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小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 畢業(yè)設(shè)計(jì)

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1、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)動力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第一章 概述 1.1課題研究的目的和意義 數(shù)千年來,風(fēng)能技術(shù)發(fā)展緩慢,也沒有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機(jī)以來,在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下,風(fēng)能作為新能源的一部分才重新有了長足的發(fā)展。風(fēng)能作為一種無污染和可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ貏e是對沿海島嶼,交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū),地廣人稀的草原牧場,以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達(dá)到的農(nóng)村、邊疆,作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種可靠途徑,有著十分重要的意義。 當(dāng)前,全球都面臨著能源枯竭、環(huán)境惡化、氣溫升高等問題,日益增長的能源需求、能源安全問題受到世界各國廣泛關(guān)注。風(fēng)能是一種可再

2、生能源,它資源豐富,是一種永久性的本地資源,可為人類提供長期穩(wěn)定的能源供應(yīng);她安全、清潔,沒有燃料風(fēng)險(xiǎn),更不會在使用中破壞環(huán)境。為此,世界各國都在加快風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究,以緩解越來越重的能源與環(huán)境壓力,中國也不例外。 中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國,能源利用以煤炭為主。在當(dāng)前以石化能源為主體的能源結(jié)構(gòu)中,煤炭占73.8%,石油占18.6%,天然氣占2%,其余為水電等其它資源。在電力的能源消費(fèi)中,也是以煤炭為主,燃煤發(fā)電量占總發(fā)電量的80%。但是,能為人類所用的石化資源是有限的,據(jù)第二屆環(huán)太平洋煤炭會議資料介紹,按目前的技術(shù)水平和采掘速度計(jì)算,全球煤炭資源還可開采200年。此外,石油探明

3、儲量預(yù)測僅能開采34年,天然氣約能開采60年。隨著人口的增長和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,能源供需矛盾加劇,如果不趁早調(diào)整以石化能源為主體的能源結(jié)構(gòu),勢必形成對數(shù)億年來地球積累的生物石化遺產(chǎn)更大規(guī)模的挖掘、消耗,由此將導(dǎo)致有限的石化能源趨于枯竭,人類生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的惡性循環(huán),不利于經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。電力部己制定“大力發(fā)展水電,繼續(xù)發(fā)展火電,適當(dāng)發(fā)展核電,積極發(fā)展新能源發(fā)電”的基本原則,把風(fēng)力發(fā)電作為優(yōu)化我國電力工業(yè)結(jié)構(gòu)跨世紀(jì)的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)①。 表1-1 1996-2005年世界風(fēng)電市場增長 從表1-1可以看出,世界上的風(fēng)電能源增長的非常迅速,10年平均增長率達(dá)到了29.77。截止2005年底,

4、全世界并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)總裝機(jī)容量達(dá)到59237 MW ,是1996年裝機(jī)容量的9.76倍②。 風(fēng)力發(fā)電近幾年發(fā)展如此之快,是因?yàn)樗性S多優(yōu)點(diǎn):1.設(shè)備簡單,投資少,成本低,風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整個(gè)設(shè)備成本不足功率相當(dāng)?shù)幕鹆Πl(fā)電、水力發(fā)電和核電站成本的1/4,在二、三年內(nèi)就可以收回全產(chǎn)投資;2.節(jié)省燃料和運(yùn)輸費(fèi)用。在風(fēng)力資源豐富的地區(qū),風(fēng)力是取之不盡,用之不竭的,可就地建立風(fēng)力發(fā)電站,就地用電,這樣就可以節(jié)省大量的輸電設(shè)備和能源。許多燃料是十分重要的化學(xué)原料,把它白白的燃掉是十分可惜的。我國資源并不十分豐富,充分利用風(fēng)力資源意義就更重大了;3.利用風(fēng)力可以減少對大氣的污染,保護(hù)我們?nèi)祟愘囈陨娴淖?/p>

5、然環(huán)境。化學(xué)燃料不斷向大氣中排放對生物有害物質(zhì),嚴(yán)重的威脅人們健康,而風(fēng)力能源則沒有任何影響人類健康的有害物質(zhì)③。 1.2 課題的研究現(xiàn)狀及已有成果 1.2.1研究現(xiàn)狀 我國風(fēng)電的利用大體上采用三種方式,一是戶用式,可獨(dú)立運(yùn)行,用蓄電池,直流輸出或逆變交流輸出;單機(jī)容量為100~300W,可基本滿足照明、電視等家用電器的生活用電需要。其次是孤立的小居民區(qū)用,獨(dú)立運(yùn)行,有蓄電池、直流輸出或逆變交流輸出,統(tǒng)一向各家各戶供電或每天為其更換蓄電池,單機(jī)容量為1~5kW。這種方式也可供無電風(fēng)區(qū)邊防哨所、氣象臺站、雷達(dá)站、電視差轉(zhuǎn)臺以及無電區(qū)小火車站使用。三是建立風(fēng)電場,聯(lián)網(wǎng)后輸出,有的與柴

6、油發(fā)電機(jī)組或太陽能電站聯(lián)合,有穩(wěn)定的輸出。 1.2.2已有成果 1.2.2.1 FD2.5—300型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 1)性能特點(diǎn) FD2.5—300型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是低速型風(fēng)機(jī)。該機(jī)具有發(fā)電效率高,結(jié)構(gòu)簡單,維護(hù)方便,可靠性高等待點(diǎn),是大電網(wǎng)以外而風(fēng)力資源豐富的農(nóng)牧區(qū)、海島、邊防哨所及氣象臺站等較理想的小功率風(fēng)力發(fā)電設(shè)備,也是迄今我國銷售量最多的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。它可為用戶的照明、彩色電視機(jī)、音響設(shè)備、洗衣機(jī)、電冰箱、組合收錄機(jī)、航標(biāo)燈等電器提供穩(wěn)定可靠的電源。參見圖1和圖2。 圖1 FD2.5—300型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 圖2 FD2.5—300型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸

7、出特性 2)主要技術(shù)指標(biāo) 葉片型式:木質(zhì)芯,外表包玻璃鋼 風(fēng)輪直徑:2.5米 葉片數(shù):3片 風(fēng)能利用系數(shù):0.42 額定風(fēng)速:8米/秒 額定轉(zhuǎn)速:400/分 額定功率:300瓦 最大發(fā)電量:500瓦 調(diào)速方式:偏側(cè)并尾 工作風(fēng)速范圍:3~25米/秒 發(fā)電機(jī)型式:三相交流永磁式發(fā)電機(jī) 直流額定電壓:24伏、36伏、48伏 控制/逆變交流電壓:AC220伏(10%方波或正弦波);頻率:50赫茲1% 儲能方式:120安時(shí),蓄電池2只或3、4只串聯(lián) 塔架型式:立柱拉索式塔架 風(fēng)機(jī)高度:5米 整機(jī)重量:175千克 1.2.2.2 FD7—5000/9型風(fēng)力發(fā)電機(jī)

8、 1) 性能特點(diǎn) FD7一5000/9型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬水平軸、上風(fēng)式、變槳距調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備,適用的自然條件為全天候。配用不同的增速箱和發(fā)電機(jī)可以形成2.5干瓦、5千瓦、10千瓦三種功率檔次、8種不同用途的變型產(chǎn)品。機(jī)組發(fā)出的三相交流電可用來給蓄電池充電貯能、給電阻器加熱、驅(qū)動異步電動機(jī)或輸入電網(wǎng)。參見圖3、圖4。 圖3 FD7-5000/9型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 圖4 FD7-5000/9型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出特性 2)主要技術(shù)指標(biāo) 葉片型式:木質(zhì)芯,外表包玻璃鋼結(jié)構(gòu) 葉片數(shù):2片 風(fēng)輪直徑:7米 風(fēng)輪標(biāo)定轉(zhuǎn)速(額定轉(zhuǎn)速):195/分 風(fēng)輪最高允許轉(zhuǎn)速:25

9、0/分 啟動風(fēng)速:4米/秒 額定風(fēng)速:9米/秒 最高安全運(yùn)行風(fēng)速:60米/秒 發(fā)電機(jī)型式:電容勵(lì)磁異步 額定功率:5000瓦 額定電壓:交流380伏 機(jī)頭重量(塔架以上部分):560千克 利用方式:BAT(充電儲能式);CHA(電阻加熱式);MOT(驅(qū)動電動機(jī)式);RES(并網(wǎng)式) 蓄電池容量:350安時(shí) 塔架高:12米 整機(jī)重量:2500千克 1.3本課題的研究內(nèi)容 本課題研制的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要定位于它可為用戶的照明、彩色電視機(jī)、音響設(shè)備、洗衣機(jī)、電冰箱、組合收錄機(jī)、航標(biāo)燈等電器提供穩(wěn)定可靠的電源??傮w要求是在滿足功能要求的前提下,使用簡單,外型明快,可靠性

10、強(qiáng),低成本。 從能量轉(zhuǎn)換的角度看,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由兩大部分組成。其一是風(fēng)力機(jī),它的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能;其二是發(fā)電機(jī),它的功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能直接并到電網(wǎng)上,向電網(wǎng)饋電,小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能用儲能設(shè)備儲存起來(一般用蓄電池),需要時(shí)再提供給負(fù)載(可直流供電,亦可用逆變器變換為交流供給用戶),其簡要的系統(tǒng)圖如圖5。 風(fēng)力機(jī) 負(fù)載(電網(wǎng)) 發(fā)電機(jī) 風(fēng) 儲能設(shè)備 圖5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)方框圖 本課題的研究內(nèi)容包括: 1、進(jìn)行小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體功能需求分析,進(jìn)行整體方案設(shè)計(jì),力求實(shí)現(xiàn)機(jī)與電的完美結(jié)合和統(tǒng)一。 2、進(jìn)

11、行機(jī)器的機(jī)械裝配圖設(shè)計(jì),功能完備后,然后進(jìn)行機(jī)械零件的詳盡設(shè)計(jì)。 根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)理論及實(shí)際風(fēng)能情況,設(shè)計(jì)出合適的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片,并利用三維建模軟件Solidworks建立葉片的三維實(shí)體模型。 3、根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)一變速器裝置,其實(shí)達(dá)到改變方向的功能。 第二章 風(fēng)能資源 2.1風(fēng)的重要性 2.1.1什么是風(fēng) 提到風(fēng),誰都會說出很多切身的體會。如微風(fēng)吹過臉頰時(shí)的舒爽,狂風(fēng)刮過時(shí)的樹葉紛飛、飛沙走石的情景,如果遇上可怕的龍卷風(fēng),那將是拔樹毀屋的恐怖景象,凡是見過的人

12、無不“談風(fēng)色變”??傊?,風(fēng)有時(shí)友好有時(shí)又不近人情,來無影去無蹤讓人捉摸不透。風(fēng)到底是什么,用科學(xué)的說法就是:地球表面的空氣水平運(yùn)動稱之為風(fēng)。太陽輻射對地球表面不均勻件加熱是形成風(fēng)的主要成因。 太陽對地球的輻射,透過厚厚的大氣層,到達(dá)地球表面,地球表面各處(海洋和陸地;高山巖石和平原土壤;沙漠、荒原和植被、森林地區(qū))吸收熱量不同;由于地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、季節(jié)、氣候的變化和晝夜溫差的影響,使地表各處散熱情況也各不相同,散熱多的地區(qū),靠近地表的空氣受熱膨脹,壓力減少,形成低氣壓區(qū),這時(shí)空氣從高氣壓區(qū)向低氣壓區(qū)流動,這就產(chǎn)生了風(fēng)。地形、地貌的差異, 地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)的影響,更加劇了空氣流動的力量

13、和流動方向的多變性,使風(fēng)速和風(fēng)向的變化更加復(fù)雜⑤。 2.1.2風(fēng)的特性 風(fēng)作為一種自然現(xiàn)象,有它本身的特性。通常采用風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)頻等基本指標(biāo)來表述。 (1)風(fēng)速:空氣在單位時(shí)間內(nèi)運(yùn)動的距離,用米/秒或千米/時(shí)作為計(jì)量單位。例如空氣在1秒鐘內(nèi)運(yùn)動了3米,那么風(fēng)速就是3米/秒。由于風(fēng)是不斷變化的,通常所說的風(fēng)速是指一段時(shí)間內(nèi)各瞬時(shí)風(fēng)速的算術(shù)平均值,即平均風(fēng)速。風(fēng)速可由測風(fēng)儀測量得到。 (2)風(fēng)速隨高度的變化:從地球表面到10000米高空層內(nèi),空氣的流動受到渦流、黏滯和地面摩擦等因素的影響,風(fēng)速隨著高度的增加而增大。 通過實(shí)驗(yàn),我們常用的計(jì)算風(fēng)速隨高度的變化的公式有:

14、 指數(shù)公式:v=v1(h/h1)n (2-1) 對數(shù)公式:v=v1(lgh/h0)/(lgh1/h0) (2-2) 式中:v1——高度為h1的風(fēng)速;h0——風(fēng)速為零的高度;n——值取決于地面的平整度(粗糙度)和大氣的穩(wěn)定度,取值范圍為1/8—1/2。在開闊、平坦、穩(wěn)定度正常的地區(qū),n值取1/7。 (3)風(fēng)頻:分為風(fēng)速頻率和風(fēng)向頻率。 風(fēng)速頻率:各種速度的風(fēng)出現(xiàn)的頻繁程度。對于風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)能利用而言,為了有利于風(fēng)力發(fā)電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)

15、行,便于控制,希望平均風(fēng)速高、而風(fēng)速大小變化小。 風(fēng)向頻率:各種風(fēng)向出現(xiàn)的頻繁程度。對于風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)能利用而言,總是希望某一風(fēng)向的頻率盡可能的大。 2.2風(fēng)能的特點(diǎn)和限制性 2.2.1風(fēng)能的特點(diǎn) 大家可能深有體會,在大風(fēng)中會站立不穩(wěn),說明風(fēng)具有能量。風(fēng)所具有的動能我們稱為風(fēng)能,是指空氣相對地面做水平運(yùn)動的時(shí)候所產(chǎn)生的動能。根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐結(jié)果,我們把具有一定風(fēng)速的風(fēng),通常是指3米/秒到20米/秒的風(fēng)作為一種能量資源加以開發(fā),用來做功(如發(fā)電),我們把這一范圍的風(fēng)稱為有效風(fēng)能或風(fēng)能資源。因?yàn)轱L(fēng)速低于3米/秒時(shí),它的能量太小,沒有利用的價(jià)值,而風(fēng)速大于20米/秒時(shí),它對風(fēng)力發(fā)

16、電機(jī)的破壞性很大,很難利用。那么風(fēng)速和我們常常聽到的“幾級風(fēng)”有什么關(guān)系呢?世界氣象組織將風(fēng)力分為13個(gè)等級,如表2-1所示,在沒有風(fēng)速計(jì)的時(shí)候,可以根據(jù)它來粗略估計(jì)風(fēng)速⑥。 表2-1 風(fēng)力等級表 續(xù)表

17、 大風(fēng)所具有的能量是很大的。風(fēng)速為9—10米/秒的5級風(fēng),吹到物體表面上的力,每平方米約為10千克;風(fēng)速為20米/秒的9級風(fēng),吹到物體表面上的力,每平方米約為50千克;風(fēng)所含的能量比人類迄今為止所能控制的能量要大得多。 2.2.2 風(fēng)能的優(yōu)點(diǎn)和局限性 風(fēng)能與其他能源相比,有明顯的優(yōu)點(diǎn),但也合其突出的局限性。 Ⅰ.風(fēng)能的優(yōu)點(diǎn) ①蘊(yùn)藏量大:我們已知道風(fēng)能是太陽能的一種轉(zhuǎn)換形式,是取之不盡、用之不竭的可再生能源,根據(jù)計(jì)算,太陽至少還可以像現(xiàn)在一樣照射地球60億年左右。 ②無污染:在風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的過程中,不產(chǎn)生任何有害氣體和廢料,不污

18、染環(huán)境。 ③可再生:風(fēng)能是靠空氣的流動而產(chǎn)生的,這種能源依賴于太陽的存在。只要太陽存在,就可不斷地、有規(guī)律地形成氣流,周而復(fù)始地產(chǎn)生風(fēng)能,可永續(xù)利用。 ④分布廣泛、就地取材、無需運(yùn)輸:在邊遠(yuǎn)地區(qū)如高原、山區(qū)、島嶼、草原等地區(qū),由于缺乏煤、石油和大然氣等資源,給生活在這一地區(qū)的人民群眾帶來諸多不便,而且由于地處偏遠(yuǎn)、交通不便,即使從外界運(yùn)輸燃料也十分困難。因此,利用風(fēng)能發(fā)電可就地取材、無需運(yùn)輸,具有很大的優(yōu)越性。 ⑤適應(yīng)性強(qiáng)、發(fā)展?jié)摿Υ螅何覈衫玫娘L(fēng)力資源區(qū)域占全國國土面積的76%,在我國發(fā)展小型風(fēng)力發(fā)電,潛力巨大、前景廣闊。 Ⅱ.風(fēng)能的限制性

19、 ①能量密度低:由于風(fēng)能來源于空氣的流動,而空氣的密度很小,因此風(fēng)力的能量密度很小,只有水力的1/816。 ②不穩(wěn)定性:由于氣流瞬息百變,風(fēng)時(shí)有時(shí)無,時(shí)大時(shí)小,日、月、季、年的變化都十分明顯。 ③地區(qū)差異大:由于地形變化,地理緯度不同,因此風(fēng)力的地區(qū)差異很大。兩個(gè)近鄰區(qū)域,由于地形的不同,其風(fēng)力可能相差幾倍甚至幾十倍。 2.3我國風(fēng)能資源區(qū)劃 根據(jù)國家氣象局氣象研究院的估算,我國的地面風(fēng)能潛力理論可開發(fā)的總量全國32.26億千瓦,10米高度層實(shí)際可供開發(fā)量為253億千瓦,可開發(fā)的風(fēng)能資源是十分豐富的。 為了充分開發(fā)利用豐富的風(fēng)能資源,在研究了各地風(fēng)能資源差

20、異的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了風(fēng)能資源區(qū)劃,為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)部門研制風(fēng)力機(jī)以及廣大用戶選購風(fēng)力機(jī)提供科學(xué)依據(jù),并為政府部門制定能源規(guī)劃提供參考⑦。 我國風(fēng)能資源區(qū)劃。 在我國的不同地區(qū),風(fēng)能資源是不同的。分為4種類型: (1)風(fēng)能資源豐富區(qū):這一區(qū)域的有效風(fēng)能功率密度在200瓦/米2以上,風(fēng)速不低于3.5米/秒的時(shí)間,全年為7000—8000小時(shí)左右。 (2)風(fēng)能資源較豐富區(qū):這一區(qū)域的有效風(fēng)能功率密度為150瓦/米2以上,風(fēng)速不低于3.5米/秒的時(shí)間,全年為4000小時(shí)以上。 (3)風(fēng)能資源可利用區(qū):這一區(qū)域的有效風(fēng)能功率密度為50瓦/米2以上,風(fēng)速不低于3

21、.5米/秒的時(shí)間,全年為2000小時(shí)以上。 (4)風(fēng)能資源欠缺區(qū):這一區(qū)域的有效風(fēng)能功率密度50瓦/米2以下,風(fēng)速不低于3.5米/秒的時(shí)間,全年為2000小時(shí)以下。 根據(jù)全國氣象臺站風(fēng)能資料的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算,表2-2給出我國風(fēng)能區(qū)占全國面積的百分比。 表2-2 我國風(fēng)能區(qū)占全國面積的百分比 2.4什么樣的風(fēng)能對人類有用 風(fēng)雖然隨處可見,但是也有可利用和不可利用之分,它與風(fēng)速有直接關(guān)系。根據(jù)上面風(fēng)能資源區(qū)劃,年平均風(fēng)速小于2米/秒的地區(qū),其潛能很低,至少目前沒有什么利用價(jià)值。年平均風(fēng)速在2—4米/秒的地區(qū),是風(fēng)能可利用區(qū),在這一區(qū)域內(nèi),年平均風(fēng)速在3—4米/秒

22、的地區(qū),利用價(jià)值較高,有一定的利用前景,但從總體考慮,該地區(qū)的風(fēng)力資源仍是不高。 年平均風(fēng)速在4—4、5米/秒的地區(qū)基本相當(dāng)于風(fēng)能較豐富區(qū);年平均風(fēng)速大于4.5米/秒的地區(qū),屬于風(fēng)能豐富區(qū)。 由此可見,除去一些破壞性極大的風(fēng)(如臺風(fēng)、龍卷風(fēng)等),絕大多數(shù)風(fēng)速在2米/秒以上的風(fēng)能都是對人類有用的風(fēng)能。 目前,國內(nèi)外一般選擇年平均風(fēng)速為6米/秒或以上的高風(fēng)速區(qū)(即風(fēng)能資源豐富區(qū)),安裝并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,即大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。在這些機(jī)組中。我國一般選用單機(jī)容量600千瓦以亡的機(jī)組建設(shè)風(fēng)電場。這樣才能保證機(jī)組多發(fā)電,經(jīng)濟(jì)效益才能顯著。獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動風(fēng)速較低,一般為

23、3米/秒以上就能發(fā)電,這些地區(qū)分布區(qū)域廣、我國有相當(dāng)部分農(nóng)耕區(qū)、山區(qū)和牧區(qū)屬于這種地區(qū)⑧。 第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)方案確定 3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)從結(jié)構(gòu)上可分為兩類。其—是水平軸風(fēng)力機(jī),葉片安裝在水平軸上,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)分多葉片低速風(fēng)力機(jī)和1-3個(gè)葉片的高速風(fēng)力機(jī)。如圖3-1所示。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3-2所示。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)就是利用風(fēng)力機(jī)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)組。 圖3-1 水平軸風(fēng)力機(jī)葉片形式 (a)單葉片;(b)雙葉片;

24、(c)三葉片;(d)多葉片;(e)上風(fēng)向-下風(fēng)向布置的兩組葉片; (f) 上風(fēng)向布置的兩組葉片;(5)水平軸索旺尼斯型葉片 在20世紀(jì)末,風(fēng)力發(fā)電機(jī)得到了不斷地完善、發(fā)展,技術(shù)成熟,已經(jīng)達(dá)到微機(jī)自控?zé)o人現(xiàn)場值守的程度。工業(yè)發(fā)達(dá)國家的風(fēng)力發(fā)電機(jī)已達(dá)到商品化生產(chǎn)。 圖3-2 垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片形式 (a) 垂直軸索旺尼斯型葉片;(b)一般型葉片 (c)垂直軸杯型(d)達(dá)里厄風(fēng)輪 3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類 3.2.1.按風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率分類 (1)微型風(fēng)力發(fā)電機(jī),其額定功率為50—10

25、00W。 (2)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī),其額定功率為1.0—10.0KW。 (3)中型風(fēng)力發(fā)電機(jī),其額定功率為10.0—100.0KW。 (4)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī),其額定功率大于100.0KW。 3.2.2.按風(fēng)輪軸安裝形式分類 風(fēng)力發(fā)電機(jī)按風(fēng)輪軸不同可分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩種。 3.2.2.1水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前世界各國風(fēng)力發(fā)電機(jī)最為成功的一種形式,而生產(chǎn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的國家很少,主要原因是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率低、需啟動設(shè)備,同時(shí)還有些技術(shù)問題尚待解決。 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由風(fēng)輪、風(fēng)輪軸、低速聯(lián)軸器、增速器、高速軸聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)、塔

26、架、調(diào)速裝置、調(diào)向裝置、制動器等結(jié)構(gòu)組成⑨。 典型結(jié)構(gòu)見圖3-3。 圖3-3 美國MOD-0型風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) 1-左調(diào)向電機(jī);2-左調(diào)向減速器;3-右調(diào)向電機(jī);4-右調(diào)向減速器;5-調(diào)向傳動軸;6-發(fā)電機(jī);7-高速軸;8-高速軸結(jié)合器;9-低速制動器;10-低速軸;11-調(diào)速裝置;12-增速器;13-調(diào)向制動盤;14-調(diào)向制動器;15-葉片 1、風(fēng)輪 葉片安裝在輪鼓上稱作風(fēng)輪,它包括葉片、輪鼓等。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)接受風(fēng)能的部件。現(xiàn)代的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片數(shù),常為1-4枚葉片,常用的是2枚或3枚葉片。出于葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)接受風(fēng)能的部件,所以葉片的扭曲、翼型的各種參數(shù)及葉片結(jié)構(gòu)都

27、直接影響葉片接受風(fēng)能的效率和葉片的壽命。 2、增速器 由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速低而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高,為匹配發(fā)電機(jī),要在低速的風(fēng)輪軸與高速的發(fā)電機(jī)軸之間接一個(gè)增速器。增速器就是一個(gè)使轉(zhuǎn)速提高的變速器。增速器的增速比i是發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù)nD與風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)數(shù)n的比,即i=nD/n。 3、聯(lián)軸器 增速器與發(fā)電機(jī)之間用聯(lián)軸器連接,為了減少占地空間,往往聯(lián)軸器與制動器設(shè)計(jì)在一起。風(fēng)輪軸與增速器之間也有用聯(lián)軸器的,稱低速聯(lián)軸器。 4、制動器 制動器是使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置,也稱剎車。制動器有手制動器、電磁制動器和液壓制動器。當(dāng)采用電磁制動器時(shí),需有外電源;當(dāng)采用液壓制動器時(shí),除需外電源外,

28、還需泵站、電磁閥、液壓油缸及管路等。 5、發(fā)電機(jī) 葉片接受風(fēng)能而轉(zhuǎn)動最終傳給發(fā)電機(jī),發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)上常用的發(fā)電機(jī)有四種: (1)直流發(fā)電機(jī),常用在微、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。直流電壓12,24,36V等。中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)也有用直流發(fā)電機(jī)的。 (2)永磁發(fā)電機(jī),常用在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上,電壓一般為115,127V等,有直流也有交流。水磁交流發(fā)電機(jī)在中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上尚未得到使用,主要有些技術(shù)問題還未解 決?,F(xiàn)在我國已經(jīng)發(fā)明了交流電壓440/240V的高效永磁交流發(fā)電機(jī),可以做成多級低轉(zhuǎn)速。特別適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 (

29、3)同步交流發(fā)電機(jī),它的電樞磁場與主磁場同步旋轉(zhuǎn),同步轉(zhuǎn)速nD=60f/p。 (4)異步交流發(fā)電機(jī),它的電樞磁場與主磁場不同步旋轉(zhuǎn),其轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速略低。當(dāng)并網(wǎng)時(shí)轉(zhuǎn)速應(yīng)提高。 6、塔架 塔架是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)的支架。塔架有型鋼架結(jié)構(gòu)的,有圓錐型鋼管和鋼筋混凝土的等三種形式。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,往往對鋼制塔架熱鍍鋅。 7、調(diào)速裝置 風(fēng)速是變化的,風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也會隨風(fēng)速的變化而變化。為了使風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)在所需要的額定轉(zhuǎn)速下的

30、裝置稱為調(diào)速裝置。 當(dāng)風(fēng)速超過停機(jī)風(fēng)速時(shí),調(diào)速裝置會使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī)。調(diào)速裝置只在額定風(fēng)速以上時(shí)調(diào)速。 目前世界各國所采用的調(diào)速裝置主要有以下幾種。 (1) 可變槳距調(diào)速裝置。 (2) 定槳距葉尖失速控制調(diào)速裝置。 (3) 離心飛球調(diào)速裝置。 (4) 空氣動力調(diào)速裝置。 (5) 扭頭、仰頭調(diào)速裝量。 8、調(diào)向裝置 調(diào)向裝置就是使風(fēng)輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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)向有很多種形式,總的說來有五種形式:尾艙調(diào)向、側(cè)風(fēng)輪調(diào)向、下風(fēng)向調(diào)向及調(diào)向電機(jī)(伺服電機(jī))調(diào)向和液壓驅(qū)動調(diào)向。 3.2.2.2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代垂直軸風(fēng)

31、力發(fā)電機(jī)尚未商品化生產(chǎn)。主要原因是效率低,需啟動設(shè)備。但垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)很多,增速器、聯(lián)軸器、制動器、發(fā)電機(jī)都可以安裝在地面上,安裝、維修都非常方便,不用調(diào)向,垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要有達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和旋翼式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī),如圖3-4及圖3-5。 達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由葉片、垂直軸、增速器、聯(lián)軸器、制動器、發(fā)電機(jī)、塔架及拉線等組成。 旋翼垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)由—上支撐、葉片、鋼架、翼片致動器、下支撐、塔架、增速器、發(fā)電機(jī)等組成。 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)有很多水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)所不具備的優(yōu)點(diǎn),但是也存在一些難以解決的技術(shù)難題。比如達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片變槳距問題,需

32、要啟動設(shè)備問題。旋翼式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在風(fēng)向不同位置變換葉片迎角問題,而現(xiàn)在僅能通過翼片致動器變換葉片是否迎風(fēng),但不能隨風(fēng)速變換葉片迎角。旋翼式葉片與達(dá)里厄葉片接受風(fēng)能的效率都比水平軸葉片接受風(fēng)能的效率低,這主要原因在于葉片不能按風(fēng)速而變換葉片迎角。達(dá)里厄葉片在轉(zhuǎn)動中葉片各位置距轉(zhuǎn)動中心的半徑不同,難以做到按不同風(fēng)速變換葉片迎角和葉片弦長。這些問題還有待研究解決⑩。 圖3-4 達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 圖3-5 旋翼式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 1- 塔架;2-發(fā)電機(jī);3-制動器;4-聯(lián)軸器; 1-發(fā)電機(jī);2-增速器;3-塔架; 5-增速器;6-垂直軸;7-葉片

33、;8-拉線 4-下支撐;5-翼片致動器;6-鋼架; 7-葉片;8-上支撐 通過上述介紹及其所查資料顯示,水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究,水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)已有大量資料可用來進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,而垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究卻沒有較大進(jìn)展,雖然垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)有很多缺點(diǎn),但其優(yōu)點(diǎn)是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)所不能替代的,所以在下一章節(jié)將重點(diǎn)介紹本課題研究的內(nèi)容,垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的部分零部件的設(shè)計(jì)。 第四章 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組部分零部件的設(shè)計(jì)

34、 一定速度前進(jìn)的風(fēng)吹在靜止的風(fēng)力機(jī)葉片上做功并驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電,將風(fēng)能有效地轉(zhuǎn)變成電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)就是由風(fēng)力機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)的機(jī)組。本章將對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 4.1風(fēng)力機(jī)的基本原理 4.2小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)部分零部件的設(shè)計(jì) 在貝茨(Betz) 基本理論的基礎(chǔ)上,通過實(shí)踐設(shè)計(jì)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的部分零部件。 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)不受風(fēng)向限制,不用調(diào)向,發(fā)電機(jī)、增速器、聯(lián)軸器、離合器、制動器等可直接安裝在地面上,具有結(jié)構(gòu)簡單,維修方便等優(yōu)點(diǎn),致使一些國家不遺余力地研究。但垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動困難,需其他動力來啟動,且效率較水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)低。所以其發(fā)展受到限制,目前世界

35、發(fā)達(dá)國家商品風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是水平軸。尚未見到垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)商品。 下面介紹本課題中垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的部分零部件的設(shè)計(jì)。 4.2.1葉片 4.2.1.1.風(fēng)輪功率的確定 經(jīng)驗(yàn)公式給出風(fēng)輪輸出功率的最大值 Ne=0.25Sv3 (4-7) 式中 Ne--最大輸出功率,w或kw; S--葉片掃掠面積,m2; v--風(fēng)速,m/s。 4.2.1.2葉片掃掠面積S

36、 S= Ne/0.25 v3 (4-8) 還可以表達(dá)為 S=8/3RH (4-9) 式中 R--葉片掃掠的最大半徑,m H--風(fēng)輪高度之半,m。 4.2.1.3.風(fēng)輪半徑R的確定 R=3S/8H (4-10) 4.2.1.4尖速比λ的確定

37、 λ=2πnR/60v (4-11) 4.2.1.5葉片各處的尖速比 λi= riλ/R (4-12) 式中λi--距轉(zhuǎn)動中心不同半徑的尖速比; ri--葉片至轉(zhuǎn)動中心不同位置的半徑,m; R--葉片最大轉(zhuǎn)動半徑,m。 4.2.1.6葉片弦長L 根據(jù)加拿大涅太華的J.TemPlin(J騰普林)試驗(yàn)結(jié)果 葉片弦長可由下式給出

38、 L=5R/K λ2 (4-13) 式中 L--葉片弦長,m; K--葉片數(shù)。 4.2.1.7葉片距轉(zhuǎn)動中心不同位置的半徑的弦長Li Li=5ri/kλi2 (4-14) 式中 Li--葉片距轉(zhuǎn)動中心不同半徑的弦長,m; ri--葉片距轉(zhuǎn)動中心不同位置的半徑,m; k-

39、-葉片數(shù)。 4.2.1.8增速比i的確定 i= nD /n (4-15) 式中 nD--發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速,r/min; n--風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速數(shù),r/min。 4.2.1.9葉片設(shè)計(jì)計(jì)算 本課題所設(shè)計(jì)的葉片如圖4-2所示,a)、b)為二維圖,c)為三維圖。 其總長為1000mm,總寬為355mm,最大使用風(fēng)速為20m/s 由此得葉片掃掠面積 S=1000355=0.355 m2 風(fēng)輪輸出功率的最大值 Ne=0.25Sv3=0.250.35

40、5203=0.71kw。 符合設(shè)計(jì)要求。 圖4-2 a)葉片左視圖 圖4-2 b)葉片的主視圖 圖4-2 c)葉片三維圖 4.2.1.10葉片的材料 本設(shè)計(jì)中葉片材料采用的鑄造鋁合金(ZL104)。Al-Si系鑄造鋁合金的鑄造性能好,密度小,具有良好的耐蝕性、耐熱性和焊接性能,可通過熱處理來強(qiáng)化。最后表面拋光處理。 圖4-3 a)軸轂的三維圖 圖4-3 b)軸轂的二維圖 4.2.2軸轂 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和所查資料設(shè)計(jì)出垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸轂部分,如圖4-3所示,a)為三維圖,b)為二維圖。數(shù)據(jù)如圖所示。 4.2.3架子

41、 為了將軸轂和葉片連接起來,設(shè)計(jì)了其連接件--架子,其材料為Q235,加工方法是鑄造后加工孔。 設(shè)計(jì)方案和數(shù)據(jù)如圖4-4所示,a)為二維圖,b)為三維圖。 圖4-4 a)架子二維圖 圖4-4 b)架子三維圖 4.2.4支撐架 為了支撐風(fēng)力機(jī),設(shè)計(jì)了支撐架,有效地分散了風(fēng)力機(jī)的重量,承擔(dān)了部分軸向力,支撐架的低端與地面接觸,用地腳螺栓連接,起支撐作用。 其三維圖如圖4-5所示。 圖4-5 支撐架的三維圖 4.2.5風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)中標(biāo)準(zhǔn)零部件的選型 4.2.5.1風(fēng)力機(jī)軸承的選型 垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝的是推力調(diào)心滾子軸承。 設(shè)計(jì)時(shí),必須合理選擇軸承的潤

42、滑方式和潤滑路徑。加工支撐架上的油路時(shí),往往要打若干工藝孔才行,最后用密封堵頭封閉這些工藝孔,防止漏油。 對于雙列軸承,箱體的油孔應(yīng)對準(zhǔn)雙列軸承中間的入油孔,使油液能夠準(zhǔn)確流入軸承的內(nèi)部。有入油孔就必然對應(yīng)有出油孔,入油孔開設(shè)在方便安裝的地方。 潤滑方式有:油液循環(huán)潤滑、脂潤滑、油霧潤滑、噴射潤滑等。其中油脂潤滑(如高級鋰基脂)是目前最常用的方式。油脂封入量通常為軸承空間容積的10%,如果填得太滿會加劇軸承發(fā)熱。對于油液循環(huán)潤滑,一般用于中等轉(zhuǎn)速的主軸上,多用于后支承上,設(shè)計(jì)時(shí)注意油路布局合理,既暢通、方便,又不影響其它結(jié)構(gòu)件的剛度。 設(shè)計(jì)時(shí),選擇合理的密封方式。 4.2.5.2風(fēng)

43、力機(jī)主軸上鍵的選型 根據(jù)結(jié)構(gòu)需求主軸與軸轂的之間通過鍵來傳遞扭矩,在這里采用的是楔鍵連接,其尺寸 為28*16*180。 4.2.5.3風(fēng)力機(jī)軸轂上銷的選型 根據(jù)結(jié)構(gòu)需求用銷來固定軸轂與軸的相對位置,采用的是開尾錐銷,其尺寸為16*200。 垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力機(jī)部分的三維圖如圖4-6所示。 圖4-6垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力機(jī)部分的三維圖 4.2.6變向器 由于本課題所設(shè)計(jì)的垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)力機(jī)隨風(fēng)轉(zhuǎn)動后,其扭矩是豎直傳遞的,所以需設(shè)計(jì)一裝置使其轉(zhuǎn)化成水平傳遞的才能滿足設(shè)計(jì)要求,根據(jù)結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)了一變向器。結(jié)構(gòu)如圖4-7所示。

44、圖4-7 變向器的主視圖 以下是變向器的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算。 4.2.6.1錐齒輪的設(shè)計(jì) 變向器的作用只是將垂直的輸出量轉(zhuǎn)化成水平輸出,無需變速,所以其錐齒輪的齒數(shù)比為1,在以下的計(jì)算中只列出其中一個(gè)錐齒輪的數(shù)據(jù),另一個(gè)錐齒輪數(shù)據(jù)與其相同。 計(jì)算如下: 齒輪比 u=1 大端分度圓直徑 de1=200mm 齒數(shù) Z1=Z2=30 大端模數(shù) me1=de1/Z1=6.67 分錐角δ1=45 外錐距 Re=de1/2sinδ1=141.4 齒寬 b1=φRRe=42.42 齒寬系數(shù) φR=b/Re=0.3 平均分度圓直徑 dm1=de1 (1-0.5φR)=170

45、 中錐距 Rm=Re((1-0.5φR)=120.19 平均模數(shù) Mm=me1 (1-0.5φR)=5.6695 切向變位系數(shù) Xt=0 徑向變位系數(shù) Xε=0.46(1-cosδ2/ucosδ1)=0 齒頂高 ha1=me(1+x1)=6-67 齒根高 hf1=me(1+c*-x1)=8.004 頂隙 c= c*m 齒距角 θa1=θf2=θf1 齒根角θf1=arctan(hf1/Re)=3.24 頂錐角 δa1=δ1+δf2=48.24 根錐角 δf1=δ1-θf1=41.76 齒頂圓直徑 da1=de1+2ha1cosδ1=209.43 安裝距A1 冠頂距 A

46、k1=de2/2-ha1sinaδ1=95.285 輪冠距=H1=A1-Ak1 大端分度圓齒厚S1=me(π/2+2x1tanα+xt1) 端面當(dāng)量齒數(shù) Zv1=z1/cosδ1=42.43 4.2.6.2箱體 箱體采用以垂直軸的圓錐齒輪的軸線為對稱中心的對稱機(jī)構(gòu),以便水平軸圓錐齒輪調(diào)頭安裝,改變輸出軸的方向。 4.2.6.3軸承 兩個(gè)錐齒輪軸均安裝32312型圓錐滾子軸承。這是因?yàn)樵撓盗袌A錐滾子軸承接觸角較大,承受軸向力的能力較強(qiáng),并能對錐齒輪嚙合加以精確引導(dǎo)。滾子軸承通常也用以承受錐齒輪的徑向力。 軸承的剛度計(jì)算:軸承在零間隙時(shí)的變形和剛度,可以按下列公式計(jì)算。

47、 線接觸的滾子軸承 式中: ——徑向與周向變形(); ——徑向與周向剛度(); ——軸承的徑向和軸向載荷(N); ——接觸角(); db——球徑(mm); ——滾子有效長度(mm); ——列數(shù)和每列滾動體數(shù); ——單個(gè)滾動體的徑向和軸向載荷(N); 軸承的剛度不是一個(gè)定值,而是載荷的函數(shù),載荷越大,剛度也越大。 由于球軸承載荷對剛度的影響比滾子軸承的影響大,所以,球軸承在計(jì)算時(shí)應(yīng)該同時(shí)考慮預(yù)緊力。 計(jì)算時(shí),當(dāng)外載荷無法確定時(shí),常取軸承額定動載荷的0.1倍作為軸承的載荷。 主動錐齒輪軸上的圓錐滾子軸承,系軸向游動軸承,因此,將其外圈以可移動

48、方式配合于H6級精度的外殼孔內(nèi)。另一個(gè)圓錐滾子軸承,一般用端蓋通過外圈進(jìn)行調(diào)整,因此應(yīng)將外圈間隙配合于H6級的外殼孔中。安裝在輸出軸上的圓錐滾子軸承,為適應(yīng)軸的熱伸長,也應(yīng)將外殼孔加工到H6級精度。 兩根軸上所有軸承的內(nèi)圈,均受循環(huán)載荷,故全部采用過盈配合的方式,安裝在k5級精度的軸上。當(dāng)載荷很大時(shí),可將軸的精度降為m6。 由于錐齒輪的線速度已超過2m/s,因此該變向器里的全部軸承均采用飛濺潤滑。即依靠錐齒輪的旋轉(zhuǎn),將油甩到箱體內(nèi)壁上,然后經(jīng)上箱壁和下箱座拋分面上的輸出溝,以及軸承蓋上的導(dǎo)油槽,將油引入軸承。 為保證良好的潤滑,應(yīng)控制箱體內(nèi)油面的高度。一般情況下,應(yīng)把大錐齒輪的整個(gè)齒寬,

49、至少0.7倍齒寬浸入油中 為了防止變向器周圍環(huán)境中的灰塵、水氣、酸氣、和其他雜質(zhì)浸入軸承內(nèi),同時(shí)防止箱內(nèi)潤滑油外漏,在軸伸出端蓋的部分,應(yīng)設(shè)置密封裝置。在多數(shù)情況下,應(yīng)使用橡膠密封圈。 4.2.6.4鍵的選擇 根據(jù)軸徑大小所選鍵均為16*10,與聯(lián)軸器相連的兩個(gè)鍵為16*10*70,主動軸與錐齒輪連接的鍵為16*10*56,從動軸與錐齒輪連接的鍵為16*10*63。 以上為本課題所涉及到的設(shè)計(jì)計(jì)算。 第五章 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常工作的條件 5.1垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)速

50、垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)調(diào)速的方式也很多,如改變?nèi)~片轉(zhuǎn)動半徑以改變?nèi)~片掃掠面達(dá)到調(diào)速的目的;用改變?nèi)~片的迎風(fēng)角來調(diào)速等等。但結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜,制造成本也很高,且難以穩(wěn) 定在風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。較好的辦法是采用恒定扭矩輸出器以保證發(fā)電機(jī)獲得恒定扭矩達(dá)到發(fā)電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。另一種較好的辦法是不調(diào)速,為了更好地利用風(fēng)能,可 安裝二臺或更多臺發(fā)電機(jī)。當(dāng)風(fēng)輪所獲得的風(fēng)能滿足1臺發(fā)電機(jī)時(shí)接通1臺,當(dāng)風(fēng)速增大,能滿足2臺發(fā)電機(jī)功率時(shí)接通2臺……,所發(fā)交流電經(jīng)交一交逆變器達(dá)到并網(wǎng)的頻率。 5.2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動 垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能自行啟動,需外部動力啟動后方能自行運(yùn)轉(zhuǎn)。

51、大、中型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的并且調(diào)速穩(wěn)定,可以采用異步發(fā)電機(jī)。當(dāng)啟動時(shí),電網(wǎng)向發(fā)電機(jī)供電,發(fā)電機(jī)成為電動機(jī)轉(zhuǎn)動啟動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動,風(fēng)輪轉(zhuǎn)動后再切斷電網(wǎng)供電。 不并網(wǎng)的單機(jī)使用的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī),應(yīng)附加啟動裝置。一般在增速器與發(fā)電機(jī)之間安裝離合器并安裝啟動裝置,動力由直流或交流電機(jī)供給。啟動后將啟功電機(jī)分離,再將增速器與發(fā)電機(jī)之間的離合器結(jié)合,實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電。單機(jī)使用的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)備有儲存電能的蓄電池,將多余電能經(jīng)整流(交流發(fā)電機(jī))或直接(直流發(fā)電機(jī))向蓄電池充電,用以啟動和無風(fēng)時(shí)向用電器供電。 5.3垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)制動器的設(shè)計(jì) 一般微型和小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)不設(shè)制動器,中大型風(fēng)

52、力發(fā)電機(jī)大部分的制功器采用液壓或電磁制動器,也有備用手制動器的。 為了使風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、重量輕,一般將聯(lián)軸器與制動器設(shè)計(jì)在一起,并且置于增速器與發(fā)電機(jī)之間的高速軸部位,很少有布置在低速軸位置的,因?yàn)榈退佥S的制動力矩大。 我國制功器已有標(biāo)準(zhǔn)并且有商品可供應(yīng)。但我國制定制動器標(biāo)準(zhǔn)時(shí)沒有考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī),主要適合于通用機(jī)械、起重機(jī)械等制動用,制動器通常既大又重。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)用制動器應(yīng)具有重量輕、制動力矩大、經(jīng)久耐用、制動可靠等特點(diǎn)。 5.4 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中配置的蓄電池 5.4.1為什么用蓄電池 由于風(fēng)能的間歇性和不穩(wěn)定性,如果用電器直接由風(fēng)力發(fā)電機(jī)來供電,

53、會出現(xiàn)供電時(shí)有時(shí)無、忽高忽低現(xiàn)象,這種電能是無法使用的。為建立一個(gè)供電電壓穩(wěn)定、能夠全天候提供均衡供電的電源系統(tǒng),就必須在風(fēng)力發(fā)電機(jī)和用電器之間設(shè)置儲能裝置,把風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電儲存起來,穩(wěn)定地向用電器供電。 理想的電能儲存裝置應(yīng)當(dāng)具有大的儲存密度和容量;儲存和供電具有良好的可逆性;有高的轉(zhuǎn)換效率和低的轉(zhuǎn)換損耗;運(yùn)行要便于控制和維護(hù);使用安全,無污染;有良好的經(jīng)濟(jì)性和較長的使用壽命。 現(xiàn)在,正在研究、開發(fā)和應(yīng)用的電能貯存方式有改進(jìn)型鉛蓄電池和新型蓄電池儲能;飛輪儲能;水位儲能;壓縮空氣儲能;超導(dǎo)線圈儲能等形式。 從目前小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用看,最方便、經(jīng)濟(jì)和有效

54、的儲能方式是采用蓄電池儲能。 蓄電池又稱“電瓶”,它能夠把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存起來,使用時(shí)再把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,變換過程是可逆的,充電和放電過程可以重復(fù)循環(huán)、反復(fù)使用,因此蓄電池又稱為“二次電池”。 5.4.2.現(xiàn)在使用的蓄電池 現(xiàn)在使用的蓄電池,雖然從外形看有大有小,形狀不一,但從電解液的性質(zhì)來區(qū)分,主要分為酸性蓄電池和堿性蓄電池兩大類酸性蓄電池也叫鉛蓄電池,它是各種二次電池中使用最多的一種。由于鉛的資源豐富,鉛蓄電池的造價(jià)較低,因而應(yīng)用非常廣泛。 作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的儲能設(shè)備,無論是酸性蓄電池還是堿性蓄電池,只有用戶了解它們的性能和使用操作方法,才能延長蓄電他的使用壽命。早期

55、的鉛蓄電他的充放電循環(huán)次數(shù)只有200—300次,使用壽命只有1—2年。隨著工藝及結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn),其性能不斷提高,目前充放電次數(shù)已超過500次,使用壽命可達(dá)3—4年,不過蓄電池的實(shí)際使用壽命和能否正確使用維護(hù)有很大關(guān)系。若能正確操作使用,按時(shí)維護(hù).有的鉛蓄電池可使用5年以上。 5.5發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的防雷擊設(shè)施 風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在室外,塔架加風(fēng)輪和輪轂高度達(dá)十幾米,遭受雷擊屢見不鮮,特別是在雷電多發(fā)地區(qū),電閃雷鳴,釋放出巨大能量,雷擊會造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片損壞,井常常引起發(fā)電系統(tǒng)過電壓,造成發(fā)電機(jī)擊穿、控制設(shè)備燒毀、電氣設(shè)備損壞等事故,甚至危及人員安全。所以,雷擊威脅著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。因此,

56、我們在安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí),一定要注意做好防雷擊措施。 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上如果不方便安裝防雷擊設(shè)施,可在其附近安裝避雷設(shè)施,達(dá)到防雷擊效果。 結(jié)束語 根據(jù)導(dǎo)師布置的課題,本文對小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)部分零部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究和探討,針對垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片、軸轂、支撐架、變向器等重要部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。其主要內(nèi)容如下: 1、 根據(jù)現(xiàn)有理論和條件要求設(shè)計(jì)出了合適的葉片,并利用Solidworks軟件建立葉片的三維模型,葉片是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也是難點(diǎn),它直接影響所設(shè)計(jì)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作效率。 2、 根據(jù)設(shè)計(jì)需求,設(shè)計(jì)出了軸轂、支撐架等零部件,并利用Solidworks軟件建立

57、了三維模型。 3、 根據(jù)設(shè)計(jì)需求,設(shè)計(jì)出了變向器裝置,并合理地選擇了軸承、鍵等配套零部件。 待解決的問題: 由于個(gè)人時(shí)間和知識水平的限制,雖然通過努力完成了上述內(nèi)容的研究,但對于垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)尚有以下3個(gè)問題需要進(jìn)一步研究: 1、葉片三維模型的氣動特性模擬與仿真。目前國內(nèi)外對氣動特性的模擬與仿真主要集中在二維葉素的研究上,針對三維模型特別是旋轉(zhuǎn)的葉輪模型的氣動特性模擬與仿真卻留有很大空白,在技術(shù)和方法上的研究有很大的提升空間。 2、葉片氣動實(shí)驗(yàn)研究。主要利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等空氣動力學(xué)研究的常用方法對葉片在實(shí)際運(yùn)行情況下的各項(xiàng)特性進(jìn)行研究,如流場情況、風(fēng)輪的啟動情況、高風(fēng)速下的失速

58、特性、噪音大小等,這些指標(biāo)的好壞將能夠全方位反映葉片的設(shè)計(jì)制造水平。 3、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的手動制動系統(tǒng)。雖然小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)有單片機(jī)控制的制動系統(tǒng),可以不設(shè)計(jì)手動剎車系統(tǒng),但為了維修方便,最好設(shè)計(jì)出相應(yīng)的手動剎車系統(tǒng)。 展望: 隨著石油、煤炭等化石能源的日益枯竭及越來越嚴(yán)重的環(huán)境污染問題,21世紀(jì)必將是風(fēng)能快速發(fā)展的世紀(jì),風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也必將得到快速提高,因此對于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說充滿著機(jī)遇與挑戰(zhàn),性能優(yōu)越的風(fēng)力發(fā)電機(jī)將越來越廣泛的應(yīng)用到人們的日常生活中,因此對垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義,對此作以下展望: (1) 垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究將繼續(xù)向著提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效

59、率的方向發(fā)展,也將繼續(xù)向著輕質(zhì)高強(qiáng)的方向發(fā)展,碳纖維將越來越多的使用到小型發(fā)電機(jī)葉片的制造中來。 (2)計(jì)算機(jī)技術(shù),特別是有限元技術(shù)將會更多的用到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與制造及分析中來,其中將會出現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)制造與分析的專門軟件,風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)將更加專門化和商業(yè)化。 參考文獻(xiàn) [1]王承熙,張?jiān)?風(fēng)力發(fā)電[M].北京:中國電力出版社,2004,① [2]周鶚,電機(jī)學(xué)(第三版)[M]. 北京:中國電力出版社,1995,② [3]肖勁松,風(fēng)力機(jī)組控制理論研究的現(xiàn)狀與展望,風(fēng)力發(fā)電,2002,③ [4]《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊—齒輪傳動》,機(jī)械工業(yè)出版社,2007 [

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