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2KW水平軸家用風力發(fā)電機設計
摘 要
為了解決日益嚴重的環(huán)境污染和能源危機的問題，開發(fā)了一種以風力的發(fā)動機。由于原材料價格不斷上漲，小型風力發(fā)電機組生產成本，也不斷提高，而購買風機的廣大農牧民經濟收入有限，因此企業(yè)銷售價不能隨著上漲，企業(yè)利潤空間很小，無利可圖，促使有的企業(yè)開始轉產。如原內蒙古商都牧機廠現在已開始生產并網型大型風力發(fā)電機組的塔架，大型電焊機、卷扳機已經到貨，正準備投產。有的配套件質量不穩(wěn)定，性能差，特別是蓄電池，逆變控制器，影響整機發(fā)電系統的效率和可靠性。盡管目前風光互補發(fā)電系統推廣應用很快、需要量大，但由于太陽能電池組件價格太高（每WP30～50元）。如果不是目前國家大量補貼，農牧民自購有較大困難，所以說太陽能電池組價格制約風光互補發(fā)電系統的發(fā)展。本設計主要設計的是2KW小型水平軸風力發(fā)電機。
關鍵詞： 風力發(fā)電機 小型風力發(fā)電機 風力 水平軸
Abstract
In order to solve the increasingly serious environmental pollution and energy crisis, the development of a wind engine. As a result of rising raw material prices, small wind turbine production costs, is also rising, and the purchase of the majority of fans with limited income of farmers and herdsmen, so as the sales price can not rise, corporate profits is very small, unprofitable, to have Transferring the business started. Such as animal husbandry are the original factory in Inner Mongolia have already started to produce large-scale grid-based wind turbine's tower, a large welding machine, delivery volumes have been the trigger is ready for production. Matching the quality of some pieces of instability, poor performance, especially the battery, the inverter controller, the impact of the whole power system efficiency and reliability. Despite the current landscape to promote the application of hybrid generating system very quickly, the demand for large, but the solar cell component costs are too high (per WP30 ~ 50 million). If it is not currently a large number of national subsidies, farmers and herdsmen have a more difficult since the purchase, so that the price of solar battery power constraints scenery complementary systems. The design of the main design is 2KW small vertical axis wind turbine.
Key words： Wind turbines small wind turbines wind vertical axis
第1章 緒論
隨著中國對“三農”投入力度加大，經濟持續(xù)快速發(fā)展，廣大農、牧、漁民對改善生活環(huán)境，提高生活質量，改善農村地區(qū)的能源結構，解決生活用電的迫切要求， 作為農村可再生能源主要支柱之一的小型風力發(fā)電行業(yè)得到長足的發(fā)展，不論是參與開發(fā)、研制、生產的單位，還是產品產量、國內外銷售以及推廣應用范圍，與上 年相比都有了新的提高，取得了顯著的成效。
1.1 行業(yè)現狀
1.1．1從事小型風力發(fā)電產業(yè)的開發(fā)、研制、生產單位不斷擴大
自中國第一部《可再生能源法》于2005年2月28日在全國人大十一屆十四次大會通過以來，可再生能源的開發(fā)應用出現了新的機遇，大家看好可再生能源 的發(fā)展前景，從事小型風力發(fā)電產業(yè)研制、開發(fā)、生產的單位達到70家。其中，大專院校、科研院所35家，生產企業(yè)23家，配套企業(yè)（含蓄電池、葉片、逆變 控制器等）12家。生產企業(yè)名列前矛的是：江蘇神州風力發(fā)電有限公司、內蒙古龍信博風電設備制造有限公司（原內蒙古商都牧機廠）、內蒙古天力機械有限公司 （原內蒙動力機廠）、廣州紅鷹能源科技有限公司、南京東龍電子電器科技中心。 1.1.2小型風力發(fā)電機組產量產值利潤有新的增長
2005年據23個生產企業(yè)報表統計，共生產30kW以下獨立運行的小型風力發(fā)電機組共33253臺，比上年增長34.4％，其中200W、 2KW、500W機組共生產24123臺，占全年總產量的72.5％，機組容量為12020kW，總產值8472萬元，利稅992.9萬元。2006 年，預計小型風力發(fā)電行業(yè)無論是產量、產值、利稅等方面將有較大增長，目前正在統計中。
1.1.3出口外銷數量增加，國際市場看好
2005年15個單位共出口小型風力發(fā)電機組5884臺，比上年增長40.7％，創(chuàng)匯282.7萬美元，主要出口到菲律賓、越南、巴基斯坦、朝鮮、印 尼、波蘭、緬甸、蒙古、韓國、日本、加拿大、英國、美國、荷蘭、智利、格魯吉亞、匈牙利、新西蘭、比利時、澳大利亞、南非、阿根廷、香港、臺灣等24個國 家和地區(qū)。
1.1.4推廣應用范圍不斷擴大
除了傳統的廣大農牧區(qū)用戶應用小型風力發(fā)電機組照明看電視以外，由于汽油、空氣、煤油價格飛漲，且供應渠道不暢通，內陸、江湖、漁船、邊防哨所、部 隊、氣象、微波站等使用空氣發(fā)電的用戶，逐步改用風力發(fā)電或風光互補發(fā)電。此外，生態(tài)環(huán)保公園、林蔭小道、別墅庭院等地方，也購買安裝小型風力發(fā)電機組， 作為景觀，供人們休閑欣賞。
1.1.5農業(yè)行業(yè)標準及“小風電利用工”國家職業(yè)標準的制定
1）根據農業(yè)部科教司“農村可再生能源行業(yè)標準體系”規(guī)劃對小型風力發(fā)電通用標準及相關標準編制的要求，小型風力發(fā)電系統兩個標準已經制定完成，即 “小型風力發(fā)電系統技術條件及質量評價”、“小型風力發(fā)電系統安裝規(guī)范”；一個標準正在制定，即“小型風力發(fā)電系統可靠性要求”。此外根據農業(yè)部市場司及 質量辦“關于申報2005年農業(yè)行業(yè)標準制定和修改項目”的通知要求，申報了兩個小風電行業(yè)標準，即“小型風力發(fā)電系統驗收規(guī)范”、“小型風力發(fā)電系統售 后服務技術規(guī)范”。
2）根據“中華人民共和國勞動法”的有關規(guī)定，為進一步完善國家職業(yè)標準體系，為職業(yè)教育和職業(yè)培訓提供科學規(guī)范的依據，參加勞動和社會保障部、農業(yè)部組織的專家組，制定了《小風電利用工國家職業(yè)標準》并已通過審批實施。
1.1.6國家西部無電地區(qū)農村能源電力建設
1）國家發(fā)改委、全球環(huán)境基金世界銀行中國可再生能源發(fā)展項目辦公室，從2002年開始，實施“送電到鄉(xiāng)”工程已基本結束，全部建成發(fā)電，主要集中在 、甘肅、西藏、內蒙古、青海等省，共建成了718個光伏和風光互補電站，裝機18MW，其中風力發(fā)電800kW所采用的風力發(fā)電機組由協會生產企業(yè)提 供。下一步“送電到村（戶）工程”正在規(guī)劃，即將啟動?！ ?）內蒙古“光明工程”實施進展情況
內蒙古自治區(qū)政府確定的“光明工程”項目，從2001年開始，用5年的時間，推廣應用風力發(fā)電與風光互補發(fā)電，解決7個盟（市）26個旗（縣）7.5 萬戶離網散居的牧民生活用電、區(qū)內外的內蒙國飛、商都、天力、華德、蒙晨、包頭二重、保定天泰等生產企業(yè)。通過招標，都參與了內蒙古光明工程建設，到 2005年底累計完成11597套，其中2005年完成2354套，由于部分產品質量不過關、政府補貼及用戶自籌資金不到位等原因，“光明工程”進展緩 慢，步履艱難，而參與光明工程的企業(yè)，貨款收不回來，流動資金嚴重不足，影響企業(yè)的發(fā)展，有苦難言。
3）內蒙古小型風力發(fā)電開發(fā)應用
“十五”期間，內蒙古新能源開發(fā)利用專項共16項，投入資金3382.92萬元，到2005年已驗收11項，直接經濟效益670萬元。在送電工程項目中，自治區(qū)政府對每套風光互補發(fā)電系統補貼3000元，促進了行業(yè)發(fā)展。
內蒙古小型風力發(fā)電機組50W～20kW已形成3.5萬臺的生產能力，到2004年全區(qū)累計推廣應用小型風力發(fā)電機組15.8萬臺，并在50個旗縣建 立了新能源技術服務機構，保證機組正常運行。內蒙古自治區(qū)小型風力發(fā)電機組的產量、保有量、生產能力、生產企業(yè)數，均列全國第一。
1.1.7國際合作與技術交流
1）對中國與荷蘭政府“促進中國西部可再生能源發(fā)展應用項目”湖北洪湖示范點上安裝的280臺小型風力發(fā)電機組和32臺（套）風光互補發(fā)電系統進行了設備安裝驗收，并對已經發(fā)現的設備質量問題提出了改進意見，使其真正起到示范作用。
2）參加中國風能協會組織的澳大利亞墨爾本“第四屆世界風能大會（WWE2005）暨可再生能源展覽會”，并對澳大利亞可再生能源應用狀況進行了考 察。該國風力資源豐富，小型風力發(fā)電和風力提水機組隨處可見，特別是風力提水機組廣泛用于牲畜飲水及草澆灌溉，效果很好。中國內蒙古早期生產的北方型風力 提水機組技術就是從澳大利亞引進的。
3）組織參加上海第十五屆國際光伏科學與工程大會（PVSEL－15）及展覽會，內蒙古呼和浩特市博洋、內蒙蒙晨、南京冠亞等會員單位將小型風力發(fā)電機組及逆變控制器等產品進行了展示，擴大了國內外影響。
1.2 行業(yè)發(fā)展趨勢
由于廣大農牧民生活水平提高、用電量不斷增加，因此小型風力發(fā)電機組單機功率在繼續(xù)提高，50W機組不再生產，100W、150W機組產量逐年下降，而200W、2KW、500W、1000W機組逐年增加，占總年產量的80％。
由于廣大農民迫切希望不間斷用電，因此“風光互補發(fā)電系統”的推廣應用明顯加快，并向多臺組合式發(fā)展，成為今后一段時期的發(fā)展方向。
風光互補多臺組合式系列發(fā)電系統是將多臺小功率風力發(fā)電機安裝在同一個地方，集中向配套的多個大容量蓄電池組同時充電，并由一臺大功率的控制逆變器統 一控制輸出。這種配置優(yōu)點是（1）小型風力發(fā)電機組的技術成熟，結構簡單、質量穩(wěn)定、安全可靠、經濟實惠；（2）裝拆、搬運、維護方便，操作簡單；（3） 若需維護或故障停機時，其余組機照常發(fā)電，不影響系統正常使用；（4）多臺成群的風光互補發(fā)電系統自然成為一片觀賞景點，又是一座無環(huán)境污染的綠色電站。
隨著國家《可再生能源法》及“可再生能源產業(yè)指導目錄”的制定，相繼還會有多種配套措施及稅收優(yōu)惠扶植政策出臺，必將提高生產企業(yè)的生產積極性，促進產業(yè)發(fā)展。
目前中國尚有2.8萬個村，700萬戶計2800萬人口沒有用上電，且分散居住在邊遠山區(qū)、農牧區(qū)、常規(guī)電網很難到達。有關專家分析，700萬無電戶中，300萬戶可用微水電解決用電，而400萬戶可以用小型風力發(fā)電或風光互補發(fā)電，滿足用電需要。
1.3 存在問題
1）由于原材料價格不斷上漲，小型風力發(fā)電機組生產成本，也不斷提高，而購買風機的廣大農牧民經濟收入有限，因此企業(yè)銷售價不能隨著上漲，企業(yè)利潤空 間很小，無利可圖，促使有的企業(yè)開始轉產。如原內蒙古商都牧機廠現在已開始生產并網型大型風力發(fā)電機組的塔架，大型電焊機、卷扳機已經到貨，正準備投產。
2）有的配套件質量不穩(wěn)定，性能差，特別是蓄電池，逆變控制器，影響整機發(fā)電系統的效率和可靠性。
3）盡管目前風光互補發(fā)電系統推廣應用很快、需要量大，但由于太陽能電池組件價格太高（每WP30～50元）。如果不是目前國家大量補貼，農牧民自購有較大困難，所以說太陽能電池組價格制約風光互補發(fā)電系統的發(fā)展。
4）少數企業(yè)生產的小型發(fā)電機組質次價高，而且產品沒有通過國家檢測中心測試鑒定就批量生產銷售，售后服務不到位，損害了消費者利益。
1. 4 措施與建議
1）盡快制定減免稅收優(yōu)惠政策
根據國家發(fā)展改革委員會頒布的“可再生能源產業(yè)指導目錄”，國家應盡快制定增值稅、所得稅減免稅率，減輕企業(yè)負擔，有利行業(yè)發(fā)展。否則企業(yè)無利可圖就會轉產。
2）建議農業(yè)部在啟動實施“生態(tài)家園”富民方案中，因地制宜，發(fā)展應用推廣小型風力發(fā)電，風光互補農村可再生能源發(fā)電系統。
3）2002年和2003年農業(yè)部實施的“小型公益項目”計劃，對促進小風電、光電、微水電的產業(yè)發(fā)展起到積極促進作用，希望能繼續(xù)實施。
4）企業(yè)要不斷的提高產品質量，提高可靠性及外觀，在滿足國內需要外，積極大量出口，擴大外銷。
5）為保障用戶權益、保障廣大農牧漁民的切身利益，建議農業(yè)部盡快建立國家級“小型風力發(fā)電系統質量檢測中心”。沒有通過質量檢測的產品不予推廣應用。
1.5日常保養(yǎng)和定期保養(yǎng)維護
1. 5.1日常保養(yǎng)
風電機組齒輪箱的日常保養(yǎng)內容主要包括：設備外觀檢查、潤滑油位檢查、電氣接線檢查等。具體工作任務包括：運行人員登機工作時應對齒輪箱箱體表面進行清潔，檢查箱體及潤滑管路有無滲漏現象，外敷的潤滑管路有無松動，由于風電機組振動較大，如果外敷管路固定不良將導致管路接頭密封損壞甚至管路斷裂。此外，還要注意箱底放油閥有無松動和滲漏，避免放油閥松動和滲漏導致的齒輪油大量外泄。
由油標尺或油位窗檢查油位及油色是否正常，發(fā)現油位偏低應及時補充。若發(fā)現油色明顯變深發(fā)黑時，應考慮進行油質檢驗，并加強機組的運行監(jiān)視。遇有濾清器堵塞報警時應及時檢查處理，在更換濾芯時應徹底清洗濾清器內部，有條件最好將濾清器總成拆下在車間進行清洗、檢查。安裝濾清器外殼時應注意對正螺紋，均勻用力，避免損傷螺紋和密封圈。
檢查齒輪油位油位、溫度、壓力、壓差、軸承溫度等傳感器和加熱器、散熱器的接線是否正常，導線有無磨損。在日常巡視檢查時還應當注意機組的噪音有無異常，及時發(fā)現故障隱患。
1.5.2定期保養(yǎng)維護
風電機組定期保養(yǎng)維護內容主要包括：齒輪箱連接螺栓的力矩檢查、齒輪嚙合及齒面磨損情況檢查、傳感器功能測試、潤滑及散熱系統功能檢查、定期更換齒輪油濾清器，油樣采集等。有條件時可借助有關工業(yè)檢測設備對齒輪箱運行狀態(tài)的振動及噪音等指標進行檢測分析，以期更全面地掌握齒輪箱的工作狀態(tài)。
根據風電機組運行維護手冊，不同的廠家對齒輪油的采樣周期也不盡相同。一般要求每年采樣一次，或者齒輪油油使用兩年后采樣一次。對于發(fā)現運行狀態(tài)異常的齒輪箱根據需要，隨時采集油樣。齒輪油的使用年限一般為三至四年。由于齒輪箱的運行溫度、年運行小時以及峰值出力等運行指標不盡相同，籠統地以時間為限作為齒輪油更換的條件，在不同的運行環(huán)境下不一定能夠保證齒輪箱經濟、安全地運行。這就要求運行人員平時注意收集整理機組的各項運行數據，對比分析油品化驗結果的各項參數指標，找出更加符合自己電場運行特點的油品更換周期。
我場在油品采樣時，考慮到樣品份數的限制，一般選取運行狀態(tài)較惡劣的機組（如：故障率較高、出力峰值較高、齒輪箱運行溫度較高、濾清器更換較頻繁）作為采樣對象。根據油品檢驗結果分析齒輪箱的工作狀態(tài)是否正常，潤滑油性能是否滿足設備正常運行需要，并參照風電機組維護手冊規(guī)定的油品更換周期，綜合分析決定是否需要更換齒輪油。油品更換前可根據實際情況選用專用清洗添加劑，更換時應將舊油徹底排干清除油污，并用新油清洗齒輪箱，對箱底裝有磁性元件的，還應清洗磁性元件，檢查吸附的金屬雜質情況。加油時按手冊要求風力加注，避免油位過高，導致輸出軸油封因回油不暢而發(fā)生滲漏。
第2章 發(fā)電機整體的設計
設計的2KW小型水平軸風力發(fā)電機，并設置了多種傳感器，充分應用原發(fā)動機的電控系統，實現精確控制。
2．1 壓力調節(jié)器
壓力調節(jié)器上裝有壓力傳感器且與駕駛室內控制面板相連，這樣在駕駛室內即可通過壓力值了解風力的大小。在壓力調節(jié)器前分別安裝有加溫器和過濾器。其中加溫器是為了給風加熱，以避免因風壓力降低吸收熱量而使壓力調節(jié)器凍結。過濾器是為了濾除氣體中的雜質，以避免減壓器閥口被堵塞。風力壓力調節(jié)器后連接電磁閥，當發(fā)動機出現故障或發(fā)動機熄火時，電磁閥自動切斷風的供給。
2.2 氣體流量閥
氣體流量閥可精確控制雙風力工作狀態(tài)下的風力流量。其內有一小容積室，與風力噴射器、風壓力傳感器和溫度傳感器相連，2個傳感器分別測出容積室中風的壓力和溫度。中央控制器(ECU)將實測風壓力與存儲在ECU內的目標壓力值相比較，根據二者的差值調整容積室的容積，保證確的風噴射量。風以1O～80 Mpa的噴射壓力噴入時進氣道內，與空氣充分混合后進入氣缸。風力噴射器的噴孔與空氣的流向相反，使風與空氣充分混合。
2.3 中央控制器
ECU是YC6108雙風力發(fā)動機的控制核心，它接受8個傳感器的信息，通過計算分析處理后，向空氣風力控制器及氣體流量閥等主要執(zhí)行器發(fā)出指令，控制雙風力狀態(tài)下的空氣量以及風力的流量，進而保證發(fā)動機的性能。ECU具有故障自診斷功能。當控制系統出現問時，ECU 自動記錄錯誤信息，并將錯誤代碼在控制面板上顯示出來。它可自動記錄風流量、空氣流量風溫度和壓力、進氣溫度、進氣壓力等3O余個參數隨時間變化的曲線，并進行分析。
2.4 空氣風力控制器
空氣風力控制器安裝在噴油泵的后端。發(fā)動機在雙風力工作狀態(tài)時，ECU 按照其內設定的風力MAP，通過控制步進電機的行程從而控制噴油泵齒條的位移量來控制在雙風力工作狀態(tài)的空氣風力。在純空氣工作狀態(tài)時，空氣風力控制器不起作用，由噴油泵調速器直接控制發(fā)動機的空氣噴射量。
2.5 控制面板
控制面板固定在駕駛室內的儀表板上?？刂泼姘迳嫌锌刂瓢l(fā)動機工作狀態(tài)的轉換開關，還可以顯示雙風力工作狀態(tài)下的風替代率及氣瓶內的風儲量。當雙風力工作狀態(tài)下出現故障時，控制面上的故障顯示燈就會提醒駕駛員，同時可以通過外接設備端口把故障的原因打印出來。
第3章 發(fā)電機的部件設計
3.1 槳葉的設計
小型風力發(fā)電機組常用的幾種槳葉
1、木質槳葉
選用上好的優(yōu)質木材加工而成。對木材的要求是：1、木質不軟不硬，容易加工；2、木紋整齊無疤痕；3、不易吸水，不易變形。木質材料的機械強度不高，光潔度低，容易吸收水分，容易發(fā)生變形，經不起戶外惡劣環(huán)境的侵襲。因此，槳葉成形后要在上面涂上油漆，加以保護。盡管如此，木質槳葉的使用壽命也遠不如其它類型槳葉。它的優(yōu)點是價格低廉、取材容易，重量輕，使用安全。這種槳葉多用于50W 以下的小型風機上。
木質槳葉有兩種葉型，一是兩葉型，為整體結構，沒有單獨的葉柄，是用一塊等寬的優(yōu)質木材加工而成，除中間有一個安裝孔外，沒有任何零部件，因此是各類風機槳葉中結構最簡單、價格最便宜的一種。二是三葉型，各槳葉單獨制作，各有獨立的葉柄與葉片相連接，葉柄的另一端與輪盤相連，組成葉輪。由于其結構與零部件比兩葉型復雜，因此容易損壞。木質槳葉的使用壽命一般在1年左右。
2、玻璃鋼槳葉
玻璃鋼槳葉表面光滑，硬度高，造型容易。因而，在小型風力發(fā)電機組中，玻璃鋼槳葉應用得最為廣泛。玻璃鋼槳葉有兩種結構，一是木芯外包玻璃鋼槳葉，這種槳葉重量輕、成本低、應用廣，但使用壽命較短，一般約為3-5年；二是中空全玻璃鋼槳葉，這種槳葉較重，成本也高，但使用壽命較長，約4-6年。全玻璃鋼槳葉又分為兩種，一種是只有簡單的葉柄；另一種是帶有離心調速裝置的葉柄。
3、鐵皮槳葉
鐵皮槳葉多用于帶離心調速裝置的風機上，一般用0.5mm厚的鍍鋅鐵皮制成，中空，一端用金屬塊封堵，另一端用帶有離心調速裝置的葉柄根部填充。這種槳葉很重，運行起來很平穩(wěn)。鐵皮槳葉由于慣性大、硬度高、邊緣銳利等原因，運行時存在著一定的不安全因素，尤其是在安裝、維修時要注意安全。這種槳葉的使用壽命較長，一般可達10年左右。
4、 鋁合金槳葉
鋁合金槳葉是近幾年開始生產使用的新型槳葉。這種槳葉，是用鋁合金澆鑄而成，實心。它的造型很特別，葉片的前后緣皆呈弧形，上半部向后彎曲似新月狀，機械強度很高。將葉片橫放在地上，兩端各墊一塊磚，中間懸空，站上去一個人，葉片不彎不斷。它啟動風速小，能在微風中發(fā)電。它的使用壽命估計可在10年以上，是一種比較有前途的葉種。
這種槳葉的不足之處是運行中存在著不安全因素，它分量重、慣性強，前緣鋒利，旋轉起來像三把飛刀，具有一定的危險性，在安裝、維修和運行時，要倍加小心。
綜合考慮幾種槳葉的特點，本設計采用鋁合金材質的槳葉作為該小型垂直風力發(fā)電機的槳葉。
3.2 手動關閉閥設計
手動關閉閥是CNG系統安全可靠的關鍵部件，要求能夠做到快速“開”和“關”，啟閉范圍應為0.25~1.5圈，并清楚標明“開”和“關”的方向。手動關閉閥應安裝在易于操作的位置，閥體又不得直接安裝在駕駛室內。
圖3.1 手動關閉閥
3．2．1 結構設計
設計的手動關閉閥的結構如圖3.2所示。
1——閥體 2——閥芯 3——內螺帽
4——密封膜片 5——外螺帽 6——閥桿 7——手輪
圖 3.2 手動關閉閥結構
手動關閉閥實質是截止閥。由上圖風力從A端進入B端流出。當旋傳手輪7時，可以截止或打開氣瓶與風力壓力調節(jié)器通路。用于截止風力的閥芯2端部設置有密封墊，使截止充分防止泄漏。在閥桿和內螺帽之間安有密封膜片，防止在手動關閉閥打開時風力泄漏。
3．2．2 閥桿設計
根據設計的手動充氣閥結構，初步設計閥桿的最小直徑為12mm，取材料為1Cr13。
1 閥桿軸向力計算
閥桿軸向力
(4.3)
其中
——閥桿軸向力(N)
——密封力(N)
——介質力(N)
密封力
(4.4)
由設計結構初定
閥座密封面平均直徑
閥座密封面寬度
又密封必需比壓 (p為儲氣壓力)
所以
介質力
(4.5)
即
所以閥桿的最大軸向力
2 閥桿力矩計算
閥桿力矩
(4.6)
其中
——閥桿力矩()
——關閉時閥桿螺紋摩擦力矩()
——關閉時閥桿頭部與閥瓣接觸面的摩擦力矩()
關閉時閥桿螺紋摩擦力矩
(4.7)
由結構初定關閉時閥桿螺紋的摩擦半徑
所以
關閉時閥桿頭部與閥瓣接觸面的摩擦力矩
(4.8)
由結構知，閥桿頭部球面半徑
由閥桿材料知，閥桿材料彈性模數
所以
故截止閥力矩
3 閥桿強度校核
由閥桿材料為1Cr13 查得
許用拉伸應力
許用扭轉應力
許用合成應力
閥桿所受拉伸應力
(4.9)
即
閥桿所受扭轉應力
(4.10)
即
閥桿所受合力應力
(4.11)
即
故滿足條件。
3．3 口閥設計
口閥是連接儲氣瓶和高壓管的部件，它由進氣口、出氣口、手輪、安全裝置組成。
口閥的作用是在必要時關閉儲氣瓶與高壓管間的通道。安全裝置為爆破片易熔塞組合式。當遇到意外時，高溫將易熔合金熔化，高壓將爆破片爆破，使氣瓶內的高壓風力泄放，以保護氣瓶。由GB8337-1996《氣瓶用易熔合金塞》知，易熔合金熔化溫度為，爆破片公稱爆破壓力為水壓試驗壓力，允差為。風力為可風力體，按國家標準螺紋為左旋。
圖 4.5 氣瓶閥
3．3．1 結構設計
設計的閥結構如圖4.6所示。
1——閥體 2——安全閥 3——閥芯 4——內閥帽
5——密封膜片 6——外閥帽 7——閥桿 8——手輪
圖 3.3 氣瓶閥結構
A端與氣瓶相連接，B端連接高壓管。安全裝置2為爆破片易熔塞組合式，當達到規(guī)定條件，爆破片爆破和易熔合金熔化，泄放風力來達到保護儲氣瓶的信作用。在必要時也可以扭轉手輪8截斷氣瓶與高壓管的通路。閥芯上設置有密封墊，使其通路充分截止。同時在閥桿頭部安在密封膜片，防止風力泄漏。
氣瓶閥與手動關閉閥一樣都是截止閥，不同之處是氣瓶閥設計有安全裝置用來保護氣瓶。閥體在結構有也些不同，氣瓶閥閥體進口與氣瓶相接。所以閥桿設計與手動關閉閥一樣。這里主要設計了安全裝置。
3．3．2 泄放直徑校核
初步設計泄放直徑為。
達到安全泄放滿足條件
(4.12)
其中
W——設計泄放量()
——安全泄放量()
安全泄放量
(4.13)
式中
壓力源進口管內徑
介質密度
介質流速
所以
設計泄放量
(4.14)
式中
額定泄放系數
氣體特性系數
設計爆破面積
氣體摩爾質量
氣體壓縮系數
進氣口溫度
爆破壓力
所以
滿足條件。
3．4 充氣閥設計
充氣閥是安裝在發(fā)電機上，與加氣站售氣機的加氣槍連接后給車用氣瓶充裝CNG裝置的總稱。它由進氣接口、單向閥、防塵塞、輸氣接頭組成。它的作用是在加氣站儲存的高壓風力充裝到儲氣瓶組時，可靠的接通高壓充氣氣路；在充氣結束后，能可靠的封閉充氣口，防止風力從充氣口泄漏。
圖 3.4 加氣裝置
充氣閥結構如圖3.5所示。
1——防塵蓋 2——加氣口 3——單向閥
4——接頭 5——密封圈 6——泄放塞
圖 3.5 加氣口結構
當儲氣瓶需要加氣時，首先拔出泄放塞放出泄漏的風力，再打開防塵蓋，把加氣站里的加氣槍接到加氣口上充氣。在充氣閥旁連接儲氣瓶的端安有壓力表，用于查看氣瓶風力是否不足或是否充氣好。
為了保證不同加氣站之間加氣插頭的通用性，對加氣口的接口形狀和尺寸國家作了統一規(guī)定。根據QC/T245-1998壓縮風力發(fā)電機專用裝置和安裝要求的規(guī)定，風力裝置就設置單向閥或截止閥，加氣接頭采用直徑為12mm的插銷式結構，并設置能密封系統壓力的防塵塞，防止氣體泄漏，在取出防塵塞前，就能泄壓。
3．5 其它部件選用
高壓管線采用不銹鋼無縫鋼管或其它車用高壓風力專用管線。根據目前國內使用的情況選用φ8的1Cr18Ni9Ti不銹鋼無縫鋼管。
高壓管接頭根據國家規(guī)定要用選用符合GB3765-1993《卡套式管接頭技術條件》的卡套式管接頭，它由接頭體、卡套和壓緊螺母組成。
選用的壓力表量程應儲氣系統公稱工作壓力的1.5~2倍，其性能應符合ZBN11001和QC/T8的有關規(guī)定。
各種傳感器等按國家相關規(guī)定外購選用。
第4章 風力發(fā)電機組載荷計算
對于設計：提供強度分析載荷依據，確保各部件承載在設計極限內；優(yōu)化運行載荷，提高機
組可靠性。
風力發(fā)電機組設計等級
在設計計算時，必須考慮下列載荷慣性力和重力載荷由晃動、旋轉、重力或地震作用產生的靜態(tài)和動態(tài)力，空氣動力學載荷，靜態(tài)和動態(tài)力，考慮氣動彈性。
運行載荷
控制保護系統的影響、瞬時操作載荷，其它載荷（波載，尾流載荷，沖擊載荷，冰載）。
載荷計算外部條件
環(huán)境條件
風況（最主要的）
其它環(huán)境條件（溫度、濕度、空氣密度、太陽輻射、雨、冰雹、化學作用物質、機械作用顆粒、雷電、地震、鹽霧）
故障工況
所有可能發(fā)生的單一故障
多個相關的故障（如處于同一故障鏈中），需同時考慮
內部故障與外部故障可能需要同時考慮
故障仿真需符合故障描述
故障發(fā)生后的保護措施需符合風機設計
必須考慮故障及故障所引發(fā)的保護措施可能引起的瞬態(tài)響應
適當的外部條件選擇
時序仿真概念
第5章 供給系統設計
供給系統包括：槳葉、過濾器、壓力調節(jié)器、流量控制器、噴射器等。本設計主要設計了風力壓力調節(jié)器，對過濾器、流量控制器、噴射器及相關傳感器直接選用。
5．1 壓力調節(jié)器設計
由風力的物化特性知，在氣態(tài)下風力的體積能量密度很低。而發(fā)動機在工作時，卻要求風力壓力降到1Mpa左右進入噴射器中。因此風力供給系統中必須要有風力壓力調節(jié)器。
圖 5.1 風力壓力調節(jié)器
風力壓力調節(jié)器實質是一種減壓器，它的作用是減壓和穩(wěn)壓。既要把高壓降到一定數值，又要使輸出壓力穩(wěn)定到一定范圍。
5．1．1 結構設計
設計的風力壓力調節(jié)器結構如圖5.2所示。
1——閥體 2——閥帽 3——密封膜片 4——調節(jié)彈簧 5——閥蓋
6——調節(jié)螺桿 7——閥瓣 8——閥座 9——閥座彈簧 10——安全閥
圖 5.2 風力壓力調節(jié)器結構
20MPa的壓縮風力從A進入減壓閥，從B流出就降到0.5MPa。通過調節(jié)彈簧和閥座彈簧的平衡作用，保證輸入壓力始終在0.5MPa。在出口處設置有安全閥，防止減壓閥壓力過大，保護減壓器。在調節(jié)彈簧和閥瓣之間安有密封膜片，防止風力泄漏。
5．1．2 閥口設計
１ 風力質量流計算
已知
消耗率
最大功率
風力密度
故消耗量
(5.1)
即
所以若風力時，風力的消耗量
(5.2)
即
所以風力的流量
(5.3)
即
風力的質量流
即 (5.4)
取
1 閥口參數設計
因為臨界壓力比
減壓比
所以流通面積
(5.5)
式中
進口壓力
介質系數
摩爾質量
絕對溫度
壓縮比
所以
取
故實際流通面積
閥瓣高度滿足條件
(5.6)
(5.7)
又閥口直徑
所以
取
所以設計 閥口直徑 閥瓣高度
5．1．3 密封膜片設計
1 材料選擇
由于風力壓力調節(jié)器為高壓閥，承受壓力大，故選擇其材料為1Cr18Ni9Ti，查得其許用應力。
2 應力校核
膜片所受的最大應力
(5.8)
其中
材料的彈性模數
膜片的厚度
膜片的有效直徑
所以
滿足要求。
5．1．4 彈簧設計
1 材料選擇
根據經驗初步選擇彈簧材料為50CrVA，又因減壓閥的工作情況知，其承受的循環(huán)應力次數多，故彈簧為I 類彈簧。查資料得彈簧的相關參數：
切變模量 彈性模數 許用應力
2 尺寸設計
根據減壓閥的結構，初步選擇彈簧參數如下：
調節(jié)彈簧
彈簧中徑 鋼絲直徑 彈簧變形量
閥座彈簧
彈簧中徑 鋼絲直徑 彈簧變形量
安全閥彈簧
彈簧中徑 鋼絲直徑 彈簧變形量
對密封膜片受力分析如圖5.3所示。
——調節(jié)彈簧作用力 ——閥座彈簧作用力 ——介質作用力
圖5.3 密封膜片受力
由圖知
(5.9)
設閥座彈簧的彈簧剛度
則
故
所以調節(jié)彈簧剛度
安全閥彈簧作用力
(5.10)
其中
泄放壓力
有效面積
所以
安全閥彈簧剛度
3 彈簧強度校核
鋼絲直徑
(5.11)
其中
K——曲度系數
C——旋繞比
F——彈簧受最大力(N)
——彈簧許用應力(N)
旋繞比
(5.12)
曲度系數
(5.13)
對調節(jié)彈簧
旋繞比
即曲度系數
所以
滿足條件。
對閥座彈簧
旋繞比
即曲度系數
所以
滿足條件。
對于安全閥彈簧
旋繞比
即曲度系數
故
滿足要求。
４ 彈簧其它參數設計選擇
彈簧的有效圈數
(5.14)
對于閥座彈簧
取支承圈數
則總圈數
故取彈簧自由高度
則壓縮高度
對于調節(jié)彈簧
取
取支承圈數
則總圈數
故取彈簧自由高度
則壓縮高度
對于安全閥彈簧
彈簧有效圈數
取支承圈數
則總圈數
取彈簧自由高度
則壓縮高度
表5.1 減壓調節(jié)器所選用彈簧各參數表
彈
簧
種
類
彈
簧
參
數
彈簧中徑
鋼絲直徑
變形量
自由高度
壓縮高度
調節(jié)彈簧
30
5
5
45
40
閥座彈簧
14
2
2
20
18
安全閥彈簧
6
1
2
15
13
1——外殼 2——內筒 3——墊塊 4——接頭
圖 5.4 加溫器
換熱元件為圓筒式結構，筒內壁加工有軸向金屬鋸齒形槽溝，擴大換熱面積，外壁中部為凹形槽，它與加溫器外殼緊密配合形成加熱水腔。加溫水來自發(fā)動機的冷卻水，流向是從A到B，而風力則是從D到C，加溫水與風力流向相反是為了讓風力充氣加熱。同時在內筒3內設計有金屬片是為了增加與風力的接觸面積，更好的對風力加溫。在外殼上設計有放水口。
5．3 其它部件選用
為便于過濾器能濾除CNG中的顆粒物質而又不影響風力的供給，并易于檢查和清洗，直接加裝獨立的過濾器。
低壓氣軟管及循環(huán)水軟管采用有襯里的耐油夾膠管，試驗壓力為工作壓力的2倍，破裂壓力不小于工作壓力的4倍。
風力噴射器的性能優(yōu)劣直接影響噴射質量，從而影響發(fā)動機的性能。選擇的風力噴射器要求有良好的動態(tài)響應特性、高溫特性、良好的安全性，具有高壓逆止作用。
氣體流量閥是控制風力量的核心部件，它是由步進電機來驅動控制閥。選用的氣體流量閥，應滿足控制精度高、相關傳感器安裝方便的要求。
電磁閥及其它相關傳感器按規(guī)定要求外購。
總 結
在本設計的開題論證、課題研究、論文撰寫和論文審校整個過程中，我學到許多新知識，但是也發(fā)現了不少存在的問題。在這次的畢業(yè)設計中，能否看懂圖紙是關鍵，要了解圖紙上所標注的是何含義，有何作用。
在這次編制工藝過程中，也犯了不少原本可以避免的錯誤，但在老師的精心指導下，逐漸糾正了這些錯誤，也說明了繪圖時規(guī)范性。編制工序對我來說，還處于理論方面的知識，在實踐中還是有所欠缺的。當拿到一張零件圖紙后，卻不知該從何下手了。如何定基準。加工的工藝路線也前后矛盾。加工時所用的刀具，測量時所需測量工具等等。都不清楚，使我感到十分困惑。但是在學校技工培訓和在威浮有限公司實習期間已對各個方面都有了一定的認識。
這次畢業(yè)設計是我們在學校的最后一次課。它將我們平時所學相互結合起來，為我們將來進入工作做準備。它讓我們了解了更多的新知識。
感謝老師、系領導和學校的關心和指導，在設計過程中，結合工作體會和經歷，為我完成設計給予了極大的幫助，為我們上了最后一次重要的課程。
致 謝
在本設計的開題論證、課題研究、論文撰寫和論文審校整個過程中，得到了老師的親切關懷和精心指導，使得本設計得以順利完成，其中飽含了老師的汗水和心血。老師敏銳的學術思想、嚴謹踏實的治學態(tài)度、淵博的學識、精益求精的工作作風、誨人不倦的育人精神，將永遠銘記在學生心中，使學生終生受益。在此我們向老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。同時也感謝班主任老師在這三年來對我們的虛心的教導。
感謝學校給我們提供設計場地，和系領導的關心和指導，在設計過程中，結合工作體會和經歷，提出了許多建設性的觀點，為我完成設計給予了極大的幫助。
感謝機電工程系的領導和老師對我的關心和幫助。
再次感謝所有支持和幫助過我的領導、老師、同學們。
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