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畢 業(yè) 設(shè) 計 說明書 2012 屆 題 目 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 論文字?jǐn)?shù) 14274 完成日期 2012 年 12 月 湖 州 師 范 學(xué) 院 教 務(wù) 處 印 制 I 原 創(chuàng) 性 聲 明 本人鄭重聲明 本人所呈交的畢業(yè)論文 是在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所 取得的成果 畢業(yè)論文中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果 數(shù)據(jù) 觀點等 均已 明確注明出處 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的科研成果 對本文的研究成果做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體 均已在文中以 明確方式標(biāo)明 本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān) 論文作者簽名 日 期 II 關(guān)于畢業(yè)論文使用授權(quán)的聲明 本人在指導(dǎo)老師指導(dǎo)下所完成的論文及相關(guān)的資料 包括圖紙 試驗記錄 原始 數(shù)據(jù) 實物照片 圖片 錄音帶 設(shè)計手稿等 知識產(chǎn)權(quán)歸屬湖州師范學(xué)院 本人完 全了解湖州師范學(xué)院有關(guān)保存 使用畢業(yè)論文的規(guī)定 同意學(xué)校保存或向國家有關(guān)部 門或機(jī)構(gòu)送交論文的紙質(zhì)版和電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)湖州師范學(xué) 院可以將本畢業(yè)論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 可以采用任何復(fù)制 手段保存和匯編本畢業(yè)論文 如果發(fā)表相關(guān)成果 一定征得指導(dǎo)教師同意 且第一署 名單位為湖州師范學(xué)院 本人離校后使用畢業(yè)論文或與該論文直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或 成果時 第一署名單位仍然為湖州師范學(xué)院 論文作者簽名 日 期 指導(dǎo)老師簽名 日 期 III 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計 摘要 本次畢業(yè)設(shè)計主要是完成垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)今發(fā)展飛速 其中小型 發(fā)電機(jī)組以其設(shè)備簡單 成本較低 風(fēng)能利用率高 啟動 制動性能好等優(yōu)點 得到越來越多青睞 本論文主要介紹了小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分 從獨立型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成特點 運行特點 保護(hù)措施等各方面 介紹了實現(xiàn)機(jī)組無人值守全自動運行的設(shè)計思想和實施辦法 本設(shè)計利用機(jī)電一體化設(shè)計使整個系統(tǒng)組成簡單 結(jié)構(gòu)精巧 控制方便 性能可靠 應(yīng)用前景 廣闊 關(guān)鍵詞 垂直軸 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 設(shè)計 IV Vertical axis wind turbine design Abstract The graduation project is mainly to complete the vertical axis wind turbine design Wind power in rapid development in which small generation units with its simple equipment low cost high wind energy utilization rate starting braking performance is good wait for an advantage get more and more popular This paper mainly introduces the small scale wind turbine mechanical structure part from the independent type of wind turbine characteristics operation characteristics protection measures and other aspects introduced the implementation of unmanned automatic operation unit of the design idea and implementation method This design is the use of mechanical and electrical integration design of the whole system with simple structure compact structure easy control reliable performance wide application prospect Key words Vertical axis wind turbine design V 目錄 第 1 章 緒論 8 第 2 章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 11 2 1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)介紹 11 2 2 垂直軸風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué) 14 2 2 1 風(fēng)能利用率 15 2 2 2 Cp 功率特性曲線 15 2 2 3 貝茨極限 16 2 2 4 葉尖速比 16 2 2 5 風(fēng)力機(jī)的功率及扭矩計算 17 2 3 傳動機(jī)構(gòu) 17 2 3 1 主軸 18 2 3 2 聯(lián)軸器 19 2 3 3 增速箱 20 2 3 4 制動器 21 2 4 塔架 21 第 3 章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總體性能 24 3 1 機(jī)組的構(gòu)成及主要技術(shù)參數(shù) 24 3 1 1 基本技術(shù)參數(shù) 24 3 1 2 機(jī)艙傳動總成 25 3 2 工作條件及運行參數(shù) 26 3 2 1 運行參數(shù) 26 3 2 2 無人值守的運行過程 26 3 2 3 待風(fēng)狀態(tài) 26 3 2 4 開機(jī)與并網(wǎng) 28 3 2 5 停機(jī)與保護(hù) 28 第 4 章 各附加裝置的設(shè)計選取過程 30 4 1 風(fēng)機(jī)軸承技術(shù)要點分析 30 4 2 制動器的設(shè)計與選取 32 4 3 高效永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計 33 4 4 聯(lián)軸器的設(shè)計與選取 33 4 5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的尾舵調(diào)向裝置設(shè)計 34 結(jié)論 36 參 考 文 獻(xiàn) 37 致謝 39 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 8 第 1 章 緒論 自 80 年代以來 風(fēng)能利用的主要趨勢是風(fēng)力發(fā)電 最早在邊遠(yuǎn)山區(qū)應(yīng)用 主要有三種應(yīng)用方 式 1 單獨使用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)供家庭住宅使用 2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)與其他電源聯(lián)用 為海上導(dǎo) 航系統(tǒng)和遠(yuǎn)距離通訊系統(tǒng)供電 3 并入地方孤立小電網(wǎng)為鄉(xiāng)村供電 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也飛速前進(jìn) 以機(jī)組大型化 集中安裝和控制為 特點的風(fēng)力場成為風(fēng)力發(fā)電主要的發(fā)展方向 近 20 年 世界各地近 30 個國家開發(fā)建設(shè)了風(fēng)電場 且在未來投資計劃上有增無減 國外風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量正以每年 30 的速度增長 同時大幅降低 了風(fēng)機(jī)的故障率 實現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的中央控制和跨地區(qū) 跨國界的遠(yuǎn)程控制 世界一些著名廠商 如 NORDEX VESTAS DEWIND 等 則把目光投向小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 并且逐步實現(xiàn)了商業(yè)化 運行 我國作為風(fēng)力資源極其豐富的國家 風(fēng)力發(fā)電潛能巨大 風(fēng)能資源的利用也歷史悠久 古代甲 骨文中的 帆 字存在 以及東漢劉熙著作里 隨風(fēng)張慢曰帆 的敘述 都說明我國是利用風(fēng)能最 早的國家之一 而我國對于現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究始于 80 年代 從 六五 開始 國家將風(fēng)能的開發(fā)利用列入科技攻關(guān)計劃 國家計委和國家科委分別組織了綜合 性風(fēng)能科技攻關(guān) 內(nèi)容涉及風(fēng)力資源 風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué) 結(jié)構(gòu)動力學(xué) 電機(jī) 控制和材料等 國 務(wù)院總理溫家寶在 2012 年 5 月 30 日主持召開的國務(wù)院常務(wù)會議 又討論通過 十二五 國家戰(zhàn)略 性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃 會議指出新能源產(chǎn)業(yè)要發(fā)展技術(shù)成熟的風(fēng)電 核能 太陽能光伏和熱利用 生物質(zhì)發(fā)電 沼氣等 積極推進(jìn)可再生能源技術(shù)產(chǎn)業(yè)化 我國風(fēng)電技術(shù)將會借此時機(jī)繼續(xù)創(chuàng)造出更 多的輝煌 為了促進(jìn)風(fēng)電建設(shè) 有關(guān)部門出臺了不少優(yōu)惠政策 中國原電力部就頒布了關(guān)于風(fēng)力發(fā)電場建 設(shè)和管理的若干意見 要求各地電網(wǎng)應(yīng)收購各地風(fēng)電場發(fā)出的上網(wǎng)電力 風(fēng)電上網(wǎng)電價按照還本付 息加合理利潤的原則確定 雖然后來隨著電力部門的演變和國家管理體制的改革 這一政策現(xiàn)已無 從實施 但它的出臺為我國風(fēng)力發(fā)電的起步奠定了重要的基礎(chǔ) 中國政府又頒布了 關(guān)于促進(jìn)可再生 能源發(fā)展有關(guān)問題的通知 提出了促進(jìn)可再生能源發(fā)電項目尤其是風(fēng)電的優(yōu)惠政策 包括由銀行安 排基建貸款 銀行貸款的項目給予的財政補(bǔ)貼 采用國產(chǎn)設(shè)備的風(fēng)電項目給予的投資利潤率優(yōu)惠等 此外 風(fēng)力發(fā)電的增值稅率按照減半為征收 風(fēng)力發(fā)電零部件和整機(jī)的進(jìn)口關(guān)稅也暫時按照和征收 在國務(wù)院公布的新一輪電力體制改革方案中 明確提出將制定發(fā)電排放的環(huán)保折價標(biāo)準(zhǔn) 形成激勵 清潔電源發(fā)展的新機(jī)制 這就為風(fēng)電等來自可再生能源的電力提供了公平競爭的機(jī)會 從而會大大 促進(jìn)風(fēng)電等清潔的可再生能源發(fā)電的發(fā)展 在電價改革方案中也特別提到 風(fēng)電 地?zé)岬刃履茉春?可再生能源企業(yè)暫不參與市場競爭 電量由電網(wǎng)企業(yè)按政府定價或招標(biāo)價格優(yōu)先購買 電力市場成 熟時由政府規(guī)定供電企業(yè)售電量中新能源和可再生能源電量的比例 建立專門的競爭性新能源和可 再生能源市場 這些規(guī)定對于尚處于初期發(fā)展階段的我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)成長將會起到重要的扶持作用 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 9 根據(jù)全國 900 多個氣象站陸地上離地 10m 高度資料進(jìn)行估算 全國平均風(fēng)功率密度為 100W m2 風(fēng)能資源總儲量約 32 26 億 kW 可開發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲量有 2 53 億 kW 另外 近?？砷_發(fā)和利用的風(fēng)能儲量有 7 5 億 kW 共計約 10 億 kW 如果陸上風(fēng)電年上網(wǎng)電量按等效滿 負(fù)荷 2000 小時計 每年可提供 5000 億千瓦時電量 海上風(fēng)電年上網(wǎng)電量按等效滿負(fù)荷 2500 小時 計 每年可提供 1 8 萬億千瓦時電量 合計 2 3 萬億千瓦時電量 大約相當(dāng)于我國目前一年的電力 需求量 1 北部地區(qū)風(fēng)能分布帶 北部 東北 華北 西北 地區(qū)風(fēng)能豐富帶包括東北三省 河北 內(nèi)蒙古 甘肅 青海 西藏和等省 自治區(qū)近 200km 寬的地帶 三北地區(qū)風(fēng)能資源豐富 風(fēng)電 場地形平坦 交通方便 沒有破壞性風(fēng)速 是我國連成一片的最大風(fēng)能資源區(qū) 有利于大規(guī)模的開 發(fā)風(fēng)電場 但是當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)容量較小 限制了風(fēng)電的規(guī)模 而且距離負(fù)荷中心遠(yuǎn) 需要長距離輸電 2 沿海及其島嶼地區(qū)風(fēng)能分布帶 沿海及其島嶼地區(qū)包括山東 江蘇 上海 浙江 福建 廣東 廣西和海南等省 市沿海近 10km 寬的地帶 冬春季的冷空氣 夏秋的臺風(fēng) 都能影響到沿海 及其島嶼 加上臺灣海峽狹管效應(yīng)的影響 東南沿海及其島嶼是我國風(fēng)能最佳豐富區(qū) 沿海地區(qū)經(jīng) 濟(jì)發(fā)達(dá) 沿海及其島嶼地區(qū)風(fēng)能資源豐富 風(fēng)電場接入系統(tǒng)方便 與水電具有較好的季節(jié)互補(bǔ)性 然而沿海岸的土地大部份已開發(fā)成水產(chǎn)養(yǎng)殖場或建成防護(hù)林帶 可以安裝風(fēng)電機(jī)組的土地面積有限 3 內(nèi)陸風(fēng)能分布帶 在內(nèi)陸一些地區(qū)由于湖泊和特殊地形的影響 形成一些風(fēng)能豐富點 如鄱陽湖附近地區(qū)和湖北的九宮山和利川等地區(qū) 4 海上風(fēng)能分布帶 我國海上風(fēng)能資源豐富 東部沿海水深 2m 到 15m 的海域面積遼闊 按照與陸上風(fēng)能資源同樣的方法估測 10m 高度可利用的風(fēng)能資源約是陸上的 3 倍 即 7 億多 kW 而且距離電力負(fù)荷中心很近 隨著海上風(fēng)電場技術(shù)的發(fā)展成熟 經(jīng)濟(jì)上可行 將來必然會成 為重要的可持續(xù)能源 我國較大規(guī)模地開發(fā)和應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電機(jī) 特別是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 始于 70 年代 當(dāng)時研制的 風(fēng)力提水機(jī)用于提水灌溉和沿海地區(qū)的鹽場 研制的較大功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用于浙江和福建沿海 特別是在內(nèi)蒙古地區(qū)由于得到了政府的支持和適應(yīng)了當(dāng)?shù)刈匀毁Y源和當(dāng)?shù)厝罕姷男枨?小型風(fēng)力發(fā) 電機(jī)的研究和推廣得到了長足的發(fā)展 對于解決邊遠(yuǎn)地區(qū)居住分散的農(nóng)牧民群眾的生活用電和部分 生產(chǎn)用電起了很大作用 2 掌握具有自主知識產(chǎn)權(quán)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù) 降低風(fēng)電成本 從可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求入手 完全符合我國現(xiàn)狀 走這條路勢在必行 近年來 我國的風(fēng)電機(jī)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展 但在風(fēng)機(jī)整機(jī)及關(guān)鍵部件的設(shè)計與制造技術(shù)上與世界先 進(jìn)水平仍然存在一定的差距 在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組方面 我國從事小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其配件開發(fā) 研制生產(chǎn)的單位多達(dá) 78 家 年產(chǎn)量 總產(chǎn)量 生產(chǎn)能力 出口均位列世界之首 由于汽油 柴油 煤油價格飛漲 且供應(yīng)渠道不暢通 使得小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用戶量繼續(xù)增加 根據(jù)我國風(fēng)能資源開 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 10 發(fā)利用的現(xiàn)狀 以及風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展進(jìn)步及水平來看 我國的小型風(fēng)力發(fā)電 已從單純的風(fēng)力 發(fā)電向多能互補(bǔ)方向 從單臺供電向群組機(jī)組集中供電發(fā)展 從師范 試驗性向高效實用性發(fā)展 事實證明 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的未來的發(fā)展方向掌握在我們的手中 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)進(jìn) 步是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本保證 把小型風(fēng)力機(jī)與太陽能電池結(jié)合作為最合理的獨立電源可開發(fā)更多 的應(yīng)用領(lǐng)域 包括風(fēng)光互補(bǔ)便攜式電源 風(fēng)光互補(bǔ)泵水系統(tǒng) 風(fēng)光互補(bǔ)增氧系統(tǒng) 風(fēng)光互補(bǔ)供暖系 統(tǒng)等等 隨著小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品的多樣化 風(fēng)光互補(bǔ)獨立供電系統(tǒng)在市政項目 在邊防哨所 在 偏遠(yuǎn)地區(qū)都有著極廣的應(yīng)用前景 目前 國內(nèi)的小風(fēng)機(jī)產(chǎn)品開始走向國外 英國 美國等國家已 立法鼓勵家庭安裝小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 為小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)應(yīng)用提供很大的發(fā)展空間 但小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在家庭的推廣對產(chǎn)品提出了更高的要求 低風(fēng)速發(fā)電 低噪音 高可靠性 美觀 性 安全性等都有了更高的要求 由以上分析可見 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有很多優(yōu)越性與潛能性 本課題研究的就是小型垂直軸風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 11 第 2 章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)介紹 風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的動力機(jī)械 廣義地說 它是一種以太陽為熱源 以大氣為 工作介質(zhì)的熱能利用發(fā)動機(jī) 風(fēng)力發(fā)電利用的是自然能源 相對柴油發(fā)電要好的多 風(fēng)力發(fā)電的原 理 是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn) 再透過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升 來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電 依據(jù)目 前的風(fēng)車技術(shù) 大約是每秒三公尺的微風(fēng)速度 微風(fēng)的程度 便可以開始發(fā)電 風(fēng)力發(fā)電機(jī)從結(jié) 構(gòu)上可以分為兩類 其一是水平軸風(fēng)力機(jī) 葉片安裝在水平軸 葉片接受風(fēng)能轉(zhuǎn)動去驅(qū)動所要驅(qū)動 的機(jī)械 水平軸風(fēng)力機(jī)分為多葉低速風(fēng)力機(jī)和 1 3 個片的風(fēng)力風(fēng)電機(jī) 如圖 2 1 其二是垂直軸 風(fēng)力機(jī) 風(fēng)輪軸是垂直布置的 葉片帶動風(fēng)輪軸轉(zhuǎn)動再驅(qū)動所要驅(qū)動的機(jī)械 如圖 2 2 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 12 本課題研究的是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 風(fēng)力機(jī)從功率大小上分類 可以分為微型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 小型風(fēng)力發(fā)電及 中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和大 型風(fēng)力發(fā)電機(jī)四類 如下表 微型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 額定功率 50 1000W 小型風(fēng)力發(fā)電及 額定功率 1 50KW 中型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 額定功率 50 100KW 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 額定功率大于 100KW 本課題研究的 20KW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)屬于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 垂直軸風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸與風(fēng)向垂直 如圖 3 2 所示 垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計簡單 風(fēng)輪無需對風(fēng) 其優(yōu)點有 1 可以接受任何風(fēng)向的風(fēng) 無需對風(fēng) 2 齒輪箱和發(fā)電機(jī) 可以安裝在地面 檢修維護(hù)方便 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 13 圖 3 2 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 按照槳葉受力方式分類可分為升力型風(fēng)力機(jī)和阻力型風(fēng)力機(jī) 升力型風(fēng)力機(jī)利用 葉片的升力帶動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動 從而轉(zhuǎn)化風(fēng)能為電能 這種風(fēng)力機(jī)目前較為常見 大部 分水平軸風(fēng)力機(jī)都屬于升力型風(fēng)力機(jī) 目前大中型風(fēng)電主要采用水平軸風(fēng)力機(jī) 屬升 力型風(fēng)力機(jī) 具有轉(zhuǎn)速高 風(fēng)的利用率較高等優(yōu)點 其葉尖速比通常在 4 以上 最大 功率系數(shù)可達(dá) 50 如圖 3 3 所示 阻力型風(fēng)力機(jī)利用葉片上受到的阻力來驅(qū)動發(fā)電機(jī) 發(fā)電 大部分阻力型風(fēng)力機(jī)為垂直軸 目前較少 如圖 3 4 所示 圖 3 3 升力型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 圖 3 4 阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 垂直軸升力型風(fēng)力機(jī)既有垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)簡單 維修方便等優(yōu)點 又和升力型 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 14 風(fēng)力機(jī)一樣具有較高轉(zhuǎn)速 風(fēng)能利用率有所提高 由于運行過程中受力比水平軸好得 多 疲勞壽命要更長 2 2 垂直軸風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué) 如圖 3 5 所示建立平面坐標(biāo)系 假定風(fēng)速矢量為 v 葉片端線速度矢量為 u 葉片 所在位置夾角為 則葉片的平均線速度為 5 3 1 60DnUu 在圖 3 5 中 風(fēng)速矢量 v 0 V 葉片速度矢量 u Usin Ucos 風(fēng)對 葉片的相對速度 w v u 坐標(biāo)運算后得 w Usin V Ucos 圖 3 5 垂直風(fēng)力機(jī)動力原理 相對風(fēng)速的大小就是矢量 w 的模 w 以 表示 w 的單位矢量 表示 u 的單位矢W U 量 則可以求出此時的攻角 攻角就是相對風(fēng)速與葉片弦長所在直線的夾角 按照 矢量計算可推得 3 2 1cos U 在風(fēng)力的作用下 葉片在攻角 時受到的升力 和阻力 可以按以下公式計算 lFd 3 3 21llFSwC 3 4 2dd 將升力和阻力投影到風(fēng)輪切方向 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 15 3 5 sinltlF 3 6 codt 其中 Flt為 Fl在切向的分量 F dt為 Fd在切向的分量 葉片受力分解如圖 3 6 所示 6 圖 3 6 垂直風(fēng)力機(jī)的葉素力學(xué)模型 切向力的合力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動 葉片在位置角為 時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為 2 7 ltdtMFR 2 2 1 風(fēng)能利用率 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 7 3 8 mw p PC 風(fēng) 力 機(jī) 輸 出 的 機(jī) 械 功 率輸 入 風(fēng) 輪 的 功 率 其中 Pm 為風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率 P w 為風(fēng)力機(jī)輸入的風(fēng)能 目前大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率絕大部分是由葉片設(shè)計方計算得到的 一般在 40 以上 由于之前一般都是利用葉素理論來計算垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率 得出的結(jié)果不如水平軸 但是根據(jù)國外最新的實驗表明垂直軸的風(fēng)能利用率不低于 40 8 再加上水平軸風(fēng)力機(jī)受到風(fēng)向變化的影響 而垂直軸風(fēng)力機(jī)可以在任何風(fēng)速角 下工作 因此有理由相信垂直軸風(fēng)力機(jī)的利用率能夠超過水平軸 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 16 2 2 2 Cp 功率特性曲線 風(fēng)能利用系數(shù) Cp 一般是變化的 它隨著風(fēng)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化而變化 葉片尖端線 速度與風(fēng)速之比叫做葉尖速比 將在第 3 2 4 節(jié)具體說明 為了得到最佳的風(fēng)能利 用率 一般根據(jù) Cp 曲線來選擇合適的葉尖速比 如圖 3 7 所示 圖 3 7 Cp 曲線圖 從圖 3 7 中看出 當(dāng)葉尖速比達(dá)到 7 5 左右時風(fēng)能利用系數(shù)最大 風(fēng)能利用率最 高 Cp 值有一個最大值 實際風(fēng)力機(jī)一般都達(dá)不到這么高的風(fēng)能利用率 所以我們先 初定葉尖速比在 6 風(fēng)能利用率 Cp 0 4 時對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行設(shè)計 具體的 Cp 圖還需 根據(jù)具體的風(fēng)力機(jī)葉片試驗及攻角調(diào)整來確定 2 2 3 貝茨極限 風(fēng)能利用系數(shù)縮短能達(dá)到的最大值就是貝茨極限 德國空氣動力學(xué)家 Albert Betz 提出貝茨極限后 直到今天還沒有人能設(shè)計出超過這個極限的風(fēng)力機(jī) 該極限不是由于 設(shè)計不足造成的 而是因為流管不得不在致動盤上游膨脹 使得自由流速比在圓盤處 小 貝茨極限由一下微分方程得出 9 3 9 4 1 30dCpa 式中 a 為氣流誘導(dǎo)因子 解微分方程可知當(dāng) a 1 3 時 Cp 最大 求得最大 Cp 0 953 2 2 4 葉尖速比 風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比稱為葉尖速比 阻力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為 0 3 至 0 6 升力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為 3 至 8 在升力型風(fēng)力機(jī)中 葉尖速比直接反映 了相對風(fēng)速與葉片運動方向的夾角 即直接關(guān)系到葉片的攻角 是分析風(fēng)力機(jī)性能的 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 17 重要參數(shù) 葉尖速比計算公式為 3 10 260Rnv 2 2 5 風(fēng)力機(jī)的功率及扭矩計算 由福建省情資料庫中的圖像資料可以看出廈門地區(qū)地面平均風(fēng)速在 4m s 6m s 左 右 如圖 3 8 所示 圖 3 8 福建省風(fēng)速分布 從福建氣象網(wǎng)站 小時監(jiān)測的結(jié)果可以看出 廈 門地區(qū)一天內(nèi) 4 級風(fēng) 約 8m s 出現(xiàn)的頻率最高 如圖 3 9 所示 圖 3 9 廈門某日 24 小時風(fēng)速監(jiān)測圖 2 3 傳動機(jī)構(gòu) 風(fēng)力機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)一般包括低速軸 高速軸 齒輪箱 聯(lián)軸節(jié)和制動器等 圖 2 6 但不是每一種風(fēng)力機(jī)都必須具備所有這些環(huán)節(jié) 有些風(fēng)力機(jī)的輪殼直接連接到齒輪箱 上 不需要低速傳動軸 也有一些風(fēng)力機(jī) 特別是小型風(fēng)力機(jī) 設(shè)計成無齒輪箱的 風(fēng)輪 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 18 直接連接到發(fā)電機(jī) 在整個傳動系中除了齒輪箱其它部件基本上一目了然 8 圖 2 6 機(jī)艙傳動總成圖 2 3 1 主軸 風(fēng)輪通過鍵把轉(zhuǎn)矩傳到主軸上 小型風(fēng)力機(jī)一般采用單鍵 小 微型風(fēng)力機(jī)多采 用 45 號鋼 經(jīng)過調(diào)制處理使鋼材獲得強(qiáng)度 塑性 韌性三方面都較好的綜合機(jī)械性能 所以設(shè)計時 在主軸加工圖上也要注明這一技術(shù)要求 主軸的材料實踐證明主軸與輪 轂的連接部分最好要有 1 10 的錐度 亦即軸端最好呈圓錐形 這種結(jié)構(gòu)不僅裝配牢 固 拆卸方便 而且還避免了圓柱形軸端應(yīng)力集中的影響 鎖定風(fēng)輪用的軸端螺母究 竟采用右旋還是左旋要視風(fēng)輪的轉(zhuǎn)向而定 如果順風(fēng)看風(fēng)輪是順時針旋轉(zhuǎn) 則螺母要 用左旋螺紋 反之要用優(yōu)選螺母 因為只有這樣才能保證風(fēng)力機(jī)在旋轉(zhuǎn)中螺母越來越 緊而不至于松脫 為了安全起見 螺母上最好還要有止動墊圈 主軸零件圖如圖 2 7 所示 圖 2 7 主軸零件圖 根據(jù)國內(nèi)外的實踐經(jīng)驗 低速軸的直徑通常取風(fēng)輪直徑的 1 亦即 d 0 01D 若 按這一標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計 其強(qiáng)度一般是有保證的 作用在主軸上的主要負(fù)載有 工作轉(zhuǎn)矩 M 風(fēng)輪的陀螺力矩 M 以及風(fēng)輪所受到的重力 G 軸端所承受的合成應(yīng)力為p p r N cm 2 ararpAWM 102 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 19 2 1 式中 M 為風(fēng)輪的陀螺力矩 Nm r G 為風(fēng)輪所受重力 N W 為軸端抗彎截面模數(shù) cm a 3 A 為軸端截面積 cm 2 M 的大小與槳葉數(shù) B 有關(guān) 當(dāng) B 3 時 r 2 2 式中 風(fēng)輪繞主軸的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量 brJB 2kgm 如用單鍵 2 3 式中 b 為鍵槽寬度 cm T 為鍵槽深度 cm 倘若軸端呈圓錐形 其 d 為平均值 為了簡化計算 可以將本設(shè)計中的軸近似看成為大徑 小徑m501 的光滑軸 本設(shè)計中的彎矩 m102 2rpM N 將已知條件帶入上述公式 可以算出 所以 本設(shè)計中的主軸滿足條件 可以正常使用 9 11 2 3 2 聯(lián)軸器 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中 常采用剛性聯(lián)軸器 彈性聯(lián)軸器 或萬向聯(lián)軸器 兩種方式 剛性聯(lián)軸器常用在對中性好的二軸連接 而彈性聯(lián)軸器則可以為二軸對中性較差時提 供二軸的聯(lián)接 更重要的是彈性聯(lián)軸器可以提供一個彈性環(huán)節(jié) 該環(huán)節(jié)可以吸收軸系 因外部負(fù)載的波動而產(chǎn)生的額外能量 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中通常在高速軸選用彈性 萬向 聯(lián)軸器 一般用十字聯(lián)軸器或者輪胎聯(lián)軸器 低速軸用剛性聯(lián)軸器 一般用漲套式或 者柱銷式聯(lián)軸器 本課題在設(shè)計時在高速軸使用胎式聯(lián)軸器 在低速軸使用柱銷式聯(lián)軸器 如下所 示 是聯(lián)軸器的示意圖 rJ2MrdtbWa2 3 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 20 柱銷式聯(lián)軸器 2 3 3 增速箱 與風(fēng)力機(jī)匹配的增速器不僅要體積小 重量輕 效率高 噪音小 而且還應(yīng)該承 載能力大 啟動轉(zhuǎn)矩小 鑒于這些要求 所以分力發(fā)電機(jī)的選擇至關(guān)重要 實現(xiàn)增速 的方法也很多 最常用的有齒輪 皮帶輪 鏈輪傳動三種 其中齒輪傳動運用最為廣 泛 能夠滿足增速器以上要求 其中 NW 型與 NGW 型行星齒輪增速器用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上 比較合適的 齒輪增速器的傳動比可以根據(jù)風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速之比確定 而功率則 要按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率的 1 2 1 5 倍考慮 在使用齒輪增速器時 要注意輸入 軸與輸出軸的方向是一致還是相反 否則將會造成被動 甚至不能使用 本風(fēng)力機(jī)所 采用的齒輪箱為同軸行星增速齒輪箱 傳動比為 1 22 4 額定功率為 55kW 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 21 2 3 4 制動器 機(jī)械剎車是一種制動式的減慢旋轉(zhuǎn)負(fù)載的裝置 通常機(jī)械剎車按照作用方式可以 分為液壓 氣動 電磁 電液 手動等形式 按照工作狀態(tài)分為常閉式和常開式兩種 在風(fēng)力發(fā)電中 為了減少制動轉(zhuǎn)矩 縮小制動尺寸 通常機(jī)械剎車裝在高速軸上 本課題選用電磁盤式剎車 其結(jié)構(gòu)如下圖所示 2 4 塔架 風(fēng)力機(jī)的塔架除了要支撐風(fēng)力機(jī)的重量 還要承受吹向風(fēng)力機(jī)和塔架的風(fēng)壓 以 及風(fēng)力機(jī)運行中的動載荷 它的剛度和風(fēng)力機(jī)的振動有密切關(guān)系 如果說塔架對小型 風(fēng)力機(jī)影響還不太大的話 對大 中型風(fēng)力機(jī)的影響就不容忽視了 12 一般要求塔架 要有足夠的強(qiáng)度 足以承受設(shè)計要求的動靜載荷 同時基礎(chǔ)不應(yīng)該發(fā)生顯著的 尤其 是不均勻的下沉 因為基礎(chǔ)一旦下沉將導(dǎo)致整個塔架傾斜 因此為了保證他家不發(fā)生 歪斜 塔架各基礎(chǔ)的重量合力必須與風(fēng)力機(jī)重心垂線重合 基礎(chǔ)則用混凝土砌筑 水 泥 沙子和碎石的體積比約取 1 2 5 5 基礎(chǔ)的砌筑要與接地網(wǎng) 地腳螺栓以及地錨的 預(yù)埋同時進(jìn)行 塔架的高度為 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架主要可分為管柱型和桁架型兩類 管柱型塔架可從最簡單 的木桿 一直到大型鋼管和混凝土管柱 小型風(fēng)力機(jī)塔桿為了增加抗彎矩的能力 可以 用拉線來加強(qiáng) 中 大型塔桿為了運輸方便 可以將鋼管分成幾段 一般圓柱形塔架對 風(fēng)的阻力較小 特別是對于下風(fēng)向風(fēng)力機(jī) 產(chǎn)生紊流的影響要比桁架式塔架小 桁架式 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 22 塔架常用于中小型風(fēng)力機(jī)上 其優(yōu)點是 價不高 運輸也方便 但這種塔架會使下風(fēng)向 風(fēng)力機(jī)的葉片產(chǎn)生很大的紊流 其計算方法如下 本風(fēng)力機(jī)所采用的塔架為柔性鋼管加拉索 重 2 5t 智能化微機(jī)控制系統(tǒng)全自動 化無人值守故障檢測 報警狀態(tài)及參數(shù)記錄 顯示 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 23 圖 2 7 塔架結(jié)構(gòu)圖 上部 塔筒 上部塔筒與底部塔筒聯(lián)接法 蘭盤 底部塔筒與上部塔筒聯(lián)接法 蘭盤 底部 塔筒 底部塔筒與基礎(chǔ)聯(lián)結(jié)法蘭盤 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 24 第 3 章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總體性能 3 1 機(jī)組的構(gòu)成及主要技術(shù)參數(shù) 獨立型 20kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用了 3 葉片 水平軸 上風(fēng)向旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪 定槳距失速 調(diào)節(jié) 異步發(fā)電機(jī)發(fā)電 蓄能器儲能 高速軸抱閘雙重主動機(jī)構(gòu) 機(jī)艙支撐為柔性鋼 管拉索塔架 控制系統(tǒng)采用日本三菱公司 F1 60MR 可編程控制器 PLC 為控制核心 配以集成化 智能化 I O 接口電路和先進(jìn)的傳感技術(shù) 可以實現(xiàn)全自動無人值守運行 13 3 1 1 基本技術(shù)參數(shù) 總體性能參數(shù)如表 3 1 所示 表 3 1 總體性能參數(shù) 類型 水平軸 下風(fēng)向 額定功率 20kW 額定風(fēng)速 11m s 切入風(fēng)速 4m s 切出風(fēng)速 20m s 抗最大風(fēng)速 50m s 風(fēng)輪性能參數(shù)如表 3 2 所示 表 3 2 風(fēng)輪性能參數(shù) 葉片數(shù)目 3 直徑 11m 額定轉(zhuǎn)速 180r min 槳葉材料 增強(qiáng)型玻璃鋼 翼型 NACA44 X X 功率調(diào)節(jié) 定槳距失速調(diào)節(jié) 傳動系統(tǒng)性能參數(shù)如表 3 3 所示 表 3 3 傳動系統(tǒng)性能參數(shù) 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 25 類型 NG 型行星齒輪增速箱 額定功率 11 2m 額定轉(zhuǎn)速 55kW 傳動比 1 22 4 發(fā)電機(jī)性能參數(shù)如表 3 4 所示 表 3 4 發(fā)電機(jī)性能參數(shù) 類型 三相交流高滑差異步電 機(jī) 額定功率 45Kw 同步轉(zhuǎn)速 1500r min 電壓 380V Y 接 頻率 50Hz 塔架性能參數(shù)如表 3 5 所示 表 3 5 塔架性能參數(shù) 類型 柔性鋼管加拉索 重量 2 5t 控制系統(tǒng) 智能化微機(jī)控制系統(tǒng)全自 動化無人值守故障檢 測 報警狀態(tài)及參數(shù)記錄 顯示 3 1 2 機(jī)艙傳動總成 20kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動軸總成設(shè)計采用同心軸連接 在機(jī)艙里面把葉輪 主軸支承 剎車盤 增速機(jī) 發(fā)電機(jī)等安裝在機(jī)艙平臺的同一軸心上 此種設(shè)計結(jié)構(gòu)緊密 外型 美觀 工藝優(yōu)化 機(jī)械效率高 比多軸心傳動軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計 易于安裝 檢修 特別 適用于定槳距 失速葉片風(fēng)力機(jī)的機(jī)艙布局 14 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 26 圖 3 1 機(jī)艙機(jī)構(gòu)圖 3 2 工作條件及運行參數(shù) 3 2 1 運行參數(shù) 機(jī)組在環(huán)境溫度 25 75 空氣濕度不大于 95 電網(wǎng)電壓在 95 105 額 定電壓下 頻率為 1 范圍內(nèi) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以正常發(fā)電 運行參數(shù)如表 3 6 所示 表 3 6 運行參數(shù) 運行風(fēng)速范圍 4 0m s v4 5 V1480r min 延 20 分鐘 機(jī)器狀態(tài)差 報警 等待開 機(jī) 并網(wǎng)運行 N 1470r min V 4 5r min 逆功率報警 停機(jī) N 1580r min N4 5m s V 21m s 手動操 作 小風(fēng)逆功停 機(jī) 小風(fēng)連續(xù) 5 分停 機(jī) 大風(fēng)報警停 機(jī) 啟動 風(fēng)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)檢測 風(fēng)速 風(fēng)向采樣 液壓站工作 提供開機(jī)必備的液壓伺服機(jī)構(gòu)的工作壓力 1 偏航系統(tǒng)制動器松開 下風(fēng)向自由對風(fēng) 在 60 秒內(nèi) 若機(jī)艙偏離風(fēng)向小于 11 25 制動器鎖緊 機(jī)艙對風(fēng)定向 準(zhǔn)備就緒 一切工作正常 顯示可以開機(jī)信號 N 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 28 圖 3 2 20kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行過程流程圖 3 2 4 開機(jī)與并網(wǎng) 由風(fēng)速和轉(zhuǎn)速傳感作為主激勵信號 輔以對傳動 偏航 剎車系統(tǒng)的即時監(jiān)控 在風(fēng)速達(dá)到啟動風(fēng)速時 機(jī)組自動開機(jī) 進(jìn)入工作狀態(tài) 當(dāng)風(fēng)速連續(xù) 60 秒不小于 4 5m s 主軸盤式剎車釋放 傳動系統(tǒng)開始工作 由液壓系統(tǒng)驅(qū)動變矩機(jī)構(gòu) 將葉片由順風(fēng)的保護(hù)位置拉至迎風(fēng)的工作位置 進(jìn)入 定槳距失速調(diào)節(jié)工作狀態(tài) 完成這一過程的時間可調(diào) 其長短以有助于加速完成 啟動過程為宜 我們選在 50 秒左右 在運行 的同時 三葉片風(fēng)輪通過增速機(jī)構(gòu)帶動發(fā)電機(jī) 1500r min n 1525r min 轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速 下達(dá)并網(wǎng)指令 并網(wǎng)接觸器吸合 發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并列運行 進(jìn)入風(fēng)電轉(zhuǎn)換運行狀態(tài)控制 直接在高風(fēng)速下啟動 系 統(tǒng)回差值取 7m s 當(dāng)風(fēng)速由 25 下降至 18 時 機(jī)組可以安全啟動 快速并網(wǎng) 高效可靠地運行 經(jīng)現(xiàn)場實測的風(fēng)速 功率曲線如圖 3 3 所示 16 圖 3 3 風(fēng)速 功率曲線圖 3 2 5 停機(jī)與保護(hù) 停機(jī)分為正常停機(jī)和保護(hù)停機(jī)兩種情況 除小風(fēng)停機(jī)和調(diào)試時人為停機(jī)外 多數(shù) 屬于保護(hù)停機(jī) 17 19 在處理故障或大風(fēng)停機(jī)之后 機(jī)組可能面對高風(fēng)速環(huán)境 為了有效利用這部分風(fēng) 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 29 能 又不至造成飛車 可以通過回差 因為風(fēng)力不夠 開機(jī)后 10 分鐘內(nèi)達(dá)不到并網(wǎng)的同步轉(zhuǎn)速 或并網(wǎng)后連續(xù) 60 秒 逆功率運行 機(jī)組返回待風(fēng)狀態(tài) 當(dāng)風(fēng)速超過 25m s 聲光報警 自動實現(xiàn)保護(hù)性停機(jī) 當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到 1690r min 轉(zhuǎn)速比較器發(fā)出停機(jī)指令 一旦該環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高到 1800r min 連接在發(fā)電機(jī)上的離心開關(guān)動作 啟動應(yīng)急 保護(hù)單元 實現(xiàn)收槳 剎閘 停機(jī) 對出現(xiàn)的各類機(jī)械 電氣 液壓系統(tǒng)故障 具有自診斷功能 一項或多項故障同 時出現(xiàn) 利用邏輯門電路識別 可在顯示故障的同時實現(xiàn)安全停機(jī) 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 30 第 4 章 各附加裝置的設(shè)計選取過程 4 1 風(fēng)機(jī)軸承技術(shù)要點分析 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滑性能 耐沖 擊 長壽命和高可靠性 發(fā)電機(jī)在2 3 級風(fēng)時就要啟動 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 材料 制造 潤滑及密封都要進(jìn)行專門設(shè)計 偏航軸承總成 偏航軸承總成是風(fēng)機(jī)及時追蹤風(fēng)向變化的保證 風(fēng)機(jī)開始偏轉(zhuǎn)時 偏航加速度 將產(chǎn)生沖擊力矩M I I 為機(jī)艙慣量 偏航轉(zhuǎn)速 越高 產(chǎn)生的加 速度 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 偏航軸承采用 零游隙 設(shè)計采用推力球軸承和深溝球 軸承 通過對這兩種軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計 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 以保證和主動齒輪之間壽命的匹配 同時 要采取有針對性的熱處理措 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 因此對該軸 承的密封性能有著嚴(yán)格的要求 必須對軸承的密封型式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計 對軸承的密封性 能進(jìn)行模擬試驗研究 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)試驗之前必須進(jìn)行計算機(jī)模擬試驗 以確保軸承設(shè)計參數(shù)無誤 風(fēng)葉主軸軸承 風(fēng)葉主軸由兩個調(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 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壽命 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 31 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 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 22206C 軸承內(nèi)徑 30 軸承外徑 62 軸承寬度 20 額定動載荷 46000 額定靜載荷 33500 極限轉(zhuǎn)速 8000 潤滑方式 脂潤滑 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 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滑 潤滑油 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 32 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 降低滾道對顆粒雜質(zhì)的敏感程度 提高軸承壽命 同時根據(jù)軸承的工況條件 對軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行再優(yōu)化設(shè)計 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 通過對這兩種軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計 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 來降低軸承振動的噪聲 使軸承具有良好的低噪聲性能 圖 4 3 發(fā)動機(jī)軸承 4 2 制動器的設(shè)計與選取 圖 4 4 YWZ 液電力液壓單推桿制動器 YWZ 液電力液壓單推桿制動器 基本規(guī)格為 400 1250 額定退距為 1 25 額定制動轉(zhuǎn)距 1800 N m 基本尺寸為 500mm 制動器 動作平穩(wěn) 無噪音 min 壽命長 尺寸小 重量輕 動作快 每小時可接電 2000 次 補(bǔ)償型單推桿具有補(bǔ)償由 于制動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 下降時間可調(diào) 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 33 其范圍為 0 5 10s 安全可靠 適用于工作要求高的場合 起升 運行 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 人們曾使用過直流發(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 1 結(jié)構(gòu)簡單 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 4 4 聯(lián)軸器的設(shè)計與選取 圖 4 5 HLL型帶制動輪彈性柱銷聯(lián)軸器 名稱 HLL型帶制動輪彈性柱銷聯(lián)軸器 標(biāo)準(zhǔn) 摘自GB T 5014 1985 單位 mm 型號 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 軸孔長度 L Y型 212 軸孔長度 L1 J J1 Z型 167 軸孔長度 L J J1 Z型 212 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 34 D0 630 D 320 B 265 d3 40 l 112 轉(zhuǎn)動慣量 kg m 2 314 重量 kg 187 4 5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的尾舵調(diào)向裝置設(shè)計 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 風(fēng)輪側(cè)偏 使風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面背對風(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 或平行 風(fēng)輪會自動停止 轉(zhuǎn)動 達(dá)到保護(hù)整機(jī)的目的 調(diào)向裝置就是在風(fēng)輪正常運轉(zhuǎn)時一直使風(fēng)輪對準(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 因為尾舵調(diào)向結(jié)構(gòu)簡單 調(diào)向可 靠 制造容易 成本低等優(yōu)點 設(shè)計尾舵時應(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)計計算如下 當(dāng)風(fēng)向偏離風(fēng)輪葉片 角時 風(fēng)對尾舵面積 A 的推力對轉(zhuǎn)盤中心 O 的力矩應(yīng)大于 風(fēng)對風(fēng)輪葉片 的推力對轉(zhuǎn)盤中心 O 的力矩 尾舵開始調(diào)向 設(shè)計時建議調(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)動中心 O 至尾舵面積受力中心距離 2l 風(fēng)對葉輪的推力 TF 輪中心至轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動中心 O 距離 1l 用葉片風(fēng)輪葉片掃掠的面積 S 來表示時 高速風(fēng)輪發(fā)電機(jī)尾舵計算按下面的經(jīng)驗公式 所以 1122 0 5 8 0 5 8 lSlA 1 尾舵的面積 調(diào)向角 時 角尾舵與尾舵中心成2 6 47ml 015 150 角尾舵長占尾舵總長的 25 35 如下圖 4 6 所示 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 35 2120 658 470 6528 4710 4 81353l lA ml l 2 尾舵的中心到轉(zhuǎn)向軸的距離 L L 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 E E 1 4L 1 4x3 6 0 9m 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 36 結(jié)論 本次設(shè)計主要是對小型風(fēng)力發(fā)電的機(jī)械結(jié)構(gòu)做出的設(shè)計 在設(shè)計過程中 最大的問題在于機(jī)艙 部分的設(shè)計 由于機(jī)艙的空間有限 因此傳動系統(tǒng)選擇 一字 型 此外 失速調(diào)節(jié)是最難闡述的 部分 如何采用形象的圖形文字描述經(jīng)過了巨大努力 本設(shè)計利用機(jī)電一體化設(shè)計使整個系統(tǒng)組成簡單 結(jié)構(gòu)精巧 控制方便 性能可靠 有很好的 應(yīng)用前景和可開發(fā)價值 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)的合理設(shè)計 為我國節(jié)約一次性能源 開發(fā)利用綠色風(fēng)能提供了理 論基礎(chǔ) 為我國山區(qū)及近海地區(qū)提供了電力 方便了當(dāng)?shù)厝嗣竦纳?湖州師范學(xué)院本科畢業(yè)論文 37 參 考 文 獻(xiàn) 1 潘文霞 陳允平 沈祖治 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 J 中小型電機(jī) 2001 28 4 38 41 2 于午銘 走市場經(jīng)濟(jì)之路 發(fā)展民族風(fēng)電產(chǎn)業(yè) J 風(fēng)力發(fā)電 2002 1 1 4 3 施鵬飛 21 世紀(jì)風(fēng)力發(fā)電前景 J 中國電力 2003 9 78 84 4 孟慶和 風(fēng)力發(fā)電技術(shù) J 風(fēng)力發(fā)電 2002 2 24 27 5 王承煦 張源 風(fēng)力發(fā)電 M 北京 中國電力出版社 2003 6 德西雷 勒 古里埃爾著 湯瑞源 華憲明 趙明亮等譯 風(fēng)力機(jī)理論與設(shè)計 J 南京航空學(xué)院 空氣動力研究所 7 李本立等著 風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動力學(xué) M 北京 中國航空航天大學(xué)出版社 1999 12 8 宮靖遠(yuǎn)主編 風(fēng)電場工程技術(shù)手冊 S 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2004 4 9 王德璽 裴垠欣 機(jī)械設(shè)計 M 北京 煤炭工業(yè)出版社 1999 10 10 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計手冊 S 北京 中國風(fēng)能技術(shù)開發(fā)中心 1998 12 11 賀德馨等著 風(fēng)工程與工業(yè)空氣動力學(xué) M 北京 國防工業(yè)出版社 2006 1 12 蘇紹禹著 風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計與運行維護(hù) M 北京 電力工業(yè)出版社 2003 1 13 陳云程等 風(fēng)力機(jī)設(shè)計與應(yīng)用 M 上海 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 1990 5 14 李輝 楊順昌 廖勇 并網(wǎng)雙饋發(fā)電機(jī)電網(wǎng)電壓定向勵磁控制的研究 J 中國電機(jī)工程學(xué)報 2003 23 8 159 162 15 Iqbal M T Coonick A and Freris L L Dynamic Control Options for Variable Speed Wind Turbines J Wind Engineering Vol 18 No 1 1994 pp 1 12 16 Lars Helle Stig Munk Nielsen Comparison of Converter Efficiency in Large Variable Speed Wind Turbines A 2001 IEEE p628 p634 17 Andres Feijoo A third order model for the doubly fed induction Machine J Electric Power Systems Research 2000 50 2 121 127 18 倪受元 風(fēng)力發(fā)電講座 第三講 風(fēng)力發(fā)電用的發(fā)電機(jī)及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) J 太陽能學(xué)報 p12 p17 19 Thiringer T and Jan Linders J Control by variable speed of a fixed pitch wind turbine operationg in a wide speed range A IEEE Trans on energy conversion Vol 8 No3 September 1993 pp 520 526 20 Liethead W E De La Salle S A et al Wind turbine control system modelling and design report prepared for Department of Energy by Industrial Control Unit A University of Strathclyde Glasgow UK 1988 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 38 21 李文龍 王輝 高平 佘岳 永磁電機(jī)直接驅(qū)動變速恒頻風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù) J 自動化技術(shù) 2004 4 72 74 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文 39 致謝 畢業(yè)設(shè)計是將大學(xué)所學(xué)的知識融合在一起 綜合運用所有的相關(guān)專業(yè)知識 是課本知識在實 際中的應(yīng)用 通過這次畢業(yè)設(shè)計 使我的專業(yè)知識在原有的基礎(chǔ)上得到更加的鞏固和提高 這離不 開老師和同學(xué)們的幫助 本設(shè)計分析是在老師的指導(dǎo)下完成的 在分析的過程中 尹長城老師給了 我很大的鼓勵 在設(shè)計分析中引導(dǎo)我去思考了更多的設(shè)計思路 增強(qiáng)了我的學(xué)習(xí)能力 與我們一起 討論問題 使我對分析有了更清晰明確的認(rèn)識 使我受益非淺 畢業(yè)設(shè)計是我們專業(yè)知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練 這是我們邁向社會 從事職業(yè)工作前一個必 不可少的過程 千里之行始于足下 通過這次課程設(shè)計 我深深體會到這句千古言的真正含義 我今天認(rèn)真地進(jìn)行課程設(shè)計 學(xué)會腳踏實地地邁開這一步 就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑 打下堅實的基礎(chǔ) 說實話 畢業(yè)設(shè)計真是有點累 然而一著手清理自己的設(shè)計結(jié)果 仔細(xì)回味畢業(yè)設(shè)計的心路 歷程 一種少有的成功喜悅即刻使我倦意頓消 雖然這是我剛學(xué)會走完的第一部 是我人生中的一 點小小的勝利 然而它令我感到自己成熟了許多 通過畢業(yè)設(shè)計 使我深深體會到 干任何事都必須耐心 細(xì)致 課程設(shè)計過程中 許多計算 有時不免令我感到有些心煩意亂 有時應(yīng)為不小心計算出錯 只能毫不留情地重做 但一想起老師 平時多耐心的教導(dǎo) 想到今后自己應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的社會責(zé)任 想到世界上因為某些細(xì)小失誤而出現(xiàn)的令 世人無比震驚的事故 我不禁時刻提醒自己 一定要養(yǎng)成一種高度負(fù)責(zé) 一絲不茍的良好習(xí)慣 經(jīng)歷了畢業(yè)設(shè)計 使我我發(fā)現(xiàn)了自己所掌握的知識是真正的貧乏 自己綜合運用所學(xué)專業(yè)知 識的能力是如此的不足 幾年來學(xué)習(xí)了那么多的課程 今天才知道自己并不會用 想到這里 我真 的有點心急了 由于畢業(yè)時間的倉促 很多本來應(yīng)該弄懂弄透的地方都沒有時間去細(xì)細(xì)追究來源 比如網(wǎng)格 劃分的控制 坐標(biāo)系的理解 求解器的選擇等 這使我明白了大學(xué)里學(xué)的只是一個大體上的方向 離實際應(yīng)用還有太遠(yuǎn)的距離 但我相信方向才是最重要的 因為方向確定了 就會用最少的精力做 好事情 這對于我以后的工作至關(guān)重要 因為在實際生產(chǎn)生活中 要從事的工種是千差萬別的 只 有從中找到自己最拿手 最有發(fā)展前途的崗位 個人才有更多的熱情 也最可能在自己的崗位做出 一些貢獻(xiàn)