1360-家庭小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì),家庭,小型,風(fēng)力發(fā)電機(jī),設(shè)計(jì) 五 邑 大 學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ） 開 題 報(bào) 告題 目：家庭式小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)院 （系） 機(jī)電工程系 專 業(yè) 機(jī)械工程及自動(dòng)化班 號(hào) Ap030813 學(xué)生姓名 何依文 指導(dǎo)教師 史天錄 副教授 開題報(bào)告日期 2007 年 3 月 20 日五邑大學(xué)教務(wù)處制2007 年 3 月1．課題來源及研究的目的和意義本課題來源于江門市朝陽精密制造有限公司和我系合作開發(fā)的5KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)。風(fēng)能是一種取之不盡，用之不竭，無污染，可再生的能源。世界各國(guó)都非常重視它的發(fā)展和利用工作。當(dāng)石油發(fā)生危機(jī)后，人們紛紛把能源轉(zhuǎn)向新開發(fā)的新能源研究，其中風(fēng)能占有較大的比例。目前微小型指100W、200W風(fēng)力發(fā)電機(jī)已進(jìn)入千家萬戶供照明及小型電器用，隨著牧民家用電器和小型生產(chǎn)電器。由于風(fēng)力資源是不花錢的，評(píng)價(jià)風(fēng)力發(fā)電機(jī)好壞的核心標(biāo)準(zhǔn)是：性價(jià)比。便宜的風(fēng)力發(fā)電機(jī)必然在用材和制造工藝上有所欠缺，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種常年在戶外使用的產(chǎn)品，而自然環(huán)境變化無常，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)和制造時(shí)必須考慮到臺(tái)風(fēng)、風(fēng)沙、鹽堿腐蝕、高溫、低溫及鹽霧等惡劣環(huán)境的影響。否則，風(fēng)力發(fā)電機(jī)很快就會(huì)發(fā)生故障。對(duì)用戶來說，用戶不得不經(jīng)?；ㄙM(fèi)額外的金錢用以維修，其使用成本甚至比購買機(jī)器時(shí)的花費(fèi)還要多。另外，由于經(jīng)常要維修，使其年發(fā)電量大為降低，直接影響用戶的日常生活。針對(duì)以上提出的問題，本文設(shè)計(jì)出一套使用方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的高性價(jià)比的5KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)。2．國(guó)內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析風(fēng)能的利用有著悠久的歷史。近年來，資源的短缺和環(huán)境的日趨惡化使世界各國(guó)開始重視開發(fā)和利用可再生、且無污染的風(fēng)能資源。自80 年代以來，風(fēng)能利用的主要趨勢(shì)是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電最初出現(xiàn)在邊遠(yuǎn)地區(qū)，應(yīng)用的方式主要有: 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)與其它電源聯(lián)用可為海上導(dǎo)航設(shè)備和遠(yuǎn)距離通信設(shè)備供電；3)并入地方孤立小電網(wǎng)為鄉(xiāng)村供電。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)(也稱風(fēng)力田、風(fēng)田)成為主要的發(fā)展方向。20年來，世界上已有近30個(gè)國(guó)家開發(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，且未來計(jì)劃投資有增無減。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)22136萬kW，僅占全國(guó)電網(wǎng)發(fā)電總裝機(jī)的01081%，相對(duì)于可開發(fā)風(fēng)能資源的開發(fā)率僅為01088%。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)72135kW。在未來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)。中國(guó)具有豐富的風(fēng)能資源，在沿海地區(qū)風(fēng)能的季節(jié)分布還有與水能資源互補(bǔ)的特點(diǎn)。發(fā)展風(fēng)電既有廣泛的社會(huì)需求、豐富的資源條件，又有國(guó)外先進(jìn)成熟的技術(shù)可供借鑒，同時(shí)風(fēng)電本身還有許多其它發(fā)電方式無法相比的優(yōu)勢(shì)，比如，建設(shè)周期短、裝機(jī)規(guī)模靈活、不消耗燃料、不污染環(huán)境、不淹沒土地等。國(guó)家電力公司已經(jīng)把風(fēng)電作為電力工業(yè)的一個(gè)重要組成部分，積極爭(zhēng)取一切有利的投資，逐一克服影響開發(fā)風(fēng)電的障礙，穩(wěn)步向大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。3．本課題研究的主要內(nèi)容本文主要研究設(shè)計(jì)5KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，通過大量的調(diào)研，了解國(guó)內(nèi)外此功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的生產(chǎn)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及相應(yīng)的社會(huì)效益，設(shè)計(jì)出使用方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的高性價(jià)比的5KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)。設(shè)計(jì)由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、尾翼、支架、控制器、和蓄電池等六部分組成風(fēng)輪是接收能源的裝置。由三葉片、葉片臂和輪轂組成。葉片采用流線型等截面型式，并采用端部半圓形，背部?jī)A斜的葉尖形狀，風(fēng)能利用系數(shù)大、起動(dòng)風(fēng)速低，發(fā)電機(jī)為永磁式三相交流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，采用帶有防塵罩的密封軸承，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活；防護(hù)型式封閉式，能防雨雪侵蝕；機(jī)體做成流線形，能減少空氣阻力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便。發(fā)電機(jī)裝置配有充電控制器。發(fā)電裝置的支架采用了獨(dú)立桿拉索式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固可靠，4．具體研究方案及進(jìn)度安排和預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)參照了目前國(guó)內(nèi)外小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的形式，結(jié)合本設(shè)計(jì)的要求，本設(shè)計(jì)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要應(yīng)用在東南沿海地區(qū)，功率為 5KW，現(xiàn)得以下設(shè)計(jì)方案。 （見下圖）發(fā)電機(jī)額定功率：5KW發(fā)電機(jī)的選用：選用三相永磁發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)體積小，重量輕，發(fā)電效率高。葉片材質(zhì)：增強(qiáng)玻璃鋼材料，三葉片形式，具有高強(qiáng)度、高精度、耐酸堿、不變形等特點(diǎn)，可以達(dá)到強(qiáng)度好、重量輕的目。啟動(dòng)風(fēng)速：4m/s停機(jī)風(fēng)速: 25(m/s)最大風(fēng)速: 40(m/s)風(fēng)能系數(shù): 0.42(%)工作風(fēng)速：3.5～20m/s安全風(fēng)速：25 m/s停車方式：機(jī)械制動(dòng)保護(hù)方式: 超速自動(dòng)保護(hù)限速方式: 尾翼自動(dòng)，偏側(cè)限速塔架方式：角鋼桁架，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定。偏航方式：尾翼自動(dòng)定風(fēng)定向，平衡風(fēng)力，抵抗狂風(fēng)，颶風(fēng)的襲擊。充電方式：智能充電控制，使用簡(jiǎn)單，維護(hù)方便（待選定）圖 1－1 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖本設(shè)計(jì)工作進(jìn)度安排如下:第一周：畢業(yè)論文選題；第二周：收集、整理風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相關(guān)資料、圖書；第三周：5KW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本方案的確定；第四 五周：5KW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)計(jì)算；:第五 六周：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組聯(lián)接及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算；第七周：風(fēng)機(jī)軸承技術(shù)要點(diǎn)分析；第八周：制動(dòng)器的設(shè)計(jì)與選??；第九周：高效永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)；第十周：聯(lián)軸器的選??；第十一周：風(fēng)力發(fā)電機(jī)的尾舵調(diào)向裝置設(shè)計(jì)；第十二周：增速器的設(shè)計(jì)與繪制；第十三 十四周：繪制零件圖、裝配圖；:第十五周：檢查、修改圖紙和說明書，準(zhǔn)備答辯；第十六周：答辯。5．預(yù)計(jì)研究過程中可能遇到的困難和問題，以及解決的措施設(shè)計(jì)的初期可能在資料的收集上有困難，那樣就要通過各種途徑盡可能地收集所需的資料。可通過互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)庫，技術(shù)論壇，學(xué)校的圖書館以及周邊的購書中心來收集所需的資料．6．主要參考文獻(xiàn)1 蘇紹禹.風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù).中國(guó)電力出版社.2003 2 D.勒古里雷斯.風(fēng)力機(jī)的理論與設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社.19873 D Le Gourieres，施鵬飛譯.風(fēng)力機(jī)的理論與設(shè)計(jì)北京.機(jī)械工業(yè)出版社.19874 葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電組的控制技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.20005 張希良.風(fēng)能開發(fā)利用.化學(xué)工業(yè)出版社.20016 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).化學(xué)工業(yè)出版社.19937 林景堯等.風(fēng)能設(shè)備使用手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社.19928 高小法.國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀和前景.能源工程.20029 Dwight.st.John .Guidelines for Design of Wind Turbines。 A publication from DNV/Ris?.200310 Donald Marier. Wind power for the homeowner . Rodale Press, Inc.199811 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社.199712 郭繼高.小型交流永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn).微特電機(jī).1999指導(dǎo)教師評(píng)語： 指導(dǎo)教師簽字： 檢查日期： 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)I摘要風(fēng)能是可再生能源，世界各國(guó)越來越重視風(fēng)能的開發(fā)和利用。在風(fēng)力資源豐富地區(qū)，最好選擇風(fēng)機(jī)額定設(shè)計(jì)風(fēng)速與當(dāng)?shù)刈罴言O(shè)計(jì)風(fēng)速相吻合的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用在我國(guó)己經(jīng)相當(dāng)普遍，目前依然有很大的應(yīng)用前景。本文設(shè)計(jì)5KW小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，采用目前國(guó)內(nèi)外流行的款式以及領(lǐng)先的技術(shù)，可以達(dá)到高的“性價(jià)比”，具有一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本設(shè)計(jì)采用三葉片的水平軸機(jī)構(gòu)形式，葉片采用高強(qiáng)度、低重量流行的玻璃鋼材料，有防腐、防酸雨、防鹽堿的特性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)選用釹鐵硼永磁發(fā)電機(jī)，超載能力強(qiáng)，電機(jī)的體積小，重量輕且發(fā)電效率高。偏航方式采用尾翼自動(dòng)風(fēng)向調(diào)節(jié)，超強(qiáng)風(fēng)控制功能，提高接受風(fēng)能的效率。限速方式采用自動(dòng)偏側(cè)限速，對(duì)發(fā)電機(jī)有保護(hù)作用。充電方式采用智能充電控制。塔架形式采用拉索鋼管形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且穩(wěn)定，占地面積少，對(duì)土地要求低，在山丘、海邊、河堤、荒漠等地形惡劣的條件下均可運(yùn)用。本文設(shè)計(jì)的5KW小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組擁有穩(wěn)定的使用可靠性。在葉片的材料、發(fā)電機(jī)選用的永磁材料和防水、防銹性都具有先進(jìn)的技術(shù)，整套機(jī)組安裝，使用簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。關(guān)鍵詞 風(fēng)力發(fā)電；永磁；玻璃鋼五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)IIAbstractWind energy is renewable energy. The world is increasingly paying attention to the development and utilization of wind energy. In areas where there are abundant wind resources, it’s the best way to choose wind operators whose rating wind speed fits closely with the best local wind speed. Small wind generators are widely applied in China. However, there’s still a bright future for them. This paper describes the design of a 5 KW small wind generator, which with the adoption of the current advanced domestic and international style and technology can achieve a high “cost-effectiveness” and has a certain extent of market competitiveness. The design adopts the three-blade horizontal axis form, and the blades are made with high-strength, low-weight popular GRP, thus it has the characteristics of anti-sepsis, anti- acid rain and anti- salinity. Wind generators employ Nd-Fe-B permanent magnet generator, which has large overloading capacity and a small, light and efficient motor. Yaw adopts automatic tail wind regulation, in this way it can manipulate the wind freely and enhance the efficiency in receiving the wind. Automatic unilateral speed limiting is used to protect the generator. As for the charging mode, here the design uses the smart charger control. And the tower employs guy cable steel tube, with relative small floor space, low demand for land, feasibility on hills, by the sea shores and river banks, and on the deserts.This 5KW small wind generator described in this paper is stable and reliable. The material used for the blades and the permanent magnet material used for the generator are waterproof and anti-rust. It’s easy to install and maintain, which is just what the generator is designed for. Key words wind power generation Permanent magnet GRP 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)III目錄摘要 -----------------------------------------------------------------------ⅠAbstract -------------------------------------------------------------------Ⅱ第 1章 緒論1.1 風(fēng)力發(fā)電概述 -------------------------------------------------------11.2 世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及展望 ---------------------------------------------21.3 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展特點(diǎn) ---------------------------------------------21.4 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用前景 -----------------------------------2第 2章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和原理2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理 -----------------------------------------------------42.2 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用條件 -------------------------------------------42.3 水平軸大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的原理 ---------------------------------------52.4 水平軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組成 ---------------------------------------52.4.1 風(fēng)輪 ----------------------------------------------------------62.4.2 發(fā)電機(jī) --------------------------------------------------------62.5 5KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本方案的確定 --------------------------------------10第3章 5KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 風(fēng)力機(jī)的有效效率 ---------------------------------------------------123.2 風(fēng)輪葉片掃掠的面積S及風(fēng)輪直徑d的確定 -------------------------------123.2.1 風(fēng)輪葉片掃掠的面積S的確定 -------------------------------------123.2.2 確定單個(gè)葉片的面積 --------------------------------------------133.3 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的計(jì)算及增速比的確定 ---------------------------------------143.4 風(fēng)輪葉片具體尺寸的確定 ---------------------------------------------153.4.1 葉片從轉(zhuǎn)動(dòng)中心至葉尖不同位置的尖速比 --------------------------153.4.2 葉片從轉(zhuǎn)動(dòng)中心至葉尖不同半徑處的剖面翼型弦長(zhǎng) ------------------163.4.3 求葉片的平均弦長(zhǎng) ---------------------------------------------------------------------183.4.4 驗(yàn)算葉片面積 --------------------------------------------------183.4.5 求升力曲線平均斜率 --------------------------------------------183.4.6 葉片的展弦比 ---------------------------------------------------------------------------19五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)IV3.4.7 求葉片的平均迎角 --------------------------------------------193.4.8 葉片的實(shí)際安裝角 --------------------------------------------203.4.9 校核葉尖葉片葉型安裝角是否失速 ------------------------------203.4.10 設(shè)計(jì)功率曲線 ----------------------------------------------213.4.11 葉片翼型的選擇 ---------------------------------------------223.4.12 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) -----------------------------------------------233.4.13 風(fēng)輪葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)中所受的力及塔架的受力分析 -------------------243.5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組聯(lián)接及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 -----------------------------------253.5.1 塔架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ----------------------------------------------253.5.2 塔架的受力分析 ---------------------------------------------25第4章 各附加裝置的設(shè)計(jì)選取過程4.1 風(fēng)機(jī)軸承技術(shù)要點(diǎn)分析 ---------------------------------------------274.2 制動(dòng)器的設(shè)計(jì)與選取 ---------------------------------------------------------------------304.3 高效永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì) --------------------------------------------------------------304.4 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)與選取 -----------------------------------------------314.5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的尾舵調(diào)向裝置設(shè)計(jì) --------------------------------------------------------314.6 增速器的設(shè)計(jì)繪制 -------------------------------------------------324.6.1 大、小齒輪部件裝配 ------------------------------------------334.6.2 箱座部件的裝配 ----------------------------------------------344.6.3 總裝配 ------------------------------------------------------354.6.4 漸開線圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)報(bào)告 ----------------------------------36結(jié)論 ---------------------------------------------------------------------41致謝 ---------------------------------------------------------------------43參考文獻(xiàn) -----------------------------------------------------------------44附錄1 --------------------------------------------------------------------45附錄2 --------------------------------------------------------------------48五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)1第1章 緒論1.1 風(fēng)力發(fā)電概述能源是現(xiàn)代社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。遠(yuǎn)期，能源工業(yè)面臨礦物資源枯竭的問題；近期，能源工業(yè)面臨全球環(huán)境污染的壓力。自1973年發(fā)生石油危機(jī)以來，世界各國(guó)都在尋求替代化石燃料的能源，投入大量的經(jīng)費(fèi)進(jìn)行研究開發(fā)。因此推動(dòng)了太陽能、風(fēng)能等可再生能源的發(fā)展，成為近期內(nèi)最有大規(guī)模開發(fā)利用前景的可再生能源。隨著經(jīng)濟(jì)全球化與人口的不斷增長(zhǎng)，能源需求日益增加，人類正面臨著能源利用和環(huán)境保護(hù)兩方面的壓力。一方面，煤炭、石油和天然氣等化石燃料的儲(chǔ)量由于二十世紀(jì)下半葉的無節(jié)制開采而日趨匾乏和枯蝎;另一方面，大量使用化石燃料對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染和破壞。以 煤 炭 、天 然 氣 、 石 油 、 水 利 和 核 物 質(zhì) 為 原 料 或 資 源 的 傳 統(tǒng) 電 力 開 發(fā) 造 成 了 大 量 的 環(huán) 境 負(fù)擔(dān) ， 如 環(huán) 境 污 染 、 酸 雨 、 氣 候 異 常 、 放 射 性 廢 物 處 理 、 石 油 泄 露 等 等 。 而 以 風(fēng) 能為 資 源 的 電 力 開 發(fā) 對(duì) 環(huán) 境 的 影 響 則 十 分 微 小 ， 具 有 顯 著 的 環(huán) 境 友 好 特 性 ， 是 典 型的 清 潔 能 源 。 在 四 級(jí) 風(fēng) 區(qū) （ 每 小 時(shí) 20 21.4公 理 ） ， 一 座 750千 瓦 的 風(fēng) 電 機(jī) ， 平:均 每 年 可 以 替 代 熱 電 廠 1179噸 的 二 氧 化 碳 、 6.9噸 的 二 氧 化 硫 和 4.3噸 的 排 放 。能源與環(huán)境成為當(dāng)今世界所面臨的兩大重要課題。因此，能否解決好能源供應(yīng)與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾，已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要決定因素。人類正在努力尋求清潔、高效、可以再生的能源來代替對(duì)石油、煤炭等常規(guī)能源的依賴。可再生能源大都直接或間接的來自太陽，包括太陽能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能和地?zé)崮艿?，是潔凈能源，?duì)環(huán)境不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生污染。經(jīng)過多年的發(fā)展，可再生能源己經(jīng)開始在世界能源供應(yīng)戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)中占據(jù)一席之地，越來越受到各國(guó)政府的重視，其中尤以風(fēng)能為甚。開發(fā)利用風(fēng)力能源成為世界能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，成為大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家和部分發(fā)展中國(guó)家21世紀(jì)能源發(fā)展戰(zhàn)略的基本選擇，而開發(fā)利用風(fēng)能的最重要形式就是風(fēng)力發(fā)電。五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)21.2 世界風(fēng)力發(fā)電 現(xiàn)狀及展望由于風(fēng)力發(fā)電可以減少環(huán)境污染、調(diào)整電力工業(yè)結(jié)構(gòu)、推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，因此在世界各國(guó)得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用，近年來全世界風(fēng)力發(fā)電均以每年超過30%的速度增長(zhǎng)。自從1973年世界發(fā)生石油危機(jī)以來，美國(guó)、西歐等發(fā)達(dá)國(guó)家為尋求替代化石燃料的能源，投入大量經(jīng)費(fèi)，用新技術(shù)研制現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，80年代開始建立示范風(fēng)電場(chǎng)，成為電網(wǎng)新的電源。到了90年代對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求日益嚴(yán)格，特別是要兌現(xiàn)減排二氧化碳等溫室效應(yīng)氣體的承諾，風(fēng)電的發(fā)展進(jìn)一步受到鼓勵(lì) [8]。1.3 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展特點(diǎn)我國(guó)東南沿海和山東、遼寧沿海及其島嶼、內(nèi)蒙古北部、甘肅、北部以及松花江下游等地區(qū)均屬風(fēng)能資源豐富區(qū)，有很好的開發(fā)利用條件。這些地區(qū)中很多地方常規(guī)能源貧乏，無電或嚴(yán)重缺電，尤其是、內(nèi)蒙古的大部分草原牧區(qū)以及沿海幾千個(gè)島嶼，人口分散，電網(wǎng)難以通達(dá)，或無電力供應(yīng)，或采用很貴的柴油發(fā)電。在上述地區(qū)，利用風(fēng)力發(fā)電，以節(jié)約能源，改善環(huán)境，緩解電力供應(yīng)緊張狀況，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。另一方面，這幾年我國(guó)的交通條件得到很大的改善，電網(wǎng)覆蓋程度有了很大的提高，不少風(fēng)能資源豐富地區(qū)己置于電網(wǎng)覆蓋之下，這也為建設(shè)大型風(fēng)電場(chǎng)提供了有利的條件。上述情況決定了我國(guó)發(fā)展風(fēng)電的特點(diǎn)是:(1)在風(fēng)力資源豐富、電網(wǎng)通達(dá)的地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電則作為一種清潔的可再生能源，補(bǔ)充和逐步替代部分常規(guī)能源，緩解電力供應(yīng)緊張的矛盾，提高當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境質(zhì)量，所以應(yīng)以發(fā)展大型風(fēng)電場(chǎng)為主。(2)在風(fēng)力資源豐富或較豐富的邊遠(yuǎn)無電、缺電地區(qū)，以發(fā)展小型或中型獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)電系統(tǒng)(包括風(fēng)力/柴油聯(lián)合發(fā)電和風(fēng)/光聯(lián)合發(fā)電等)為主，利用風(fēng)力發(fā)電解決邊遠(yuǎn)地區(qū)的生活用電和部分生產(chǎn)用電。1.4 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用前景我國(guó)從20世紀(jì)80年代初就把小型風(fēng)力發(fā)電作為實(shí)現(xiàn)農(nóng)村電氣化的措施之一，主要研制、五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)3開發(fā)和示范應(yīng)用小型充電用風(fēng)力發(fā)電機(jī)，供農(nóng)民一家一戶使用。目前，1kW以下的機(jī)組技術(shù)已經(jīng)成熟并進(jìn)行大量的推廣。在電網(wǎng)不能通達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，約60萬居民利用風(fēng)能實(shí)現(xiàn)電氣化。截至1999年，我國(guó)累計(jì)生產(chǎn)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組18.57萬臺(tái)，居世界第一。隨著我國(guó)風(fēng)能市場(chǎng)的擴(kuò)大和國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整,風(fēng)能制造業(yè)逐漸進(jìn)入高速發(fā)展期。具資料表明，在我國(guó)風(fēng)能市場(chǎng)，已有十余家在國(guó)內(nèi)建成了頗具規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電機(jī)廠。他們投資大，有的還擁有自己的風(fēng)場(chǎng)，發(fā)展前景可觀。但我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，一些邊遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)牧民還未用上電。實(shí)踐表明：在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)期，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在解決有風(fēng)無電地區(qū)農(nóng)牧民生活用電仍然是一條重要的途徑。就是在有風(fēng)有電地區(qū)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，發(fā)展小型風(fēng)力機(jī)組對(duì)改善能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)生態(tài)平衡和充分利用資源等方面亦有積極的意義。國(guó)家計(jì)委提出的“光明工程”就為我國(guó)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展創(chuàng)造了條件。因此繼續(xù)發(fā)展小型發(fā)電機(jī)組仍有很大的潛力。 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)4第 2 章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和原理2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理：風(fēng)力發(fā)電是一項(xiàng)成熟的廉價(jià)電力資源，它由三項(xiàng)永磁發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)向回轉(zhuǎn)體、 風(fēng)葉、風(fēng)向控制尾舵、支架、拉索等組成。漆包銅線繞成線圈，用永久磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，線圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，切割磁力線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，線圈轉(zhuǎn)得越快，切割磁力線的速度就越高，產(chǎn)生的電壓也越高，對(duì)外電路提供的功率就越大，線圈和磁鐵相對(duì)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力來源于風(fēng)輪，通過風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)就可以將風(fēng)的能量轉(zhuǎn)變成電能的裝置 [3]。圖 2-1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理圖2.2 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用條件：小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般應(yīng)在風(fēng)力資源較豐富的地區(qū)使用。即年平均風(fēng)速在3m／s以上，全年3-20m／s有效風(fēng)速累計(jì)時(shí)數(shù)3000h以上；全年3-20m／s平均有效風(fēng)能密度lOOW／ 以2m上。在選擇使用風(fēng)力 發(fā)電機(jī)時(shí)，要做到心中有數(shù)，避免盲目性，這樣才能充分地利用2m當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力資源，最大限度地發(fā)揮風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率，取得較高的經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)該指出的是，在風(fēng)力資源豐富地區(qū)，最好選擇風(fēng)機(jī)額定設(shè)計(jì)風(fēng)速與當(dāng)?shù)刈罴言O(shè)計(jì)風(fēng)速相吻合的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。如能做到這一點(diǎn)無論是從風(fēng)力機(jī)的選擇上，還是利用風(fēng)力資源的經(jīng)濟(jì)意義上都有重要的意義。風(fēng)洞試驗(yàn)證明，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)換功率與風(fēng)速的立方成正比，也就是說，風(fēng)速對(duì)功率影響最大。例如，在當(dāng)?shù)刈罴言O(shè)計(jì)風(fēng)速為6m／s的地區(qū)，安裝一臺(tái)額定設(shè)計(jì)風(fēng)速為8m／s的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，結(jié)果其年額定輸出功率只達(dá)到原設(shè)計(jì)輸出功率的42％，也就是說，風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定輸出功率較設(shè)計(jì)值降低了58%。若選用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定設(shè)計(jì)風(fēng)速越高，那么其額定功率輸出的效果就越加不理想。但也必須指出，風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定設(shè)計(jì)風(fēng)速偏低，其風(fēng)輪直徑、電機(jī)相對(duì)要增大，整機(jī)造價(jià)相應(yīng)也就加大．從制造五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)5和產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)意義上考慮都是不合算的。2.3 水平軸大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的原理：葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件，依風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的方向分水平軸式和垂直軸式兩種形式。水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪需隨風(fēng)向變化而調(diào)整位置，還要考慮大型葉輪的動(dòng)平衡問題，垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪不必隨風(fēng)向改變而調(diào)整位置，也沒有葉輪的動(dòng)平衡問題，設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，但其系統(tǒng)抽取風(fēng)能系數(shù)小，同等發(fā)電量下葉片尺寸大。目前商用大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它由風(fēng)輪、風(fēng)輪軸、底速軸聯(lián)軸器、高速軸聯(lián)軸器、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、調(diào)速裝置、調(diào)向裝置、制動(dòng)器控制系統(tǒng)、塔架等部件所組成。風(fēng)輪的作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，它由氣動(dòng)性能優(yōu)異的葉片（目前商業(yè)機(jī)組一般為2—3個(gè)葉片）裝在輪轂上所組成，低速轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)輪通過傳動(dòng)系統(tǒng)由增速齒輪箱增速，將動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)。上述這些部件都安裝在機(jī)艙平面上，整個(gè)機(jī)艙由高大的搭架舉起，由于風(fēng)向經(jīng)常變化，為了有效地利用風(fēng)能，必須要有迎風(fēng)裝置，它根據(jù)風(fēng)向傳感器測(cè)得的風(fēng)向信號(hào)，由控制器控制偏航電機(jī)，驅(qū)動(dòng)與塔架上大齒輪咬合的小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)艙始終對(duì)風(fēng) [1]。2.4 水平軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組成：水平軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般由下列幾部分組成：風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、調(diào)速和調(diào)向機(jī)構(gòu)、停車機(jī)構(gòu)、塔架、控制器、蓄電池、逆變器等。如下圖所示小型風(fēng)能發(fā)電裝置的原理圖，風(fēng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)為機(jī)械能，風(fēng)輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，整流后輸出。五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)6圖 2-2 水平軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖2.4.1風(fēng)輪：小型風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪大多用2－3個(gè)葉片組成，它是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的部件。目前風(fēng)輪葉片的材質(zhì)主要有兩種。一種是玻璃鋼材料，一般用玻璃絲布和調(diào)配好的環(huán)氧樹脂在模型內(nèi)手工糊制，在內(nèi)腔填加一些填充材料，手工糊制適用于不同形狀和變截面的葉片但手工制作費(fèi)工費(fèi)時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量不易控制。國(guó)外小風(fēng)機(jī)也采用機(jī)械化生產(chǎn)等截面葉片，大大提高了葉片生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品質(zhì)量。對(duì)于小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，選擇材料通常關(guān)心的是效率而不是重量、硬度和葉片的其它特性。風(fēng)力機(jī)通常有2片或3片葉片，當(dāng)葉尖速度達(dá)到50～70ｍ／ｓ時(shí)， 3葉片風(fēng)輪通常能夠提供最佳效率，為保證最佳效率，故選擇三葉片風(fēng)輪。2.4.2 發(fā)電機(jī)：① 發(fā)電機(jī)的選擇：小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用的是永磁式交流發(fā)電機(jī)，由風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電經(jīng)過整流后變成可以儲(chǔ)存在蓄電池中的直流電。通過比較分析，故在發(fā)電機(jī)的選擇上，選用了發(fā)電效率高的新型釹鐵硼材料的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，提高了發(fā)電效率，達(dá)到了與風(fēng)輪直接聯(lián)接的轉(zhuǎn)速范圍，簡(jiǎn)化了機(jī)組結(jié)構(gòu)，降低了成本。五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)7② 發(fā)電機(jī)額定功率的選擇：風(fēng)力發(fā)電機(jī)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同又分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型風(fēng)力機(jī)。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)亦稱獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力機(jī)，是應(yīng)用在無電網(wǎng)地區(qū)的風(fēng)力機(jī)，一般功率較小，單機(jī)容量一般在100W-10KW；另一種是作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，并網(wǎng)運(yùn)行供電系統(tǒng)，商業(yè)化的機(jī)組單機(jī)容量為150KW-1650KW。獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力機(jī)一般需要與蓄電池和其他控制裝置共同組成獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力機(jī)發(fā)電系統(tǒng)。這種獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)可以是幾千瓦乃至上幾十千瓦解決一個(gè)村落的供電系統(tǒng)，也可以是幾十到幾百瓦的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以解決一家一戶的供電，由于本課題設(shè)計(jì)的家庭式小型發(fā)電機(jī)用于地形復(fù)雜，人口又多，居住分散，電網(wǎng)涉及不到的地區(qū)。故選擇獨(dú)立運(yùn)行（離網(wǎng)型）供電系統(tǒng)，通過大量的調(diào)研，了解國(guó)內(nèi)外此功率范圍的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的生產(chǎn)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及相應(yīng)的社會(huì)效益，設(shè)計(jì)出使用方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的高性價(jià)比的5KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)。③ 調(diào)向機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)和停車機(jī)構(gòu)：離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的調(diào)向裝置大部分是上風(fēng)向尾翼調(diào)向。調(diào)速裝置采用風(fēng)輪偏置和尾翼鉸接軸傾斜式調(diào)速、變槳距調(diào)速機(jī)構(gòu)或風(fēng)輪上仰式調(diào)速。功率較大的機(jī)組還裝有手動(dòng)剎車機(jī)構(gòu)，以確保風(fēng)力機(jī)在大風(fēng)或臺(tái)風(fēng)情況下的安全。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配套的逆變控制器，除可以將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換成交流電的功能外，還具有保護(hù)蓄電池的過充、過放、交流泄荷、過載和短路保護(hù)等功能，以延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。這些機(jī)組的設(shè)計(jì)額定風(fēng)速也較低，只有6～8米／秒；其工作范圍較寬，在3～25米沙風(fēng)速范圍內(nèi)都可工作：機(jī)組的成本較低，價(jià)格便宜，非常適合于中國(guó)的低速地區(qū)和消費(fèi)水平。為了從風(fēng)中獲取能量，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面應(yīng)垂直于風(fēng)向，在小型風(fēng)機(jī)中，這一功能靠風(fēng)力機(jī)的尾翼作為調(diào)向機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)隨著風(fēng)速的增加，要對(duì)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速有所限制，這是因?yàn)橐环矫孢^快的轉(zhuǎn)速會(huì)對(duì)風(fēng)輪和風(fēng)力機(jī)的其他部件造成損壞，另一方面也需要把發(fā)電機(jī)的功率輸出限定在一定范圍內(nèi)。由于小型風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，目前一般采用葉輪五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)8側(cè)偏式調(diào)速方式，這種調(diào)速機(jī)構(gòu)在風(fēng)速風(fēng)向變化轉(zhuǎn)大時(shí)容易造成風(fēng)輪和尾翼的擺動(dòng)，從而引起風(fēng)力機(jī)的振動(dòng)。因此，在風(fēng)速較大時(shí)，特別是蓄電池已經(jīng)充滿的情況，應(yīng)人工控制風(fēng)力機(jī)停機(jī)。在有的小型風(fēng)力機(jī)中設(shè)計(jì)有手動(dòng)剎車機(jī)構(gòu)，另外在實(shí)踐可采用側(cè)偏停機(jī)方式，即在尾翼上固定一軟繩，當(dāng)需要停機(jī)時(shí)，拉動(dòng)尾翼，使風(fēng)輪側(cè)向于風(fēng)向，從而達(dá)到停車的目的。④ 塔架塔架是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)的支架。塔架有鋼架結(jié)構(gòu)的，有圓錐型鋼管和鋼筋混凝土等三種形式。同時(shí)塔架又分為硬塔，柔塔，甚柔塔。硬塔的固有頻率大于kn，其k為葉片數(shù)．N為風(fēng)輪轉(zhuǎn)數(shù)；柔塔的固有頻率在kn和n之間；甚柔塔的固有頻率小于n。為防止鋼制塔架生銹，往往對(duì)鋼制塔架熱鍍鋅。⑤ 控制器風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行及保護(hù)需要一個(gè)全自動(dòng)控制系統(tǒng)，它必須能控制自動(dòng)啟動(dòng)及在正常和非正常情況下停機(jī)。除了控制功能，系統(tǒng)也能用于監(jiān)測(cè)以提供運(yùn)行狀態(tài)、風(fēng)速、風(fēng)向等信息。該系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，除了小的風(fēng)力機(jī)，控制及監(jiān)測(cè)還可以遠(yuǎn)程進(jìn)行?？刂葡到y(tǒng)具有幾個(gè)主要功能：1、順序控制啟動(dòng)、停機(jī)以及報(bào)警和運(yùn)行信號(hào)的監(jiān)測(cè)2、偏航系統(tǒng)的低速閉環(huán)控制3、槳距裝置(如果是變槳距風(fēng)力機(jī))快速閉環(huán)控制4、與風(fēng)電場(chǎng)控制器或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的通訊⑥ 逆變器逆變器的作用：儲(chǔ)存在電瓶中的直流電，只能供給直流電器工作，如直流燈泡等，而家用電器基本上都是交流電器，電壓是交流220伏的，因此，要將電瓶的低壓直流電轉(zhuǎn)化成220伏的交流電（直流轉(zhuǎn)變成交流，這個(gè)過程稱為逆變），這個(gè)任務(wù)就由逆變器來完成。五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)9而本課題使用的逆變器(建議使用蓄電池型號(hào)300AH20塊) 所有附件如下：發(fā)電機(jī)，葉輪，回轉(zhuǎn)體，尾舵，獨(dú)立鋼管，防水電纜，5KW逆變器。適用于：日光燈，電視，750W單相水泵，一些小型感性負(fù)載。無風(fēng)時(shí)可使用7天至10天。充電時(shí)長(zhǎng)8小時(shí)，年平均風(fēng)速10米每秒時(shí)，運(yùn)行4000小時(shí)，累積發(fā)電量：14000度。 ⑦ 有效風(fēng)速的選擇：由于空氣密度低，風(fēng)速?。ㄐ∮?米/秒）風(fēng)能太小而無利用價(jià)值。風(fēng)太大（超過25米/秒），不僅無法利用，而且具有很大的破壞性。故限定有效風(fēng)速范圍：3.5～20m/s五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)102.5 5KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本方案的確定：為了減輕葉片重量同時(shí)又保證強(qiáng)度和剛度等要求，玻璃纖維增強(qiáng)聚酯復(fù)合材料—簡(jiǎn)稱玻璃鋼成為制造葉片的首選材料。在水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，葉片截面為漸變型，長(zhǎng)度為30—40米（用于兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)上） ，目前國(guó)外生產(chǎn)廠家多采用預(yù)沁和手糊制的方法生產(chǎn)（國(guó)內(nèi)用葉片95%為進(jìn)口） ，其生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)效率低、嚴(yán)重制約了大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量。在垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，葉片為魚骨型不變截面，且不需考慮轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡問題，可采用拉擠工藝方法生產(chǎn)。用拉擠成型工藝方法生產(chǎn)玻璃鋼葉片可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)品無需后期修整，質(zhì)量一致，無需檢測(cè)動(dòng)平衡，成品率95%，用拉擠成型工藝方法生產(chǎn)玻璃鋼葉片與其他成型工藝方法生產(chǎn)的玻璃鋼葉片相比，成本可降低40%，銷售價(jià)格降低50%。設(shè)計(jì)方案：發(fā)電機(jī)額定功率：5KW發(fā)電機(jī)的選用：選用三相永磁發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)體積小，重量輕，發(fā)電效率高。葉片材質(zhì)：增強(qiáng)玻璃鋼材料，三葉片形式，具有高強(qiáng)度、高精度、耐酸堿、不變形等特點(diǎn),可以達(dá)到強(qiáng)度好、重量輕的目.啟動(dòng)風(fēng)速：4m/s停機(jī)風(fēng)速: 25(m/s)最大風(fēng)速: 40(m/s)風(fēng)能系數(shù): 0.42(%)工作風(fēng)速：3.5～20m/s安全風(fēng)速：25 m/s停車方式：機(jī)械制動(dòng)保護(hù)方式: 超速自動(dòng)保護(hù)限速方式: 尾翼自動(dòng),偏側(cè)限速五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)11塔架方式：角鋼桁架，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定。偏航方式：尾翼自動(dòng)定風(fēng)定向，平衡風(fēng)力，抵抗狂風(fēng)，颶風(fēng)的襲擊。充電方式：智能充電控制，使用簡(jiǎn)單，維護(hù)方便（待選定）五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)12第 3 章 5KW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 風(fēng)力機(jī)的有效效率風(fēng)力機(jī)的有效效率 可由下式求得：()eNW3eatKCSv??（3－1）式中 ——單位換算系數(shù)，見表3-3；——空氣高度密度換算系數(shù)，它是指不同海拔高度空氣密度的修正值，見表3-a4；——空氣濕度密度修正系數(shù)，溫度不同時(shí)空氣密度也不同，見表3-4；tC——風(fēng)輪葉片掃掠面積， ；S2m——風(fēng)速， ；v/s——風(fēng)力機(jī)全效率。?風(fēng)力機(jī)的全效率一般取 =25%-50%。低速風(fēng)力機(jī)取小值，1-3葉片高速風(fēng)力機(jī)取大值；?一般設(shè)計(jì)時(shí)高速風(fēng)力機(jī)取30%-50%。參見《風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù)》圖3-6及圖3-7及表3-5。3.2 風(fēng)輪葉片掃掠的面積S及風(fēng)輪直徑d的確定3.2.1 風(fēng)輪葉片掃掠的面積S的確定風(fēng)力機(jī)的有效功率 ，故風(fēng)輪掃掠的面積 為3eatNKCSv??S（3－2）3atS式中 ——風(fēng)力機(jī)有效功率，W；即 ；e 15eNkw?——單位換算系數(shù)，按《風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù)》表3-3選?。籏；0.6127?、 ——空氣高度密度換算系數(shù)和空氣濕度密度換算系數(shù)；aCt——按風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用地方的風(fēng)速給定 m/s,即10m/s；v五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)13——按《風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù)》表3-5選取。參見圖3-6及圖3-7.選取30%。?按《風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù)》表3-4根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用地理、自然條件選取；取 、 。1aC?0.963t所以： 3 3528.470.6127.90.eatNkwSKCSv????風(fēng) 輪 掃 椋 面 積1． 風(fēng)輪直徑的確定求出葉片掃掠面積S之后，便可計(jì)算出風(fēng)輪直徑d。 2/8.2471/5.9????把結(jié)果完整后取 6dm?2． 確定風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)葉尖速比，簡(jiǎn)稱尖速比，即風(fēng)輪葉片尖端的線速度與風(fēng)速v之比(3-3)260VRnv????式中 ——風(fēng)輪葉片尖端的線速度；——風(fēng)速v，單位m/s；——風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，r/min；n——風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。R60169.082mindr?????風(fēng) 輪 轉(zhuǎn) 速把結(jié)果完整后取 ；9inr葉尖線速度： ；風(fēng)速1600ds????10s??所以 ，把結(jié)果完整后取235.974VRv?? 6??風(fēng)力機(jī)的葉片數(shù)與風(fēng)力機(jī)的用途有關(guān)，與尖速比有一定的匹配，參考《風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù)》表3-1的選取。所以查表確定風(fēng)輪葉片數(shù)為3片。3.2.2 確定單個(gè)葉片的面積 風(fēng)力機(jī)接受風(fēng)能的效率，與葉片翼型、尖速比等因數(shù)有關(guān)，同時(shí)還與密實(shí)比有關(guān)。五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)14所謂密實(shí)比就是葉片本身的面積 與葉片掃掠面積S之比。密實(shí)比愈高的葉片，其尖速yks比愈低，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速也愈低，葉片也愈多。多葉片低轉(zhuǎn)速風(fēng)輪啟動(dòng)性能好，適用于風(fēng)力機(jī)抽水、碾米、壓縮空氣；密實(shí)比愈低的葉片，其尖速比愈高，其風(fēng)輪轉(zhuǎn)速愈高，葉片數(shù)愈少，適合于風(fēng)力發(fā)電機(jī)。密實(shí)比 按圖3-5曲線所形成的面積內(nèi)選擇。lK（3-lyS?4）式中 ——風(fēng)輪葉片數(shù)；k——密實(shí)比。lK按《風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù)》圖 3-8 選取，當(dāng) 時(shí) ，取6??0.3.7lK:，所以單個(gè)葉片的面積： ，0.5l? 20.528.471.3lyKSm??其中 還必須滿足 ，在下面有驗(yàn)算過程。yS()ymSLRr??3.3 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 的計(jì)算及增速比 的確定ni1．風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 的計(jì)算風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 主要取決于風(fēng)力機(jī)的用途，即主要取決于尖速比 。尖速比 愈大則風(fēng)輪?的轉(zhuǎn)速愈高。（3-60(/min)2vnrR???5）式中 ——風(fēng)輪的半徑，單位m 。所以 60109(/in)23vnrR?????2．增速比 的確定i風(fēng)輪接受風(fēng)能轉(zhuǎn)動(dòng)，不可能通過風(fēng)輪軸直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，因?yàn)槟壳鞍l(fā)電機(jī)多為4、6、8極，它們同步轉(zhuǎn)速為1500、1000、750r/min，與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速相差太多，所以采用增速器將低轉(zhuǎn)速的風(fēng)輪與高轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一致，相互匹配?，F(xiàn)在的交流電或直流電發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速愈低其效率也愈低，但為了減小增速比，又往往選擇低轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)，以減少增速器的傳動(dòng)比，減少齒輪，降低生產(chǎn)成本，增強(qiáng)可靠性。五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)15增速比 由下式給出i（3-6）Dn?式中 ——發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速 r/min；選用同步轉(zhuǎn)速為 1000r/min；D——風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，r/min。n所以： 105.249Di??3.4 風(fēng)輪葉片具體尺寸的確定3.4.1 葉片從轉(zhuǎn)動(dòng)中心至葉尖不同位置的尖速比是葉片尖端速度與風(fēng)速的比，葉片從轉(zhuǎn)動(dòng)中心至葉尖不同半徑處的尖速260Rnv???比 可由下式得出i（3-260iinrv???7）（3-/iirRv8）（3-iir??9）式中 ——葉片從轉(zhuǎn)動(dòng)中心至葉尖不同半徑處的尖速比；i——葉片從轉(zhuǎn)動(dòng)中心至葉尖的不同半徑；irR——風(fēng)輪半徑；R=3m，葉片不同半徑 處的尖速比 。iri?，葉片從轉(zhuǎn)動(dòng)中心至葉尖不同位置的尖速比如下：0.25m??136???五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)1642.564.83???51.9.06.7.453???71.82.908.56.463???90.1.9107256.43???.0.93.4.2 葉片從轉(zhuǎn)動(dòng)中心至葉尖不同半徑處的剖面翼型弦長(zhǎng)為了設(shè)計(jì)的葉片能接受空氣動(dòng)力能平均的分配到整個(gè)葉片上，葉片不僅需要扭曲，還需要有不同的翼型弦長(zhǎng)，以滿足葉片各處有相同的升阻比，以取得較高的接受風(fēng)能的效率。葉片翼型不同其所接受的風(fēng)能亦有差別，為了表示不同形狀的葉片其接受風(fēng)能的特征引入葉片形狀參數(shù)，圖3-8表示葉片形狀參數(shù)與尖速比的關(guān)系曲線。尖速比愈大，則葉片面積應(yīng)愈小。葉片接受風(fēng)能的效率還與葉片翼型的相對(duì)迎風(fēng)角有關(guān)，即與迎角 有關(guān)，因相對(duì)迎?風(fēng)角 。為使葉片各處接受空氣動(dòng)力一致，葉片各處的安裝角 就不同，亦即相對(duì)????? ?迎風(fēng)角 不同，這就是扭曲葉片。圖3-9表示尖速比 與相對(duì)迎風(fēng)角 的關(guān)系曲線。這一??曲線表明，隨著尖速比 的增大葉片的相對(duì)迎風(fēng)角愈小。?以上討論了葉片翼型弦長(zhǎng)與葉片形狀參數(shù)、尖速比及升阻比、升力等有關(guān)，葉片從轉(zhuǎn)動(dòng)中心至葉尖不同半徑 處的葉片弦長(zhǎng)（葉片翼型弦長(zhǎng)） 計(jì)算如下，計(jì)算簡(jiǎn)圖如下ir iL（3-()icLrCmk?10）式中 ——葉片從轉(zhuǎn)動(dòng)中心至葉尖的不同位置的半徑； ir五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)17——葉片形狀參數(shù)，在《風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與維護(hù)》圖3-8中可以根據(jù)計(jì)算出來的cC對(duì)應(yīng)于 的尖速比 的值所對(duì)應(yīng)的葉片形狀參數(shù)；iri?——升力系數(shù)，由設(shè)計(jì)者選定翼型查《風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與維護(hù)》圖3-10（b）取L升阻比 最佳值，再按升阻比最佳值在升力、阻力與迎角 的圖上/LD?查??； ；0.7C?——風(fēng)輪的葉片數(shù)。k經(jīng)查表，得如下數(shù)據(jù)：表 3-1 葉片的參數(shù)葉片的不同半徑數(shù)N葉片的不同半徑值(m)ir葉片不同半徑 處的尖速比 i?葉片不同半徑處的形狀參數(shù) iC葉片不同半徑處的相對(duì)迎風(fēng) 角 i??1 3 6 0.131 5.82 2.7475 5.495 0.172 6.?3 2.495 4.99 0.183 7.24 2.2425 4.485 0.2 .5?5 1.99 3.98 0.225 8.76 1.7375 3.475 0.315 10?7 1.485 2.97 0.52 2.58 1.2325 2.456 0.6 1?9 0.98 1.96 0.93 20五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)1810 0.7275 1.455 1.12 2.5?11 0.475 0.95 2.0 3.將所查數(shù)據(jù)代入剖面翼型弦長(zhǎng) 中，得：iL130.1.7icLrCmk???2.4520.5ic3.9.183.907icLrCk???4.425.ic m51.9.194073icLrk???6.50.27icC71.48..4073icLrmk???8.256.2icC9.89.073icLrk???10.2510.ic m.4.73icLrCk???3.4.3 求葉片的平均弦長(zhǎng)（3-11）12im???0.750.98.130.94.2370.4.32..4.5()Lm???3.4.4 驗(yàn)算葉片面積五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)19當(dāng) 時(shí)，才能滿足設(shè)計(jì)要求 1()ymSLRr??所以 所以滿足。20.2583.470.65.47y m????3.4.5 求升力曲線平均斜率（3-(max)0LCK???（ ）（ ）12）式中 ——升力曲線最大值；升力系數(shù)為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的迎角為- (max)L ?2.6——零升力；(0)C——C 最佳升力角 a 時(shí)的最大升力系數(shù)，在升阻比 C 最大值 55(max)Lax_LmxL /LD時(shí)所對(duì)應(yīng)的迎角 a ；6AMX??——升力系數(shù) 為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的迎角為 ；0L 2??所以 (max)0.70.9656(2)LCK?????（ ）（ ）3.4.6 葉片的展弦比（3-2ZyMRSL?13）式中 ——葉片的平均弦長(zhǎng)；mL2231.680.5ZyMRS??3.4.7 求葉片的平均迎角（3-03(1)LmZCaKR???14）五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)20式中 ——升力系數(shù)為零時(shí)的葉片迎角（ ），通常為負(fù)值；0a?——展弦比，按上已算；zR——升力系數(shù)；LC——升力曲線平均斜率，按上已算。K在《風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與維護(hù)》選定翼型NACA-23012翼型圖3-12（b）, 升力曲線 為零時(shí)， 。LC02a???所以 03.73(1)(1)8.06965.2mLZaKR? ??????3.4.8 葉片的實(shí)際安裝角1. 由《風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù)》圖3-9按不同的 所對(duì)應(yīng)的尖速比 的值所對(duì)應(yīng)的iri?葉片相對(duì)迎風(fēng)角 。這條曲線是按葉片迎角為零的條件下繪制的，所以應(yīng)包括為校正i?而增加的迎角在內(nèi)。葉片 處的葉片實(shí)際安裝角 應(yīng)為相對(duì)迎風(fēng)角 減去葉片的平均迎角 。iri?i?ma葉片的實(shí)際安裝角 由下式給出i（3-iima????15）式中 ——葉片從轉(zhuǎn)動(dòng)中心至葉尖不同位置的半徑 所對(duì)應(yīng)的葉片實(shí)際安裝角，（ ）；i ir ?—— 處所對(duì)應(yīng)的葉片相對(duì)迎風(fēng)角，（ ）；i?ir ?——葉片的平均迎角，（ ）。ma?所以葉片不同半徑 r 處的葉片葉型安裝角 i 8.06iimia?????五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)21u=60m/sv115.8062.?????21537..845.063???8..9???61472.5.06.5??89.1.9???104???32.5.062.3.4.9 校核葉尖葉片葉型安裝角是否失速葉尖線速度 193.4*/606nuds??? ?風(fēng)速 1/Vms 圖 3-1 葉尖片葉速度模型根據(jù)三角形勾股定理得： 22601.8/uvms????圖 3-2 風(fēng)論旋轉(zhuǎn)平面圖所以當(dāng)迎向角為 時(shí) ，葉尖開始失速，而現(xiàn)在的迎向角為9.462.1.462??????，不失速。9.462???3.4.10 設(shè)計(jì)功率曲線五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)22風(fēng)力機(jī)的有效功率 ，由上面計(jì)算可知3()eatNKCSvW??代入。0.6172,.0,.96,28.471,0,3%atkCsVms?? ?所以 35()etNKSv??表 3-2 功率選擇表風(fēng)速 Vms功率 ()eNW風(fēng)速 Vms功率 ()eNW4 320 7.5 2109.3754.5 455.635 8.0 25605.0 625 8.5 3070.6255.5 831.875 9.0 36456.0 1080 9.5 4286.8756.5 1373.125 10 50007.0 1715圖 3-3 小型功率發(fā)電機(jī)功率曲線圖3.4.11 葉片翼型的選擇現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)通常是采用三葉片的上風(fēng)或下風(fēng)結(jié)構(gòu)。風(fēng)力機(jī)葉展形狀、翼型形狀與風(fēng)五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)23力發(fā)電機(jī)的空氣動(dòng)力特性密切相關(guān)。一臺(tái)好的風(fēng)力機(jī)應(yīng)當(dāng)盡量增加升力而減小阻力,使之盡量趨于最大值,以增加風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)。葉片通常由翼型系列組成。由于葉片根部各翼型力臂較小,對(duì)風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪輸出扭矩貢獻(xiàn)不大,所以葉片根部對(duì)風(fēng)力機(jī)性能影響較小,主要考慮加工方便和強(qiáng)度問題。在尖部采用薄翼型以滿足高升阻比的要求;根部采用相同翼型或較大升力系數(shù)翼型的較厚形式,以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需要。典型運(yùn)行工況下的雷諾數(shù)范圍是5 ×105 - 2 ×106 [ 3 ] 。常用的翼型有NACA44xx系列、NACA644xx系列和NACA230xx系列等航空翼型;專用翼型有美國(guó)的SER I翼型系列以及NREL翼型系列、丹麥的R ISφ2A系列翼型和瑞典的FFA2w系列翼型族。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需要選取翼型。翼型數(shù)據(jù)及其氣動(dòng)性可參考> 選用NACA44xx系列的結(jié)構(gòu)型式。3.4.12 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)葉片的性能參數(shù)：葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部分，其性能直接影響整個(gè)發(fā)電機(jī)的效率，因此要求葉片性能達(dá)到以下指標(biāo)：幾何尺寸：弦長(zhǎng)偏差 2 mm (max)；?厚度偏差 1mm (max)；扭角偏差 mm (max)；0一伏葉片（3個(gè)）對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的力矩互差不大與5gm；葉片重量（1付）互差不大與500gm；葉柄與身軸的同軸度公差 0.50mm；?葉片前弦、后弦、葉身各切面間應(yīng)光滑過度；葉片表面光潔度達(dá)到要求。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪葉片是接受風(fēng)能的最主要部件。葉片的設(shè)計(jì)要求有高效的接受風(fēng)能的翼型，合理的安裝角（或迎角），科學(xué)的升阻比、尖速比和葉片扭曲。由于葉片直接迎風(fēng)獲得風(fēng)能，所以還要求葉片有合理的結(jié)構(gòu)、先進(jìn)的材料和科學(xué)的工藝以使葉片能可靠地承擔(dān)風(fēng)力、葉片自重、離心力等給予葉片的各種彎矩、拉力，而且還要求葉片重五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)24量輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、疲勞強(qiáng)度高、運(yùn)行安全可靠、易于安裝、維修方便、制造容易、制造成本和使用成本低。另外，葉片表面要光滑以減少葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與空氣的摩擦阻力。為了減輕葉片重量同時(shí)又保證強(qiáng)度和剛度等要求，玻璃纖維增強(qiáng)聚酯復(fù)合材料—簡(jiǎn)稱玻璃鋼成為制造葉片的首選材料。在水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，葉片截面為漸變型。本課題選用的是增強(qiáng)玻璃鋼葉片。所謂玻璃鋼就是環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂等塑料滲入長(zhǎng)度不同的玻璃纖維或碳纖維而做成的增強(qiáng)塑料。增強(qiáng)塑料強(qiáng)度高、重量輕、耐老化，表面可以再纏入玻璃纖維及涂環(huán)氧樹脂，既可增加強(qiáng)度又使葉片表面光滑。下圖就是用玻璃鋼抽壓或擠壓成從葉根至葉尖漸縮的縱梁，其余部分用泡沫塑料填充，蒙皮用2-3層玻璃纖維纏繞再涂環(huán)氧樹脂的玻璃鋼葉片。葉片材質(zhì)：增強(qiáng)玻璃鋼材料，三葉片形式，具有高強(qiáng)度、高精度、耐酸堿、不變形等特點(diǎn),可以達(dá)到強(qiáng)度好、重量輕的目。其葉片結(jié)構(gòu)形式如下：圖 3-4 葉片結(jié)構(gòu)形式3.4.13. 風(fēng)輪葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)中所受的力及塔架的受力分析（1）葉片升力 LF為 3 21.2760.47103.92LyCSv N??????（2）葉片阻力 D為 3 2110.7.26510.42(,0.7)5ylDLFSvC???????（3）風(fēng)輪葉片軸向推力計(jì)算五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)25P= 220.4.104vN??（4）葉片受離心力 為gF223.81.895gGwr??（5）葉片受拉力為= P0.640.6FN?????(6)重力對(duì)葉片縱梁的彎矩 為GM2cos13cos145.5GMRM?????（7）葉片重量 G 對(duì)風(fēng)輪軸的彎為=ka340.=N ?3.5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組聯(lián)接及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算3.5.1 塔架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)電裝置的搭架采用獨(dú)桿拉索式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固可靠，最大抗風(fēng)能力可達(dá) 25 米/秒，立桿材料選用優(yōu)質(zhì)鋼管，為使發(fā)電裝置最佳使用價(jià)值，所選擇的安裝地點(diǎn)周圍 5 米半徑內(nèi)不得有任何障礙物，且迎著主要風(fēng)向前 300 米，后 100 米不得有任何高于風(fēng)力機(jī)的建筑物，為確保風(fēng)力機(jī)正常工作，應(yīng)選用較為堅(jiān)實(shí)的地面按裝。塔架采用市面上的拉索鋼桿類型，塔架高 10 米，中空，截面外徑 220mm,內(nèi)徑124mm, 具體看工程圖。（2）塔架與轉(zhuǎn)盤采用轉(zhuǎn)盤插入軸承內(nèi)圈過盈配合的聯(lián)接方式，使轉(zhuǎn)盤能繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)。（3）轉(zhuǎn)向發(fā)電機(jī)固定在墊板上，轉(zhuǎn)盤還聯(lián)接尾舵固定桿。（4）發(fā)電機(jī)軸采用錐度過盈聯(lián)接輪轂，軸端采用六角螺母擰緊進(jìn)行軸向定位。（5）尾舵桿的另一端聯(lián)接尾舵。（6）軸的設(shè)計(jì)計(jì)算五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)263305192PdAmh??3.5.2 塔架的受力分析(1)塔架承受的壓力 143091504150YiFGN???????(2)風(fēng)的推力對(duì)塔架形成的彎矩為 28TMhNM??(3)除塔架之外幾乎所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)重量作用在塔架中心對(duì)塔架的彎矩為1430.5410.51.2gieNm????????(4) 陣風(fēng)對(duì)塔架的彎矩 M 為ZM = Z28(103/)2RFhNm??????（ ）(5)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的反轉(zhuǎn)矩為 14054f ?(6)塔架受總力矩為眾扭、彎矩的矢量和為42803541N mETgZfMM???????五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)27第 4 章 各附加裝置的設(shè)計(jì)選取過程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)葉主軸軸承、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)行專門設(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)過程清潔度控制及相關(guān)組件的優(yōu)選來降低軸承振動(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)無誤。五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)28風(fēng)葉主軸軸承：風(fēng)葉主軸由兩個(gè)調(diào)心滾子軸承支承。由于風(fēng)葉主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＝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：-2.62 0 載荷系數(shù)：1.5五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)29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)過程清潔度控制及相關(guān)組件的優(yōu)選來降低軸承振動(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)軸承五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)304.2 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 ，/min?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^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)于前幾類發(fā)電機(jī)。由于該類發(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） 無無線電干擾五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)314.4 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)與選取圖 4-5 HLL型帶制動(dòng)輪彈性柱銷聯(lián)軸器名稱＝HLL型帶制動(dòng)輪彈性柱銷聯(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=212D0=630D=320B=265d3=40l=112轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg.m^2)=314重量(kg)=1874.5 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.五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)32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)盤中心 O 的力矩，尾舵開始調(diào)向。設(shè)計(jì)時(shí)建議調(diào)向角 yKS（4-1212cosin.cos..TTFlflfApl???1）其中 。05?式中 A——尾舵面積；P——單位面積風(fēng)壓；——裝盤轉(zhuǎn)動(dòng)中心 O 至尾舵面積受力中心距離；2l——風(fēng)對(duì)葉輪的推力；TF——輪中心至轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)中心 O 距離。1l用葉片風(fēng)輪葉片掃掠的面積 S 來表示時(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：1122(0.5.8)(0.5.8),lSlA??::(1)尾舵的面積 （調(diào)向角 時(shí)，角尾舵與尾舵中心成 150，2.6.47lml??015??角尾舵長(zhǎng)占尾舵總長(zhǎng)的 25% 35%，如下圖 4-6 所示）: 2120.58.0.58.7%4.833l lA ml l??(2)尾舵的中心到轉(zhuǎn)向軸的距離 LL=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 EE=1/4L=1/4x3.6=0.9m 圖 4-6 葉片坐標(biāo)4.6 增速器的設(shè)計(jì)繪制 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)33減速器是原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間的獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置，用來降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要，在某些場(chǎng)合也用來增速，稱為增速器,即降低轉(zhuǎn)矩、增大轉(zhuǎn)速。減速器的種類很多，按照傳動(dòng)類型可分為齒輪減速器、蝸桿減速器和行星減速器以及它們互相組合起來的減速器；按照傳動(dòng)的級(jí)數(shù)可分為單級(jí)和多級(jí)減速器；按照齒輪形狀可分為圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器和圓錐一圓柱齒輪減速器；按照傳動(dòng)的布置形式又可分為展開式、分流式和同軸式減速器。風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)增速器的要求比較高，一般齒輪箱很難滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)的要求。主要表現(xiàn)為：A、長(zhǎng)壽命、一般要求無檢修壽命大于 10 萬小時(shí)。B 低噪聲，一米處的噪聲的聲功率不得大于 75db。Ｃ、動(dòng)載系數(shù)大。采用增速器目的將低轉(zhuǎn)速的風(fēng)輪與高轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一致，相互匹配?，F(xiàn)采用的增速比 ， =5.24 （ ）,采用單級(jí)圓柱齒輪增速器，轉(zhuǎn)齒可做成直齒、斜iDn?6i?齒和人字齒。直齒用于速度較低（ν≤8m/s)載荷較輕的轉(zhuǎn)動(dòng)；斜齒輪用于速度較高的傳動(dòng)，人字齒輪用于載荷較重的傳動(dòng)中，箱體通常用鑄鐵做成，單件或小批生產(chǎn)有時(shí)采用焊接結(jié)構(gòu)。軸承一般采用滾動(dòng)軸承，重載或特別高速時(shí)采用滑動(dòng)軸承。增速器主要由傳動(dòng)零件（齒輪或蝸桿） 、軸、軸承、箱體及其附件所組成。本設(shè)計(jì)為單級(jí)圓柱齒輪增速器（具體見工程圖） ，其基本結(jié)構(gòu)有三大部分：1）齒輪、軸及軸承組合；2）箱體；3）增速器附件。增速器的裝配設(shè)計(jì)是按齒輪箱的裝配順序進(jìn)行的，先實(shí)現(xiàn)部件的裝配，然后再由部件裝配成為變速器。生產(chǎn)實(shí)際中將變速器分為大齒輪部件、小齒輪部件、箱座、箱蓋。先進(jìn)行大、小齒輪部件的裝配，然后再將大、小齒輪部件裝配到箱座上，最后進(jìn)行整體的裝配。下面介紹主要的裝配步驟。4.6.1 大、小齒輪部件裝配（增速器的設(shè)計(jì)與繪制 參考機(jī)械設(shè)計(jì)論壇網(wǎng)的增速器的設(shè)計(jì)與繪制專區(qū)）① 創(chuàng)建裝配模型文件進(jìn)入裝配模式，選擇下拉菜單 File【文件】中 New【新建】項(xiàng)，出現(xiàn)文件的對(duì)話框，在 type【類型 】欄中選取【組件】 ，在【子類型】中選取【設(shè)計(jì)】單選按鈕，在Name【名字】中輸入名稱 JIANSUQI。② 進(jìn)行大齒輪部件的裝配五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)34依次進(jìn)行“軸+鍵”+ “齒輪 ”+“定距環(huán)”+“軸承 ”的裝配，過程如下：（1） 調(diào)入要裝配的零件模型。點(diǎn)選菜單項(xiàng) Assemble【裝配】 ，再打開文件的對(duì)話框中選擇軸的模型文件，調(diào)入大齒輪軸的模型；再次點(diǎn)選菜單項(xiàng) Assemble【裝配】 ，再打開的對(duì)話框中選擇鍵的模型文件，調(diào)入鍵的模型。（2） 定義裝配約束。軸與鍵的裝配約束由三個(gè)：軸的鍵槽對(duì)稱面與鍵的對(duì)稱面的Align（對(duì)齊） ；鍵槽的底面與鍵的底面 Mate（貼合） ，鍵槽與鍵上對(duì)應(yīng)端的圓弧面重合，這里用 Insert（插入）實(shí)現(xiàn)。再約束定義對(duì)話框中點(diǎn)按 OK（確定） ，完成軸與鍵的裝配。（3） 加入齒輪的裝配。在上述的好模型中，加入齒輪零件模型；并定義它們之間的裝配約束，也有三個(gè)約束條件，分別為鍵槽與鍵在寬度方向上對(duì)齊、輪轂端面與軸肩端面貼合、齒輪與軸的中心線對(duì)齊。（4） 加入定距環(huán)。以同樣的方法完成定距環(huán)的組裝，裝配約束有兩個(gè)，定距環(huán)與軸的中心線對(duì)齊、定居環(huán)與輪轂另一端貼合。（5） 加入軸承。過程同上，注意有兩個(gè)軸承的裝配。③ 以同樣的方法可完成小齒輪部件的裝配。進(jìn)行小齒輪部件的裝配，見裝配如圖 4-7。圖 4-7 小齒輪和軸裝配圖、窺視孔蓋圖圖 4-8 大齒輪和軸裝配圖4.6.2 箱座部件的裝配五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)35先將大、小齒輪部件裝配倒箱座上，然后完成箱座的附件裝配。① 箱座與大齒輪部件的裝配新建箱座的裝配文件；調(diào)入箱座模型，再調(diào)入大齒輪部件裝配模型；定義裝配約束，分別是大齒輪與箱座寬度方向的對(duì)稱基準(zhǔn)面 Mate（貼合） 、大齒輪組件的軸線與箱座軸承孔的軸線的 Align（對(duì)齊）;完成箱座與大齒輪部件的裝配。② 裝配體與小齒輪部件的裝配方法同上。③ 螺塞及油尺組件裝配 調(diào)入螺塞組件；再定義裝配約束條件，分別為螺塞孔的端面與螺塞大臺(tái)肩面貼合、螺塞孔與螺塞軸線對(duì)齊；第三步調(diào)入油尺組件；定義裝配約束條件為：油尺孔端面與油尺大臺(tái)肩端面對(duì)齊、油尺 Insert（插入）到油尺孔中，完成裝配。箱座部件的裝配如圖4-9 所示。圖 4-9 下箱體裝配圖4.6.3 總裝配① 箱蓋的裝配 在箱座部件的裝配模型文件中，調(diào)入箱蓋模型；加入裝配約束條件，使箱座與箱蓋的凸緣裝配面貼合、箱座與箱蓋的大軸承孔的中心線對(duì)齊、箱座與箱蓋的定位銷孔中心線對(duì)齊。② 定位銷及螺栓的組裝 首先調(diào)入定位銷，分別加入貼合面及堆砌組裝約束條件，可完成定位銷組裝；調(diào)入螺栓，使螺刷哦頭端面與箱座沉孔表面貼合，以及螺栓及螺栓孔的軸線重合，即可完成螺栓的組裝。③ 軸承端蓋的組裝 先調(diào)入軸承端蓋，再定義約束條件，軸承端蓋的凸緣內(nèi)端面與箱體上的軸承座端面貼合、兩者的中心線重合；后調(diào)入螺釘，釘螺紋中心線與箱體螺紋孔對(duì)齊、螺釘端面與軸五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)36承端蓋端面貼合。④ 窺視孔蓋及通氣器的組裝調(diào)入窺視孔蓋，分別加入貼合及對(duì)齊，可將其裝于孔蓋上；調(diào)入螺釘加入貼合及堆砌約束，成螺釘裝配。再調(diào)入通氣器，義約束條件，完成裝配。再調(diào)入通氣器,第一約束條件,完成裝配。變速器的總裝配如圖 4-10 所示。圖 4-10 總裝配圖的分解圖4.6.4 漸開線圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)報(bào)告一、設(shè)計(jì)信息設(shè)計(jì)者 Name=何依文 設(shè)計(jì)單位 Comp=五邑大學(xué)設(shè)計(jì)日期 Date=2007-6-16 設(shè)計(jì)時(shí)間 Time=下午 04:22:11二、設(shè)計(jì)參數(shù)傳遞功率 P=10.00000 (kW) 傳遞轉(zhuǎn)矩 T=95.49000 (N.m)齒輪 1 轉(zhuǎn)速 n1=1000 (r/min) 齒輪 2 轉(zhuǎn)速 n2=190.83969 (r/min)傳動(dòng)比 i=5.24 原動(dòng)機(jī)載荷特性 SF=輕微振動(dòng)工作機(jī)載荷特性 WF=均勻平穩(wěn) 預(yù)定壽命 H=43200 (小時(shí))三、布置與結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式 ConS=閉式 齒輪 1 布置形式 ConS1=對(duì)稱布置齒輪 2 布置形式 ConS2=對(duì)稱布置四、材料及熱處理齒面嚙合類型 GFace=硬齒面 熱處理質(zhì)量級(jí)別 Q=ME齒輪 1 材料及熱處理 Met1=S17Cr2Ni2Mo齒輪 1 硬度取值范圍 HBSP1=56-62 齒輪 1 硬度 HBS1=62齒輪 1 材料類別 MetN1=0 齒輪 1 極限應(yīng)力類別 MetType1=13五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)37齒輪 2 材料及熱處理 Met2=S17Cr2Ni2Mo齒輪 2 硬度取值范圍 HBSP2=56-62 齒輪 2 硬度 HBS2=62齒輪 2 材料類別 MetN2=0 齒輪 2 極限應(yīng)力類別 MetType2=13五、齒輪精度齒輪 1 第Ⅰ組精度 J