垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究報(bào)告1. 垂直軸與水平軸對比 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，有其特有的優(yōu)點(diǎn)：水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙放置在高高的塔頂，而且是一個(gè)可旋轉(zhuǎn)360度的活動(dòng)聯(lián)接機(jī)構(gòu)，這就造成機(jī)組重心高，不穩(wěn)定，而且安裝維護(hù)不便。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)，齒輪箱放置在底部，重心低，穩(wěn)定，維護(hù)方便，并且降低了成本。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的客戶越來越需要使用壽命長、可靠性高、維修方便的產(chǎn)品。垂直軸風(fēng)輪的翼片在旋轉(zhuǎn)過程中由于慣性力與重力的方向恒定，因此疲勞壽命要長于水平軸風(fēng)輪；垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的構(gòu)造緊湊，活動(dòng)部件少于水平軸風(fēng)力機(jī)，可靠性較高；垂直軸系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)可以放在風(fēng)輪下部甚至地面上，因而便于維護(hù)。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于高度限制和周圍地貌引發(fā)的亂流，常常處于風(fēng)向和風(fēng)強(qiáng)變化劇烈的情況，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)有克服“對風(fēng)損失”和“疲勞損耗”上有水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)不可比的優(yōu)點(diǎn)，且理論風(fēng)能利用率可達(dá)40以上因此在考慮了較小的啟動(dòng)風(fēng)速和對風(fēng)力機(jī)影響較大的“對風(fēng)損失”之后，從而提高垂直軸風(fēng)輪的風(fēng)能實(shí)際利用率。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)倉需360度旋轉(zhuǎn)，達(dá)到迎風(fēng)目的。這個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)包含有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，風(fēng)向檢測，角位移發(fā)送，角位移跟蹤等系統(tǒng)。垂直軸風(fēng)力機(jī)不要迎風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以接受360度方位中任何方向來風(fēng)，主軸永遠(yuǎn)向設(shè)計(jì)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的翼片受到正面風(fēng)載荷力，離心力，翼片結(jié)構(gòu)相似懸臂梁。翼片根部受到很大彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力。而且翼片在旋轉(zhuǎn)一周的過程中，受慣性力和重力的綜合作用，慣性力的方向是隨時(shí)變化的，而重力的方向始終不變，這樣翼片所受的就是一個(gè)交變載荷，這就要求翼片有很高的的疲勞強(qiáng)度，因此大量事故都是翼片根部折斷。而垂直軸風(fēng)機(jī)的翼片主要承受拉應(yīng)力，不易折斷，壽命長。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組翼片的尖速比高，一般在57左右，在這樣的高速下翼片切割氣流將產(chǎn)生很大的氣動(dòng)噪音，導(dǎo)致噪聲污染。垂直軸風(fēng)力機(jī)翼片的尖速比較水平軸的要小的多，這樣的低轉(zhuǎn)速基本上不產(chǎn)生氣動(dòng)噪音，無噪音帶來的好處是顯而易見的，以前因?yàn)樵胍魡栴}不能應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的場合(城市公共設(shè)施、民宅等)，現(xiàn)在可以應(yīng)用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，因此，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)比水平軸有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。2.垂直軸風(fēng)機(jī)風(fēng)輪設(shè)計(jì)2.1 風(fēng)能空氣的流動(dòng)現(xiàn)象稱為風(fēng)，風(fēng)是由于不同地方的空氣受熱不均勻，從一個(gè)地方向另一個(gè)地方運(yùn)動(dòng)的空氣分子產(chǎn)生的，風(fēng)的能量就是空氣分子的動(dòng)能，如圖所示。圖1 空氣流的動(dòng)能風(fēng)功率計(jì)算公式為聯(lián)立以上各式得 2.2 風(fēng)能利用率Cp風(fēng)能利用系數(shù)Cp是表示風(fēng)力機(jī)效率的重要參數(shù)，由于風(fēng)通過風(fēng)輪的風(fēng)能不能完全轉(zhuǎn)化為風(fēng)輪機(jī)械能，其風(fēng)能利用率Cp為其中Pm為風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率；Pw為風(fēng)力機(jī)輸入的風(fēng)能。目前大多數(shù)垂直軸風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率能達(dá)到0.4左右。如按0.4的風(fēng)能利用率來計(jì)算，風(fēng)機(jī)功率為1000W，則風(fēng)能為。根據(jù)上面公式可以求得，若滿載額定風(fēng)速為20m/s的話，S=0.5m2，顯然設(shè)定的額定風(fēng)速越低，S將越大。 ，S為掃風(fēng)的截面積，r是翼片距軸的距離也是風(fēng)輪的半徑，L為翼片的高。如要達(dá)到1000W的風(fēng)機(jī)功率，則掃風(fēng)截面積不能小于0.5m2，則若r取0.25m的話，L為1m。可以采用目前天津工廠頂部風(fēng)機(jī)形狀。風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩：2.3 葉尖速比葉尖速比表示風(fēng)輪在不同風(fēng)速中的狀態(tài)，用葉片的圓周速度和風(fēng)速之比來衡量。 式中：n風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，； 風(fēng)輪角速度，； R風(fēng)輪半徑，m。尖速比決定了風(fēng)輪的功率，對于定槳距風(fēng)輪，隨風(fēng)速的增加其轉(zhuǎn)速也增加。在這種情況下，輸出功率（同風(fēng)速的立方成正比）也增加。但是輸出功率增加并不意味著風(fēng)能利用率也增加，一般而言，減速比和風(fēng)能利用率曲線近似一條倒拋物線。根據(jù)葉尖轉(zhuǎn)速比與Cp的關(guān)系及Cp與輸出功率之間關(guān)系，我們可以知道在風(fēng)速固定時(shí)，不同的轉(zhuǎn)速即對應(yīng)不同的葉尖轉(zhuǎn)速比，也即對應(yīng)不同的Cp值，也即對應(yīng)不同的輸出功率，這樣如果設(shè)定不同的風(fēng)速，就可以得到風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下輸出功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，如下圖所示：圖2 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與輸出功率及風(fēng)速曲線圖從上圖可以看出在某一種風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械功率隨轉(zhuǎn)速的不同而變化，其中有一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)速。在該轉(zhuǎn)速下，風(fēng)力機(jī)輸出最大的機(jī)械功率。它與風(fēng)速的關(guān)系是最佳葉尖速比關(guān)系。在不同風(fēng)速下均有一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)速使風(fēng)力機(jī)輸出最大機(jī)械功率。從而得到一條最大輸出機(jī)械功率曲線，處于這條曲線上的任何點(diǎn)，其轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的關(guān)系均為最佳葉尖速比關(guān)系。合理的選取最優(yōu)尖速比可使風(fēng)輪功率達(dá)到峰值。一般垂直軸風(fēng)機(jī)葉尖速比選擇在48之間，建議選擇6，越低噪音低，但是功率也比較難做大。3 H型垂直軸風(fēng)機(jī)翼片一般超過500W的垂直軸風(fēng)機(jī)，都采用H型翼片或型翼片。圖3 H型垂直軸風(fēng)機(jī)圖4 型垂直軸3.1 翼片選型翼片是利用氣流通過時(shí)產(chǎn)生的壓力差使葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的部件，具有空氣動(dòng)力學(xué)特性，其設(shè)計(jì)質(zhì)量對整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其他零部件有這直接影響，因此翼片是風(fēng)力機(jī)的重要部件。翼片的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要有：1. 良好的空氣動(dòng)力外形；2. 可靠地結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；3. 合理的翼片剛度；4. 良好的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性和啟動(dòng)穩(wěn)定性；5. 耐腐蝕、方便維修；6. 滿足以上目標(biāo)前提下，盡可能減輕翼片重量，降低成本。風(fēng)力機(jī)的翼型多種多樣，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用較多的有NACA翼型系列、SERI翼型系列、NREL翼型系列、RIS翼型系列和FFA-W翼型系列等，其中NACA翼型是美國國家宇航局（NASA）的前身國家航空咨詢委員會(huì)（NACA）提出設(shè)計(jì)的翼型系列，具有低阻力系數(shù)的特點(diǎn)，適合低速運(yùn)行。3.2 翼片實(shí)度風(fēng)力機(jī)翼片的總面積與風(fēng)通過風(fēng)輪的面積（風(fēng)輪掃掠面積）之比稱為實(shí)度比（容積比），是風(fēng)力機(jī)的一個(gè)參考數(shù)據(jù)。垂直軸風(fēng)力機(jī)的翼片實(shí)度計(jì)算公式為：升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪，C為翼片弦長，N為翼片個(gè)數(shù)，R為風(fēng)輪半徑，L為翼片長度，為實(shí)度比。合理選取實(shí)度比的原則是在保證風(fēng)輪氣動(dòng)特性的條件下，力求使制造翼片的費(fèi)用最低。為了最大限度提高動(dòng)效率，翼型特性應(yīng)具有下列要求： 1. 升力系數(shù)斜度大；2. 阻力系數(shù)??；3. 阻力系數(shù)與零升角對稱。根據(jù)一些資料描述，NACA0012的阻力系數(shù)較小，選用較低阻力系數(shù)NACA0012對稱翼型。由于NACA0012是對稱翼型，在下圖左側(cè)數(shù)據(jù)表中僅列出了單邊的數(shù)據(jù)，表中c是弦長（弦長為1.00）；x是弦長坐標(biāo)（單位是x/c）；y是對應(yīng)x位置的翼面與弦的距離（單位是y/c）。圖5 NACA0012翼型參數(shù)實(shí)度比選擇在0.50.6范圍內(nèi)較好。為此可以得出風(fēng)輪翼片的弦長：可以采用的翼片弦長0.4m，數(shù)據(jù)只需將表中各數(shù)字適當(dāng)縮放即可5。3.3 翼片形狀及材料翼片截面結(jié)構(gòu)為主梁蒙皮式，表面材料為鋁合金，主梁采用單向承載能力強(qiáng)的硬鋁材料，O型主梁結(jié)構(gòu)制造簡單，各向受力均衡。翼片空心處用聚氨酯泡沫材料填充,剖面形式如圖所示。圖6 翼片剖面主梁可直接焊接與鋁合金蒙皮上，待主梁與蒙皮連接完成后，在空腹結(jié)構(gòu)內(nèi)填入聚氨酯直接發(fā)泡填充成型。由此，風(fēng)力機(jī)的基本參數(shù)可以確定，如表所示。表 風(fēng)力機(jī)參數(shù)額定風(fēng)速平均效率葉尖速比設(shè)計(jì)功率10m/s40%61000W4 電氣設(shè)備及傳動(dòng)設(shè)計(jì)4.1 硅整流交流發(fā)電機(jī)硅整流交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)硅整流交流發(fā)電機(jī)由一臺三相同步交流發(fā)電機(jī)和硅二極管整流器組成。發(fā)電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的三相交流電通過整流器進(jìn)行三相橋式全波整流后轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。硅整流交流發(fā)電機(jī)是由轉(zhuǎn)子、定子、整流器、端蓋、風(fēng)扇葉輪等組成。圖7 硅整流交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子用來在發(fā)電機(jī)工作時(shí)建立磁場。它由壓裝在轉(zhuǎn)子軸上的兩塊爪形磁極、兩塊磁極之間的勵(lì)磁繞組和壓裝在轉(zhuǎn)子軸上的兩個(gè)滑環(huán)組成。兩個(gè)滑環(huán)彼此絕緣并與軸絕緣。勵(lì)磁繞組的兩端分別焊接在兩個(gè)滑環(huán)上。定子用來在發(fā)電機(jī)工作時(shí)，與轉(zhuǎn)子的磁場相互作用產(chǎn)生交流電壓。它由內(nèi)圓帶槽的硅鋼片疊成的鐵心和對稱地安裝在鐵心上的三相定子繞組組成。三相定子繞組按星形或按三角形接法連接。按星形接法連接時(shí)，三相繞組的首端分別與整流器的硅二極管相連，三相繞組的尾端連在一起作為發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)。按三角形接法連接時(shí)，將三相繞組中一相繞組的首端與另一相繞組的尾端相連，并將聯(lián)接點(diǎn)接整流器的硅二極管。整流器是由6個(gè)硅二極管組成的三相橋式全波整流電路，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)將三相定子繞組中產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。在?fù)極搭鐵的發(fā)電機(jī)中，3個(gè)二極管的殼體為負(fù)極，壓裝在與發(fā)電機(jī)機(jī)體絕緣的元件板上，并與發(fā)電機(jī)的輸出端(正極)相連，其引線為二極管的正極，稱為正極二極管；另外3個(gè)二極管的殼體為正極，壓裝在不與機(jī)體絕緣的元件板上，或直接壓裝在電刷端蓋上，作為發(fā)電機(jī)的負(fù)極，其引線為負(fù)極，稱為負(fù)極二極管。驅(qū)動(dòng)端蓋和電刷端蓋作為發(fā)電機(jī)的前后支撐。電刷端蓋上裝有電刷架和兩個(gè)彼此絕緣的電刷，并通過電刷彈簧，使電刷與轉(zhuǎn)子軸上的兩個(gè)滑環(huán)保持接觸，電刷的引線分別與電刷端蓋上的兩個(gè)磁場接線柱相連(外搭鐵式交流發(fā)電機(jī))，或一個(gè)與磁場接線柱相連，另一個(gè)在發(fā)電機(jī)內(nèi)部搭鐵(內(nèi)搭鐵式交流發(fā)電機(jī))。發(fā)電機(jī)的整流器總成也安裝在驅(qū)動(dòng)端蓋上，以有利于檢修。獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)力機(jī)葉片多數(shù)是固定槳距的，當(dāng)風(fēng)力變化時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨之變化，與風(fēng)機(jī)相連的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之變化，因而發(fā)電機(jī)的出口電壓也會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，這將導(dǎo)致硅整流器輸出的直流電壓及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化，并造成勵(lì)磁磁場的變化，這樣又造成發(fā)電機(jī)出口電壓的波動(dòng)。這種連鎖反應(yīng)是的發(fā)電機(jī)的出口電壓的波動(dòng)范圍不斷增加。顯而易見，如果電壓的波動(dòng)得不到控制，在向負(fù)載供電的情況下，將會(huì)影響供電質(zhì)量，甚至損壞用電設(shè)備。此外獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都帶有儲(chǔ)能電池組，電壓的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電池組的過充電，從而降低電池組的使用壽命。在工作過程中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是不斷變化的，要使發(fā)電機(jī)端電壓保持不變，可以通過改變磁通的大小來進(jìn)行調(diào)節(jié)，而磁通的大小是由勵(lì)磁電流決定的。因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增高時(shí)，可以減小勵(lì)磁電流使磁通減小，保持發(fā)電機(jī)的輸出電壓不變;反之，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，增大勵(lì)磁電流。因此電壓調(diào)節(jié)器的作用就是在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，自動(dòng)改變勵(lì)磁電流的大小，使發(fā)電機(jī)輸出電壓保持不變。所以可以在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路中串聯(lián)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，實(shí)質(zhì)是串入可切換電阻，改吧了勵(lì)磁回路的阻抗特性，進(jìn)而改變了勵(lì)磁電流的大小。4.2 電氣系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖所示，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由電壓繼電器V1、電流繼電器I1、逆流繼電器I2及其所控制的動(dòng)斷觸電V1、I1和動(dòng)合觸電I2以及電阻R2等組成。圖8 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁圖勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的作用是使發(fā)電機(jī)能自動(dòng)調(diào)節(jié)其勵(lì)磁電流（即勵(lì)磁磁通）的大小，來抵消因風(fēng)速變化而導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化對發(fā)電機(jī)端電壓的影響。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，發(fā)電機(jī)端電壓低于額定值時(shí)，電壓繼電器V1不動(dòng)作，其動(dòng)斷觸點(diǎn)V1閉合，硅整流器輸出端電壓直接施加在勵(lì)磁繞組上，發(fā)電機(jī)屬于正常勵(lì)磁狀態(tài)；當(dāng)風(fēng)速加大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增高，發(fā)電機(jī)端電壓高于額定電壓時(shí)，動(dòng)斷觸電V1斷開，勵(lì)磁回路中被串入了電阻R2，勵(lì)磁電流及磁通隨之減小，發(fā)電機(jī)輸出端電壓隨之下降；當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓降至額定值時(shí)，觸點(diǎn)V1重新閉合，發(fā)電機(jī)恢復(fù)到正常勵(lì)磁狀態(tài)。電壓繼電器工作時(shí)發(fā)電機(jī)端電壓與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖所示。圖9 發(fā)電機(jī)端電壓與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，當(dāng)用戶投入的負(fù)載過多時(shí)，可能出現(xiàn)負(fù)載電流過大超過額定值的狀況，如果不加以控制，使發(fā)電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行，會(huì)對發(fā)電機(jī)的使用壽命有較大的影響，甚至損壞發(fā)電機(jī)的定子繞組。電流繼電器的作用是為了抑制發(fā)電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行。電流繼電器I1的動(dòng)斷觸點(diǎn)I1串接在發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁回路中，發(fā)電機(jī)輸出的負(fù)荷電流則通過電流繼電器的繞組；當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸出電流低于額定值時(shí)，繼電器不工作，動(dòng)斷觸點(diǎn)I1閉合，發(fā)電機(jī)屬于正常勵(lì)磁狀態(tài)；當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電流高于額定值時(shí)，動(dòng)斷觸點(diǎn)I1斷開，電阻R2被串入勵(lì)磁回路，勵(lì)磁電流減小，從而降低了發(fā)電機(jī)輸出端的電壓，并減小了負(fù)載電流。電流繼電器工作時(shí)，發(fā)電機(jī)負(fù)載電流與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖所示。圖10 發(fā)電機(jī)負(fù)載電流與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為了防止無風(fēng)或風(fēng)速太低時(shí)，儲(chǔ)能電池組向發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組送電，及儲(chǔ)能電池組由充電運(yùn)行變?yōu)榉聪蚍烹姞顟B(tài)，這不僅會(huì)消耗儲(chǔ)能電池組所儲(chǔ)電能，還可能燒毀勵(lì)磁繞組，因此在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器裝置內(nèi)，還裝有逆流繼電器I2。發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，逆流繼電器的電壓線圈及電流線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生的吸力是動(dòng)合觸點(diǎn)I2閉合；當(dāng)風(fēng)速太低，發(fā)電機(jī)端電壓低于儲(chǔ)能電池組電壓時(shí)，繼電器電流線圈瞬間流過反向電流，此電流產(chǎn)生的磁場與電壓線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生的磁場作用相反，而電壓線圈內(nèi)流過的電流由于發(fā)電機(jī)電壓下降也減小了，由其產(chǎn)生的磁場也減弱了，故由電壓線圈及電流線圈內(nèi)電流所產(chǎn)生的總磁場的吸力減弱，是的動(dòng)合觸點(diǎn)I2斷開，從而斷開了儲(chǔ)能電池想發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組送電的回路。采用勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硅整流交流發(fā)電機(jī)，與永磁發(fā)電機(jī)比較，其特點(diǎn)是能隨風(fēng)速變化自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出端電壓，防止產(chǎn)生對儲(chǔ)能電池組過充電，延長儲(chǔ)能電池組的使用壽命；同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了對發(fā)電機(jī)的過負(fù)荷保護(hù)，但由于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的動(dòng)斷、動(dòng)合觸點(diǎn)動(dòng)作頻繁，需對出頭材質(zhì)及斷弧性能做適當(dāng)?shù)奶幚恚刹捎秒娮娱_關(guān)進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，并聯(lián)多組帶電子開關(guān)的電阻相當(dāng)于多極調(diào)節(jié)）。而且用該交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須達(dá)到在該轉(zhuǎn)速下的電壓時(shí)才能對儲(chǔ)能電池組充電。5 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算5.1 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)主傳動(dòng)軸只承受扭矩，基本不受彎矩，按空心主軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算主軸最小直徑： 其中A為系數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本-軸承及其連接表5-1-19選取；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；為空心軸的內(nèi)徑d1與外徑d的比值，=d1/d。 按照主軸扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算直徑： 其中B為系數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本-軸承及其連接表5-1-20選取。如果截面上有鍵槽時(shí)，應(yīng)將求得的軸徑增大，其增大值見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本軸-承及其連接表5-1-22。圖11 主軸示意圖校核主軸安全系數(shù)。主軸最大轉(zhuǎn)矩為最大風(fēng)速下承受轉(zhuǎn)矩：只考慮扭拒作用時(shí)的安全系數(shù)為 其中為對稱循環(huán)應(yīng)力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限，Mpa，見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本軸-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)，見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本軸-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)手冊單行本軸-承及其連接表5-1-35或機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本軸-承及其連接表5-1-37，；為扭轉(zhuǎn)時(shí)的尺寸影響系數(shù)，見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本軸-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見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本軸-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)，見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本軸-承及其連接表5-1-33，。代入上式，可求得安全系數(shù)，然后根據(jù)鋼材的材質(zhì)標(biāo)號，查表看安全系數(shù)是否滿足，不滿足就再增加主軸直徑。5.2 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。5.2.1 角接觸球軸承1的選用計(jì)算角接觸球軸承1的安裝位置如圖所示。角接觸球軸承圖12 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)手冊單行本-軸承表6-2-82可選擇角接觸球軸承。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強(qiáng)為：作用在葉片上的總力為由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本-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 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)。可通過查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表283-2得到，然后計(jì)算載荷P。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)手冊單行本-軸承表6-2-9選?。粸榱剌d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)手冊單行本-軸承表6-2-10選??；為溫度因數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本-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)代入上式得C值，與手冊里標(biāo)稱相應(yīng)型號軸承的Cr值比較，小于Cr即可。5.2.2 角接觸球軸承2的選用計(jì)算角接觸球軸承2的安裝位置如圖所示。軸承圖13 軸承2安裝位置 按照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本-軸承表6-2-82選擇軸承型號按照軸承1校核公式對軸承進(jìn)行校核。 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： 式中：為溫度因數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本-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)手冊單行本-軸承表6-2-10選取1.2；C為額定動(dòng)載荷；N為主軸額定轉(zhuǎn)速，r/min；為壽命指數(shù)，對于球軸承取3。將各數(shù)據(jù)代入式子后得軸承壽命小時(shí)。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本-軸承表6-2-12推薦使用壽命為100000小時(shí)。主軸與發(fā)電機(jī)之間用圓錐銷套筒聯(lián)軸器進(jìn)行連接，如圖所示，聯(lián)軸器具體參數(shù)見圖紙。圖14 圓錐銷套筒聯(lián)軸器