水平軸風力發(fā)電機設(shè)計

《水平軸風力發(fā)電機設(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《水平軸風力發(fā)電機設(shè)計（33頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 目 錄 Ⅰ Ⅱ 專心---專注---專業(yè) 6 摘 要 風能是清潔綠色的動力，風力能源目前相對于我國來說還是相當充裕的。風力發(fā)電就是獲取風能最主要的一種方法。風力發(fā)電的根本工作原理，是通過風力使其葉片轉(zhuǎn)動，然后經(jīng)過增速機把風輪轉(zhuǎn)動的速度提高到一定的值，繼而使發(fā)電機正常工作然后發(fā)電?，F(xiàn)在風力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)達到了一定的地步，基本風速達到3m/s的速度后，發(fā)電機就可以開使正常工作繼而發(fā)電。該課

2、題是設(shè)計一臺小型水平軸風力發(fā)電機，它的基本組成部件主要有以下五種①葉片②發(fā)電機③回轉(zhuǎn)體④塔架⑤控制系統(tǒng)等。本課題對風力發(fā)電機進行了基本的講述，首先計算風輪的掃掠面積，繼而確定風輪的直徑，選定發(fā)電機，然后通過以上計算查表選擇軸承等部件，確定塔架的高度及材料，并繪制了圖紙。 關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機；回轉(zhuǎn)體；風輪 Abstract Wind power is a clean and green power, and wind power generation is quite abundant relative to our country. Wind power is the most impo

3、rtant way to get wind energy. The basic principles and overall structure of small wind turbines are listed below.This 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

4、of the generator are as follows:(1)five kinds of blade (2) generator (3) yaw device (4) tower frame (5) control system, 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 gene

5、rator, mainly carried out the detailed design and calculation of the part of the rotary body, calculated its axial and 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 t

6、he above calculation table, and passed the real time. And draw the drawings. Key words: wind turbine; rotary body; impeller 1 緒論 1.1風能資源的概述 我國的風能資源十分豐富，每年可開發(fā)利用的風能儲量約為10億千瓦，其中，陸地上風能儲量約為2.53億千瓦，而海上可開發(fā)和利用的風能儲量約為7.5億千瓦，共計10億多千瓦。 風能是清潔綠色的源動力，屬于可再生資源之一。并且我國的風能儲量相對于其他國家而言還是占有一定優(yōu)勢的?？砷_發(fā)利用比例也非?？捎^，而且

7、我國開采風能技術(shù)已經(jīng)達到一定地步，比較適合開發(fā)利用風力發(fā)電項目，能夠給國家節(jié)省資源，給國民創(chuàng)造利益。 1.2風能資源的利用 風在全球的儲藏量都很大，它并不會因為人們大量的開發(fā)利用而減少，也不會因為其他客觀的因素而影響，它是我們能夠開發(fā)利用并且長期使用的可再生能源。目前全世界每年燃燒煤所獲得的能量，只有風力在一年內(nèi)所提供能量的三分之一左右。也正是因為這樣，全世界都非常重視開發(fā)研究風能資源，以便能夠更充分利用風力發(fā)電。人類很早以前就對風力發(fā)電的開發(fā)和利用進行研究了，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)在風力發(fā)電的制造與安裝技術(shù)正在逐步趨于完善。這對全世界來說都是一個福音。 但

8、是風能也是有不足的地方，因為風的大小并不是我們可以控制的，臺風、龍卷風都能在一瞬間摧毀很多建筑物，對人們造成不可估量的損失，所以我們不能停下對風能開發(fā)利用的腳步，一定要攻克這個難關(guān)，讓人能夠有實力來應(yīng)對風力過大所帶來的災(zāi)害。 1.3風能資源利用的原理 我們常說的風力發(fā)電其本質(zhì)就是把風的動能通過葉片和發(fā)電機的組合體轉(zhuǎn)化為機械能，然后再把機械能轉(zhuǎn)變成電能。風力發(fā)電的根本工作原理，是通過風力使其葉片轉(zhuǎn)動，然后經(jīng)過增速機把風輪轉(zhuǎn)動的速度提高到一定的值，繼而使發(fā)電機正常工作然后發(fā)電?，F(xiàn)在風力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)達到了一定的地步，基本風速達到3m/s的速度后，發(fā)電機就可以開使正常工作繼而發(fā)電。因為風能綠色無污

9、染，并且風力發(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。 風輪（包括尾翼）、塔架和發(fā)電機這三個部分構(gòu)成的整體稱為發(fā)電機組，也是風力發(fā)電需要的基本裝置。其中風輪由兩只或兩只以上葉片組成，它是將風的動能轉(zhuǎn)化成機械能的重要部件。風能資源的最典型應(yīng)用就是用來發(fā)電。將風能有效的轉(zhuǎn)化為電能的有效途徑就是通過發(fā)電機進行轉(zhuǎn)化。通過外部風力作用到發(fā)電機機組葉片上，使得葉片進行旋轉(zhuǎn)，以此帶動發(fā)電機的電機軸隨著轉(zhuǎn)動。發(fā)電機的轉(zhuǎn)子做切割磁感線的運動，繼而產(chǎn)生電流。將風能有效的轉(zhuǎn)化為電能。隨著生態(tài)環(huán)境保護重要性的不斷升級，有效解決環(huán)境污染問題已經(jīng)是個破在眉捷的話題了。因此，風力發(fā)電的應(yīng)用在不久的

10、將來，勢必會成為一種重要的能源獲取形式。 使用風能發(fā)電的機構(gòu)稱為風力發(fā)電機。這種機構(gòu)基本由三大部分組成。迎風裝置，也就是風輪和尾翼的組合；發(fā)電裝置，就是指發(fā)電機。發(fā)電機的形式由水平回轉(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發(fā)電機運行工作的部件，塔架，其形式也是多種多樣，根據(jù)發(fā)電機的重量大小不同，它們的承重能力也不同。 風輪是風力發(fā)電機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)強度，在大風或者惡略的環(huán)境中不易損壞，又需要盡可能的減輕自重，保證運轉(zhuǎn)時不會消耗大量的能量。以至對葉片本身的材料和結(jié)構(gòu)有了更高要求。玻璃鋼是一種有機的纖維合成材料，既保留了力

11、學性能方面的高強度性能，又擁有著塑料一樣小的密度，是一種很適合設(shè)計制作葉片的材料。 另外，由于自然界的風向和風速并不穩(wěn)定，最顯著特點就像一首歌中描述的‘時而寧靜，時而瘋狂’。因此，合理的設(shè)計尾翼，讓尾翼對風向進行調(diào)節(jié)，始終保證葉片處于迎風狀態(tài)，能夠有效的提高發(fā)電機的發(fā)電效率。相反，還有另外一種情況，就是發(fā)電機轉(zhuǎn)速太高，以至于對發(fā)電機造成影響，嚴重的可能損壞設(shè)備。因此，減速裝置的設(shè)計應(yīng)用就成了必不可缺的結(jié)構(gòu)。 剎車減速機構(gòu)一般分為兩種，一種是具有自動調(diào)節(jié)功能的機構(gòu)，另一種是手動調(diào)節(jié)機構(gòu)。自動調(diào)節(jié)機構(gòu)多用于相對比較大型的發(fā)電機組。它的基本原理是，在發(fā)電機軸上安裝轉(zhuǎn)速傳感器，當傳感器顯示的轉(zhuǎn)速達

12、到預(yù)設(shè)值后，系統(tǒng)通過液壓或者電磁鐵的方式，迫使剎車機構(gòu)進行剎車，達到降低轉(zhuǎn)速的目的，進一步保護發(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峰值電壓給出系統(tǒng)信號啟動剎車裝 置。 鐵塔在發(fā)電機中的主要作用就是支撐，是確保發(fā)電機穩(wěn)定運行，保證獲取風能的一個構(gòu)架。鐵塔的選用需要根據(jù)具體的使用環(huán)境而定，在滿足發(fā)電機工作風速的情況下，具有足夠的剛性，且不能影響地面的人和物的日?；顒?。 1.4風力發(fā)電的輸出 發(fā)電機發(fā)出的電是不能被直接使用的，盡管它是交流電。這是因為，自然界的風速是隨時改變的，發(fā)電機輸出的電能也是非常的不穩(wěn)定。這樣一來，就需要有一個裝置把不穩(wěn)定的交流

13、電進行轉(zhuǎn)化。將轉(zhuǎn)化以后的交流電存儲到蓄電池中或并入電網(wǎng)之中，再通過逆變器，將存儲的電能轉(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。 有的時候人們在選用小型發(fā)電機的時候，有一個選擇誤區(qū)，認為發(fā)電機的功率應(yīng)該大于用電器的功率。這種認識是錯誤的。因為不論發(fā)電機的功率大小，他都將風能必須先存儲起來，存儲到預(yù)先設(shè)定好的蓄電池中。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。在平均風力較小的環(huán)境使用功率太大的風力發(fā)電機，很有可能會因為風力不足而無法帶動發(fā)電機正常運轉(zhuǎn)。而選擇一個合適大小的發(fā)電機，才能夠最為高效的將風能源源不斷的轉(zhuǎn)化為電能。從而取得最大的利用率。 風

14、力發(fā)電機的使用意義在實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，一臺風力發(fā)電機足可以為一家人進行日常生活的供電，在自然風光較多的旅游景區(qū)，不但可以為景區(qū)進行照明也，可以增加景區(qū)的特點。 1.5風力發(fā)電機的種類 風力發(fā)電的種類多種多樣，但是比較常見和被人們所熟知的風力發(fā)電機，根據(jù)其回轉(zhuǎn)軸的形式分類，主要有兩種形式。一是水平回轉(zhuǎn)軸風力發(fā)電機，另一種是垂直回轉(zhuǎn)軸風力發(fā)電機。這兩種發(fā)電機的最大區(qū)別在于，風力方向與回轉(zhuǎn)軸之間的位置關(guān)系不同。 1.5.1水平軸風力發(fā)電機 水平軸風力發(fā)電機是指，旋轉(zhuǎn)葉片的旋轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機的電機軸在同一個回轉(zhuǎn)軸內(nèi)，或者說，二者的中心軸共線。 水平軸

15、風力發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)有：葉片前端的導(dǎo)流裝置，或者稱為整流罩。用于把風能轉(zhuǎn)變成機械能的葉片。將機械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機。將電能進行存儲的蓄電池。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垂直軸風力發(fā)電機 對應(yīng)于水平軸風力發(fā)電機，還有一種垂直軸風力發(fā)電機。這種發(fā)電機最大的特點就是不需要安裝迎風裝置的尾翼，氣流可以從360度方向吹過，它都能夠進行旋轉(zhuǎn)，切割磁感線，進行發(fā)電。它是利用空氣流過葉片，從而葉片產(chǎn)生對風的阻力，既而有一個反向的作用力促使發(fā)電旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)速的增加，阻力會快速的下降，發(fā)電的效率也會隨之增加。然而它的最

16、典型弊端就是啟動力矩太大。因此，這種形式的使用不及水平軸風力發(fā)電機廣泛。 2 水平軸發(fā)電機的基本功能構(gòu)成及工作原理 2.1水平軸風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)簡介 水平軸風力發(fā)電機整體大致由以下幾個部分組成： (1)風葉 (2)整流罩（有的兼顧葉片固定作用） (3)發(fā)電機（主體結(jié)構(gòu)） (4)回轉(zhuǎn)體（主體結(jié)構(gòu)） (5)尾舵（調(diào)控風向） (6)固定拉索（鋼絲繩） (7)地基（穩(wěn)住整體） (8)地腳螺栓（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）

17、 圖1 水平軸風力發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)示意圖 2.2水平軸發(fā)電機關(guān)鍵部件詳細介紹認知 2.2.1.風輪葉片介紹 水平軸風力發(fā)電機的風輪一般最少可以是一個葉片，最多可以為四個葉片，但大多數(shù)都為三個葉片組成。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 （1）發(fā)電機的種類 小型風力發(fā)電機有兩個大的種類，一種是直流另一種是交流?，F(xiàn)在很多風力發(fā)電機都選擇交流發(fā)電機，因為交流發(fā)電機

18、具有很多優(yōu)點，如質(zhì)量輕可以方便運輸安裝，在很大程度上節(jié)省了成本，能在很小的風力下運行發(fā)電，能增加風能的利用率。 （2）發(fā)電機的構(gòu)造 交流發(fā)電機主要是由轉(zhuǎn)子、定子、外殼和整流器組成。 （3）發(fā)電機的功率 發(fā)電機在設(shè)計及研發(fā)時都會有一個額定值，但是因為風速一直變化等原因，發(fā)電機的功率也會隨之變化，有時低于額定值有時高于額定值，但是由于發(fā)電機自身的限制，其輸出功率會有一個極限值。達到極限值后不會再增加輸出功率。 （4）回轉(zhuǎn)體 回轉(zhuǎn)體是本課題研究的重點，它就像是整個裝置的脖子一樣，具有支撐和旋轉(zhuǎn)功能，是保證風輪、尾翼正常運作的基礎(chǔ)。風力發(fā)電機回轉(zhuǎn)體的設(shè)計安裝目前在我國種類繁多，本課題采用偏

19、心式，其結(jié)構(gòu)大致有三點，如下圖 圖3 回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)要素示意圖 a.風輪的仰角 考慮到風輪工作的特點，我們可以將回轉(zhuǎn)體上平面與水平面間設(shè)計有5~10?的夾角。發(fā)電機安裝在回轉(zhuǎn)體上，以至于發(fā)電機會有與之相同的仰角，因此能夠增加風輪的穩(wěn)定性。 b.風輪軸與回轉(zhuǎn)體中心的偏心距 風輪軸與回轉(zhuǎn)中心的偏心距是風力發(fā)電機調(diào)速機構(gòu)能夠準確調(diào)速的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。當風速達到限定風速時，此偏心距能夠準確地產(chǎn)生一個迫使風輪扭轉(zhuǎn)的力矩，使風輪立即開始側(cè)偏調(diào)整。如果風速繼續(xù)增大，風輪扭轉(zhuǎn)力矩也會增大，風輪則繼續(xù)側(cè)偏，直至達到限速停車的極限位置。 c.尾翼后傾角和側(cè)偏角 風輪尾翼與回轉(zhuǎn)體上的尾翼

20、通過銷軸聯(lián)結(jié)，而此銷軸在安裝時即有一個設(shè)計好的空間后傾角和側(cè)偏角，由于這一空間后傾角和側(cè)偏角的存在，當風輪側(cè)偏調(diào)速時，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，使風輪迎風。 2.2.3調(diào)速機構(gòu) 因為現(xiàn)實生活中風速大小的不確定性，像沿海地區(qū)有時還會出現(xiàn)臺風，針對這種現(xiàn)象我們就要有一個調(diào)速機構(gòu)來限制風輪的轉(zhuǎn)速，如果不做限制的話，風輪的速度就會同風速一直增加，而我們設(shè)計時所選取的材料是承受不了這么大力的，進而就會損壞風力發(fā)電機，導(dǎo)致整體癱瘓，正是因為這個原因，我們才需要設(shè)計一個調(diào)速機構(gòu)，用來保證風力發(fā)電機能夠穩(wěn)定工作從

21、而有穩(wěn)定的輸出功率。 小型風力發(fā)電機常用的調(diào)速方法有三種：風輪側(cè)偏調(diào)速法；槳葉側(cè)偏調(diào)速法；空氣制動調(diào)速法。 （1）風輪側(cè)偏調(diào)速法 在工作狀態(tài)下，風速增長至限制風速仍繼續(xù)增長時，我們可以轉(zhuǎn)動風輪，使風輪與風向產(chǎn)生一定夾角，降低迎風面積，以實現(xiàn)控制風速。如下圖所示： 圖4 風輪側(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)速法就是當風速達到限定風速時，迫使槳葉繞葉柄轉(zhuǎn)過一個角度，以改變槳葉的沖角，從而改變槳葉的升力與阻力，達到調(diào)速的目的。如下圖所示： 圖5槳葉側(cè)偏式調(diào)速法 （3）空氣制動調(diào)速法 空氣制動調(diào)速法就是增大槳葉阻力從而達到調(diào)速的目的。 2.2.

22、4調(diào)向機構(gòu) 調(diào)向機構(gòu)對于設(shè)備整體來說具有很重要的作用，因為風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的話，效率會變得非常的低，而加上調(diào)向機構(gòu)效果會截然不同，就會大大增加風能的利用率，無論風是從哪個方向來的，它都會迅速做出調(diào)整，使風輪轉(zhuǎn)動，然后帶動風力發(fā)電機整體進行工作，所以說調(diào)向機構(gòu)就像啟動器一樣至關(guān)重要。因此設(shè)置調(diào)向機構(gòu)能夠使風輪盡可能的捕獲風能，進而提高風能的利用率。我們常常采用“尾翼調(diào)向”，小型風力發(fā)電機體質(zhì)輕，這也是常用這種方式的原因之一。 2.2.5手剎車機構(gòu) 手剎車機構(gòu)是風力發(fā)電機中阻止風輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動的裝置。主要作用是在遇到大風天氣或者設(shè)備出現(xiàn)故障時可以及時有效的停

23、止風輪運行，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，也可以加裝絞輪裝置，通過繩索牽引改變風輪位置。 2.2.6塔架 塔架是風力發(fā)電機中重要的元件之一，用來支撐整個風輪結(jié)構(gòu)，使風輪維持一定的高度，并且在較高的風速環(huán)境下能夠正常運行。因此，要合理的選擇作為塔架的材料，要保證足夠的硬度，不僅能夠支撐風輪的重量，還要克服較大的空氣阻力而不會出現(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 小型風力發(fā)電機葉輪和發(fā)

24、電機裝置的選擇確定 3.1設(shè)計風速的確定 總的來說，能達到最大風能利用系數(shù)時所選取的風速，一般就為設(shè)計風速?，F(xiàn)我國所選取的設(shè)計風速也稱額定風速，一般是8m/s還有的是10m/s，因為國情的原因，選取好了設(shè)計風速，就能使發(fā)電機在額定風速下正常工作。如下表是內(nèi)蒙古風速氣象表，通過表中可以看出5-6m/s的風速出現(xiàn)的比重較多。 表1 內(nèi)蒙古風速氣象表 地區(qū) 數(shù)值 指標 風能密度 w/㎡ 全年積累小時數(shù)h 風速3-20m/s (約4-8級) 風速6-20m/s (約4-8級) 風速8-20m/s (約5-8級) 風能豐富區(qū)即東南沿海、島嶼、內(nèi)蒙等地 >200 <60

25、00 >2200 >1000 風能較豐富區(qū)即豐富區(qū)向陸延展20-30km,青藏高原中部和北部等 >150 6000 1500 800 風能可利用區(qū)即兩廣沿海，大小興安嶺等地 50-150 2000-4000 500-1500 表2 內(nèi)蒙古某地區(qū)氣象站觀測2004年平均風速表 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 風速m/s 4.6 5.3 5.8 5.8 5.6 4.9 4.9 4.7 4.8 5.5 5.2 5.3 表3 風力等級參照表 風級 名稱 風速m/s K

26、m/h 陸地地面物像 海面波浪 浪高m 最高m 0 無風 0.0-0.2 <1 靜，煙直上 平靜 0.0 0.0 1 軟風 0.3-1.5 1-5 煙示風向 微波峰無飛沫 0.1 0.1 2 輕風 1.6-3.3 6-11 感覺有風 小波峰未破碎 0.2 0.3 3 微風 3.4-5.4 12-19 景氣展開 小波峰頂破裂 0.6 1.0 4 和風 5.5-7.9 20-28 吹起塵土 小浪白沫波峰 1.0 1.5 5 勁風 8.0-10.7 29-38 小樹搖擺 中浪折沫波群 2.0 2.

27、5 6 強風 10.8-13.8 39-49 電線有聲 大浪白沫離峰 3.0 4.0 7 疾風 13.9-17.1 50-61 步行困難 破峰白沫成條 4.0 5.5 8 大風 17.2-20.7 62-74 折毀樹枝 浪長高有浪花 5.5 7.5 9 烈風 20.8-24.4 75-88 小損房屋 浪峰倒卷 7.0 10.0 10 狂風 24.5-28.4 89-102 拔起樹木 海浪翻滾咆哮 9.0 12.5 11 暴風 28.5-32.6 103-117 損毀重大 波峰全程飛沫 11.5 16

28、.0 12 颶風 >32.6 >117 摧毀極大 海浪滔天 14.0 - 通過上表，我們?yōu)榱俗岋L的利用率提高，決定選擇8m/s作為設(shè)計風速。 3.2 風輪外形的計算 3.2.1風能利用系數(shù)Cp 風能利用系數(shù)Cp的物理意義:風力發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)化成電能的轉(zhuǎn)換效率。 貝茲在20世紀30年代創(chuàng)立了氣動理論。在貝茲的理想化假設(shè)下得出了風力發(fā)電機的理論最大效率Cp=0.593。因為以上為理想化結(jié)論，可知風能利用效率是有一定限制的，所以現(xiàn)實中應(yīng)該為Cp<0.593。 3.2.2風輪的掃掠面積確定 掃掠面積內(nèi)的未擾動氣流所含風能的百分比?？捎孟率奖硎荆? Cp=P/(1/2ρSV

29、) 公式（1） 式中：P—風力發(fā)電機實際獲得的輸出功率； ρ--空氣密度 備注：標準狀態(tài)下ρ=1.2928kg/m3，考慮到氣溫等因素本處計算取 ρ=1.2kg/m3 S—風輪的掃掠面積； V—風速。 此時，根據(jù)公式1，變形得到S=P/(1/2*ρ*V*Cp) 公式（2） 此時，因為暫取風速為 8m/s,（

30、在第三章，3.1節(jié)中確定的風速）風能利用系數(shù)CP在此暫取為 0.5. 綜合以上所述，根據(jù)公式（2），計算出風輪的掃掠面積S。 S=P/(1/2*ρ*V*Cp) =2000/（1/2*1.2*512*0.5）=13.02㎡ 3.2.3風輪直徑的確定 風力發(fā)電機的掃掠面積是指風輪旋轉(zhuǎn)掃過的面積在垂直于風向的投影面積，是風力發(fā)電機截留風能的面積，稱為風力機的掃掠面積，如下圖所示，是一個典型三葉片水平軸風力機的掃掠面積示意圖。 根據(jù)圓周面積S=πR2 公式（3） 風輪直徑可由下列公式進行估算:

31、風葉長度R=2.03m(包含中間整流護罩),最后取整2m. 圖6 典型三葉片水平軸風力機的掃掠面積示意圖 3.2.4回轉(zhuǎn)體水平軸向力的計算 從水平軸風力發(fā)電機的工作原理（第二章，第2.1節(jié)）我們知道，葉片受到風壓產(chǎn)生的作用力，會傳遞給發(fā)電機，發(fā)電機在傳遞給回轉(zhuǎn)體。所以，回轉(zhuǎn)體承受水平軸向推力即是風壓對葉片產(chǎn)生的壓力。 先從風壓的概念了解入手。風壓就是垂直于氣流方向的平面所受到的風的壓力，風壓以單位面積上的風的動壓來表示： W=1/2ρV2 =0.6V2 公式（4） 根據(jù)公式4，

32、可以得出風力發(fā)電機在軸向上受到的動壓W： 單位平方米的動壓W=38.4N/m2 (在第三章，3.1節(jié)中確定了風速的大小) 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)國家標準，把風力發(fā)電機組的風速分為5級，按年平均風速10 m/s、8.5 m/s、7.5 m/s、6 m/s四種風速和特殊設(shè)計風速一個（本處設(shè)為8m/s），我們再增加停機風速20 m/s和起動風速3 m/s共七個風速來計算單位面積（每平方米）的風功率與風壓，計算所得數(shù)據(jù)填于下表。 此表可以對風壓力進行大

33、致的估算，在今后設(shè)計工作中，能夠大幅提高設(shè)計工作效率。 表4 風速、風功率、風壓對照表 風速（m/s） 20 13 10 8.5 7.5 6 3 風壓力（W/㎡） 240 110 60 43 34 22 5.4 風功率（N/㎡） 4800 1318 600 369 253 129 16.2 3.2.5 發(fā)電機的選擇確定 風力發(fā)電機的發(fā)電功率計算有如下公式 P=0.5*A*ρ*Cp*V3 公式（5） A--扇葉掃掠面積，前面計算得知A=13.02㎡

34、 ρ--空氣密度，前面取定ρ=1.2kg/m3 V---風速，前面取定V=8m/s Cp---風能利用率。前面取定Cp=0.5 P發(fā)電機為輸出功率 風能轉(zhuǎn)換電能效率η， 根據(jù)表5，取η=35% 得知發(fā)電機最大功率P1=5.7KW 表5 風力發(fā)電機的效率表 風輪形式 全效率 阻力型垂直軸風力機（平板式） 不超過12% 阻力型垂直軸風力機（風杯式） 不超過7% 阻力型垂直軸風力機（S型） 不超過25% 升力型垂直軸風力機 15%-30% 多葉片風輪水平軸風力機 10%-30% 扭曲葉片風輪水平軸風力機1-10kw

35、 15%-35% 扭曲葉片風輪水平軸風力機10-100kw 30%-45% 扭曲葉片風輪水平軸風力機100kw以上 35%-50% 根據(jù)以上計算數(shù)據(jù)，現(xiàn)選擇山東寧津晟成風電設(shè)備公司的3KW發(fā)電機可以滿足該設(shè)計使用要求。該風力發(fā)電機主體結(jié)構(gòu)為150Kg。該參數(shù)表中標定了風力發(fā)電機的運輸毛重為199 Kg，考慮安全系數(shù)1.2，即對支撐塔架的正壓力為2400N. 表6 山東寧津晟成風電設(shè)備公司3kw發(fā)電機各參數(shù)表 型號 FD4.0-3.0 葉片數(shù)量 3 額定功率 3kw 葉片材質(zhì) 增強玻璃鋼 最大功率 4.5kw 發(fā)電機型號 三相交流永磁 工作電壓 DC38v

36、/AC220v 碳鋼型號 釹鐵硼N35SH 額定電壓DC/v 48,96,120,240 額定電流A 62.5,31,25,12.5 啟動風速m/s 3 發(fā)電機殼體 鑄鐵 額定風速m/s 10 控制器系統(tǒng) 電磁+偏航 安全風速m/s 40 工作溫度 零下40~零下60度 主體凈重Kg 150 設(shè)計壽命 20年 額定轉(zhuǎn)速r/min 300 包裝尺寸m 2.0*0.70*0.43 風輪直徑m 4 運輸毛重Kg 199 4 水平軸風力發(fā)電機回轉(zhuǎn)體的設(shè)計與計算 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)電機組的基本功能構(gòu)成及工作

37、原理中，對回轉(zhuǎn)體的理論介紹。（第二章，第2.2.2節(jié)，第四條）現(xiàn)對回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)做如下設(shè)定。 a.取定風輪的仰角為5°，決定了回轉(zhuǎn)體電機回轉(zhuǎn)軸與水平面呈+5°夾角。 b.取定風輪軸與回轉(zhuǎn)體中心偏心距100mm。 c.取定尾翼后傾角為4° d.取定尾翼側(cè)偏角為8° （2）經(jīng)過前面的設(shè)計和計算中，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，即是葉片受到風力作用產(chǎn)生的正壓力.F1=500N 2）根據(jù)發(fā)電機及配套部件，再加上安全系數(shù)，估算塔架承受重力為2400N.即是軸承需要承受的軸向力F2為2400N。 4.2 軸承的計算與選用 4.2.1軸承的功

38、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)機械設(shè)計手冊可知，軸承壽命的計算公式如下，單位小時h 公式（6） 其中C—額定動載荷 P—當量動載荷 考慮各種環(huán)境因素，增加了軸承計算的設(shè)計系數(shù)，得到下方的公式。 表7 軸承計算各設(shè)計系數(shù)表 工作中沖擊振動c 引進載荷系數(shù)f進行修正 載荷性質(zhì) 無沖擊或輕微沖擊 中等沖擊 強烈沖擊 ?p 1.0~1.8 1.2~1.

39、8 1.8~3.0 修正結(jié)果： 軸承壽命公式 壽命指數(shù)：ε=3---球軸承或ε=10/3---滾子軸承 用小時表示：Lh=106/60n（c/p）εh當t＞100℃是，→C↓引進溫度系數(shù)?t進行修正。 表8 溫度系數(shù)表 軸承工作溫度℃ 100 125 150 200 250 300 溫度系數(shù) 1 0.95 0.90 0.80 0.70 0.60 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，接觸角會增大。本設(shè)計中軸襯

40、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 標準編號 深溝球軸承 60000 GB/T 276 角接觸軸承 7000C 7000AC 7000B GB/T 292 因為現(xiàn)有F2=2400N,F1=500N.即F2≈5F1. 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0<α<45?的軸承，以承受軸向載荷為主。（重力） a=0° 0°

41、承 c.推力向心軸承 d.推力軸承 圖7 各類軸承公稱接觸角示意圖 當量動載荷的計算公式如下 P=X*Fr+Y*Fa 公式（7） X----徑向動載荷系數(shù) Y----軸向動載荷系數(shù) Fa----軸向分力 Fr----徑向分力 因為 Fa=F2=1500N；Fr=F1=500N；所以有Fa/Fr=4.8 根據(jù)表9可知，接觸角取定40?時，e=1.14.此時X=0.35 Y=0.57 表10 軸承各系數(shù)表 軸承類型 A/R>e A/R≦e

42、e X Y X Y 深溝球軸承 0.56 2.3 1.99 1.71 ...... 1 0 0.19 0.22 0.26 ...... 角接觸軸承 a=15度 0.44 1.47 1.40 1.30 1 0 0.38 0.40 0.23 a=25度 0.41 0.87 1 0 0.68 a=40度 0.35 0.57 1 0 1.14 當量動載荷P= X Fr+Y Fa=0.35X500+0.57X2400=1543N 此時軸承選定為B系列 根據(jù)軸承的使用場合，選出軸承的使用壽命為4000~8000小時

43、即可。此時選定上限為5000小時。 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械，如手動機械、農(nóng)業(yè)機械等 3000--8000 間斷使用的機械，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)計中，風力發(fā)電機不會出現(xiàn)高頻率的轉(zhuǎn)動，假定最高轉(zhuǎn)速為n=50r/min 滾子軸承壽命指數(shù)取為 ε=10/3 根據(jù)公式 公式（8） 可以

44、得出額定動載荷C=3206N=4.32KN 因此，只要軸承額定載荷C’≥計算處的理論動載荷C即可。 表12 單列角接觸球軸承各尺寸及系數(shù) 基本尺寸 額定負荷 軸承代號 d D b Cr Cor 7000型 60 110 110 110 22 22 22 61.0 58.5 56.0 48.5 46.2 44.5 7212C 7212AC 7212B 70 125 125 125 24 24 24 70.2 69.2 70.2 60.0 57.5 57.2 7214C 7214AC 7214B 兼顧本設(shè)計

45、中，發(fā)電機的導(dǎo)線需要從回轉(zhuǎn)體中穿過，這樣設(shè)計能夠保護電纜，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增大。 前面已經(jīng)定義選用B系列軸承，此時按照表10中單列角接觸球軸承的7214B選型。該軸承額定動載荷C0=70.2KN ,遠遠大于我們計算的額定當量動載荷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，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，我們增加使用另一個角接觸球軸承，對稱安裝。具體選用型號為7214B，該軸承的尺寸通過查閱表得： 內(nèi)徑：70mm 外

46、徑：125mm 厚度：24mm 軸承公差等級選用原則如下： 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裝置中可選用P0級 b.在轉(zhuǎn)速較高和旋轉(zhuǎn)精度要求較高的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中，可選用P6、P5 c.在高速、高精度的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中，可選用P4、P2級 綜上所述，本例軸承選用中等精度等級即可，我們選取P6等級的精度。 根據(jù)前期的各種零部件的計算以及教科書中關(guān)于公差的配合知識，最后得出公差等級進行標準，并查出其對應(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 游動支點：G7

47、 此時，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，風其實就是大氣中空氣的流動，產(chǎn)生的原因就是大氣壓不平衡、不均勻，所以氣體會由氣壓高的地方流向氣壓低的地方，類似于水的流動。 一般來說，大氣平流層以下的范圍內(nèi)，高度越高空氣流動速度越大，也就是說風速是不斷地隨著高度的增加而增大的。而塔架越高，風力發(fā)電機單位面積所能夠利用的風能就越大，但隨之的造價，技術(shù)方面上的要求以及安裝的困難程度也會隨之增加。所以，風力發(fā)電機的塔架并非越高越好，而要綜合考慮技術(shù)與經(jīng)濟這兩個因素。這樣來說，塔架的高度實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+

48、C+R （公式9） 式中：h—接近風力機的障礙物高度；取h=20m C—由障礙物最高點到風輪掃掠面最低點的距離 （常取C=1.52.0m）； R—風輪半徑，R=2m 由以上數(shù)據(jù)可得Hmin=20+2+2=24m， 取H=24m 5.2 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)約成本。  5.3 整體建模效果圖 圖8

49、 整體裝配圖  總 結(jié) 本設(shè)計以小型水平軸風力發(fā)電機組作為研究對象，對其設(shè)計、理論進行了一系列的研究及探討。 首先對國內(nèi)國外的風力發(fā)電行業(yè)的歷史及風力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展?jié)摿ψ隽嗽敿毜年U述，然后簡單介紹了風力發(fā)電機的幾個關(guān)鍵部件，對于風力發(fā)電機整機各部分進行設(shè)計了計算，對其中幾個重要零件如風輪系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)、軸承等進行了方案選擇，并進行了詳細的計算說明。 最后通過計算機畫圖軟件對其各部分零件進行了分析然后畫圖，完成了最終的設(shè)計，結(jié)束本次的課題研究。 參考文獻 [1]丁元杰.風力發(fā)電機的原理與應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社.2012. [2]劉萬琨，張志英.風能

50、與風力發(fā)電技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社.2010. [3][日]牛山泉編著 劉薇.李巖譯.風能技術(shù)[M].北京：科學出版社.2010. [4]王小利.機械設(shè)計手冊[M].第三卷,第6章 常用滾動軸承的基本尺寸與數(shù)據(jù).2011 [5]廖明夫.風力發(fā)電技術(shù)[M].北京：西北工業(yè)大學出版社.2010. [6]廖明夫.風力機設(shè)計、制造與運行[M].北京：西北工業(yè)大學出版社.2010. [7]郭克希，王建國，機械制圖[M].北京：機械工業(yè)出版社.2013. [8]芮曉明,柳亦兵,馬志勇，風力發(fā)電機組設(shè)計[M].機械工業(yè)出版社.2010.2 [9]GB/T 6391-2010

51、滾動軸承 額定動載荷和額定壽命[s].2010 [10]Keith,David W. The Influence of Large-Scale Wind Power on Global Climate. Proc. National Academy of Sciences,Washington D.C, Vol. 101. pp. 2013 [11]Joseph, E.S, Charles, R.M, Richard, G.B. (2010) Mechanical Engineering Design. 7 th Ed., United State of America. p.

52、[12]Hammons, T.J. (2012) Technology and Status of Developments in Harnessing the World’s 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)計時候悉心的輔導(dǎo)，教會我如何設(shè)計自己的課題，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，曾多次與老師進行交流，做過多次更改,讓我將理論知識和實踐作圖相結(jié)合，將我在學校所學習的知識進行了綜合的應(yīng)用，讓我深刻的懂得“學以致用”，在完成畢業(yè)設(shè)計的過程中，我從簡單的思想構(gòu)設(shè)到一點點出圖，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，我還要感謝我大學所有的任課老師，感謝他們的諄諄教導(dǎo)，感謝我們曾經(jīng)一起深刻研討的同學，希望通過本次畢業(yè)設(shè)計，能夠提升一下我的自身能力，為踏入社會做好鋪墊。祝愿所有畢業(yè)同學前程似錦，有個好的工作之路！