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垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計
目錄
摘要 ....................................................................ⅠABSTRACT ...............................................................Ⅱ
第一章 概述 ...........................................................1
1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)概況 ....................................................1
1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀 ............................................1
1.2.1 國外風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制情況 .....................................1
1.2.2 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制情況 ....................................2
1.3 研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的目的和意義 .......................................4
1.4 我國的風(fēng)能資源及其分布 ...........................................5
第二章 風(fēng)力機(jī)理論 ....................................................8
2.1 基本公式 ........................................................8
2.1.1 風(fēng)能利用系數(shù) ................................................8
2.1.2 風(fēng)壓強(qiáng) ......................................................8
2.1.3 阻力式風(fēng)力機(jī)的最大效率 ......................................8
2.2 工作風(fēng)速與輸出功率 ..............................................9
2.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出效率 .........................................9
2.2.2 工作風(fēng)速與輸出功率 ............................................9
2.2.3 啟動風(fēng)速和額定風(fēng)速的選定 .....................................10
2.3 風(fēng)能利用與氣象 ..................................................12
2.3.1 風(fēng)的觀測對風(fēng)能利用的意義 .....................................12
2.3.2 風(fēng)能利用中需要的氣象調(diào)查 .....................................13
2.4 風(fēng)的觀測 ........................................................13
第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計 ....................................14
3.1 小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案設(shè)計 ....................................14
3.2 風(fēng)葉 ............................................................14
3.3 行星齒輪加速器設(shè)計計算 ..........................................14
3.3.1 設(shè)計要求 .....................................................15
3.3.2 選加速器類型 .................................................16
3.3.3 確定行星輪數(shù)和齒數(shù) ............................................16
3.3.4 壓力角()的選擇 ..............................................16
3.3.5 齒寬系數(shù)的選擇 ................................................17
3.3.6 模數(shù)選擇 ......................................................17
3.3.7 預(yù)設(shè)嚙合角 ....................................................17
3.3.8 太陽輪與行星輪之間的傳動計算 ..................................17
3.3.9 行星輪與內(nèi)齒輪之間的傳動計算 ..................................18
3.3.10 行星排各零件轉(zhuǎn)速及扭矩的計算 ..................................18
3.3.11 行星排上各零件受力分析及計算 ..................................19
3.3.12 行星齒輪傳動的強(qiáng)度校核計算 ....................................20
3.4 電磁離合器設(shè)計計算 ...............................................24
3.4.1 選型 ..........................................................24
3.4.2 牙嵌式電磁離合器的動作特性 ....................................24
3.4.3 離合器的計算轉(zhuǎn)矩 ..............................................24
3.4.4 離合器的外徑 ..............................................24
3.4.5 離合器牙間的壓緊力 ...........................................24
3.4.6 線圈槽高度 ...................................................24
3.4.7 磁軛底部厚度 ................................................25
3.4.8 銜鐵厚度 ...................................................25
4傳動系統(tǒng)設(shè)計 ............................................... ........25
結(jié)束語 ......................................... .... ..............33
致謝 .....................................................................34
參考文獻(xiàn) ..........................................................35
第一章 概述
1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)概況
隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展, 風(fēng)力發(fā)電迅猛發(fā)展。以機(jī)組大型化(50kW～ 2MW )、集中安裝和控制為特點的風(fēng)電場(也稱風(fēng)力田、風(fēng)田) 成為主要的發(fā)展方向。20 年來, 世界上已有近30 個國家開發(fā)建設(shè)了風(fēng)電場(是前期總數(shù)的3 倍) , 風(fēng)電場總裝機(jī)容量約1400 萬kW (是前期總數(shù)的100 倍)。目前, 德國、美國、丹麥以及亞洲的印度位居風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量前列, 且未來計劃投資有增無減。美國能源部預(yù)測2010 年風(fēng)電至少達(dá)到國內(nèi)電力消耗的10%。歐盟5 國要在2000～ 2002 年達(dá)到本國總發(fā)電量的10%左右, 丹麥甚至計劃2030 年要達(dá)到40%。
中國是一個風(fēng)力資源豐富的國家, 風(fēng)力發(fā)電潛力巨大。據(jù)1998 年統(tǒng)計, 風(fēng)力風(fēng)電累計裝機(jī)22.36萬kW , 僅占全國電網(wǎng)發(fā)電總裝機(jī)的0.081% , 相對于可開發(fā)風(fēng)能資源的開發(fā)率僅為0.088%。
中國第一座風(fēng)力發(fā)電場于1986 年在山東榮成落成, 總裝機(jī)較小, 為3×55kW。到1993 年我國風(fēng)電場總裝機(jī)容量達(dá)17.1MW , 1999 年底, 我國共建了24 個風(fēng)力發(fā)電場, 總裝機(jī)268MW。我國風(fēng)力發(fā)電場主要分布在風(fēng)能資源比較豐富的東南沿海、西北、東北和華北地區(qū), 其中風(fēng)電裝機(jī)容量最多的是已達(dá)72.35kW。在未來2～ 3 年內(nèi), 我國計劃新增風(fēng)電場裝機(jī)容量將在800MW 以上, 并且將會出現(xiàn)300～ 400MW 的特大型風(fēng)力發(fā)電場。
1.2 研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的目的和意義
中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，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)水平和采掘速度計算，全球煤炭資源還可開采200年。此外，石油探明儲量預(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)。八屆人大四次會議批準(zhǔn)的我國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展“九五”計劃和2010年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中提出“積極發(fā)展風(fēng)能、海陽能、地?zé)崮艿刃履茉窗l(fā)電”的指導(dǎo)方針，為我國發(fā)展多能互補(bǔ)的能源結(jié)構(gòu)新格局起到了指導(dǎo)和促進(jìn)作用。
風(fēng)能是對人類生存環(huán)境影響最小的能源。除此之外，風(fēng)能資源非常豐富，取之不盡，用之不竭。據(jù)統(tǒng)計，太陽向地球輻射的巨大能量中，約有1%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能。這些能量相當(dāng)于全球每年消耗的煤、石油等化石燃料能量的總和，可見風(fēng)能的潛力是非常大的。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日趨成熟，風(fēng)力發(fā)電規(guī)模也不斷擴(kuò)大，美國加州由數(shù)家風(fēng)能公司提供給電網(wǎng)的電量，足以供應(yīng)舊金山這樣的大城市的居民需求。我國風(fēng)電事業(yè)近年來發(fā)展較快，已有16萬臺微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)用于邊遠(yuǎn)山區(qū)、牧區(qū)、海島，初步解決了地處邊遠(yuǎn)，居住分散，電網(wǎng)難以到達(dá)地區(qū)的居民用電問題。同時也遏制了微型汽油發(fā)電機(jī)的發(fā)展，在節(jié)約石化燃料的同時，避免了各種有害氣體的排放。國家“九五”新能源發(fā)展計劃提出，“九五”期間全國風(fēng)力發(fā)電的總裝機(jī)容燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文量要突破40萬千瓦。為此，國家從宏觀規(guī)劃角度出發(fā)，制定了“乘風(fēng)計劃”，面向國內(nèi)外市場發(fā)展風(fēng)力發(fā)電?！俺孙L(fēng)計劃”不僅會大大促進(jìn)我國風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展，而且對減排有害污染物，促進(jìn)環(huán)境的改善有著重要意義。
風(fēng)力發(fā)電近幾年發(fā)展如此之快，是因為它有許多優(yōu)點：1.設(shè)備簡單，投資少，成本低，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整個設(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)省燃料和運輸費用。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)祟愘囈陨娴淖匀画h(huán)境?；瘜W(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)。
由于它是清潔能源，對環(huán)境無污染，又由于我們國家地形復(fù)雜，人口又多，居住分散，對于電網(wǎng)涉及不到的地區(qū)，特殊行業(yè)，可以補(bǔ)充大電網(wǎng)的缺陷，起到拾遺補(bǔ)缺的作用，可以利用小型風(fēng)機(jī)風(fēng)力發(fā)電的地方主要有：
(l)航運系統(tǒng)我們有長江等水系幾條大河流，如長江航運中的拖船，一般在100一200噸，經(jīng)常被擱置在江中間的錨地上，用電主要靠蓄電池。使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)對蓄電池補(bǔ)充充電效果很好，這方面有成功的經(jīng)驗。但是，由于國有運輸企業(yè)的不景氣，影響了市場。
另外，我們大小河流湖泊上的船舶數(shù)量驚人，用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)解決它們的照明、收視電視、聽廣播，有很重要的意義和市場。
(2)森林防火高山觀察站據(jù)林業(yè)部防火指揮部介紹，東北約有400個觀察站，西南也有幾百個高山觀察站，各省市都有一些森林高山防火觀察站，站上的工作人員，在防火期從10月到第二年4、5月期間晝夜在站上值勤，解決他們的照明及聽廣播、看電視頗為費神。由于山高、道路狹窄歧嶇、運輸困難，又不能使用明火，使用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以基本解決觀察站的照明及娛樂用電。90年代初，個別觀察站曾使用過小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的某些技術(shù)問題及使用人員的素質(zhì)因素，沒有得到推廣。
(3)無人值守的差轉(zhuǎn)臺和微波站。
(4)東南沿海各孤立的島嶼。
(5)圍網(wǎng)養(yǎng)殖系統(tǒng)。
(6)農(nóng)牧區(qū)。
(7)國際市場。
第二章 風(fēng)力機(jī)理論
2.1 基本公式
2.1.1 風(fēng)能利用系數(shù)
風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中吸收的能量大小程度用風(fēng)能利用系數(shù)表示。橫截面積為s()的氣流的動能為
2.1.2 風(fēng)壓強(qiáng)
如圖2-1a，根據(jù)伯努力方程，風(fēng)中物體受到的風(fēng)壓Q為
2.1.3 阻力式風(fēng)力機(jī)的最大效率
建立簡單的理想模型，一個平板在風(fēng)的氣動壓力作用下沿著風(fēng)速方向運動，如圖2-lb，并規(guī)定平板上游一定距離上的風(fēng)速為，平板的運動速度為v，那么平板吸收的功率可以表示為
圖2-1 平板模型
對給定的上游風(fēng)速玲，可以寫出以平板的運動速度V為函數(shù)的功率變化關(guān)系式，對v進(jìn)行微分得
從上式中可以看出，阻力式風(fēng)力機(jī)的效率是比較低的，提高效率的唯一辦法是設(shè)法提高風(fēng)的阻力系數(shù)C。
2.2 工作風(fēng)速與輸出功率
2.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出效率
最理想的風(fēng)力機(jī)也不可能吸收全部的風(fēng)能，而只能吸收部分風(fēng)能。如上一節(jié)推導(dǎo)的那樣，有一個最大風(fēng)能利用系數(shù)。但是，風(fēng)力機(jī)在制做過程中，由于受到各種條件的限制，做不到完全理想的形狀。因此實際的風(fēng)力機(jī)和理想的風(fēng)力機(jī)之間也有差異。實際風(fēng)力機(jī)吸收的功率與理想風(fēng)力機(jī)吸收的功率的比值叫做風(fēng)力機(jī)的效率。用表示。另外還有傳動機(jī)構(gòu)的效率甲和發(fā)電機(jī)的效率等，所以實際風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的效率，可以表示為
2.2.2 工作風(fēng)速與輸出功率
風(fēng)力機(jī)啟動時，為了克服其內(nèi)部的摩擦阻力而需要一定的力矩。這一最低力矩值叫做風(fēng)力機(jī)的啟動力矩。啟動力矩主要與風(fēng)力機(jī)本身的傳動機(jī)構(gòu)摩擦阻力有關(guān)·因此風(fēng)力機(jī)有一最低工作風(fēng)速稱，只有風(fēng)速大于時風(fēng)力機(jī)才能工作。
當(dāng)風(fēng)速超過某一值的時候，基于安全上的考慮(主要是塔架和槳葉強(qiáng)度)，風(fēng)力機(jī)應(yīng)該停止運轉(zhuǎn)，所以每一臺風(fēng)力機(jī)都規(guī)定有最高風(fēng)速，最高風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)的設(shè)計強(qiáng)度有關(guān)，是設(shè)計時給定的參數(shù)。
最小風(fēng)速稱，和最大風(fēng)速之間的風(fēng)速叫做風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速，相應(yīng)于工作風(fēng)速風(fēng)力機(jī)有功率輸出。當(dāng)風(fēng)力機(jī)的輸出功率達(dá)到標(biāo)稱功率時的工作風(fēng)速叫做該風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速。
2.2.3 啟動風(fēng)速和額定風(fēng)速的選定
如何根據(jù)風(fēng)能資源來選用風(fēng)力機(jī)，使風(fēng)力機(jī)的運行狀態(tài)最佳，確定起動風(fēng)速和額定風(fēng)速是關(guān)鍵。
2.2.3.1 雙參數(shù)威布爾分布 風(fēng)能就是流動空氣具有的動能。單位時間通過垂直于空氣流的單位面積的空氣流所具有的動能叫風(fēng)能密度，設(shè)為空氣密度，v為風(fēng)速，則風(fēng)能密度p=0.5，隨v的立方增大，變化非?？?，故知道風(fēng)速的變化情況是利用風(fēng)能的先決條件。
風(fēng)速V是隨機(jī)變量，經(jīng)研究專家們多認(rèn)為用雙參數(shù)威布爾概率密度函數(shù)擬合風(fēng)速頻率分布最好腳。威布爾分布函數(shù)形如下式
其中K為形狀參數(shù)，無量綱，C為尺度參數(shù)，量綱為m。不同地區(qū)，不同時期參數(shù)K、C是不同的，可根據(jù)某地連續(xù)30年的風(fēng)資料算出該地的K、C參數(shù)，威布爾分布函數(shù)曲線見圖2-2。參數(shù)K、C影響曲線形狀，K大C大曲線陡峻，峰右移，反之亦然。
圖2-2 威布爾分布函數(shù)曲線
上式滿足
2.2.3.2 起動風(fēng)速 啟動風(fēng)速為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪由靜止開始轉(zhuǎn)動并能連續(xù)運轉(zhuǎn)的最小風(fēng)速:風(fēng)力機(jī)分水平軸和垂直軸兩大類，每一類又有多種形式，同一形式還有若干種規(guī)格，只有科學(xué)地選擇適合當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源的風(fēng)力機(jī)，才能以較少的投資獲取較多的風(fēng)能。
根據(jù)國內(nèi)外100多種風(fēng)力機(jī)，起動風(fēng)速的范圍是2m，至6m，這一范圍能滿足風(fēng)能豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)的不同需要。
雙參數(shù)威布爾分布函數(shù)曲線峰值對應(yīng)的凡就是起動風(fēng)速(圖2-2)。對上式求一階導(dǎo)數(shù)且令其等于O有
解得
證明氣是出現(xiàn)概率最大的風(fēng)速。使用起動力風(fēng)速大于上式計算的氣的風(fēng)力機(jī)會損失小風(fēng)速這一區(qū)段的風(fēng)能，使用起動風(fēng)速小于上式計算的咋的風(fēng)力機(jī)是否更好呢?表面看低風(fēng)速的風(fēng)能得到更多的利用，深入研究可知在之氣的較高風(fēng)速區(qū)風(fēng)能利用率下降，總體上是得不償失，故選用盡可能接近上式結(jié)果的風(fēng)力機(jī)最為理想。
2.2.3.3 額定風(fēng)速 額定風(fēng)速的選定直接影響風(fēng)能利用系統(tǒng)整體的效率和經(jīng)濟(jì)性，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計中的重要參數(shù)。
己知風(fēng)能密度p=12，對一臺效率為，槳葉半徑為廠的風(fēng)力機(jī)，輸出功率w(V)的威布爾分布函數(shù)為
w(V)峰值對應(yīng)之風(fēng)速應(yīng)是額定風(fēng)速，此時風(fēng)力機(jī)提取的風(fēng)能最多。
令
2.2.3.4 風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系 風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系可以簡單地如圖2一3來表示(注:圖中縱坐標(biāo)表示輸出功率，單位為:w/;橫坐標(biāo)表示風(fēng)能，單位為:m/s)
A一理論風(fēng)能曲線B一扣除空氣動力損失后的風(fēng)力機(jī)吸收的功率
C一計算傳動損失和機(jī)械能轉(zhuǎn)換損失后的功率曲線
D一發(fā)電機(jī)實際輸出功率曲線
圖2一3 功率與風(fēng)速的關(guān)系
2.3 風(fēng)能利用與氣象
2.3.1 風(fēng)的觀測對風(fēng)能利用的意義
在前面已經(jīng)講述過，風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比。所以，當(dāng)風(fēng)速測量有10%的誤差時，風(fēng)力機(jī)輸出功率的誤差將擴(kuò)大到33%。在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計中，輸出功率出現(xiàn)30%以上的誤差，將帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失。風(fēng)速隨時間變化很大，而且地區(qū)性差異也很大，正確把握風(fēng)況并不是一件容易的事情。所以在風(fēng)力機(jī)設(shè)計計劃中，對風(fēng)的觀測非常受重視。
2.3.2 風(fēng)能利用中需要的氣象調(diào)查
在風(fēng)能利用中，需要進(jìn)行四項氣象調(diào)查:
(l)風(fēng)能密度調(diào)查 結(jié)合風(fēng)能的地區(qū)分布和可設(shè)立風(fēng)力機(jī)地區(qū)面積的調(diào)查，在全國范圍內(nèi)對可利用的風(fēng)能量進(jìn)行估算。
(2)選定適合地點 在一年中，對通過強(qiáng)風(fēng)場所的調(diào)查。
(3)風(fēng)速的頻率分布調(diào)查 在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計中，為了估算平均出力和運轉(zhuǎn)時間等量，必須了解風(fēng)力機(jī)軸高處的風(fēng)況。
(4)為了風(fēng)力機(jī)設(shè)計強(qiáng)度和安全系數(shù)的氣象調(diào)查 異常的強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)的概率、風(fēng)的不定向性以及突風(fēng)程度，冰暴、鹽害等的調(diào)查。
2.4 風(fēng)的觀測
風(fēng)的觀測，因其目的不同而有各自的特點。對于風(fēng)能利用，通過對風(fēng)的觀測，可以估算出該地區(qū)可利用的風(fēng)能大小，為風(fēng)力機(jī)的設(shè)計和性能研究以及開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性等提供條件。
風(fēng)速的測量包括風(fēng)向和風(fēng)速的測量。因為風(fēng)速隨時間變化很大，而且變化不定，所以測量時取一定時間內(nèi)的風(fēng)速大小的平均值和最長時間的風(fēng)向。我國現(xiàn)行的風(fēng)速觀測有兩種方法:一種是每日定時4次兩分鐘平均風(fēng)速觀測;一種是一日24次自記10分鐘平均風(fēng)速觀測。實際測量結(jié)果表明，前一種方法的誤差比較大，因此在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計中采用后一種測量方法得到的數(shù)據(jù)。
第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案設(shè)計
現(xiàn)在，各個發(fā)達(dá)國家均大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，雖然太陽能一直是新能源商業(yè)化的首選，因為太陽能的設(shè)置地點較靈活，不會產(chǎn)生噪音，可以和建筑進(jìn)行一體化設(shè)計。但是風(fēng)力發(fā)電較太陽能而言，它的成本優(yōu)勢明顯。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動風(fēng)速要求較高，發(fā)電噪音也很大，所以只能將風(fēng)力發(fā)電機(jī)放在人跡罕至的地方或風(fēng)力較大的地方。設(shè)備也是往大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展，專門建設(shè)大型風(fēng)力發(fā)電場，這樣，小型風(fēng)力發(fā)電在相當(dāng)長的時間里未得到較好的發(fā)展。所以，如何使風(fēng)力發(fā)電和建筑進(jìn)行一體化設(shè)計，降低小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)噪音，使其安裝在建筑周圍而不影響人的生活質(zhì)量，已成為各個國家研究的焦點！
我設(shè)計的是一種新型的立式垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由風(fēng)機(jī)葉輪、立柱、橫梁、變速機(jī)構(gòu)、離合裝置和發(fā)電機(jī)組成。如下圖所示：
漿 葉
固定架
變速箱
星形齒輪加速器
電磁離合器
發(fā)電機(jī)
整流器
蓄電池
逆變器
負(fù) 載
圖3-1小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)框圖
該小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理為：在風(fēng)的吹動下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動起來，使空氣動力能轉(zhuǎn)變成了機(jī)械能（轉(zhuǎn)速+扭矩）。通過增速系統(tǒng)和離合器使轉(zhuǎn)矩和扭矩傳遞到風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸上，帶動發(fā)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，從而使永磁三相發(fā)電機(jī)發(fā)出三相交流電。風(fēng)速的不斷變化、忽大忽小，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流和電壓也隨著變化。發(fā)出的電經(jīng)過控制器的整流，由交流電變成了具有一定電壓的直流電，并向蓄電池進(jìn)行充電。從蓄電池組輸出的直流電，通過逆變器后變成了220伏的交流電，供給用戶的家用電器。
該新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點為：
1、 風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率 1KW；
2、 額定轉(zhuǎn)速600r/min；
該新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)點為：
１． 結(jié)構(gòu)簡單
２． 易維護(hù)
３． 運行平穩(wěn)安全
４． 抗強(qiáng)風(fēng)能力強(qiáng)
５． 操作簡單
６． 價格低廉
3.2 風(fēng)葉
采用帆翼式風(fēng)葉，帆翼式是英國發(fā)展的一種立軸帆翼式風(fēng)力機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單、性能較高。帆翼的形狀如下圖所示。由于其制造簡單，成本低，性能好，所以適于推廣使用。
圖3-2 帆翼式
3.3 行星齒輪加速器設(shè)計計算
3.3.1 設(shè)計要求
設(shè)計壽命5年，單班，一年360天，中等傳動，傳動逆轉(zhuǎn)，齒輪對稱布置，不允許點蝕，無嚴(yán)重過載，閉式傳動。齒輪精度8-7-7，齒輪材料:20CrNiMoH，碳氮共滲處理，硬度為Hv740以上。軸材料:20NiCrMoH或20CrMnMo。齒圈材料:42CrMo，氮化處理，硬度為Hv40O以上。
3.3.2 選加速器類型
小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是安裝在樓頂或屋頂上的，所以盡量選擇體積小、重量輕、性能穩(wěn)定的設(shè)備。在選擇行星齒輪時，我選擇NGW型星形齒輪加速器，因為這個型號的齒輪傳動效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，傳遞功率范圍大，軸向尺寸小，可用于各種工作條件的特點。
輸入軸
輸出軸
R
S
C
P
圖3-3 NGW型行星齒輪加速器
3.3.3 確定行星輪數(shù)和齒數(shù)
在行星齒輪加速器中選擇行星輪數(shù)：=3
通過查表法確定了齒輪的齒數(shù)（機(jī)械手冊）：
總傳動比 i =5.4
太陽輪齒數(shù) =20
內(nèi)齒輪齒數(shù) =88
行星輪齒數(shù) =34
3.3.4 壓力角()的選擇
我們國家和許多國家都把齒輪的標(biāo)準(zhǔn)壓力角規(guī)定為，因此，本次設(shè)計的變速箱采用壓力角，以提高加工刀具的通用性。
3.3.5 齒寬系數(shù)的選擇
對于硬齒面齒輪的齒寬系數(shù)應(yīng)小于軟齒面的齒寬系數(shù)。一般情況下，硬齒面值齒輪可取<0.7。齒寬系數(shù)小=(b/a)，一般可取0.4一0.8，常取0.6一0.7。
3.3.6 模數(shù)選擇
齒輪的模數(shù)是決定齒輪大小和幾何參數(shù)的主要參數(shù)，它直接影響齒輪的抗彎曲疲勞強(qiáng)度。設(shè)計變速箱選取模數(shù)的大小，主要與下列因素有關(guān):
1.齒輪上受力的大小，作用力大，模數(shù)也大。
2.與材料、加工質(zhì)量、熱處理質(zhì)量好壞有關(guān)。
對于模數(shù)(m)的確定，可以根據(jù)同類變速箱的統(tǒng)計，參考選擇。
下列為行星傳動變速箱模數(shù)統(tǒng)計表:
通過以上比較，我確定本次設(shè)計變速箱的模數(shù)為:2.5mm。
3.3.7 預(yù)設(shè)嚙合角 = =
3.3.8 太陽輪與行星輪之間的傳動計算
（1）計算未變位時的中心距
===67.5
（2）初算中心距變動系數(shù)
==
（3）計算中心距并取圓整值
a=m()=70
(4) 實際中心距變動系數(shù)
==0.75
（5）計算嚙合角
cos===0.912323, =
(6) 計算總變位系數(shù)
==（20+34）=0.827
（7）校核
介于p7及p8之間，有利于接觸強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度，所以可用
（8）分配變位系數(shù)
=0.437 =0.39
3.3.9 行星輪與內(nèi)齒輪之間的傳動計算
（1）計算未變位時的中心距
===67.5
(2) 計算中心距變動系數(shù)
==-0.25
（3）計算嚙合角
cos===0.9488, =
(4) 計算總變位系數(shù)
==（88-34）=-0.241
（5）分配變位系數(shù)
=+=-0.241 +0.39=0.149
3.3.10 行星排各零件轉(zhuǎn)速及扭矩的計算
因效率對強(qiáng)度校核的扭矩影響比較小，因而在下面的扭矩計算中不考慮效率的影響。對行星排各零件的扭矩進(jìn)行計算。
:: = 1::(1+)=1:2.4545:-3.4545
因通過太陽輪輸出扭矩，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電時發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為2168(Nm)，故反方向計算，故太陽輪為輸入扭矩:
==2168(Nm)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常工作時的轉(zhuǎn)速為=1175（rpm）
太陽輪轉(zhuǎn)速 =1175（rpm）
行星輪轉(zhuǎn)速 ==1148（rpm）
3.3.11 行星排上各零件受力分析及計算
1．太陽輪受力如下
圓周力
根據(jù)公式 =
式中一作用在太陽輪上的扭矩=2168 (N·m)
一行星輪數(shù)目=3
一太陽輪分度圓直徑=74.25 (mm)
徑向力
根據(jù)公式 =
式中 一齒輪壓力角=
一分度圓上螺旋角=
=9733Xtg20o=3543(N)
2．行星輪P受力分析如下：
圓周力 ==9733(N)
徑向力 ==3543(N)
3．行星架C受力如下：
圓周力 =2=29733=19466(N)
徑向力 =0(N)
4．齒圈R受力如下：
圓周力 ==9733(N)
徑向力 ==3543(N)
3.3.12 行星齒輪傳動的強(qiáng)度校核計算
行星齒輪傳動中的齒輪計算方法主要是按照GB3480“漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法”計算，并考慮行星傳動的特點進(jìn)行計算校核。
(l)彎曲疲勞強(qiáng)度校核
a.分度圓上的圓周力Ft
根據(jù)前面的計算結(jié)果，行星輪和齒圈上受力在前進(jìn)二檔時最大，所受的圓周力均為Ft=13360(N)
b.齒寬計算
太陽輪與行星輪的齒寬分別為48mm、46mm；齒圈的齒寬為54mm
c.使用系數(shù) 查手冊得 =1.25
d.動載系數(shù)
太陽輪分度圓上的圓周速度，根據(jù)下列公式計算
=
式中 一太陽輪相對于行星架的圓周速度（m/s）
ds 一太陽輪分度圓直徑(mm) =148.5（mm）
一太陽輪轉(zhuǎn)數(shù)(rpm) =733(rpm)
一行星輪相對行星架的轉(zhuǎn)數(shù)(rpm) =-716(rpm)
一行星架轉(zhuǎn)數(shù)(rpm) =212(rpm)
代入公式 所以 ==4.05（m/s）
=1+（）=1.1（m/s）
同理可得 行星輪P ==4.06（m/s）
計算得 =1.10
齒圈R =
計算得 =1.114
e .齒間載荷分配系數(shù)、
因為 /b=3N/mm100N/mm 且為表面硬化的直齒輪。
所以 =1.2
f.齒向載荷分布系數(shù)
對于太陽輪、行星輪和齒圈，它們的齒輪寬度和行星齒輪的分度圓直徑比都小于1，則
g. 復(fù)合齒形系數(shù)
h. 重合度系數(shù)
因為 =1.47 =1.583
=0.25+
太陽輪與行星輪=0.76 行星輪與齒圈=0.724
i.螺旋角系數(shù) =1-
因為=0 所以
j.彎曲應(yīng)力
由公式：=
=1.251.11.214.00.7611.15=356.78(MPa)
=1.251.11.213.90.72411.15=367.6(MPa)
=1.251.11.214.00.72411.15=364.6(MPa)
k. 彎曲疲勞強(qiáng)度的壽命系數(shù)
=60rnt>3 所以 ===1
取=380M
l. 相對齒根的圓角敏感系數(shù)
查表得 太陽輪、行星輪、齒圈的敏感系數(shù)均為=1
m. 相對齒根表面狀況系數(shù)
查表得 =0.9
n.應(yīng)力修正系數(shù) =2
o.齒輪的彎曲疲勞極限
由公式 =
=46012110.9=828（M）
=32212110.9=579.6（M）
=38012110.9=684（M）
安全系數(shù)S
===2.32
===1.57
===1.87
按具有高可靠性要求取最小安全系數(shù)=1.5 從而可看出：
〉 〉 〉
所以彎曲強(qiáng)度校核通過。
（2） 接觸疲勞強(qiáng)度校核
a. 接觸強(qiáng)度的齒間載荷分配系數(shù)
太陽輪與行星輪嚙合時總重合度1.47 查表得 =1.2
齒圈與行星輪嚙合時的總重合度1.583 查表得 =1.2
b.節(jié)點區(qū)域系數(shù)
計算=
得=2.3186
c.彈性系數(shù)
可由公式=
得太陽輪與行星輪嚙合時==0.918
齒圈與行星輪嚙合時==0.8975
d.接觸疲勞強(qiáng)度極限
太陽輪與行星輪是合金鋼滲碳處理，取1500M
齒圈是合金鋼氮化處理，取1200M
e.壽命系數(shù)
=60rnt>5 所以 ===1
f.潤膜影響系數(shù)太陽輪和行星輪為8級精度，齒圈為9級精度，選用=115/s的礦物油，則查表得：太陽輪和行星輪為=0.9，齒圈為=0.8
g.齒面工作硬化系數(shù)=1
h.尺寸系數(shù)=1
i.齒輪的接觸疲勞極限
由公式=
=150010.911=1350M
=150010.911=1350M
=150010.811=9600M
j.安全系數(shù)S
===1.05
===1.05
===1.47
按具有高可靠性要求取最小安全系數(shù)=1.0從而看出齒輪滿足使用要求。
3.4 電磁離合器設(shè)計計算
3.4.1 選型
為滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作環(huán)境的需要，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中我選擇牙嵌式電磁離合器，因為牙嵌式電磁離合器有外形尺寸小，傳遞轉(zhuǎn)矩大，無空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，無摩擦發(fā)熱，無磨損，不需調(diào)節(jié)，傳動比恒定無滑差，使用壽命長，脫開快，干、濕兩用的特點。（電源為12v直流電）
3.4.2 牙嵌式電磁離合器的動作特性
如圖所示，通電后，當(dāng)激磁電流按指數(shù)曲線上升時，由于銜鐵被吸引，線圈中電感增大，引起電流第一次短時間下降，以后還會由于銜鐵吸引后尚不能起動負(fù)載轉(zhuǎn)矩，出現(xiàn)牙間嵌合、脫開和再嵌合的滑跳現(xiàn)象，致使電流發(fā)生多次跳動，直到能帶動負(fù)載轉(zhuǎn)矩時才趨向穩(wěn)定。對于靜態(tài)接合，起動時間的長短主要與銜鐵吸引時間有關(guān)，而對動態(tài)起動，則與相對轉(zhuǎn)速、負(fù)載特性、負(fù)載的增加情況以及牙的相對位置等因素有關(guān)。離合器的脫開時間就是從切斷激磁電流開始到牙完全脫開嵌合，傳遞力矩消失所經(jīng)歷的時間，此時電流也按指數(shù)曲線衰減。
3.4.3 離合器的計算轉(zhuǎn)矩
式中 T-離合器傳遞的理論轉(zhuǎn)矩，它包括工作轉(zhuǎn)矩和起動的慣性轉(zhuǎn)矩 T=2168（Nm）；
K-工作情況系數(shù) K=1.5
所以 1.5 2168=3252（Nm）
3.4.4 離合器的外徑
=133
3.4.5 離合器牙間的壓緊力
Q
式中 -牙形角， =
-摩擦角， =
-牙的平均直徑
-銜鐵摩擦面的摩擦系數(shù)
-銜鐵導(dǎo)向孔直徑
-彈簧推力，=40
3.4.6 線圈槽高度
=20mm
式中 -線圈槽高度比， =5
-傳熱系數(shù)，=11
-填充系數(shù)， =0.6
-電阻系數(shù)，=0.017
3.4.7 磁軛底部厚度
==4mm
3.4.8 銜鐵厚度
=8mm
一般取余量 =4
4 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算
4.1 傳動軸的設(shè)計
主傳動軸只承受扭矩，不受彎矩，按空心主軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算主軸最小直徑：
（4.8）
其中A為系數(shù)，按《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-19》選??；d為軸端直徑，mm；n為軸的工作轉(zhuǎn)速，r/min；P為軸傳遞的功率，kW；
查閱《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-19》得45鋼的A值取110，已知功率為1KW，主軸額定轉(zhuǎn)速n為600轉(zhuǎn)/min。代入式(4.8)后得到
d=C= 110X=13.04472mm （4.9）
按照主軸扭轉(zhuǎn)剛度計算直徑：
（4.10）
其中B為系數(shù)，按《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-20》選取，查閱《機(jī)械設(shè)計手冊單行-本軸承及其連接表5-1-20》得一般傳動時B值取91.5，已知功率為1kW，主軸額定轉(zhuǎn)速n為600轉(zhuǎn)/min,代入式(4.10)后得到
d=B=20.55MM （4.11）
如果截面上有鍵槽時，應(yīng)將求得的軸徑增大，其增大值見《機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接》表5-1-22，增大值應(yīng)選7%，最后得出的最小外徑d=21.5mm。為了安全，我們選擇的軸外徑為d=30mm，內(nèi)徑d1=18mm，采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，主軸如圖4-2所示。
圖4-2 主軸示意圖
校核主軸安全系數(shù)，主軸轉(zhuǎn)矩為
（4.12）
只考慮扭拒作用時的安全系數(shù)為
（4.13）
其中為對稱循環(huán)應(yīng)力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限，Mpa，見《機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-1》，；為扭轉(zhuǎn)時的有效應(yīng)力集中系數(shù)，見《機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-30～表5-1-32》，；為表面質(zhì)量系數(shù)，一般用《機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-36》；軸表面強(qiáng)化處理后用《機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-38》；有腐蝕情況時用《機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-35》或《機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-37》，；為扭轉(zhuǎn)時的尺寸影響系數(shù)，見《機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-34》，；、為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，Mpa見《機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-25》，；為材料扭轉(zhuǎn)的平均盈利折算系數(shù)，見《機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-33》，。
將各數(shù)據(jù)代入公式后得
根據(jù)調(diào)質(zhì)45鋼，要求查《機(jī)械設(shè)計手冊》（機(jī)工版）第2版第19篇第5章得安全系數(shù)為5.0，因此設(shè)計的主軸滿足要求。
4. 2 軸承的計算及選型
由于風(fēng)力機(jī)不僅承受風(fēng)輪的扭矩，而且要承受氣流方向的一定彎矩，角接觸球軸承不僅能夠承徑向力，同時能夠承受一定的徑向載荷，因此在主軸上安裝兩個角接觸球軸承。
1．角接觸球軸承1的選用計算
角接觸球軸承1的安裝位置如圖4-3所示。
角接觸球軸承
圖4-3 軸承1的安裝位置
軸徑d=30mm,額定轉(zhuǎn)矩T=4.3Nm。由《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-82》選擇角接觸球軸承36000型新代號7000C,之所以選用接觸球軸承是考慮到主軸在轉(zhuǎn)動時有可能產(chǎn)生徑向載荷，軸承1參數(shù)如表4.2所示。
孔徑d
外徑D
軸承代號
極限轉(zhuǎn)速r/min（脂潤滑）
額定動負(fù)荷
額定靜負(fù)荷
重量
30mm
55mm
7006C
9500
11.65kN
8.49kN
0.11kg
表4.2 軸承1參數(shù)
軸向載荷：
徑向載荷按照最不利狀況計算，根據(jù)伯努利方程，氣流作用在葉片上的壓力為：
（4.14）
作用在4個葉片上的總力為
（4.15）
由《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-12》推薦使用壽命為100000小時, 軸承當(dāng)量動載荷的計算公式為
（4.16）
式中X、Y分別為徑向動載荷系數(shù)及軸向動載荷系數(shù)。可通過查《機(jī)械設(shè)計手冊表28·3-2》得：因為
所以應(yīng)該選擇X=0.44，Y=1.47，代入式子得到
軸承基本額定動載荷按如下公式計算：
式中：為基本額定動載荷計算值，N；為速度因數(shù)，按《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-9》選取5.85；為力矩載荷因數(shù)，力矩載荷較小時取1.5，較大時取2，這里選取2；為沖擊載荷因數(shù)，按《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-10》選取1.2；為溫度因數(shù)，按《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-11》選取1；為壽命因數(shù)，按《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-8》選取0.405；為當(dāng)量動載荷。
將各個數(shù)據(jù)代入式（4.13）得：
故選用此軸承能夠滿足額定載荷的要求。
2．角接觸球軸承2的選用計算
角接觸球軸承2的安裝位置如圖4-4所示。
軸承
圖4-4 軸承2安裝位置
按照《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-82》選擇軸承型號36105（新型號7005C），參數(shù)如表4.3所示。
孔徑d
外徑D
軸承代號
極限轉(zhuǎn)速r/min（脂潤滑）
額定動負(fù)荷
額定靜負(fù)荷
重量
25mm
47mm
7006C
12000
9.38kN
7.73kN
0.074kg
表4.3 軸承2參數(shù)
按照軸承1校核公式（4.15）對軸承進(jìn)行校核：
軸承當(dāng)量動載荷按公式（4.16）得：
式中X、Y分別為徑向動載荷系數(shù)及軸向動載荷系數(shù)。可通過查《機(jī)械設(shè)計手冊表28·3-2》得：因為
所以應(yīng)該選擇X=0.44，Y=1.40，代入公式（4.16）得到
由《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)（第五版）公式16-3》計算軸承壽命：
（4.17）
式中：為溫度因數(shù)，按《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-11》選取1；為沖擊載荷因數(shù)，按《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-10》選取1.2；C為額定動載荷，C=9.38kN；N為主軸額定轉(zhuǎn)速，n=400r/min；為壽命指數(shù)，對于球軸承取3。
將各數(shù)據(jù)代入式子后得
由《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-12》推薦使用壽命為100000小時,所以可以滿足使用要求。
主軸與發(fā)電機(jī)之間用圓錐銷套筒聯(lián)軸器進(jìn)行連接，如圖4-5所示，聯(lián)軸器具體參數(shù)見圖紙。
圖4-5 圓錐銷套筒聯(lián)軸器
結(jié)束語
本論文在理論方面通過模型論證了實際應(yīng)用的可行性、可靠性，為該類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計和商品生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。但是，在機(jī)械部件方面沒有模型，沒有進(jìn)行實踐驗證，所以這個設(shè)計還存在很大的不足之處。希望以后做出機(jī)械模型，進(jìn)行測量、計算從而逐步完善該型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
致謝
本論文是在導(dǎo)師教授的親切關(guān)懷和精心指導(dǎo)下完成的。在接受老師指導(dǎo)的時間里，他那淵博的知識，縝密的邏輯，活躍的思維，敏銳的洞察力，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度以及民主的作風(fēng)給我留下了深刻的印象，為我開闊了視野，豐富了學(xué)識，并將受益終身。至此論文完成之際，對老師曾經(jīng)給予的學(xué)術(shù)上的指導(dǎo)，生活上的關(guān)心和幫助致以最誠摯的謝意!
感謝同學(xué)和朋友們的大力支持和幫助!
最后，衷心感謝機(jī)電工程系全體老師的辛勤培養(yǎng)和教誨!
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