《水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)（33頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目 錄專心-專注-專業(yè)6摘 要風(fēng)能是清潔綠色的動(dòng)力，風(fēng)力能源目前相對(duì)于我國來說還是相當(dāng)充裕的。風(fēng)力發(fā)電就是獲取風(fēng)能最主要的一種方法。風(fēng)力發(fā)電的根本工作原理，是通過風(fēng)力使其葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，然后經(jīng)過增速機(jī)把風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的速度提高到一定的值，繼而使發(fā)電機(jī)正常工作然后發(fā)電?，F(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了一定的地步，基本風(fēng)速達(dá)到3m/s的速度后，發(fā)電機(jī)就可以開使正常工作繼而發(fā)電。該課題是設(shè)計(jì)一臺(tái)小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它的基本組成部件主要有以下五種葉片發(fā)電機(jī)回轉(zhuǎn)體塔架控制系統(tǒng)等。本課題對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了基本的講述，首先計(jì)算風(fēng)輪的掃掠面積，繼而確定風(fēng)輪的直徑，選定發(fā)電機(jī)，然后通過以上計(jì)算查表選擇

2、軸承等部件，確定塔架的高度及材料，并繪制了圖紙。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；回轉(zhuǎn)體；風(fēng)輪AbstractWind power is a clean and green power, and wind power generation is quite abundant relative to our country. Wind power is the most important way to get wind energy. The basic principles and overall structure of small wind turbines are listed below.This

3、 project is to design a small horizontal axis wind power generator with a power of 2000W. The structure of the generator is a small horizontal axis wind turbine. The basic components of the generator are as follows:(1)five kinds of blade (2) generator (3) yaw device (4) tower frame (5) control syste

4、m, etc. Among them, the revolving body plays the role of orientation, support and protection in this organization.The subject has carried on the basic narration to the wind power generator, mainly carried out the detailed design and calculation of the part of the rotary body, calculated its axial an

5、d radial force by calculating its windward area, selected the generator, calculated the gravity of the wind wheel roughly, and then selected the bearing and other components through the above calculation table, and passed the real time. And draw the drawings.Key words: wind turbine; rotary body; imp

6、eller1 緒論1.1風(fēng)能資源的概述我國的風(fēng)能資源十分豐富，每年可開發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約為10億千瓦，其中，陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量約為2.53億千瓦，而海上可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約為7.5億千瓦，共計(jì)10億多千瓦。風(fēng)能是清潔綠色的源動(dòng)力，屬于可再生資源之一。并且我國的風(fēng)能儲(chǔ)量相對(duì)于其他國家而言還是占有一定優(yōu)勢(shì)的?？砷_發(fā)利用比例也非?？捎^，而且我國開采風(fēng)能技術(shù)已經(jīng)達(dá)到一定地步，比較適合開發(fā)利用風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目，能夠給國家節(jié)省資源，給國民創(chuàng)造利益。1.2風(fēng)能資源的利用風(fēng)在全球的儲(chǔ)藏量都很大，它并不會(huì)因?yàn)槿藗兇罅康拈_發(fā)利用而減少，也不會(huì)因?yàn)槠渌陀^的因素而影響，它是我們能夠開發(fā)利用并且長期使用的可再生能源。目前

7、全世界每年燃燒煤所獲得的能量，只有風(fēng)力在一年內(nèi)所提供能量的三分之一左右。也正是因?yàn)檫@樣，全世界都非常重視開發(fā)研究風(fēng)能資源，以便能夠更充分利用風(fēng)力發(fā)電。人類很早以前就對(duì)風(fēng)力發(fā)電的開發(fā)和利用進(jìn)行研究了，期間也有過很多發(fā)明，經(jīng)過人們的不懈努力，反復(fù)嘗試，現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電的制造與安裝技術(shù)正在逐步趨于完善。這對(duì)全世界來說都是一個(gè)福音。但是風(fēng)能也是有不足的地方，因?yàn)轱L(fēng)的大小并不是我們可以控制的，臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)都能在一瞬間摧毀很多建筑物，對(duì)人們?cè)斐刹豢晒懒康膿p失，所以我們不能停下對(duì)風(fēng)能開發(fā)利用的腳步，一定要攻克這個(gè)難關(guān)，讓人能夠有實(shí)力來應(yīng)對(duì)風(fēng)力過大所帶來的災(zāi)害。1.3風(fēng)能資源利用的原理我們常說的風(fēng)力發(fā)電其本質(zhì)就是

8、把風(fēng)的動(dòng)能通過葉片和發(fā)電機(jī)的組合體轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后再把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。風(fēng)力發(fā)電的根本工作原理，是通過風(fēng)力使其葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，然后經(jīng)過增速機(jī)把風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的速度提高到一定的值，繼而使發(fā)電機(jī)正常工作然后發(fā)電。現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了一定的地步，基本風(fēng)速達(dá)到3m/s的速度后，發(fā)電機(jī)就可以開使正常工作繼而發(fā)電。因?yàn)轱L(fēng)能綠色無污染，并且風(fēng)力發(fā)電在任何情況下都無需原料等原因，它已經(jīng)在慢慢的成為一種趨勢(shì)。風(fēng)輪（包括尾翼）、塔架和發(fā)電機(jī)這三個(gè)部分構(gòu)成的整體稱為發(fā)電機(jī)組，也是風(fēng)力發(fā)電需要的基本裝置。其中風(fēng)輪由兩只或兩只以上葉片組成，它是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的重要部件。風(fēng)能資源的最典型應(yīng)用就是用來發(fā)電。將風(fēng)能有效的

9、轉(zhuǎn)化為電能的有效途徑就是通過發(fā)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。通過外部風(fēng)力作用到發(fā)電機(jī)機(jī)組葉片上，使得葉片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以此帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的電機(jī)軸隨著轉(zhuǎn)動(dòng)。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)，繼而產(chǎn)生電流。將風(fēng)能有效的轉(zhuǎn)化為電能。隨著生態(tài)環(huán)境保護(hù)重要性的不斷升級(jí)，有效解決環(huán)境污染問題已經(jīng)是個(gè)破在眉捷的話題了。因此，風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用在不久的將來，勢(shì)必會(huì)成為一種重要的能源獲取形式。使用風(fēng)能發(fā)電的機(jī)構(gòu)稱為風(fēng)力發(fā)電機(jī)。這種機(jī)構(gòu)基本由三大部分組成。迎風(fēng)裝置，也就是風(fēng)輪和尾翼的組合；發(fā)電裝置，就是指發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)的形式由水平回轉(zhuǎn)形式和垂直回轉(zhuǎn)形式兩大種；最后一部分就是起到支撐整個(gè)發(fā)電機(jī)運(yùn)行工作的部件，塔架，其形式也是多種多樣，根據(jù)發(fā)電機(jī)

10、的重量大小不同，它們的承重能力也不同。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲取能量的最直接原件。因此，它的自身結(jié)構(gòu)方面要求就比較高。既需要保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在大風(fēng)或者惡略的環(huán)境中不易損壞，又需要盡可能的減輕自重，保證運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)消耗大量的能量。以至對(duì)葉片本身的材料和結(jié)構(gòu)有了更高要求。玻璃鋼是一種有機(jī)的纖維合成材料，既保留了力學(xué)性能方面的高強(qiáng)度性能，又擁有著塑料一樣小的密度，是一種很適合設(shè)計(jì)制作葉片的材料。另外，由于自然界的風(fēng)向和風(fēng)速并不穩(wěn)定，最顯著特點(diǎn)就像一首歌中描述的時(shí)而寧靜，時(shí)而瘋狂。因此，合理的設(shè)計(jì)尾翼，讓尾翼對(duì)風(fēng)向進(jìn)行調(diào)節(jié)，始終保證葉片處于迎風(fēng)狀態(tài)，能夠有效的提高發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率。相反，還有另外一種情況，就是發(fā)

11、電機(jī)轉(zhuǎn)速太高，以至于對(duì)發(fā)電機(jī)造成影響，嚴(yán)重的可能損壞設(shè)備。因此，減速裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用就成了必不可缺的結(jié)構(gòu)。剎車減速機(jī)構(gòu)一般分為兩種，一種是具有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的機(jī)構(gòu)，另一種是手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)多用于相對(duì)比較大型的發(fā)電機(jī)組。它的基本原理是，在發(fā)電機(jī)軸上安裝轉(zhuǎn)速傳感器，當(dāng)傳感器顯示的轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)設(shè)值后，系統(tǒng)通過液壓或者電磁鐵的方式，迫使剎車機(jī)構(gòu)進(jìn)行剎車，達(dá)到降低轉(zhuǎn)速的目的，進(jìn)一步保護(hù)發(fā)電設(shè)備不受損害。也可通過在電能輸出裝置上安裝電壓傳感器，憑借傳感器獲取的瞬時(shí)峰值電壓給出系統(tǒng)信號(hào)啟動(dòng)剎車裝置。鐵塔在發(fā)電機(jī)中的主要作用就是支撐，是確保發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，保證獲取風(fēng)能的一個(gè)構(gòu)架。鐵塔的選用需要根據(jù)具體的使

12、用環(huán)境而定，在滿足發(fā)電機(jī)工作風(fēng)速的情況下，具有足夠的剛性，且不能影響地面的人和物的日?；顒?dòng)。1.4風(fēng)力發(fā)電的輸出發(fā)電機(jī)發(fā)出的電是不能被直接使用的，盡管它是交流電。這是因?yàn)?，自然界的風(fēng)速是隨時(shí)改變的，發(fā)電機(jī)輸出的電能也是非常的不穩(wěn)定。這樣一來，就需要有一個(gè)裝置把不穩(wěn)定的交流電進(jìn)行轉(zhuǎn)化。將轉(zhuǎn)化以后的交流電存儲(chǔ)到蓄電池中或并入電網(wǎng)之中，再通過逆變器，將存儲(chǔ)的電能轉(zhuǎn)化為可被電器使用的工頻交流電，也就是我們熟知的220V的交流電。有的時(shí)候人們?cè)谶x用小型發(fā)電機(jī)的時(shí)候，有一個(gè)選擇誤區(qū)，認(rèn)為發(fā)電機(jī)的功率應(yīng)該大于用電器的功率。這種認(rèn)識(shí)是錯(cuò)誤的。因?yàn)椴徽摪l(fā)電機(jī)的功率大小，他都將風(fēng)能必須先存儲(chǔ)起來，存儲(chǔ)到預(yù)先設(shè)定好

13、的蓄電池中。蓄電池的容量和匹配使用的逆變器才是輸出功率大小的關(guān)鍵決定因素。在平均風(fēng)力較小的環(huán)境使用功率太大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，很有可能會(huì)因?yàn)轱L(fēng)力不足而無法帶動(dòng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而選擇一個(gè)合適大小的發(fā)電機(jī)，才能夠最為高效的將風(fēng)能源源不斷的轉(zhuǎn)化為電能。從而取得最大的利用率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用意義在實(shí)際生活中是很重要的。在貧困山區(qū)或者電力電網(wǎng)沒有完全覆蓋的區(qū)域，一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)足可以為一家人進(jìn)行日常生活的供電，在自然風(fēng)光較多的旅游景區(qū)，不但可以為景區(qū)進(jìn)行照明也，可以增加景區(qū)的特點(diǎn)。1.5風(fēng)力發(fā)電機(jī)的種類風(fēng)力發(fā)電的種類多種多樣，但是比較常見和被人們所熟知的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，根據(jù)其回轉(zhuǎn)軸的形式分類，主要有兩種形式。一是水

14、平回轉(zhuǎn)軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，另一種是垂直回轉(zhuǎn)軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。這兩種發(fā)電機(jī)的最大區(qū)別在于，風(fēng)力方向與回轉(zhuǎn)軸之間的位置關(guān)系不同。1.5.1水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是指，旋轉(zhuǎn)葉片的旋轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)的電機(jī)軸在同一個(gè)回轉(zhuǎn)軸內(nèi)，或者說，二者的中心軸共線。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)有：葉片前端的導(dǎo)流裝置，或者稱為整流罩。用于把風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的葉片。將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機(jī)。將電能進(jìn)行存儲(chǔ)的蓄電池。將直流電轉(zhuǎn)變成普通市電的裝置，逆變器。以及用于支撐發(fā)電機(jī)的塔架。和一些輔助構(gòu)件，比如說塔架固定鋼絲繩索等等。1.5.2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，還有一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)最大的特點(diǎn)就是不需要安

15、裝迎風(fēng)裝置的尾翼，氣流可以從360度方向吹過，它都能夠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，切割磁感線，進(jìn)行發(fā)電。它是利用空氣流過葉片，從而葉片產(chǎn)生對(duì)風(fēng)的阻力，既而有一個(gè)反向的作用力促使發(fā)電旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)速的增加，阻力會(huì)快速的下降，發(fā)電的效率也會(huì)隨之增加。然而它的最典型弊端就是啟動(dòng)力矩太大。因此，這種形式的使用不及水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)廣泛。2 水平軸發(fā)電機(jī)的基本功能構(gòu)成及工作原理2.1水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡介水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)整體大致由以下幾個(gè)部分組成：(1)風(fēng)葉 (2)整流罩（有的兼顧葉片固定作用）(3)發(fā)電機(jī)（主體結(jié)構(gòu)）(4)回轉(zhuǎn)體（主體結(jié)構(gòu)）(5)尾舵（調(diào)控風(fēng)向）(6)固定拉索（鋼絲繩）(7)地基（穩(wěn)住整體）(8)地腳螺

16、栓（固定設(shè)備）(9)控制器（用于把不穩(wěn)定的交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電的裝置）(10)蓄電池（儲(chǔ)存電能的裝置）(11)逆變器（將蓄電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供其他電器使用）圖1 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖2.2水平軸發(fā)電機(jī)關(guān)鍵部件詳細(xì)介紹認(rèn)知2.2.1.風(fēng)輪葉片介紹水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪一般最少可以是一個(gè)葉片，最多可以為四個(gè)葉片，但大多數(shù)都為三個(gè)葉片組成。如圖所示為葉片的幾種形式。a.層壓木制翼型 b.部分實(shí)心材料翼型c.有玻璃纖維的空心翼型 d.金屬翼型圖2 葉片結(jié)構(gòu)形式圖2.2.2發(fā)電機(jī)（1）發(fā)電機(jī)的種類小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)有兩個(gè)大的種類，一種是直流另一種是交流?，F(xiàn)在很多風(fēng)力發(fā)電機(jī)都選擇交流發(fā)

17、電機(jī)，因?yàn)榻涣靼l(fā)電機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，如質(zhì)量輕可以方便運(yùn)輸安裝，在很大程度上節(jié)省了成本，能在很小的風(fēng)力下運(yùn)行發(fā)電，能增加風(fēng)能的利用率。（2）發(fā)電機(jī)的構(gòu)造交流發(fā)電機(jī)主要是由轉(zhuǎn)子、定子、外殼和整流器組成。（3）發(fā)電機(jī)的功率發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)及研發(fā)時(shí)都會(huì)有一個(gè)額定值，但是因?yàn)轱L(fēng)速一直變化等原因，發(fā)電機(jī)的功率也會(huì)隨之變化，有時(shí)低于額定值有時(shí)高于額定值，但是由于發(fā)電機(jī)自身的限制，其輸出功率會(huì)有一個(gè)極限值。達(dá)到極限值后不會(huì)再增加輸出功率。（4）回轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)體是本課題研究的重點(diǎn)，它就像是整個(gè)裝置的脖子一樣，具有支撐和旋轉(zhuǎn)功能，是保證風(fēng)輪、尾翼正常運(yùn)作的基礎(chǔ)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)回轉(zhuǎn)體的設(shè)計(jì)安裝目前在我國種類繁多，本課題采用偏心式

18、，其結(jié)構(gòu)大致有三點(diǎn)，如下圖 圖3 回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)要素示意圖a.風(fēng)輪的仰角考慮到風(fēng)輪工作的特點(diǎn)，我們可以將回轉(zhuǎn)體上平面與水平面間設(shè)計(jì)有510的夾角。發(fā)電機(jī)安裝在回轉(zhuǎn)體上，以至于發(fā)電機(jī)會(huì)有與之相同的仰角，因此能夠增加風(fēng)輪的穩(wěn)定性。b.風(fēng)輪軸與回轉(zhuǎn)體中心的偏心距風(fēng)輪軸與回轉(zhuǎn)中心的偏心距是風(fēng)力發(fā)電機(jī)調(diào)速機(jī)構(gòu)能夠準(zhǔn)確調(diào)速的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到限定風(fēng)速時(shí)，此偏心距能夠準(zhǔn)確地產(chǎn)生一個(gè)迫使風(fēng)輪扭轉(zhuǎn)的力矩，使風(fēng)輪立即開始側(cè)偏調(diào)整。如果風(fēng)速繼續(xù)增大，風(fēng)輪扭轉(zhuǎn)力矩也會(huì)增大，風(fēng)輪則繼續(xù)側(cè)偏，直至達(dá)到限速停車的極限位置。c.尾翼后傾角和側(cè)偏角風(fēng)輪尾翼與回轉(zhuǎn)體上的尾翼通過銷軸聯(lián)結(jié)，而此銷軸在安裝時(shí)即有一個(gè)設(shè)計(jì)好的空間后傾角

19、和側(cè)偏角，由于這一空間后傾角和側(cè)偏角的存在，當(dāng)風(fēng)輪側(cè)偏調(diào)速時(shí)，尾翼逐漸翹起，翹起的尾翼在其重力的作用下企圖恢復(fù)到原來位置，一旦風(fēng)速減小，尾翼重力作用下的恢復(fù)力矩迫使尾翼回到原來位置，使風(fēng)輪迎風(fēng)。2.2.3調(diào)速機(jī)構(gòu)因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)生活中風(fēng)速大小的不確定性，像沿海地區(qū)有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)，針對(duì)這種現(xiàn)象我們就要有一個(gè)調(diào)速機(jī)構(gòu)來限制風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，如果不做限制的話，風(fēng)輪的速度就會(huì)同風(fēng)速一直增加，而我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)所選取的材料是承受不了這么大力的，進(jìn)而就會(huì)損壞風(fēng)力發(fā)電機(jī)，導(dǎo)致整體癱瘓，正是因?yàn)檫@個(gè)原因，我們才需要設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)速機(jī)構(gòu)，用來保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠穩(wěn)定工作從而有穩(wěn)定的輸出功率。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用的調(diào)速方法有三種：風(fēng)輪側(cè)偏

20、調(diào)速法；槳葉側(cè)偏調(diào)速法；空氣制動(dòng)調(diào)速法。（1）風(fēng)輪側(cè)偏調(diào)速法在工作狀態(tài)下，風(fēng)速增長至限制風(fēng)速仍繼續(xù)增長時(shí)，我們可以轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)輪，使風(fēng)輪與風(fēng)向產(chǎn)生一定夾角，降低迎風(fēng)面積，以實(shí)現(xiàn)控制風(fēng)速。如下圖所示：圖4 風(fēng)輪側(cè)偏調(diào)速發(fā)示意圖（2）槳葉側(cè)偏式調(diào)速法槳葉側(cè)偏式調(diào)速法就是當(dāng)風(fēng)速達(dá)到限定風(fēng)速時(shí)，迫使槳葉繞葉柄轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，以改變槳葉的沖角，從而改變槳葉的升力與阻力，達(dá)到調(diào)速的目的。如下圖所示：圖5槳葉側(cè)偏式調(diào)速法（3）空氣制動(dòng)調(diào)速法空氣制動(dòng)調(diào)速法就是增大槳葉阻力從而達(dá)到調(diào)速的目的。2.2.4調(diào)向機(jī)構(gòu)調(diào)向機(jī)構(gòu)對(duì)于設(shè)備整體來說具有很重要的作用，因?yàn)轱L(fēng)的方向并不是一直穩(wěn)定不變的，如果我們只是固定方向迎風(fēng)的話，效率

21、會(huì)變得非常的低，而加上調(diào)向機(jī)構(gòu)效果會(huì)截然不同，就會(huì)大大增加風(fēng)能的利用率，無論風(fēng)是從哪個(gè)方向來的，它都會(huì)迅速做出調(diào)整，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，然后帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)整體進(jìn)行工作，所以說調(diào)向機(jī)構(gòu)就像啟動(dòng)器一樣至關(guān)重要。因此設(shè)置調(diào)向機(jī)構(gòu)能夠使風(fēng)輪盡可能的捕獲風(fēng)能，進(jìn)而提高風(fēng)能的利用率。我們常常采用“尾翼調(diào)向”，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)體質(zhì)輕，這也是常用這種方式的原因之一。2.2.5手剎車機(jī)構(gòu)手剎車機(jī)構(gòu)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中阻止風(fēng)輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。主要作用是在遇到大風(fēng)天氣或者設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)可以及時(shí)有效的停止風(fēng)輪運(yùn)行，以避免其他意外發(fā)生。在一些小型的設(shè)備中，經(jīng)常采用更為簡單的方式達(dá)到這種效果，例如：在尾翼加裝尼龍繩或鋼絲繩，也可以加裝絞

22、輪裝置，通過繩索牽引改變風(fēng)輪位置。2.2.6塔架塔架是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中重要的元件之一，用來支撐整個(gè)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)，使風(fēng)輪維持一定的高度，并且在較高的風(fēng)速環(huán)境下能夠正常運(yùn)行。因此，要合理的選擇作為塔架的材料，要保證足夠的硬度，不僅能夠支撐風(fēng)輪的重量，還要克服較大的空氣阻力而不會(huì)出現(xiàn)彎曲或斷裂的現(xiàn)象。一般塔架大多數(shù)選擇空心結(jié)構(gòu)的鐵材或鋼材，通過焊接的方式做成立式結(jié)構(gòu)，不僅可以保證足夠的高度，而且硬度也基本滿足要求，還能夠節(jié)約成本。3 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪和發(fā)電機(jī)裝置的選擇確定3.1設(shè)計(jì)風(fēng)速的確定總的來說，能達(dá)到最大風(fēng)能利用系數(shù)時(shí)所選取的風(fēng)速，一般就為設(shè)計(jì)風(fēng)速?，F(xiàn)我國所選取的設(shè)計(jì)風(fēng)速也稱額定風(fēng)速，一般是8m/s

23、還有的是10m/s，因?yàn)閲榈脑?，選取好了設(shè)計(jì)風(fēng)速，就能使發(fā)電機(jī)在額定風(fēng)速下正常工作。如下表是內(nèi)蒙古風(fēng)速氣象表，通過表中可以看出5-6m/s的風(fēng)速出現(xiàn)的比重較多。表1 內(nèi)蒙古風(fēng)速氣象表地區(qū)數(shù)值指標(biāo)風(fēng)能密度w/全年積累小時(shí)數(shù)h風(fēng)速3-20m/s(約4-8級(jí))風(fēng)速6-20m/s(約4-8級(jí))風(fēng)速8-20m/s(約5-8級(jí))風(fēng)能豐富區(qū)即東南沿海、島嶼、內(nèi)蒙等地20022001000風(fēng)能較豐富區(qū)即豐富區(qū)向陸延展20-30km,青藏高原中部和北部等15060001500800風(fēng)能可利用區(qū)即兩廣沿海，大小興安嶺等地50-1502000-4000500-1500 表2 內(nèi)蒙古某地區(qū)氣象站觀測(cè)2004年平均

24、風(fēng)速表月份123456789101112風(fēng)速m/s4.65.35.85.85.64.94.94.74.85.55.25.3表3 風(fēng)力等級(jí)參照表風(fēng)級(jí)名稱風(fēng)速m/sKm/h陸地地面物像海面波浪浪高m最高m0無風(fēng)0.0-0.232.6117摧毀極大海浪滔天14.0-通過上表，我們?yōu)榱俗岋L(fēng)的利用率提高，決定選擇8m/s作為設(shè)計(jì)風(fēng)速。3.2 風(fēng)輪外形的計(jì)算3.2.1風(fēng)能利用系數(shù)Cp風(fēng)能利用系數(shù)Cp的物理意義:風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的轉(zhuǎn)換效率。貝茲在20世紀(jì)30年代創(chuàng)立了氣動(dòng)理論。在貝茲的理想化假設(shè)下得出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的理論最大效率Cp=0.593。因?yàn)橐陨蠟槔硐牖Y(jié)論，可知風(fēng)能利用效率是有一定限制的，

25、所以現(xiàn)實(shí)中應(yīng)該為Cp0.593。3.2.2風(fēng)輪的掃掠面積確定掃掠面積內(nèi)的未擾動(dòng)氣流所含風(fēng)能的百分比。可用下式表示：Cp=P/(1/2SV) 公式（1）式中：P風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際獲得的輸出功率；-空氣密度 備注：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下=1.2928kg/m3，考慮到氣溫等因素本處計(jì)算取=1.2kg/m3 S風(fēng)輪的掃掠面積；V風(fēng)速。此時(shí)，根據(jù)公式1，變形得到S=P/(1/2*V*Cp) 公式（2）此時(shí)，因?yàn)闀喝★L(fēng)速為 8m/s,（在第三章，3.1節(jié)中確定的風(fēng)速）風(fēng)能利用系數(shù)CP在此暫取為 0.5. 綜合以上所述，根據(jù)公式（2），計(jì)算出風(fēng)輪的掃掠面積S。S=P/(1/2*V*Cp) =2000/（1/2*1.2*5

26、12*0.5）=13.023.2.3風(fēng)輪直徑的確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的掃掠面積是指風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)掃過的面積在垂直于風(fēng)向的投影面積，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)截留風(fēng)能的面積，稱為風(fēng)力機(jī)的掃掠面積，如下圖所示，是一個(gè)典型三葉片水平軸風(fēng)力機(jī)的掃掠面積示意圖。根據(jù)圓周面積S=R 公式（3）風(fēng)輪直徑可由下列公式進(jìn)行估算:風(fēng)葉長度R=2.03m(包含中間整流護(hù)罩),最后取整2m.圖6 典型三葉片水平軸風(fēng)力機(jī)的掃掠面積示意圖3.2.4回轉(zhuǎn)體水平軸向力的計(jì)算從水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理（第二章，第2.1節(jié)）我們知道，葉片受到風(fēng)壓產(chǎn)生的作用力，會(huì)傳遞給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)在傳遞給回轉(zhuǎn)體。所以，回轉(zhuǎn)體承受水平軸向推力即是風(fēng)壓對(duì)葉片產(chǎn)生的壓力。先從

27、風(fēng)壓的概念了解入手。風(fēng)壓就是垂直于氣流方向的平面所受到的風(fēng)的壓力，風(fēng)壓以單位面積上的風(fēng)的動(dòng)壓來表示：W=1/2V2 =0.6V2 公式（4）根據(jù)公式4，可以得出風(fēng)力發(fā)電機(jī)在軸向上受到的動(dòng)壓W：單位平方米的動(dòng)壓W=38.4N/m(在第三章，3.1節(jié)中確定了風(fēng)速的大小)結(jié)合掃掠面積S=13.02（在第三章，3.2.2節(jié)中確定掃掠面積）軸向壓力公式F=W.S得到軸向壓力F=W.S=38.4X13.02=500N另外，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，把風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)速分為5級(jí)，按年平均風(fēng)速10 m/s、8.5 m/s、7.5 m/s、6 m/s四種風(fēng)速和特殊設(shè)計(jì)風(fēng)速一個(gè)（本處設(shè)為8m/s），我們?cè)僭黾油C(jī)風(fēng)速20 m

28、/s和起動(dòng)風(fēng)速3 m/s共七個(gè)風(fēng)速來計(jì)算單位面積（每平方米）的風(fēng)功率與風(fēng)壓，計(jì)算所得數(shù)據(jù)填于下表。此表可以對(duì)風(fēng)壓力進(jìn)行大致的估算，在今后設(shè)計(jì)工作中，能夠大幅提高設(shè)計(jì)工作效率。表4 風(fēng)速、風(fēng)功率、風(fēng)壓對(duì)照表風(fēng)速（m/s）2013108.57.563風(fēng)壓力（W/）240110604334225.4風(fēng)功率（N/）4800131860036925312916.23.2.5 發(fā)電機(jī)的選擇確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率計(jì)算有如下公式P=0.5*A*Cp*V 公式（5）A-扇葉掃掠面積，前面計(jì)算得知A=13.02-空氣密度，前面取定=1.2kg/m3V-風(fēng)速，前面取定V=8m/s Cp-風(fēng)能利用率。前面取定Cp=

29、0.5P發(fā)電機(jī)為輸出功率 風(fēng)能轉(zhuǎn)換電能效率，根據(jù)表5，取=35% 得知發(fā)電機(jī)最大功率P1=5.7KW表5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率表風(fēng)輪形式全效率阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)（平板式）不超過12%阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)（風(fēng)杯式）不超過7%阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)（S型）不超過25%升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)15%-30%多葉片風(fēng)輪水平軸風(fēng)力機(jī)10%-30%扭曲葉片風(fēng)輪水平軸風(fēng)力機(jī)1-10kw15%-35%扭曲葉片風(fēng)輪水平軸風(fēng)力機(jī)10-100kw30%-45%扭曲葉片風(fēng)輪水平軸風(fēng)力機(jī)100kw以上35%-50%根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)，現(xiàn)選擇山東寧津晟成風(fēng)電設(shè)備公司的3KW發(fā)電機(jī)可以滿足該設(shè)計(jì)使用要求。該風(fēng)力發(fā)電機(jī)主體結(jié)構(gòu)為150Kg。該

30、參數(shù)表中標(biāo)定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)輸毛重為199 Kg，考慮安全系數(shù)1.2，即對(duì)支撐塔架的正壓力為2400N.表6 山東寧津晟成風(fēng)電設(shè)備公司3kw發(fā)電機(jī)各參數(shù)表型號(hào)FD4.0-3.0葉片數(shù)量3額定功率3kw葉片材質(zhì)增強(qiáng)玻璃鋼最大功率4.5kw發(fā)電機(jī)型號(hào)三相交流永磁工作電壓DC38v/AC220v碳鋼型號(hào)釹鐵硼N35SH額定電壓DC/v48,96,120,240額定電流A62.5,31,25,12.5啟動(dòng)風(fēng)速m/s3發(fā)電機(jī)殼體鑄鐵額定風(fēng)速m/s10控制器系統(tǒng)電磁+偏航安全風(fēng)速m/s40工作溫度零下40零下60度主體凈重Kg150設(shè)計(jì)壽命20年額定轉(zhuǎn)速r/min300包裝尺寸m2.0*0.70*0.43

31、風(fēng)輪直徑m4運(yùn)輸毛重Kg1994 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)回轉(zhuǎn)體的設(shè)計(jì)與計(jì)算4.1回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)定（1）根據(jù)第二章內(nèi)容，發(fā)電機(jī)組的基本功能構(gòu)成及工作原理中，對(duì)回轉(zhuǎn)體的理論介紹。（第二章，第2.2.2節(jié)，第四條）現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)做如下設(shè)定。a.取定風(fēng)輪的仰角為5，決定了回轉(zhuǎn)體電機(jī)回轉(zhuǎn)軸與水平面呈+5夾角。b.取定風(fēng)輪軸與回轉(zhuǎn)體中心偏心距100mm。c.取定尾翼后傾角為4d.取定尾翼側(cè)偏角為8（2）經(jīng)過前面的設(shè)計(jì)和計(jì)算中，已知如下基本條件；(3.2.4節(jié)和3.2.5節(jié)內(nèi)容)1）回轉(zhuǎn)體受到的水平軸向力，即是葉片受到風(fēng)力作用產(chǎn)生的正壓力.F1=500N2）根據(jù)發(fā)電機(jī)及配套部件，再加上安全系數(shù)，估算塔架承受重力為2

32、400N.即是軸承需要承受的軸向力F2為2400N。4.2 軸承的計(jì)算與選用4.2.1軸承的功能與作用1）支承軸及其軸上的零件，并保持軸的旋轉(zhuǎn)精度。2）減少轉(zhuǎn)軸與支承件間的摩擦和磨損。3) 潤滑油的作用：降低摩擦損耗、減少磨損、冷卻、吸振、防銹等。4.2.2 軸承的查表選用 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，軸承壽命的計(jì)算公式如下，單位小時(shí)h公式（6） 其中C額定動(dòng)載荷P當(dāng)量動(dòng)載荷考慮各種環(huán)境因素，增加了軸承計(jì)算的設(shè)計(jì)系數(shù)，得到下方的公式。表7 軸承計(jì)算各設(shè)計(jì)系數(shù)表工作中沖擊振動(dòng)c引進(jìn)載荷系數(shù)f進(jìn)行修正載荷性質(zhì)無沖擊或輕微沖擊中等沖擊強(qiáng)烈沖擊p1.01.81.21.81.83.0 修正結(jié)果：軸承壽命公式壽

33、命指數(shù)：=3-球軸承或=10/3-滾子軸承用小時(shí)表示：Lh=106/60n（c/p）h當(dāng)t100是，C引進(jìn)溫度系數(shù)t進(jìn)行修正。表8 溫度系數(shù)表軸承工作溫度100125150200250300溫度系數(shù)10.950.900.800.700.60根據(jù)前面分析已知，軸承主要承受正壓力F2和徑向力F1。因角接觸球軸承可同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷。能夠在較高的轉(zhuǎn)速下工作。接觸角越大，軸向承載能力則越高。在軸向力作用下，接觸角會(huì)增大。本設(shè)計(jì)中軸襯受到軸向力大約是徑向力的5倍。因此根據(jù)表9選用軸承類型為角接觸球軸承。表9 軸承類型表軸承類型簡圖結(jié)構(gòu)形式代號(hào)標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)深溝球軸承60000GB/T 276角接觸軸承

34、7000C7000AC7000BGB/T 292因?yàn)楝F(xiàn)有F2=2400N,F1=500N.即F25F1. 軸承所承受的推力更大。根據(jù)下圖選擇公稱接觸角范圍為045的軸承，以承受軸向載荷為主。（重力）a=0 0a45 45aeA/ReeXYXY深溝球軸承0.562.31.991.71.100.190.220.26.角接觸軸承a=15度0.441.471.401.30100.380.400.23a=25度0.410.87100.68a=40度0.350.57101.14當(dāng)量動(dòng)載荷P= X Fr+Y Fa=0.35X500+0.57X2400=1543N此時(shí)軸承選定為B系列根據(jù)軸承的使用場合，選出軸

35、承的使用壽命為40008000小時(shí)即可。此時(shí)選定上限為5000小時(shí)。表11 軸承預(yù)期使用壽命推薦值使用條件預(yù)期使用壽命L不經(jīng)常使用的儀器和設(shè)備300-3000短期或間斷使用的機(jī)械，如手動(dòng)機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等3000-8000間斷使用的機(jī)械，如發(fā)電站輔助設(shè)備、流水作業(yè)傳送設(shè)備等8000-12000根據(jù)表7,選出軸承的載荷系數(shù)為fp=1.2根據(jù)表8,選出軸承的溫度系數(shù)為ft=1設(shè)計(jì)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)高頻率的轉(zhuǎn)動(dòng)，假定最高轉(zhuǎn)速為n=50r/min滾子軸承壽命指數(shù)取為 =10/3根據(jù)公式 公式（8）可以得出額定動(dòng)載荷C=3206N=4.32KN因此，只要軸承額定載荷C計(jì)算處的理論動(dòng)載荷C即可。表12

36、單列角接觸球軸承各尺寸及系數(shù)基本尺寸額定負(fù)荷軸承代號(hào)dDbCrCor7000型6011011011022222261.058.556.048.546.244.57212C7212AC7212B7012512512524242470.269.270.260.057.557.27214C7214AC7214B兼顧本設(shè)計(jì)中，發(fā)電機(jī)的導(dǎo)線需要從回轉(zhuǎn)體中穿過，這樣設(shè)計(jì)能夠保護(hù)電纜，增加其使用壽命。所以，我們選則使用中空的軸作為回轉(zhuǎn)體支撐，這樣軸襯的外形就會(huì)增大。前面已經(jīng)定義選用B系列軸承，此時(shí)按照表10中單列角接觸球軸承的7214B選型。該軸承額定動(dòng)載荷C0=70.2KN ,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我們計(jì)算的額定當(dāng)量動(dòng)

37、載荷4.32KN。完全滿足使用需求。查表得知軸承的基本尺寸如下。內(nèi)徑：60mm 外徑：110mm 厚度22mm此時(shí)，可得到回轉(zhuǎn)體軸承安裝孔的尺寸。為使內(nèi)部軸向力平衡，以免軸串動(dòng)，我們?cè)黾邮褂昧硪粋€(gè)角接觸球軸承，對(duì)稱安裝。具體選用型號(hào)為7214B，該軸承的尺寸通過查閱表得：內(nèi)徑：70mm 外徑：125mm 厚度：24mm軸承公差等級(jí)選用原則如下：a.在中等載荷、中等轉(zhuǎn)速以及旋轉(zhuǎn)精度要求不高的一般傳動(dòng)裝置中可選用P0級(jí)b.在轉(zhuǎn)速較高和旋轉(zhuǎn)精度要求較高的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，可選用P6、P5c.在高速、高精度的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，可選用P4、P2級(jí)綜上所述，本例軸承選用中等精度等級(jí)即可，我們選取P6等級(jí)的精度。根據(jù)前

38、期的各種零部件的計(jì)算以及教科書中關(guān)于公差的配合知識(shí)，最后得出公差等級(jí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)，并查出其對(duì)應(yīng)值。軸承組合的配合,配合類型為：(1)內(nèi)圈孔-軸-基孔制-軸公差：k6、m6(2)外圈-軸承孔座-基軸制-孔公差：H7、J7、Js7 游動(dòng)支點(diǎn)：G7此時(shí)，回轉(zhuǎn)體的基本結(jié)構(gòu)和加工尺寸就確立了。5 塔架5.1塔架高度的確定在大自然中，風(fēng)其實(shí)就是大氣中空氣的流動(dòng)，產(chǎn)生的原因就是大氣壓不平衡、不均勻，所以氣體會(huì)由氣壓高的地方流向氣壓低的地方，類似于水的流動(dòng)。一般來說，大氣平流層以下的范圍內(nèi)，高度越高空氣流動(dòng)速度越大，也就是說風(fēng)速是不斷地隨著高度的增加而增大的。而塔架越高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單位面積所能夠利用的風(fēng)能就越大，

39、但隨之的造價(jià)，技術(shù)方面上的要求以及安裝的困難程度也會(huì)隨之增加。所以，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架并非越高越好，而要綜合考慮技術(shù)與經(jīng)濟(jì)這兩個(gè)因素。這樣來說，塔架的高度實(shí)際上就被限制在一定的范圍之內(nèi)。塔架的最低高度為Hmin=h+C+R （公式9）式中：h接近風(fēng)力機(jī)的障礙物高度；取h=20m C由障礙物最高點(diǎn)到風(fēng)輪掃掠面最低點(diǎn)的距離（常取C=1.52.0m）； R風(fēng)輪半徑，R=2m由以上數(shù)據(jù)可得Hmin=20+2+2=24m， 取H=24m5.2 塔架材料的確定一般塔架大多數(shù)選擇空心結(jié)構(gòu)的鐵材或鋼材，現(xiàn)選用Q345B鋼，空心結(jié)構(gòu)，通過焊接的方式做成立式結(jié)構(gòu)，不僅可以保證足夠的高度，而且硬度也基本滿足要求，還節(jié)

40、約成本。5.3 整體建模效果圖圖8 整體裝配圖總 結(jié)本設(shè)計(jì)以小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為研究對(duì)象，對(duì)其設(shè)計(jì)、理論進(jìn)行了一系列的研究及探討。首先對(duì)國內(nèi)國外的風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的歷史及風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展?jié)摿ψ隽嗽敿?xì)的闡述，然后簡單介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的幾個(gè)關(guān)鍵部件，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)各部分進(jìn)行設(shè)計(jì)了計(jì)算，對(duì)其中幾個(gè)重要零件如風(fēng)輪系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)、軸承等進(jìn)行了方案選擇，并進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算說明。最后通過計(jì)算機(jī)畫圖軟件對(duì)其各部分零件進(jìn)行了分析然后畫圖，完成了最終的設(shè)計(jì)，結(jié)束本次的課題研究。參考文獻(xiàn)1丁元杰.風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理與應(yīng)用M.機(jī)械工業(yè)出版社.2012.2劉萬琨，張志英.風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社

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43、rlds Untapped Wind-Power Resources. Electricity Power Components and Systems. No.12, p. 32. 致 謝在此首先我要感謝賈老師，感謝她在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)候悉心的輔導(dǎo)，教會(huì)我如何設(shè)計(jì)自己的課題，如何把自己的想法融入其中。在此過程中，我遇到了許多困惑性問題，曾多次與老師進(jìn)行交流，做過多次更改,讓我將理論知識(shí)和實(shí)踐作圖相結(jié)合，將我在學(xué)校所學(xué)習(xí)的知識(shí)進(jìn)行了綜合的應(yīng)用，讓我深刻的懂得“學(xué)以致用”，在完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，我從簡單的思想構(gòu)設(shè)到一點(diǎn)點(diǎn)出圖，由零件圖再到裝配圖，在此過程經(jīng)常查閱相關(guān)書籍，與同學(xué)深刻討論，最終將難題一一突破。在畢業(yè)之際，我還要感謝我大學(xué)所有的任課老師，感謝他們的諄諄教導(dǎo)，感謝我們?cè)?jīng)一起深刻研討的同學(xué)，希望通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，能夠提升一下我的自身能力，為踏入社會(huì)做好鋪墊。祝愿所有畢業(yè)同學(xué)前程似錦，有個(gè)好的工作之路！