 6 ~ 0 . 7 5 )，取 0 . 7 4 5 . 5 c 。 2、換向器片數(shù) 確定換向器片數(shù)時，應核算最小片距和平均片間電壓。 （ 1）換向器片距 ： 0 . 7 c t K??? 23 按結構和工藝要求，為使換向片不致太薄，當 20時， 。經(jīng)校核， 符合要求。 （ 1）平均片間電壓 ： 2 4 . 3 ?? ?? 3、換向器長度 換向器長度可按下式估算 ： ( 0 . 5 ) ( 2 ~ 4 ) c mK b bl n l? ? ? 式中 每根刷桿的電刷數(shù)； 電刷長度 盒等尺寸確定。 4、電刷 電刷的性能對電機換向的影響很大。應按直流電機的功率、電壓、負載性質、運行方式、換向器圓周速度及環(huán)境條件選用合適牌號的電刷。 （ 1）電刷寬度 1)m t?? ，式中 m 為繞組重路數(shù)。 （ 2）電刷長度 根據(jù)表 ]選取 16，長度 20。 路計算 通過 磁路計算可以確定電機各磁路的各部分尺寸。計算在額定負載，即額定轉速、電壓和電流時的勵磁磁動勢，并設計主極勵磁繞組。 流電機的磁路與主極漏磁系數(shù) 主磁通磁路主要包括：氣隙、電樞齒、電樞軛、主極和機座軛等五部分。