風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

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1、 前言 自然界的風(fēng)是可以利用的資源，然而，我們現(xiàn)在還沒有很好的對它進(jìn)行開發(fā)。這就向我們提出了一個課題：我們?nèi)绾伍_發(fā)利用風(fēng)能？ 自然風(fēng)的速度和方向是隨機(jī)變化的，風(fēng)能具有不確定特點(diǎn)，如何使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率穩(wěn)定，是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的一個重要課題。迄今為止，已提出了多種改善風(fēng)力品質(zhì)的方法，例如采用變轉(zhuǎn)速控制技術(shù)，可以利用風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動慣量平滑輸出功率。由于變轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電組采用的是電力電子裝置，當(dāng)它將電能輸出輸送給電網(wǎng)時，會產(chǎn)生變化的電力協(xié)波，并使功率因素惡化。 因此，為了滿足在變速控制過程中良好的動態(tài)特性，并使發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)提供高品質(zhì)的電能，發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之

2、間的電力電子接口應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：一，在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)上產(chǎn)生盡可能低的協(xié)波電波；二，具有單位功率因素或可控的功率因素；三，使發(fā)電機(jī)輸出電壓適應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化；四，向電網(wǎng)輸出穩(wěn)定的功率；五，發(fā)電機(jī)磁轉(zhuǎn)距可控[8]。 此外，當(dāng)電網(wǎng)中并入的風(fēng)力電量達(dá)到一定程度，會引起電壓不穩(wěn)定。特別是電網(wǎng)發(fā)生短時故障時，電壓突降，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就無法向電網(wǎng)輸送能量，最終由于保護(hù)動作而從電網(wǎng)解列。在風(fēng)能占較大比例的電網(wǎng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的突然解列，會導(dǎo)致電網(wǎng)的不穩(wěn)定。因此，用合理的方法使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電功率平穩(wěn)具有非常重要的意義。 本文通過對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體設(shè)計(jì)，葉片、輪轂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，齒輪箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，

3、以達(dá)到利用風(fēng)能發(fā)電的目的，有效利用風(fēng)能資源，減少對不可再生資源的消耗，降低對環(huán)境的污染。 1　概述 1.1　風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展史簡介 我國是最早使用風(fēng)帆船和風(fēng)車的國家之一，至少在3000年前的商代就出現(xiàn)了帆船，到唐代風(fēng)帆船已廣泛用于江河航運(yùn)。最輝煌的風(fēng)帆時代是明代，14世紀(jì)初葉中國航海家鄭和七下西洋，龐大的風(fēng)帆船隊(duì)功不可沒。明代以后風(fēng)車得到了廣泛的應(yīng)用，我國沿海沿江的風(fēng)帆船和用風(fēng)力提水灌溉或制鹽的做法，一直延續(xù)到20世紀(jì)50年代，僅在江蘇沿海利用風(fēng)力提水的設(shè)備增達(dá)20萬臺[7]。 隨著蒸汽機(jī)的出現(xiàn)，以及煤、石油、天然氣的大規(guī)模開采和廉價電力的獲得，各種曾經(jīng)被廣泛使用的風(fēng)力機(jī)械，由

4、于成本高、效率低、使用不方便等，無法與蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)等相競爭，漸漸被淘汰。歐洲到中世紀(jì)才廣泛利用風(fēng)能，荷蘭人發(fā)展了水平軸風(fēng)車。18世紀(jì)荷蘭曾用近萬座風(fēng)車排水，在低洼的海灘上造出良田，成為著名的風(fēng)車之國。德國、丹麥、西班牙、英國、荷蘭、瑞典、印度加拿大等國在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用上投入了相當(dāng)大的人力及資金，充分綜合利用空氣動力學(xué)、新材料、新型電機(jī)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)、自動控制及通信技術(shù)等方面的最新成果，開發(fā)建立了評估風(fēng)力資源的測量及計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，發(fā)展了變漿距控制及失速控制的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論，采用了新型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論，采用了新型風(fēng)力機(jī)葉片材料及葉片翼型，研制出了變極、變滑差、變速、恒頻

5、及低速永磁等新型發(fā)電機(jī)，開發(fā)了由微機(jī)控制的單臺及多臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的機(jī)群的自動控制技術(shù)，從而大大提高了風(fēng)力發(fā)電的效率及可靠性。到了19世紀(jì)末，開始利用風(fēng)力發(fā)電，這在解決農(nóng)村電氣化方面顯示了重要的作用，特別是20世紀(jì)70年代以后，利用風(fēng)力發(fā)電更進(jìn)入了一個蓬勃發(fā)展的階段[3]。 1.2　我國現(xiàn)階段風(fēng)電技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r 中國現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的開發(fā)利用起源于20世紀(jì)70年代初。經(jīng)過初期發(fā)展、單機(jī)分散研制、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化幾個階段的發(fā)展，無論在科學(xué)研究、設(shè)計(jì)制造，還是試驗(yàn)、示范、應(yīng)用推廣等方面均有了長足的進(jìn)步和很大的提高，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[1]。 我國對風(fēng)電

6、已有部分優(yōu)惠政策，包括一下幾個方面。 1)風(fēng)電配額 制定出常規(guī)火電污染排放量分配比例，由全國所有省區(qū)共同分?jǐn)偟恼摺? 2)風(fēng)電上網(wǎng)電價 落實(shí)風(fēng)電高于火電的價差攤到全省的平均銷售電價中。制定出按常規(guī)水電污染排放量分配比例，由全國所有省區(qū)共同分?jǐn)偟恼?。按地區(qū)具體情況定出風(fēng)電最高上網(wǎng)電價的限制，并保持10年不變，促使業(yè)主充分利用資源，降低成本。 3)售電增值稅 發(fā)電增加了新的稅源，建議參照小水電，核定風(fēng)電銷售環(huán)節(jié)增值稅率為6%。 4)銀行貸款 為降低風(fēng)電電價，減輕還貸壓力，建議適當(dāng)延長風(fēng)電還貸期限，還貸期增至15年；為風(fēng)電項(xiàng)目提供貼息貸款。 5)鼓勵采用國產(chǎn)化風(fēng)

7、電機(jī) 為采用國產(chǎn)化風(fēng)電機(jī)的業(yè)主提供補(bǔ)貼和貼息貸款，補(bǔ)償開發(fā)商的風(fēng)險(xiǎn)，幫助初期國產(chǎn)化機(jī)組進(jìn)入市場，得到批量生產(chǎn)和改進(jìn)產(chǎn)品的機(jī)會，以利降低成本。 表1-1 中國風(fēng)電場裝機(jī)容量發(fā)展情況（單位：萬KW） Table 1-1 Chinas installed capacity of wind power development (unit : 10，000 KW) 裝機(jī)容量 1999 2000 2001 2002 2003 2004 當(dāng)年新增 4.47 7.65 5.72 6.69 9.98 19.8 累計(jì)容量 26.83 34.48 40.20 46.6

8、2 56.6 76.4 1.3 風(fēng)力的等級選擇 風(fēng)力等級是根據(jù)風(fēng)對地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象，按風(fēng)力的強(qiáng)度等級來估計(jì)風(fēng)力的大小，國際上采用的是英國人蒲福（Francis Beaufort，1774~1859）于1805年所擬定的等級，故又稱蒲福風(fēng)級，他把靜風(fēng)到颶風(fēng)分為13級[7]。見表2-2。 表1-2 蒲福風(fēng)力等級表 Table 1 -2 Bofu wind scale 風(fēng) 力 等 級 名稱 相當(dāng)于平地10m 高處的風(fēng)速（m/s） 陸上地物征象 中文 英文 范圍 中數(shù) 0 靜風(fēng) Calm 0.0~0.2 0 靜、煙直上 1 軟風(fēng)

9、 Light air 0.3~1.5 1 煙能表示風(fēng)向，樹葉略有搖動 2 輕風(fēng) Light breeze 1.6~3.3 2 人面感覺有風(fēng)，樹葉有微響，旗子開始飄動，高的草開始搖動 3 微風(fēng) Gentle breeze 3.4~5.4 4 樹葉及小枝搖動不息，旗子展開，高的草搖動不息 4 和風(fēng) Moderate breeze 5.5~7.9 7 能吹起地面灰塵和紙張，樹枝動搖，高的草呈波浪起伏 5 清勁風(fēng) Fresh breeze 8.0~10.7 9 有葉的小樹搖擺，內(nèi)陸的水面有小波，高的草波浪起伏明顯 6 強(qiáng)風(fēng) Strong b

10、reeze 10.8~13.8 12 大樹枝搖動，電線呼呼有聲，撐傘困難，高的草不時傾伏于地 7 疾風(fēng) Near gale 13.9~17.1 16 大樹搖動，大樹枝彎下來，迎風(fēng)步行感覺不變 8 大風(fēng) Gale 17.2~20.7 20 可折毀小樹枝，人迎風(fēng)前行感覺阻力甚大 9 烈風(fēng) Strong gale 20.8~24.4 23 草房遭受破壞，屋瓦被掀起，大樹枝可折斷 10 狂風(fēng) Storm 24.5~28.4 26 樹木可被吹倒，一般建筑物遭破壞 11 暴風(fēng) Violent storm 28.5~32.6 31 大樹可被吹

11、倒，一般建筑物遭嚴(yán)重破壞 12 颶風(fēng) Hurricane >32.6 >33 陸上少見，其摧毀力極大 1.4 風(fēng)能利用發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)問題 風(fēng)能利用發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)問題風(fēng)能技術(shù)是一項(xiàng)涉及多個學(xué)科的綜合技術(shù)。而且，風(fēng)力機(jī)具有不同于通常機(jī)械系統(tǒng)的特性：動力源是具有很強(qiáng)隨機(jī)性和不連續(xù)性的自然風(fēng)，葉片經(jīng)常運(yùn)行在失速工況，傳動系統(tǒng)的動力輸入異常不規(guī)則，疲勞負(fù)載高于通常旋轉(zhuǎn)機(jī)械幾十倍[7]。對于這樣的強(qiáng)隨機(jī)性的綜合系統(tǒng)，其技術(shù)發(fā)展中有下列幾個關(guān)鍵技術(shù)問題 1）空氣動力學(xué)問題 空氣動力設(shè)計(jì)是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)，它主要涉及下列問題:一是風(fēng)場湍流模型，早期風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)采用簡化風(fēng)場模型，對風(fēng)

12、力機(jī)疲勞載荷和極端載荷的確定具有重要意義；另一是動態(tài)氣動模型。再一是新系列翼型。 2）結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題 準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析是風(fēng)力機(jī)向更大、更柔和結(jié)構(gòu)更優(yōu)方向發(fā)展的關(guān)鍵。 3）控制技術(shù)問題 風(fēng)力機(jī)組的控制系統(tǒng)是一個綜合性的控制系統(tǒng)。隨著風(fēng)力機(jī)組由恒速定漿距運(yùn)行發(fā)展到變速變漿距運(yùn)行，控制系統(tǒng)除了對機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)、脫網(wǎng)和調(diào)向控制外，還要對機(jī)組進(jìn)行轉(zhuǎn)速和功率的控制，以保證機(jī)組安全和跟蹤最佳運(yùn)行功率[8]。 2 風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1　風(fēng)輪設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)-迎風(fēng)技術(shù) 風(fēng)速的大小、方向隨時間總是在不斷變化，為保證風(fēng)輪機(jī)穩(wěn)定工作，必須有一個裝置跟蹤風(fēng)向變化，使風(fēng)輪隨風(fēng)向變化自動相應(yīng)轉(zhuǎn)動，保持風(fēng)輪

13、與風(fēng)向始終垂直。這種裝置就是風(fēng)輪機(jī)迎風(fēng)裝置。 (2-1) (2-2) 式中 P──風(fēng)輪機(jī)輸出功率， KW； ──空氣密度， kg/； r ──風(fēng)輪半徑， m； ──風(fēng)能利用系數(shù) ； ──風(fēng)速， m/s； n ──風(fēng)輪轉(zhuǎn)速， r/min； 由式（2-1）和（2-2）可知風(fēng)輪機(jī)的輸出功率與風(fēng)速立方成正比，轉(zhuǎn)速與風(fēng)速一次方成正比。因此，風(fēng)速變化將引起出力和轉(zhuǎn)速的變化。 風(fēng)輪迎風(fēng)

14、裝置有三種方法：尾舵法、舵輪法和偏心法。 風(fēng)向變化時，機(jī)身上受三個扭力矩作用，機(jī)頭轉(zhuǎn)動的摩擦力矩，斜向風(fēng)作用于主軸上的扭力矩，尾舵輪扭力矩。與機(jī)頭質(zhì)量、支持軸承有關(guān)，決定于風(fēng)斜角、距離L，尾舵力矩由下式近似計(jì)算 （2-3） 式中 ──尾舵升力、阻力合力系數(shù)由實(shí)驗(yàn)曲線查得； ──尾舵面積，； ──風(fēng)輪的圓周速率，m/s； K──風(fēng)速損失系數(shù)約0.75； L──尾舵距離，m。 機(jī)頭轉(zhuǎn)動條件

15、 （2-4） 尾舵面積 （2-5） 式中 ──尾舵輪扭力矩， ； ──機(jī)頭轉(zhuǎn)動的摩擦力矩， ； ──斜向風(fēng)作用于主軸上的扭力矩， ； 按上式設(shè)計(jì)的尾舵面積就可以保證風(fēng)輪機(jī)槳葉永遠(yuǎn)對準(zhǔn)風(fēng)向。 舵輪法是用自動測風(fēng)裝置測定風(fēng)向，按風(fēng)向偏差信號控制同步電動機(jī)轉(zhuǎn)動風(fēng)輪，此方法也可保證風(fēng)輪機(jī)槳葉永遠(yuǎn)對準(zhǔn)風(fēng)向。 在本設(shè)計(jì)中把尾舵取消增加槳葉軸與圓盤角度到7角這樣可以加大與斜向風(fēng)的接觸面積增大斜向風(fēng)

16、對主軸的轉(zhuǎn)矩當(dāng)斜向風(fēng)的轉(zhuǎn)矩為零時風(fēng)輪機(jī)槳葉對準(zhǔn)風(fēng)向[7]。 2.2 風(fēng)輪槳葉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.2.1 槳葉材料的選擇 水平軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪一般由1～3個葉片組成（本設(shè)計(jì)中取6片槳葉），它是風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中吸收能量的部件。葉片采用實(shí)心木質(zhì)葉片。這種葉片是用優(yōu)質(zhì)木材精心加工而成，其表面可以蒙上一層玻璃鋼[9]。 在本設(shè)計(jì)中槳葉材料選用落葉松作為內(nèi)部骨架，木材物理力學(xué)性能見下表。 表2-1 木材物理力學(xué)性能 Table 2-1 Physical and mechanical properties of wood 順紋抗壓強(qiáng)度 /MPa 順紋抗拉強(qiáng) /Mpa 強(qiáng)度極限/MPa

17、 彈性模數(shù)/MPa 順紋抗剪強(qiáng)度 /MPa 52.2 122.6 99.3 126 徑向 弦向 8.8 7.0 2.2.2 風(fēng)輪掃掠半徑的參數(shù)計(jì)算 任何種類風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的功率可用下式表示： 風(fēng)輪機(jī)功率 P= （2-6） 風(fēng)輪半徑 取 （2-7） 葉尖速比 （2-8） 風(fēng)輪機(jī)

18、轉(zhuǎn)速 n= （2-9） 式中 P——輸出功率（指額定工況下輸出的電功率）（W）；P=5KW（給定值） ——空氣密度（一般取大氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）（kg/）； =1.25 kg/（給定值） ——設(shè)計(jì)的風(fēng)速（風(fēng)輪中心高度處）（m/s）； =10m/s（給定值） A——風(fēng)輪掃掠面積 ； ——風(fēng)能利用系數(shù)；＝0.45 （給定值） n——風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速；n=50r/min （給定值） r——風(fēng)輪半徑(m) ——葉尖速比 n——風(fēng)輪

19、機(jī)轉(zhuǎn)速(m/s) 2.2.3 風(fēng)輪的半徑分配問題 根據(jù)需要，圓盤輪轂半徑取0.45m，圓盤輪轂與槳葉間距取0.05m。 則槳葉長度 （2-10） 2.3　理想風(fēng)能的利用 經(jīng)風(fēng)輪做功后的風(fēng)也有一定流速和動能，因此風(fēng)的能量只能被部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能[2]。風(fēng)輪前后流場如圖2-2。 圖2-2風(fēng)輪前后流場 Figure 2 -2 Wind flow around 設(shè) ， ， (2-11) 由伯努利方程

20、 (2-12) 作用在風(fēng)輪上的軸向力 F=A()= (2-13) A= (2-14) 式中 A ──槳葉掃過的面積， ㎡； ──空氣密度， ； P ──風(fēng)輪機(jī)功率， KW； ──平均風(fēng)速， m/s； ──輪前風(fēng)速， m/s； ──輪后風(fēng)速， m/s； ──輪前壓力， pa； ──輪后壓力， pa； F ──軸向力，

21、 N； r ──風(fēng)輪半徑， m； 質(zhì)量流量 （2-15） 槳葉中的平均風(fēng)速等于輪前、輪后風(fēng)速的平均值 （2-16） 從風(fēng)能中可能提取的能量是進(jìn)出口風(fēng)的動能差 （2-17） 已知輸入風(fēng)輪的能量為 （2-18） 風(fēng)能利用系數(shù)

22、 (2-19) 可能提取的能量 (2-20) 代入各值得 (2-21) 令 (2-22) 將式2-12代入下式得風(fēng)能利用系數(shù) (2-23) 可由

23、式2-13求得風(fēng)輪機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)的極值。 進(jìn)口風(fēng)速是已知的，對求導(dǎo)，并令為零，，求得風(fēng)能利用系數(shù)為極大值時的輪后風(fēng)速 (2-24) 通過式2-13求得風(fēng)能利用系數(shù)的極大值為 =0.593 (2-25) 由式2-10得出最大理想可能利用的風(fēng)能為 (2-26) 理想風(fēng)輪機(jī)的能量密度

24、 (2-27) 2.4　槳葉軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 2.4.1 槳葉軸危險(xiǎn)截面軸頸的計(jì)算 當(dāng)風(fēng)垂直吹過槳葉時風(fēng)對槳葉軸的彎矩M由下式算得： （2-28） 式中 F──風(fēng)對槳葉施加的力，N ──風(fēng)的密度， ──風(fēng)速，m/s ──槳葉面積， （2-29） 式中 H──槳葉的一半到槳葉軸危險(xiǎn)截面的距離，m； M──槳葉軸危險(xiǎn)截面處所受彎矩，； 圖2-4槳葉受力簡圖 Figure

25、 2-4 Blade force schematic 槳葉軸所受扭矩如下式： （2-30） 式中 F──槳葉偏心面積所受風(fēng)的吹力，N； h──槳葉軸中心到槳葉偏心面積中心線的距離，m； T──槳葉軸所受轉(zhuǎn)矩，； 槳葉軸的危險(xiǎn)截面按彎扭合成強(qiáng)度條件校核見下式： 危險(xiǎn)截面軸頸d取40mm 式中 ──許用抗拉強(qiáng)度極限， ； ──彎扭合成強(qiáng)度， ； M ──主軸彎矩， N； T ──主軸扭矩， N

26、； ──當(dāng)剪應(yīng)力為脈動循環(huán)應(yīng)變力時為0.6； W ──危險(xiǎn)截面處的抗扭截面模量， ； ──許用彎曲應(yīng)力， ； d ──危險(xiǎn)截面軸頸， mm； 2.4.2 槳葉軸各軸段軸頸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 槳葉軸從左至右安裝零部件分別為：槳葉軸復(fù)位斜板、槳葉軸支撐軸承座、軸套、光軸、軸向固定螺母、墊片、槳葉軸支撐軸承座、光軸、加強(qiáng)鈑金、槳葉夾槽[7]。所以軸頸分布如下： 圖2-5 槳葉軸軸頸分布 Figure 2-5 Paddle axle parts map 2.5　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)問題 功率調(diào)節(jié)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一。

27、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在超過額定風(fēng)速（一般為12～16m/s；）以后，由于機(jī)械強(qiáng)度和發(fā)電機(jī)、電力電子容量等物理性能的限制，必須降低風(fēng)輪的能量捕獲，使功率輸出仍保持在額定值的附近。這樣也同時限制了槳葉承受的負(fù)荷和整個風(fēng)力機(jī)受到的沖擊，從而保證風(fēng)力機(jī)安全不受損害。功率調(diào)節(jié)方式主要有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距角調(diào)節(jié)和混合調(diào)節(jié)三種方式[8]。 1）定槳距失速調(diào)節(jié) 定槳距是指風(fēng)輪的槳葉與輪轂是剛性連接，葉片的槳距角不變。當(dāng)空氣流流經(jīng)上下翼面形狀不同的葉片時，葉片彎曲面的氣流加速，壓力降低，凹面的氣流減速，壓力升高，壓差在葉片上產(chǎn)生由凹面指向彎曲面的升力。如果槳距角不變，隨著風(fēng)速增加，攻角相應(yīng)增大，開始升力會增大，

28、到一定攻角后，尾緣氣流分離區(qū)增大，形成大的渦流，上下翼面壓力差減小，升力迅速減少，造成葉片失速（與飛機(jī)的機(jī)翼失速機(jī)理一樣），自動限制了功率的增加[8]。 圖2-6槳葉失速前的狀態(tài)圖 Figure 2 -6 Blade stall before the state chart 因此，定槳距失速控制沒有功率反饋系統(tǒng)和變槳距角伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、部件少、造價低，并具有較高的安全系數(shù)。缺點(diǎn)是這種失速控制方式依賴育葉片獨(dú)特的翼型結(jié)構(gòu)，葉片本身結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成型工藝難度也較大。隨著功率增大，葉片加長，所承受的氣動推力大，使得葉片的剛度減弱，失速動態(tài)特性不易控制，所以很少應(yīng)用在兆瓦級以上

29、的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制上[8]。 2）變槳距角調(diào)節(jié) 變槳距角型風(fēng)力發(fā)電機(jī)能使風(fēng)輪葉片的安裝角隨風(fēng)速而變化，風(fēng)速增大時，槳距角向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動一個角度，相當(dāng)于增大槳距角，從而減小攻角，風(fēng)力機(jī)功率相應(yīng)增大。 變槳距角機(jī)組啟動時可對轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，并網(wǎng)后可對功率進(jìn)行控制，使風(fēng)力機(jī)的啟動性能和功率輸出特性都有顯著改善。變槳距角調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在陣風(fēng)時，塔架、葉片、基礎(chǔ)受到的沖擊，較之失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要小得多，可減少材料，降低整機(jī)質(zhì)量。它的缺點(diǎn)是需要有一套比較復(fù)雜的變槳距角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，要求風(fēng)力機(jī)的變槳距角系統(tǒng)對陣風(fēng)的響應(yīng)速度足夠快，才能減輕由于風(fēng)的波動引起的功率脈動[8]。 3）

30、混合調(diào)節(jié) 這種調(diào)節(jié)方式是前兩種功率調(diào)節(jié)方式的組合。在低風(fēng)速時，采用變槳距角調(diào)節(jié)，可達(dá)到更高的氣動效率；當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到額定功率后，使槳距角向減小的方向轉(zhuǎn)過一個角度，相應(yīng)的攻角增大，使葉片的失速效應(yīng)加深，從而限制風(fēng)能的捕獲。這種方式變槳距調(diào)節(jié)不需要很靈敏的調(diào)節(jié)速度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率相對可以較小[7]。 2.6 風(fēng)輪槳葉的復(fù)位彈簧參數(shù)計(jì)算 1）當(dāng)6級風(fēng)時V＝12m/s；此時槳葉所受力 （2-31） 式中 V——風(fēng)速 m/s (給定值) ； A——槳葉的迎風(fēng)面積 ； H——槳葉軸作用點(diǎn)

31、到槳葉受力中點(diǎn)的距離 m； T——槳葉受到的轉(zhuǎn)矩 。 取L=20mm時 （2-32） 式中 —— 彈簧最小工作載荷　　N 2）當(dāng)V＝16m/s時，此時槳葉所受力 （2-33） （2-34） （2-35） F總== （2-36）

32、 式中 —— 彈簧最大工作載荷　 N 3） 工作行程　 （2-37） h= （2-38） =34.641=35mm 圖 2-7 槳葉復(fù)位彈簧工作示意圖 Fig.2-7 The working sketch map of the replacement spring of blade 彈簧類別　　圓柱螺旋壓縮彈簧 端部結(jié)構(gòu)　　端部并緊、磨平，支承圈為1圈 彈簧材料　

33、　碳素彈簧鋼絲C級　 4）初算彈簧剛度　　　 （2-39） 5）工作極限載荷　　 因是Ⅲ類載荷；　 故1222.2N 查表選＝1280.3N 表2-2 彈簧有關(guān)參數(shù) Tab.2-2 Table of the parameter of spring D D 6 38 1280.3 5.489 233 6）有效圈數(shù)n ，按表取標(biāo)準(zhǔn)值n＝16 （2-40） 總?cè)?shù)　　　＝n+2=18 7）彈簧剛度　 N/mm

34、 （2-41） 8）工作極限載荷下的變形量　 mm （2-42） 9）節(jié)距t mm （2-43） 10）自由高度 ＝nt+1.5d=1611.489+1.56=192.8 mm （2-44） 11）彈簧外徑　 ＝D+d=38+6=44mm （2-45） 12）彈簧內(nèi)徑　 ＝D-d＝38-6＝32 mm　

35、 （2-46） 13）螺旋角 ＝arctan （2-47） 14）展開長度L mm （2-48） 15）最小載荷時高度 mm （2-49） 14）最大載荷時的高度　 mm （2-50） 15）極限載荷時的高度　 　　 = mm （2-51） 16）實(shí)際工作行程h 　　 h=-=147.9-112.9=351

36、 （2-52） 17）工作區(qū)范圍　　 （2-53） 18）高徑比b　　　 　　　　　　　 b＝ （2-54） 該彈簧的技術(shù)要求： 1.總?cè)?shù)＝18 2.旋向?yàn)橛倚? 3.展開長度L＝2158.6mm 4.硬度HRC45~50 2.7　風(fēng)輪的槳葉軸軸承座上的螺栓強(qiáng)度校核計(jì)算 2.7.1　軸承座上螺栓組的布置問題 螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用如圖所示的結(jié)構(gòu)，螺栓數(shù)z=4，對稱布置。 圖2-8螺栓布置圖 Figure 2-8 bolts layout 2.7.2　螺栓的受

37、力分析和參數(shù)計(jì)算 1）考慮在極限風(fēng)速20m/s時，螺栓組承受以下各力和翻轉(zhuǎn)力矩的作用： 軸向力 F∑=A=1.2520.21=181.86N （2-55） 橫向力 R=F離心+G槳葉+G槳葉軸 （2-56） G槳葉=V槳葉g=N （2-57） 式中 ——槳葉材料選用東北落葉松，氣干密度為594kg

38、 （2-58） =462.3N （2-59） 式中 ——槳葉中心到主軸中心線的距離 m； ——槳葉軸中心到主軸中心線的距離 m； R=462.3N+99.8N+54.5N=616.6N 翻轉(zhuǎn)力矩 M=FL=1.2520.211.325= 240.96

39、 （2-60） 式中 L——槳葉中心到第一個軸承座中心的距離 m； 2）在軸向力F∑的作用下，各螺栓所受的工作拉力為 == （2-61） 3）在翻轉(zhuǎn)力矩的作用下，前面兩螺栓受加載作用，而后面兩螺栓受到減載作用，故前面兩個螺栓受力較大，所受的載荷為 （2-62） 式中—受力最大的螺栓到中心的距離 m； ——單個螺栓到中心的距離； ——螺栓數(shù)目的初始值。 根據(jù)以上分析可見前面的螺栓所受的軸向工作拉力為 （

40、2-63） 4）在橫向力R的作用下，底板鏈接接合面可能產(chǎn)生滑移，根據(jù)底板接合面不滑移條件，并考慮軸向力F∑對預(yù)緊力的影響，則各螺栓所需要的預(yù)緊力為 （2-64） 式中 ——螺栓所需要的預(yù)緊力 N； ——地的相對連接剛度系數(shù)； 查得聯(lián)結(jié)接合面間的摩擦系數(shù)f=0.35，查得螺栓的相對連接剛度系數(shù)=0.2，取可靠性系數(shù)=1.2 則各螺栓所需要的預(yù)緊力為 （2-65） =821.1N 5）螺栓所受的總拉力Q （2-66） 2.7.3　軸承座上螺栓直徑的

41、計(jì)算 螺栓的性能等級為6.6級，查得，S=5 螺栓的許用應(yīng)力 螺栓危險(xiǎn)剖面的直徑為 （2-67） 所以選用M8的螺栓，強(qiáng)度以及安全性足夠。 3　風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1　主軸的相關(guān)參數(shù)的選擇和計(jì)算 1）主軸的軸頸估算如下式： mm （3-1） 估取主軸d＝80mm 式中 d──主軸軸頸，mm； P──風(fēng)輪機(jī)輸入功率，kw； n──風(fēng)輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min； A——主軸參數(shù)，查表得A=110。 主軸所受轉(zhuǎn)矩

42、如下式 T＝9.55 （3-2） 2）主軸鍵的選擇　 主軸鍵的擠壓應(yīng)力校核如下式： 取 （3-3） ；t=9mm， k=14-9=5mm，L=45mm，d=85mm； 所以該鍵合理 （3-4） 式中 ——許用擠壓應(yīng)力，； k ——鍵與輪轂槽（或軸槽）的接觸高度，mm，k=h/2 h ——鍵高；mm l ──鍵的工作長度，mm，A型：l=L-b，B型：l=L，C型：l=L-b/2，

43、b ——鍵寬，mm 3.2　軸段設(shè)計(jì)與校核 主軸從左至右裝配的零部件分別為：1）彈簧擋板調(diào)節(jié)螺母2）彈簧上擋板3）壓縮彈簧4）彈簧下?lián)醢?）圓盤定位螺母6）帶輪轂圓盤7）支撐軸承座[7]。 圖3-1 主軸裝配圖 Figure 3-1 Spindle assembly 圓盤作用在主軸上的力由下式計(jì)算得出 （3-5） （3-6） 式中 V ── 圓盤體積，； ── 圓盤質(zhì)量，kg； F ── 圓盤自重施加在主軸上的力，N； 槳

44、葉軸、槳葉作用在主軸上的力 （3-7） 式中 ——六片槳葉、槳葉軸與圓盤整體自重，kg； ── 六片槳葉、槳葉軸與圓盤整體自重作用在主軸上的力，N； 圓盤、槳葉、槳葉軸整體對主軸的彎矩強(qiáng)度校核如下： M=1424.8h=1424.80.0775=110400 （3-8） （3-9） 即54.18d 所以 選取d=80mm主軸軸頸校核強(qiáng)度滿足要求。 式中 V── 圓盤體積，； B── 圓盤厚度， m； r

45、 ── 圓盤半徑， m； ── 圓盤質(zhì)量， kg； ──槳葉軸質(zhì)量，kg； ── 槳葉質(zhì)量，kg； 圖 3-2 主軸 Fig.3-2 The spindle 4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的增速器和電動機(jī)的選取 4.1 主軸與增速器之間的聯(lián)軸器 4.1.1 聯(lián)軸器的特點(diǎn) 由于風(fēng)力液動機(jī)在工作時，主軸會產(chǎn)生偏移，因此采用彈性連軸器。 彈性柱銷聯(lián)軸器制造容易，耐久性好，安裝維護(hù)方便，傳遞轉(zhuǎn)矩大。為防止脫銷，柱銷兩端用螺栓固定了擋板。適用于軸向位移大，正、反轉(zhuǎn)或啟動頻繁傳動，因此選用彈性柱銷聯(lián)軸器[2]。 4.2.2 聯(lián)軸器的型號及主要參數(shù) 主軸末端軸

46、頸為80mm，選擇HL6型彈性柱銷聯(lián)軸器，其主要參數(shù)為 表4-1 聯(lián)軸器參數(shù) Tab.4-1 Table of the parameter of coupling 公稱轉(zhuǎn)矩 許用轉(zhuǎn)速（鋼） 質(zhì)量 轉(zhuǎn)動慣量 3150 2100 53 15.6 4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器的選擇 由于槳葉輪的轉(zhuǎn)速較小，因此需要借助增速器來帶動電動機(jī)，增速器的原理與減速器相同，只是將其的輸出與輸入調(diào)換，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和具體需要本設(shè)計(jì)采用NGW型行星齒輪減速器[3]。 4.2.1 使用范圍和特點(diǎn) 1）適用范圍 NGW型行星齒輪減速器主要用于冶金、礦山、

47、起重運(yùn)輸?shù)葯C(jī)械設(shè)備減速。其工作條件為：工作環(huán)境溫度為；高速軸最高轉(zhuǎn)速不超過1500；齒輪圓周速度不超過10；可正反兩方向運(yùn)轉(zhuǎn)。 2）主要特點(diǎn) a.體積小、重量輕。相同條件下，比普通漸開線圓柱齒輪的重量輕1/2以上，1/2到1/3。 b.傳動效率高。 c.適應(yīng)性強(qiáng)，傳動功率范圍大。 d.運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲小。使用壽命達(dá)10年以上。 4.2.2 型號的選擇 根據(jù)主軸軸頸、選用的聯(lián)軸器、傳動比及輸入功率等選取NGW41型行星齒輪減速器，其主要參數(shù)為 表4-2 減速器主要參數(shù) Tab.4-2 The main parameter of retarded 公稱傳動比 i 轉(zhuǎn)速

48、 主動軸允許輸入功率 重量 m 4 750 62 146 4.3 發(fā)電機(jī)的選取 4.3.1 選擇發(fā)電機(jī)應(yīng)綜合考慮的問題 （1）根據(jù)機(jī)械的 負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對發(fā)電機(jī)的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇發(fā)電機(jī)的類型。 （2）根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、速度變化范圍和啟動頻繁程度的要求，考慮發(fā)電機(jī)的溫升限制、過載能力和啟動轉(zhuǎn)矩，選擇發(fā)電機(jī)的功率，并確定冷卻通風(fēng)方式、所選電動機(jī)的功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取0.80.9。 （3）根據(jù)使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護(hù)方式，選擇發(fā)電的結(jié)構(gòu)形式。 （4）根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)對功率因

49、數(shù)的要求，確定發(fā)電的電壓等級和類型。 （5）根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)行的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程性能的要求，以及進(jìn)行減速機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇發(fā)電機(jī)的額定功率[3]。 4.3.2 型號選擇 根據(jù)實(shí)際需要，以及選擇電動機(jī)應(yīng)綜合考慮的問題，選擇Y系列三相異步發(fā)電機(jī)。 其主要性能及機(jī)構(gòu)特點(diǎn)：效率高，性能好，噪聲低，振動小，體積小，重量輕，運(yùn)行可靠，維修方便等。 5　風(fēng)力發(fā)電機(jī)的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算 5.1　初步估計(jì)回轉(zhuǎn)體危險(xiǎn)軸頸的大小 1）為回轉(zhuǎn)體， 由于回轉(zhuǎn)體位于整體裝置的重心偏后200mm處，所以槳葉、槳葉軸、圓盤、增速器和托架對回轉(zhuǎn)體會產(chǎn)生正向彎矩，發(fā)電機(jī)對回轉(zhuǎn)體產(chǎn)生負(fù)向彎矩

50、。 圖5-1回轉(zhuǎn)體受力簡圖 Figure 5-1 rotational force schematic =900mm； =142.48.kg； ＝350mm； ＝300kg； ＝200mm； ＝150kg； ＝425mm； ＝200kg； ＝1.25； （5-1） （5-2） ＝80.8， （5-3） 本設(shè)計(jì)中d取135mm所以完全符合強(qiáng)度要求。 式中 ──六片槳葉、槳葉軸與圓盤整體

51、自重到回轉(zhuǎn)體中心線的距離，mm； ──增速箱重心到回轉(zhuǎn)體中心線的距離， mm； ──托架重心到回轉(zhuǎn)體中心線的距離， mm； ──發(fā)電機(jī)重心到回轉(zhuǎn)體中心線的距離， mm； ──六片槳葉、槳葉軸與圓盤整體自重， kg； ──增速箱重量， kg； ──托架重量， kg；

52、 ──發(fā)電機(jī)重量， kg； ──圓盤背面受風(fēng)施加給回轉(zhuǎn)體的彎矩， N； ──合成彎矩， ； 圖5-2回轉(zhuǎn)體裝配圖 Figure5-2 rotating assembly 5.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 回轉(zhuǎn)體由：回轉(zhuǎn)軸底盤、加強(qiáng)鈑金、回轉(zhuǎn)軸軸承軸肩、回轉(zhuǎn)軸推力軸承軸段、回轉(zhuǎn)軸危險(xiǎn)軸段、滑動軸承注油口、回轉(zhuǎn)軸軸向定位段、安裝滑環(huán)軸段、軸向定位螺母、軸向定位擋板、回轉(zhuǎn)體上聯(lián)接板、銅套、無縫鋼管、推力軸承

53、等部分組成[7]。 其中回轉(zhuǎn)軸的左右擺動問題通過滑動軸承來解決它能很好的解決由于頂部重心偏向前而引起對軸的彎矩，加強(qiáng)了回轉(zhuǎn)軸的抗彎強(qiáng)度。 回轉(zhuǎn)軸擋板可以在安裝過程中防止回轉(zhuǎn)軸脫落下滑，回轉(zhuǎn)軸中心鉆出的通孔此處為發(fā)電機(jī)輸電線路。因回轉(zhuǎn)軸固定在塔架上當(dāng)風(fēng)向改變對風(fēng)時套筒上方連接的所有部件隨著套筒一起轉(zhuǎn)動銅套與套筒為過盈配合，銅套與回轉(zhuǎn)軸之間用潤滑油潤滑所以輸電線路不會纏到一起。 6風(fēng)力發(fā)電機(jī)的其他元件的設(shè)計(jì) 6.1　剎車裝置的設(shè)計(jì) 由于機(jī)械維修以及意外情況的發(fā)生需要對風(fēng)輪機(jī)進(jìn)行剎車，所我們在增速器高速軸側(cè)加裝一輪轂并在輪轂外安置剎車裝置通過拉拽鋼絲繩帶動剎車帶使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降低直至停止。剎車

54、帶的復(fù)位由彈簧套筒內(nèi)的彈簧來保證停止剎車后剎車皮與輪轂不在接觸。 圖6-1剎車裝置裝配圖 Figure 6-1 brake assembly 剎車機(jī)構(gòu)常用于安全系統(tǒng)，用在靜止或正常運(yùn)行時，剎車裝置一般有三種剎車方式：1）、電磁剎車（電動式）；2）、機(jī)械剎車；3）、混合式剎車。形式不同，必須有很高的可靠性，使風(fēng)輪快速回到靜止位置[7]。 本設(shè)計(jì)中的剎車裝置主要由：1）彈簧筒聯(lián)接頭、2）彈簧筒聯(lián)接板、3）彈簧筒、4）復(fù)位彈簧、5）彈簧套筒蓋等零件組成。 6.2選擇滑環(huán) 風(fēng)輪機(jī)在工作中由于風(fēng)向的隨機(jī)性導(dǎo)致其會發(fā)生轉(zhuǎn)動此時由于發(fā)電機(jī)的輸出電能要通過電線電纜傳輸?shù)降孛鏋榱朔乐癸L(fēng)輪機(jī)機(jī)頭部

55、在轉(zhuǎn)動過程中把電線電纜與內(nèi)部裝置纏在一起，就需要滑環(huán)。 滑環(huán)是在一絕緣圓筒外壁鑲嵌三到四個圓環(huán)并相應(yīng)放置電刷電刷的另一端連接發(fā)電機(jī)的輸出電線電纜，在絕緣圓筒內(nèi)引線一直通到地面的變電所。 6.3　托架的基本結(jié)構(gòu) 托架是放置輪盤、主軸、增速器、發(fā)電機(jī)以及回轉(zhuǎn)體、滑環(huán)和剎車裝置等附件的。它分兩層上層為支撐輪盤、主軸、增速器、剎車裝置和發(fā)電機(jī)。下托板與回轉(zhuǎn)體上端面聯(lián)接，中間放置滑環(huán)和滑輪組件。 滑輪組件是把剎車裝置的鋼絲繩纏繞在滑輪上改變其方向令鋼絲繩與托板不能接觸。 7 結(jié)論 我國雖然是利用風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電的最早的國家之一，但在其應(yīng)用技

56、術(shù)以及應(yīng)用范圍上的發(fā)展卻不容樂觀。從現(xiàn)在開始，大力開展風(fēng)力發(fā)電事業(yè)，我國未來的風(fēng)力發(fā)電的前景是很有希望的，雖然國外的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已比較成熟，但我們應(yīng)大力開展自主研發(fā)。 本文根據(jù)我國現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電的基本理論，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪，主軸，回轉(zhuǎn)體和剎車裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì).根據(jù)實(shí)際工況要求和相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)對所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中的重要元件進(jìn)行了校和.其中，風(fēng)輪是重點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的元件.風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)包括槳葉，槳葉軸，圓盤及其上面的其他元件。通過對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使它基本實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。這就使自然風(fēng)為我們?nèi)祟愃?本文所設(shè)計(jì)的裝置基本能保證五千瓦的功率輸出，但設(shè)計(jì)過程中也會因?yàn)榭紤]的不全面而使功率損失掉一

57、部分，這些還需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。 在槳葉軸的設(shè)計(jì)中，考慮了多種因素及極限風(fēng)速對其的影響，因此槳葉軸的設(shè)計(jì)浪費(fèi)可能較大，對主軸以及回轉(zhuǎn)體會產(chǎn)生的一定的影響，在今后的實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中應(yīng)加以注意和考慮。 在槳葉的設(shè)計(jì)中，由于無法完成對空氣動力學(xué)的研究，以及生產(chǎn)的困難，槳葉整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡單，在條件允許的情況下，應(yīng)對槳葉進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計(jì)，進(jìn)行實(shí)際風(fēng)動實(shí)驗(yàn)，以考慮其夾角，以及與圓盤輪轂夾角等問題。 剎車裝置的設(shè)計(jì)考慮結(jié)構(gòu)簡單起見，未進(jìn)行自動化設(shè)計(jì)，在實(shí)際生產(chǎn)中，考慮人工因素，應(yīng)設(shè)計(jì)成可通過電力自動剎車。 參考文獻(xiàn) [1] 李柱國.機(jī)械設(shè)計(jì)與理論 （2）

58、第2版.北京：科學(xué)出版社.2004 [2] 唐增寶.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)。第2版。華中科技大學(xué)出版社。1998 [3] 成大先 .機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 單行本.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2004，4 [4] 孟憲源．現(xiàn)代機(jī)構(gòu)手冊[M]．第1版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．1994，6 [5] 吳治堅(jiān)．新能源和可在生能源的利用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.1 [6] 王承煦，張?jiān)矗L(fēng)力發(fā)電．北京：中國電力出版社，2002，8 [7] 王承煦．風(fēng)力發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M]．北京：金盾出版社，1995 [8] 徐灝．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（1）[M] ．第2版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．2000 [9] 徐灝．機(jī)械

59、設(shè)計(jì)手冊（2）[M] ．第2版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．2000 [10] 徐灝．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（3）[M] ．第2版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．2000 [11] Chen JL， Hajela P．A rule based approach to optimization design modeling[J]．Computer and Structure．1989 [12] Akagi S， Fujitak．Building and expert system for engineering design based on the object_ Oriented re

60、presentation concept[J]．ASME Trans．J．Mech．design，1990 [13] 1 Dejan Schreiber Applied Designs Turbines And New Approaches PCIMof Variable 2002．3：202-207 附錄A 固定風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)力集成園建模系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的研究 緒論 抽象程度越來越高的風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中需要一項(xiàng)準(zhǔn)確的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定模式. 因?yàn)樵S多風(fēng)力發(fā)電機(jī)往往集合

61、在一起，其中等價建模幾個風(fēng)力發(fā)電機(jī)尤為關(guān)鍵. 本文介紹的降階動態(tài)固定風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型適合暫態(tài)穩(wěn)定模擬. 該模型是使用一個模型還原技術(shù)所構(gòu)建的高階有限元模型. 然后， 用等價方式表明如何將幾個風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)力合并成一個 單降階模型. 用模擬個案來說明一些獨(dú)特性能的動力系統(tǒng)，含風(fēng)力發(fā)電機(jī). 所以說，本文著重于介紹水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)用異步電機(jī)直接連到電網(wǎng)作為 系統(tǒng)的發(fā)電機(jī). 用參數(shù)計(jì)算暫態(tài)穩(wěn)定模擬系統(tǒng)，計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建模，計(jì)算風(fēng)力渦輪機(jī)造型. 正文 一.最近，大家對風(fēng)能的發(fā)展展現(xiàn)出了濃厚的興趣. 伴隨著使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的熱潮，現(xiàn)在需要對電力動態(tài)系統(tǒng)， 電力傳輸規(guī)劃的設(shè)計(jì)評估. 本文的第一個目

62、的是提出一個準(zhǔn)確的低階動態(tài)模型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，它是 符合現(xiàn)代機(jī)電暫態(tài)模擬計(jì)算機(jī)程式的. 本文中，開發(fā)的模式著重于水平軸的風(fēng)力發(fā)電機(jī)， 或風(fēng)力機(jī)直接連到同步網(wǎng)時采用異步發(fā)電機(jī). 這其中還包含許多現(xiàn)代大型發(fā)電系統(tǒng). 由于大型風(fēng)力裝置的構(gòu)建是由許多個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的， 風(fēng)力發(fā)電場的建模是一個迫切的需求. 因此， 本文的第二個目的是提供一種方法，它結(jié)合數(shù)個風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接到一個電網(wǎng)上，然后通過一個共同模式整合成一個單一的等效模型. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要分為定速或變速. 以最小單位，渦輪驅(qū)動的感應(yīng)發(fā)電機(jī)為例，它是直接連接到電網(wǎng)上的. 渦輪轉(zhuǎn)速變化很小，那是由于陡坡的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的特性所制； 因此， 它被稱為

63、定速系統(tǒng). 還有變速裝置，發(fā)電機(jī)連接到電網(wǎng)利用電力電子變換的技術(shù)使渦輪速度受到控制，以最大限度地表現(xiàn)出來(例如，電力的控制) . 這兩種方法在風(fēng)力工業(yè)均非常普遍. 在本文中， 我們將目光集中在建模定速裝置和等效模擬幾個固定轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電集成園. 第一種典型的風(fēng)力機(jī)械頻率是在0至10赫茲范圍； 這也是各種機(jī)電振蕩的頻率. 因此，這涉及到機(jī)械振動的風(fēng)力互動學(xué)與機(jī)電動力學(xué). 這方面的例子參見本文. 因此，為了構(gòu)建一個精確的模型，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可用于暫態(tài)穩(wěn)定的研究. 第一種渦輪機(jī)械動力學(xué)必須能準(zhǔn)確的代表模型. 這里的風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型建出了導(dǎo)電模型，減少了一個詳細(xì)的650階有限元模型的一個典型的 橫向軸.

64、氣動力和機(jī)械動力的減少與非線性四階雙渦輪慣性模型相結(jié)合生成了一個標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電機(jī)模型. 模擬計(jì)算表明了模型的精確性.幾個風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接到傳輸系統(tǒng)上通過一個單一的模型建模，因?yàn)槊總€渦輪暫態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)都過于繁瑣， 我們的目的是整和風(fēng)力發(fā)電園成為相當(dāng)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型的極小系統(tǒng). 我們對等價建模的風(fēng)園涉及到把所有渦輪以同樣的機(jī)械固有頻率整和成單一當(dāng)量的渦輪機(jī). 模擬結(jié)果表明，這種方法能夠提供準(zhǔn)確的結(jié)果. 二. 范例 關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模的代表范例是關(guān)于暫態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)的，它包括在[2] - [10] . 模擬結(jié)果表明，固定頻率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要集中在以下兩個主要方法. 第一種方式是把汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子作為一個

65、單一的慣性體從而忽略系統(tǒng)的機(jī)械固有頻率 [2] - [5] . 第二種方式是把渦輪葉片和樞紐之一的慣性體接上發(fā)電機(jī)加上一個彈簧 [6] [9] . 在所有這些論文中，彈簧剛度的計(jì)算是從系統(tǒng)的主要部分中提取的. 我們的研究顯示，較第一型機(jī)械頻率來說第二型才是至關(guān)重要的一個精確的模型. 有限元分析表明，第一類動力的變化主要是因?yàn)殪`活的渦輪葉片不夠精確. 根據(jù)建模方法的算法，我們得知的主要事實(shí)是，小而靈活的機(jī)械部件是渦輪上的刀片. 結(jié)果[7]集中表明了幾個風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和降階風(fēng)園模型的類型和與類型相結(jié)合的方法. 但是， 作者不能解決水輪機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)相結(jié)合時采用這種方法保存的機(jī)械要求. 我們的研究結(jié)

66、果表明:這關(guān)鍵在于有一個準(zhǔn)確的風(fēng)示范園. [10]詳細(xì)討論了降階變速渦輪機(jī)載的建模. 作者稱渦輪的機(jī)械能所代表的類型是一個單一的個體， 從動態(tài)的機(jī)電動力學(xué)分析，那是因?yàn)闄C(jī)械的慣性使它的變速性能產(chǎn)生堵塞. 我們分析時不考慮變速情況.[2] - [10]的工作闡述著重于低階水輪機(jī)模型，從而可以容易地實(shí)現(xiàn)大型暫態(tài)穩(wěn)定代碼的測量.相當(dāng)多的研究集中在建模定額一個更深入的層次. [17]是一個很好的概況和文獻(xiàn). 從高度詳細(xì)的有限元模型角度，詳細(xì)的闡述了建模方法，還較簡單的敘述了六轉(zhuǎn)五轉(zhuǎn)，三轉(zhuǎn)水輪機(jī)模型.這些模型中的大部分都采用動量理論來計(jì)算氣動力. 三.我們對發(fā)展渦輪動力的一個降階模型為出發(fā)點(diǎn)，把所有機(jī)械和氣動渦輪機(jī)動態(tài)效果以高度詳細(xì)的用機(jī)電射程的形式表示出來. 在這個還原過程中，是以消費(fèi)者的角度來分析渦輪軸驅(qū)動發(fā)電機(jī)的. 目的是為了準(zhǔn)確反映軸轉(zhuǎn)速和扭矩特性與最小模型的秩序和復(fù)雜性. 數(shù)值調(diào)查表明，機(jī)械氣動和機(jī)械效應(yīng)的一個例子所展現(xiàn)的測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有限元建模環(huán)境. 該系統(tǒng)是一種新興的橫向風(fēng)軸機(jī)床，包括三個31.7米葉片，葉片的一套點(diǎn)俯仰角度為2.6 ， 一個82.5米的主軸，它們