風力發(fā)電機設計

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1、 前言 自然界的風是可以利用的資源，然而，我們現(xiàn)在還沒有很好的對它進行開發(fā)。這就向我們提出了一個課題：我們如何開發(fā)利用風能？ 自然風的速度和方向是隨機變化的，風能具有不確定特點，如何使風力發(fā)電機的輸出功率穩(wěn)定，是風力發(fā)電技術的一個重要課題。迄今為止，已提出了多種改善風力品質的方法，例如采用變轉速控制技術，可以利用風輪的轉動慣量平滑輸出功率。由于變轉速風力發(fā)電組采用的是電力電子裝置，當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)電機向電網(wǎng)提供高品質的電能，發(fā)電機和電網(wǎng)之

2、間的電力電子接口應實現(xiàn)以下功能：一，在發(fā)電機和電網(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)電機輸出電壓適應電網(wǎng)電壓的變化；四，向電網(wǎng)輸出穩(wěn)定的功率；五，發(fā)電機磁轉距可控[8]。 此外，當電網(wǎng)中并入的風力電量達到一定程度，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，風力發(fā)電機組就無法向電網(wǎng)輸送能量，最終由于保護動作而從電網(wǎng)解列。在風能占較大比例的電網(wǎng)中，風力發(fā)電機組的突然解列，會導致電網(wǎng)的不穩(wěn)定。因此，用合理的方法使風力發(fā)電機組電功率平穩(wěn)具有非常重要的意義。 本文通過對風力發(fā)電機的總體設計，葉片、輪轂機構的設計，水平回轉機構的設計，齒輪箱系統(tǒng)的設計，

3、以達到利用風能發(fā)電的目的，有效利用風能資源，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　風力發(fā)電機的發(fā)展史簡介 我國是最早使用風帆船和風車的國家之一，至少在3000年前的商代就出現(xiàn)了帆船，到唐代風帆船已廣泛用于江河航運。最輝煌的風帆時代是明代，14世紀初葉中國航海家鄭和七下西洋，龐大的風帆船隊功不可沒。明代以后風車得到了廣泛的應用，我國沿海沿江的風帆船和用風力提水灌溉或制鹽的做法，一直延續(xù)到20世紀50年代，僅在江蘇沿海利用風力提水的設備增達20萬臺[7]。 隨著蒸汽機的出現(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)被廣泛使用的風力機械，由

4、于成本高、效率低、使用不方便等，無法與蒸汽機、內燃機和電動機等相競爭，漸漸被淘汰。歐洲到中世紀才廣泛利用風能，荷蘭人發(fā)展了水平軸風車。18世紀荷蘭曾用近萬座風車排水，在低洼的海灘上造出良田，成為著名的風車之國。德國、丹麥、西班牙、英國、荷蘭、瑞典、印度加拿大等國在風力發(fā)電技術的研究與應用上投入了相當大的人力及資金，充分綜合利用空氣動力學、新材料、新型電機、電力電子技術、計算機、自動控制及通信技術等方面的最新成果，開發(fā)建立了評估風力資源的測量及計算機模擬系統(tǒng)，發(fā)展了變漿距控制及失速控制的風力機設計理論，采用了新型風力機設計理論，采用了新型風力機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，開發(fā)了由微機控制的單臺及多臺風力發(fā)電機組成的機群的自動控制技術，從而大大提高了風力發(fā)電的效率及可靠性。到了19世紀末，開始利用風力發(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70年代以后，利用風力發(fā)電更進入了一個蓬勃發(fā)展的階段[3]。 1.2　我國現(xiàn)階段風電技術發(fā)展狀況 中國現(xiàn)代風力發(fā)電機技術的開發(fā)利用起源于20世紀70年代初。經(jīng)過初期發(fā)展、單機分散研制、系列化和標準化幾個階段的發(fā)展，無論在科學研究、設計制造，還是試驗、示范、應用推廣等方面均有了長足的進步和很大的提高，并取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益[1]。 我國對風電

6、已有部分優(yōu)惠政策，包括一下幾個方面。 1)風電配額 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)共同分攤的政策。 2)風電上網(wǎng)電價 落實風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)共同分攤的政策。按地區(qū)具體情況定出風電最高上網(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，核定風電銷售環(huán)節(jié)增值稅率為6%。 4)銀行貸款 為降低風電電價，減輕還貸壓力，建議適當延長風電還貸期限，還貸期增至15年；為風電項目提供貼息貸款。 5)鼓勵采用國產(chǎn)化風

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

8、2 56.6 76.4 1.3 風力的等級選擇 風力等級是根據(jù)風對地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象，按風力的強度等級來估計風力的大小，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，故又稱蒲福風級，他把靜風到颶風分為13級[7]。見表2-2。 表1-2 蒲福風力等級表 Table 1 -2 Bofu wind scale 風 力 等 級 名稱 相當于平地10m 高處的風速（m/s） 陸上地物征象 中文 英文 范圍 中數(shù) 0 靜風 Calm 0.0~0.2 0 靜、煙直上 1 軟風

9、 Light air 0.3~1.5 1 煙能表示風向，樹葉略有搖動 2 輕風 Light breeze 1.6~3.3 2 人面感覺有風，樹葉有微響，旗子開始飄動，高的草開始搖動 3 微風 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 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 Fresh breeze 8.0~10.7 9 有葉的小樹搖擺，內陸的水面有小波，高的草波浪起伏明顯 6 強風 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 Near gale 13.9~17.1 16 大樹搖動，大樹枝彎下來，迎風步行感覺不變 8 大風 Gale 17.2~20.7 20 可折毀小樹枝，人迎風前行感覺阻力甚大 9 烈風 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 Storm 24.5~28.4 26 樹木可被吹倒，一般建筑物遭破壞 11 暴風 Violent storm 28.5~32.6 31 大樹可被吹

11、倒，一般建筑物遭嚴重破壞 12 颶風 Hurricane >32.6 >33 陸上少見，其摧毀力極大 1.4 風能利用發(fā)展中的關鍵技術問題 風能利用發(fā)展中的關鍵技術問題風能技術是一項涉及多個學科的綜合技術。而且，風力機具有不同于通常機械系統(tǒng)的特性：動力源是具有很強隨機性和不連續(xù)性的自然風，葉片經(jīng)常運行在失速工況，傳動系統(tǒng)的動力輸入異常不規(guī)則，疲勞負載高于通常旋轉機械幾十倍[7]。對于這樣的強隨機性的綜合系統(tǒng)，其技術發(fā)展中有下列幾個關鍵技術問題 1）空氣動力學問題 空氣動力設計是風力機設計技術的基礎，它主要涉及下列問題:一是風場湍流模型，早期風力機設計采用簡化風場模型，對風

12、力機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）結構動力學問題 準確的結構動力學分析是風力機向更大、更柔和結構更優(yōu)方向發(fā)展的關鍵。 3）控制技術問題 風力機組的控制系統(tǒng)是一個綜合性的控制系統(tǒng)。隨著風力機組由恒速定漿距運行發(fā)展到變速變漿距運行，控制系統(tǒng)除了對機組進行并網(wǎng)、脫網(wǎng)和調向控制外，還要對機組進行轉速和功率的控制，以保證機組安全和跟蹤最佳運行功率[8]。 2 風輪的結構設計 2.1　風輪設計中的關鍵技術-迎風技術 風速的大小、方向隨時間總是在不斷變化，為保證風輪機穩(wěn)定工作，必須有一個裝置跟蹤風向變化，使風輪隨風向變化自動相應轉動，保持風輪

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

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

15、 （2-4） 尾舵面積 （2-5） 式中 ──尾舵輪扭力矩， ； ──機頭轉動的摩擦力矩， ； ──斜向風作用于主軸上的扭力矩， ； 按上式設計的尾舵面積就可以保證風輪機槳葉永遠對準風向。 舵輪法是用自動測風裝置測定風向，按風向偏差信號控制同步電動機轉動風輪，此方法也可保證風輪機槳葉永遠對準風向。 在本設計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的接觸面積增大斜向風

16、對主軸的轉矩當斜向風的轉矩為零時風輪機槳葉對準風向[7]。 2.2 風輪槳葉的結構設計 2.2.1 槳葉材料的選擇 水平軸風力機的風輪一般由1～3個葉片組成（本設計中取6片槳葉），它是風力機從風中吸收能量的部件。葉片采用實心木質葉片。這種葉片是用優(yōu)質木材精心加工而成，其表面可以蒙上一層玻璃鋼[9]。 在本設計中槳葉材料選用落葉松作為內部骨架，木材物理力學性能見下表。 表2-1 木材物理力學性能 Table 2-1 Physical and mechanical properties of wood 順紋抗壓強度 /MPa 順紋抗拉強 /Mpa 強度極限/MPa

17、 彈性模數(shù)/MPa 順紋抗剪強度 /MPa 52.2 122.6 99.3 126 徑向 弦向 8.8 7.0 2.2.2 風輪掃掠半徑的參數(shù)計算 任何種類風力機產(chǎn)生的功率可用下式表示： 風輪機功率 P= （2-6） 風輪半徑 取 （2-7） 葉尖速比 （2-8） 風輪機

18、轉速 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（一般取大氣標準狀態(tài)）（kg/）； =1.25 kg/（給定值） ——設計的風速（風輪中心高度處）（m/s）； =10m/s（給定值） A——風輪掃掠面積 ； ——風能利用系數(shù)；＝0.45 （給定值） n——風輪機轉速；n=50r/min （給定值） r——風輪半徑(m) ——葉尖速比 n——風輪

19、機轉速(m/s) 2.2.3 風輪的半徑分配問題 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　理想風能的利用 經(jīng)風輪做功后的風也有一定流速和動能，因此風的能量只能被部分轉化為機械能[2]。風輪前后流場如圖2-2。 圖2-2風輪前后流場 Figure 2 -2 Wind flow around 設 ， ， (2-11) 由伯努利方程

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

21、 N； r ──風輪半徑， m； 質量流量 （2-15） 槳葉中的平均風速等于輪前、輪后風速的平均值 （2-16） 從風能中可能提取的能量是進出口風的動能差 （2-17） 已知輸入風輪的能量為 （2-18） 風能利用系數(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代入下式得風能利用系數(shù) (2-23) 可由

23、式2-13求得風輪機風能利用系數(shù)的極值。 進口風速是已知的，對求導，并令為零，，求得風能利用系數(shù)為極大值時的輪后風速 (2-24) 通過式2-13求得風能利用系數(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能為 (2-26) 理想風輪機的能量密度

24、 (2-27) 2.4　槳葉軸的結構設計計算 2.4.1 槳葉軸危險截面軸頸的計算 當風垂直吹過槳葉時風對槳葉軸的彎矩M由下式算得： （2-28） 式中 F──風對槳葉施加的力，N ──風的密度， ──風速，m/s ──槳葉面積， （2-29） 式中 H──槳葉的一半到槳葉軸危險截面的距離，m； M──槳葉軸危險截面處所受彎矩，； 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──槳葉軸所受轉矩，； 槳葉軸的危險截面按彎扭合成強度條件校核見下式： 危險截面軸頸d取40mm 式中 ──許用抗拉強度極限， ； ──彎扭合成強度， ； M ──主軸彎矩， N； T ──主軸扭矩， N

26、； ──當剪應力為脈動循環(huán)應變力時為0.6； W ──危險截面處的抗扭截面模量， ； ──許用彎曲應力， ； d ──危險截面軸頸， mm； 2.4.2 槳葉軸各軸段軸頸的結構設計計算 槳葉軸從左至右安裝零部件分別為：槳葉軸復位斜板、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　風力發(fā)電機組的功率調節(jié)問題 功率調節(jié)是風力發(fā)電機組的關鍵技術之一。

27、風力發(fā)電機組在超過額定風速（一般為12～16m/s；）以后，由于機械強度和發(fā)電機、電力電子容量等物理性能的限制，必須降低風輪的能量捕獲，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荷和整個風力機受到的沖擊，從而保證風力機安全不受損害。功率調節(jié)方式主要有定槳距失速調節(jié)、變槳距角調節(jié)和混合調節(jié)三種方式[8]。 1）定槳距失速調節(jié) 定槳距是指風輪的槳葉與輪轂是剛性連接，葉片的槳距角不變。當空氣流流經(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，隨著風速增加，攻角相應增大，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（與飛機的機翼失速機理一樣），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)行機構，整機結構簡單、部件少、造價低，并具有較高的安全系數(shù)。缺點是這種失速控制方式依賴育葉片獨特的翼型結構，葉片本身結構較復雜，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，所以很少應用在兆瓦級以上

29、的大型風力發(fā)電機組的功率控制上[8]。 2）變槳距角調節(jié) 變槳距角型風力發(fā)電機能使風輪葉片的安裝角隨風速而變化，風速增大時，槳距角向迎風面積減小的方向轉動一個角度，相當于增大槳距角，從而減小攻角，風力機功率相應增大。 變槳距角機組啟動時可對轉速進行控制，并網(wǎng)后可對功率進行控制，使風力機的啟動性能和功率輸出特性都有顯著改善。變槳距角調節(jié)的風力發(fā)電機在陣風時，塔架、葉片、基礎受到的沖擊，較之失速調節(jié)型風力發(fā)電機組要小得多，可減少材料，降低整機質量。它的缺點是需要有一套比較復雜的變槳距角調節(jié)機構，要求風力機的變槳距角系統(tǒng)對陣風的響應速度足夠快，才能減輕由于風的波動引起的功率脈動[8]。 3）

30、混合調節(jié) 這種調節(jié)方式是前兩種功率調節(jié)方式的組合。在低風速時，采用變槳距角調節(jié)，可達到更高的氣動效率；當風機達到額定功率后，使槳距角向減小的方向轉過一個角度，相應的攻角增大，使葉片的失速效應加深，從而限制風能的捕獲。這種方式變槳距調節(jié)不需要很靈敏的調節(jié)速度，執(zhí)行機構的功率相對可以較小[7]。 2.6 風輪槳葉的復位彈簧參數(shù)計算 1）當6級風時V＝12m/s；此時槳葉所受力 （2-31） 式中 V——風速 m/s (給定值) ； A——槳葉的迎風面積 ； H——槳葉軸作用點

31、到槳葉受力中點的距離 m； T——槳葉受到的轉矩 。 取L=20mm時 （2-32） 式中 —— 彈簧最小工作載荷　　N 2）當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 端部結構　　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 ，按表取標準值n＝16 （2-40） 總圈數(shù)　　?。絥+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） 該彈簧的技術要求： 1.總圈數(shù)＝18 2.旋向為右旋 3.展開長度L＝2158.6mm 4.硬度HRC45~50 2.7　風輪的槳葉軸軸承座上的螺栓強度校核計算 2.7.1　軸承座上螺栓組的布置問題 螺栓組結構設計采用如圖所示的結構，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)計算 1）考慮在極限風速20m/s時，螺栓組承受以下各力和翻轉力矩的作用： 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∑對預緊力的影響，則各螺栓所需要的預緊力為 （2-64） 式中 ——螺栓所需要的預緊力 N； ——地的相對連接剛度系數(shù)； 查得聯(lián)結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、計算 螺栓的性能等級為6.6級，查得，S=5 螺栓的許用應力 螺栓危險剖面的直徑為 （2-67） 所以選用M8的螺栓，強度以及安全性足夠。 3　風力發(fā)電機的主軸結構設計 3.1　主軸的相關參數(shù)的選擇和計算 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──風輪機輸入功率，kw； n──風輪機額定轉速，r/min； A——主軸參數(shù)，查表得A=110。 主軸所受轉矩

42、如下式 T＝9.55 （3-2） 2）主軸鍵的選擇　 主軸鍵的擠壓應力校核如下式： 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　軸段設計與校核 主軸從左至右裝配的零部件分別為：1）彈簧擋板調節(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算得出 （3-5） （3-6） 式中 V ── 圓盤體積，； ── 圓盤質量，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； ── 圓盤質量， kg； ──槳葉軸質量，kg； ── 槳葉質量，kg； 圖 3-2 主軸 Fig.3-2 The spindle 4 風力發(fā)電機的增速器和電動機的選取 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 由于風力液動機在工作時，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，安裝維護方便，傳遞轉矩大。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 公稱轉矩 許用轉速（鋼） 質量 轉動慣量 3150 2100 53 15.6 4.2 風力發(fā)電機增速器的選擇 由于槳葉輪的轉速較小，因此需要借助增速器來帶動電動機，增速器的原理與減速器相同，只是將其的輸出與輸入調換，根據(jù)設計要求和具體需要本設計采用NGW型行星齒輪減速器[3]。 4.2.1 使用范圍和特點 1）適用范圍 NGW型行星齒輪減速器主要用于冶金、礦山、

47、起重運輸?shù)葯C械設備減速。其工作條件為：工作環(huán)境溫度為；高速軸最高轉速不超過1500；齒輪圓周速度不超過10；可正反兩方向運轉。 2）主要特點 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.適應性強，傳動功率范圍大。 d.運轉平穩(wěn)，噪聲小。使用壽命達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 轉速

48、 主動軸允許輸入功率 重量 m 4 750 62 146 4.3 發(fā)電機的選取 4.3.1 選擇發(fā)電機應綜合考慮的問題 （1）根據(jù)機械的 負載性質和生產(chǎn)工藝對發(fā)電機的啟動、制動、反轉、調速等要求，選擇發(fā)電機的類型。 （2）根據(jù)負載轉矩、速度變化范圍和啟動頻繁程度的要求，考慮發(fā)電機的溫升限制、過載能力和啟動轉矩，選擇發(fā)電機的功率，并確定冷卻通風方式、所選電動機的功率應留有余量，負荷率一般取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方式，選擇發(fā)電的結構形式。 （4）根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標準對功率因

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)進行的最高轉速和對電力傳動調速系統(tǒng)的過渡過程性能的要求，以及進行減速機構的復雜程度，選擇發(fā)電機的額定功率[3]。 4.3.2 型號選擇 根據(jù)實際需要，以及選擇電動機應綜合考慮的問題，選擇Y系列三相異步發(fā)電機。 其主要性能及機構特點：效率高，性能好，噪聲低，振動小，體積小，重量輕，運行可靠，維修方便等。 5　風力發(fā)電機的回轉體結構設計和參數(shù)計算 5.1　初步估計回轉體危險軸頸的大小 1）為回轉體， 由于回轉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體會產(chǎn)生正向彎矩，發(fā)電機對回轉體產(chǎn)生負向彎矩

50、。 圖5-1回轉體受力簡圖 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） 本設計中d取135mm所以完全符合強度要求。 式中 ──六片槳葉、槳葉軸與圓盤整體

51、自重到回轉體中心線的距離，mm； ──增速箱重心到回轉體中心線的距離， mm； ──托架重心到回轉體中心線的距離， mm； ──發(fā)電機重心到回轉體中心線的距離， 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)電機重量， kg； ──圓盤背面受風施加給回轉體的彎矩， N； ──合成彎矩， ； 圖5-2回轉體裝配圖 Figure5-2 rotating assembly 5.2 結構設計 回轉體由：回轉軸底盤、加強鈑金、回轉軸軸承軸肩、回轉軸推力軸承軸段、回轉軸危險軸段、滑動軸承注油口、回轉軸軸向定位段、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，加強了回轉軸的抗彎強度。 回轉軸擋板可以在安裝過程中防止回轉軸脫落下滑，回轉軸中心鉆出的通孔此處為發(fā)電機輸電線路。因回轉軸固定在塔架上當風向改變對風時套筒上方連接的所有部件隨著套筒一起轉動銅套與套筒為過盈配合，銅套與回轉軸之間用潤滑油潤滑所以輸電線路不會纏到一起。 6風力發(fā)電機的其他元件的設計 6.1　剎車裝置的設計 由于機械維修以及意外情況的發(fā)生需要對風輪機進行剎車，所我們在增速器高速軸側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輪轉速降低直至停止。剎車

54、帶的復位由彈簧套筒內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 剎車機構常用于安全系統(tǒng)，用在靜止或正常運行時，剎車裝置一般有三種剎車方式：1）、電磁剎車（電動式）；2）、機械剎車；3）、混合式剎車。形式不同，必須有很高的可靠性，使風輪快速回到靜止位置[7]。 本設計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）復位彈簧、5）彈簧套筒蓋等零件組成。 6.2選擇滑環(huán) 風輪機在工作中由于風向的隨機性導致其會發(fā)生轉動此時由于發(fā)電機的輸出電能要通過電線電纜傳輸?shù)降孛鏋榱朔乐癸L輪機機頭部

55、在轉動過程中把電線電纜與內部裝置纏在一起，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)并相應放置電刷電刷的另一端連接發(fā)電機的輸出電線電纜，在絕緣圓筒內引線一直通到地面的變電所。 6.3　托架的基本結構 托架是放置輪盤、主軸、增速器、發(fā)電機以及回轉體、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。下托板與回轉體上端面聯(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 結論 我國雖然是利用風力進行發(fā)電的最早的國家之一，但在其應用技

56、術以及應用范圍上的發(fā)展卻不容樂觀。從現(xiàn)在開始，大力開展風力發(fā)電事業(yè)，我國未來的風力發(fā)電的前景是很有希望的，雖然國外的風力發(fā)電技術已比較成熟，但我們應大力開展自主研發(fā)。 本文根據(jù)我國現(xiàn)有的風力發(fā)電的基本理論，對風力發(fā)電機的風輪，主軸，回轉體和剎車裝置的結構進行了設計.根據(jù)實際工況要求和相關的設計參數(shù)對所設計的結構中的重要元件進行了校和.其中，風輪是重點進行設計的元件.風輪的結構包括槳葉，槳葉軸，圓盤及其上面的其他元件。通過對風力發(fā)電機的結構設計，使它基本實現(xiàn)了風能轉化為電能。這就使自然風為我們人類所用.本文所設計的裝置基本能保證五千瓦的功率輸出，但設計過程中也會因為考慮的不全面而使功率損失掉一

57、部分，這些還需要進一步進行研究。 在槳葉軸的設計中，考慮了多種因素及極限風速對其的影響，因此槳葉軸的設計浪費可能較大，對主軸以及回轉體會產(chǎn)生的一定的影響，在今后的實際設計應用中應加以注意和考慮。 在槳葉的設計中，由于無法完成對空氣動力學的研究，以及生產(chǎn)的困難，槳葉整體結構設計較為簡單，在條件允許的情況下，應對槳葉進行虛擬仿真設計，進行實際風動實驗，以考慮其夾角，以及與圓盤輪轂夾角等問題。 剎車裝置的設計考慮結構簡單起見，未進行自動化設計，在實際生產(chǎn)中，考慮人工因素，應設計成可通過電力自動剎車。 參考文獻 [1] 李柱國.機械設計與理論 （2）

58、第2版.北京：科學出版社.2004 [2] 唐增寶.機械設計課程設計。第2版。華中科技大學出版社。1998 [3] 成大先 .機械設計手冊 單行本.北京：化學工業(yè)出版社.2004，4 [4] 孟憲源．現(xiàn)代機構手冊[M]．第1版．北京：機械工業(yè)出版社．1994，6 [5] 吳治堅．新能源和可在生能源的利用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2006.1 [6] 王承煦，張源．風力發(fā)電．北京：中國電力出版社，2002，8 [7] 王承煦．風力發(fā)電實用技術[M]．北京：金盾出版社，1995 [8] 徐灝．機械設計手冊（1）[M] ．第2版．北京：機械工業(yè)出版社．2000 [9] 徐灝．機械

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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 固定風力發(fā)電機和風力集成園建模系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的研究 緒論 抽象程度越來越高的風力發(fā)電渦輪機，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中需要一項準確的風力發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定模式. 因為許多風力發(fā)電機往往集合

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

62、的是提出一個準確的低階動態(tài)模型的風力發(fā)電機組，它是 符合現(xiàn)代機電暫態(tài)模擬計算機程式的. 本文中，開發(fā)的模式著重于水平軸的風力發(fā)電機， 或風力機直接連到同步網(wǎng)時采用異步發(fā)電機. 這其中還包含許多現(xiàn)代大型發(fā)電系統(tǒng). 由于大型風力裝置的構建是由許多個風力發(fā)電機組成的， 風力發(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，它結合數(shù)個風力發(fā)電機連接到一個電網(wǎng)上，然后通過一個共同模式整合成一個單一的等效模型. 風力發(fā)電機主要分為定速或變速. 以最小單位，渦輪驅動的感應發(fā)電機為例，它是直接連接到電網(wǎng)上的. 渦輪轉速變化很小，那是由于陡坡的發(fā)電機轉矩和轉速的特性所制； 因此， 它被稱為

63、定速系統(tǒng). 還有變速裝置，發(fā)電機連接到電網(wǎng)利用電力電子變換的技術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速風力發(fā)電集成園. 第一種典型的風力機械頻率是在0至10赫茲范圍； 這也是各種機電振蕩的頻率. 因此，這涉及到機械振動的風力互動學與機電動力學. 這方面的例子參見本文. 因此，為了構建一個精確的模型，風力發(fā)電機可用于暫態(tài)穩(wěn)定的研究. 第一種渦輪機械動力學必須能準確的代表模型. 這里的風力發(fā)電機模型建出了導電模型，減少了一個詳細的650階有限元模型的一個典型的 橫向軸.

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

65、單一的慣性體從而忽略系統(tǒng)的機械固有頻率 [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)電機加上一個彈簧 [6] [9] . 在所有這些論文中，彈簧剛度的計算是從系統(tǒng)的主要部分中提取的. 我們的研究顯示，較第一型機械頻率來說第二型才是至關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為靈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是，小而靈活的機械部件是渦輪上的刀片. 結果[7]集中表明了幾個風力發(fā)電機系統(tǒng)和降階風園模型的類型和與類型相結合的方法. 但是， 作者不能解決水輪機和風力發(fā)電機相結合時采用這種方法保存的機械要求. 我們的研究結

66、果表明:這關鍵在于有一個準確的風示范園. [10]詳細討論了降階變速渦輪機載的建模. 作者稱渦輪的機械能所代表的類型是一個單一的個體， 從動態(tài)的機電動力學分析，那是因為機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模型，從而可以容易地實現(xiàn)大型暫態(tài)穩(wěn)定代碼的測量.相當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. 從高度詳細的有限元模型角度，詳細的闡述了建模方法，還較簡單的敘述了六轉五轉，三轉水輪機模型.這些模型中的大部分都采用動量理論來計算氣動力. 三.我們對發(fā)展渦輪動力的一個降階模型為出發(fā)點，把所有機械和氣動渦輪機動態(tài)效果以高度詳細的用機電射程的形式表示出來. 在這個還原過程中，是以消費者的角度來分析渦輪軸驅動發(fā)電機的. 目的是為了準確反映軸轉速和扭矩特性與最小模型的秩序和復雜性. 數(shù)值調查表明，機械氣動和機械效應的一個例子所展現(xiàn)的測試系統(tǒng)實現(xiàn)了有限元建模環(huán)境. 該系統(tǒng)是一種新興的橫向風軸機床，包括三個31.7米葉片，葉片的一套點俯仰角度為2.6 ， 一個82.5米的主軸，它們