垂直軸風力發(fā)電機研究報告.doc

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1、 垂直軸風力發(fā)電機研究報告 1. 垂直軸與水平軸對比 垂直軸風力發(fā)電機與水平軸風力發(fā)電機相比，有其特有的優(yōu)點： ①水平軸風力發(fā)電機組的機艙放置在高高的塔頂，而且是一個可旋轉360度的活動聯(lián)接機構，這就造成機組重心高，不穩(wěn)定，而且安裝維護不便。垂直軸風力發(fā)電機組的發(fā)電機，齒輪箱放置在底部，重心低，穩(wěn)定，維護方便，并且降低了成本。 ②風力發(fā)電機的客戶越來越需要使用壽命長、可靠性高、維修方便的產(chǎn)品。垂直軸風輪的翼片在旋轉過程中由于慣性力與重力的方向恒定，因此疲勞壽命要長于水平軸風輪；垂直軸風力發(fā)電機的構造緊湊，活動部件少于水平軸風力機，可靠性較高；垂直軸系統(tǒng)的發(fā)電機可以放在風輪下部

2、甚至地面上，因而便于維護。 ③風力發(fā)電機由于高度限制和周圍地貌引發(fā)的亂流，常常處于風向和風強變化劇烈的情況，垂直軸風力發(fā)電機有克服“對風損失”和“疲勞損耗”上有水平軸風力發(fā)電機不可比的優(yōu)點，且理論風能利用率可達40％以上．因此在考慮了較小的啟動風速和對風力機影響較大的“對風損失”之后，從而提高垂直軸風輪的風能實際利用率。 ④水平軸風力發(fā)電機組機倉需360度旋轉，達到迎風目的。這個調(diào)節(jié)系統(tǒng)包含有旋轉機構，風向檢測，角位移發(fā)送，角位移跟蹤等系統(tǒng)。垂直軸風力機不要迎風調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以接受360度方位中任何方向來風，主軸永遠向設計方向轉動。 ⑤水平軸風力發(fā)電機的翼片受到正面風載荷力

3、，離心力，翼片結構相似懸臂梁。翼片根部受到很大彎矩產(chǎn)生的應力。而且翼片在旋轉一周的過程中，受慣性力和重力的綜合作用，慣性力的方向是隨時變化的，而重力的方向始終不變，這樣翼片所受的就是一個交變載荷，這就要求翼片有很高的的疲勞強度，因此大量事故都是翼片根部折斷。而垂直軸風機的翼片主要承受拉應力，不易折斷，壽命長。 ⑥水平軸風力發(fā)電機組翼片的尖速比高，一般在5～7左右，在這樣的高速下翼片切割氣流將產(chǎn)生很大的氣動噪音，導致噪聲污染。垂直軸風力機翼片的尖速比較水平軸的要小的多，這樣的低轉速基本上不產(chǎn)生氣動噪音，無噪音帶來的好處是顯而易見的，以前因為噪音問題不能應用風力發(fā)電機的場合(城市公共設施、民宅等

4、)，現(xiàn)在可以應用垂直軸風力發(fā)電機，因此，垂直軸風力發(fā)電機比水平軸有更廣闊的應用領域。 2.垂直軸風機風輪設計 2.1 風能 空氣的流動現(xiàn)象稱為風，風是由于不同地方的空氣受熱不均勻，從一個地方向另一個地方運動的空氣分子產(chǎn)生的，風的能量就是空氣分子的動能，如圖所示。 圖1 空氣流的動能 風功率計算公式為 聯(lián)立以上各式得 2.2 風能利用率Cp 風能利用系數(shù)Cp是表示風力機效率的重要參數(shù)，由于風通過風輪的風能不能完全轉化為風輪機械能，其風能利用率Cp為 其中Pm為風力機輸出的機械功率；Pw為風力機輸入的風能。 目前大多數(shù)垂直軸風機風能利用

5、率能達到0.4左右。如按0.4的風能利用率來計算，風機功率為1000W，則風能為。 根據(jù)上面公式可以求得，若滿載額定風速為20m/s的話，S=0.5m2，顯然設定的額定風速越低，S將越大。 ，S為掃風的截面積，r是翼片距軸的距離也是風輪的半徑，L為翼片的高。 如要達到1000W的風機功率，則掃風截面積不能小于0.5m2，則若r取0.25m的話，L為1m。可以采用目前天津工廠頂部風機形狀。 風力機轉矩： 2.3 葉尖速比λ 葉尖速比λ表示風輪在不同風速中的狀態(tài)，用葉片的圓周速度和風速之比來衡量。 式中：n－風輪的轉速，；

6、 ω－風輪角速度，； R―風輪半徑，m。 尖速比決定了風輪的功率，對于定槳距風輪，隨風速的增加其轉速也增加。在這種情況下，輸出功率（同風速的立方成正比）也增加。但是輸出功率增加并不意味著風能利用率也增加，一般而言，減速比和風能利用率曲線近似一條倒拋物線。 根據(jù)葉尖轉速比λ與Cp的關系及Cp與輸出功率之間關系，我們可以知道在風速固定時，不同的轉速即對應不同的葉尖轉速比，也即對應不同的Cp值，也即對應不同的輸出功率，這樣如果設定不同的風速，就可以得到風力機在不同風速下輸出功率與轉速的關系，如下圖所示： 圖2 風輪轉速與輸出功率及風速曲線圖 從上圖可以看出在某

7、一種風速下，風力機的輸出機械功率隨轉速的不同而變化，其中有一個最佳的轉速。在該轉速下，風力機輸出最大的機械功率。它與風速的關系是最佳葉尖速比關系。在不同風速下均有一個最佳的轉速使風力機輸出最大機械功率。從而得到一條最大輸出機械功率曲線，處于這條曲線上的任何點，其轉速與風速的關系均為最佳葉尖速比關系。合理的選取最優(yōu)尖速比可使風輪功率達到峰值。 一般垂直軸風機葉尖速比選擇在4~8之間，建議選擇6，越低噪音低，但是功率也比較難做大。 3 H型垂直軸風機翼片 一般超過500W的垂直軸風機，都采用H型翼片或Ф型翼片。 圖3 H型垂直軸風機 圖4 Ф型垂直軸 3.1 翼片選型 翼片是利用

8、氣流通過時產(chǎn)生的壓力差使葉輪轉動的部件，具有空氣動力學特性，其設計質(zhì)量對整個風力發(fā)電系統(tǒng)及其他零部件有這直接影響，因此翼片是風力機的重要部件。翼片的設計目標主要有： 1. 良好的空氣動力外形； 2. 可靠地結構強度； 3. 合理的翼片剛度； 4. 良好的結構動力學特性和啟動穩(wěn)定性； 5. 耐腐蝕、方便維修； 6. 滿足以上目標前提下，盡可能減輕翼片重量，降低成本。 風力機的翼型多種多樣，各有各的優(yōu)缺點，應用較多的有NACA翼型系列、SERI翼型系列、NREL翼型系列、RISΦ翼型系列和FFA-W翼型系列等，其中NACA翼型是美國國家宇航局（NASA）的前身國家航空咨詢委員會（NA

9、CA）提出設計的翼型系列，具有低阻力系數(shù)的特點，適合低速運行。 3.2 翼片實度 風力機翼片的總面積與風通過風輪的面積（風輪掃掠面積）之比稱為實度比（容積比），是風力機的一個參考數(shù)據(jù)。垂直軸風力機的翼片實度計算公式為： 升力型垂直軸風力機葉輪，C為翼片弦長，N為翼片個數(shù)，R為風輪半徑，L為翼片長度，σ為實度比。合理選取實度比的原則是在保證風輪氣動特性的條件下，力求使制造翼片的費用最低。為了最大限度提高動效率，翼型特性應具有下列要求： 1. 升力系數(shù)斜度大； 2. 阻力系數(shù)小； 3. 阻力系數(shù)與零升角對稱。 根據(jù)一些資料描述，NACA0012的阻力系數(shù)較小，選用較低阻力系數(shù)N

10、ACA0012對稱翼型。 由于NACA0012是對稱翼型，在下圖左側數(shù)據(jù)表中僅列出了單邊的數(shù)據(jù)，表中c是弦長（弦長為1.00）；x是弦長坐標（單位是x/c）；y是對應x位置的翼面與弦的距離（單位是y/c）。 圖5 NACA0012翼型參數(shù) 實度比選擇在0.5～0.6范圍內(nèi)較好。為此可以得出風輪翼片的弦長： 可以采用的翼片弦長0.4m，數(shù)據(jù)只需將表中各數(shù)字適當縮放即可[5]。 3.3 翼片形狀及材料 翼片截面結構為主梁蒙皮式，表面材料為鋁合金，主梁采用單向承載能力強的硬鋁材料，O型主梁結構制造簡單，各向受力均衡。翼片空心處用聚氨酯泡沫材料填充,剖面形式如圖所示。 圖6

11、翼片剖面 主梁可直接焊接與鋁合金蒙皮上，待主梁與蒙皮連接完成后，在空腹結構內(nèi)填入聚氨酯直接發(fā)泡填充成型。由此，風力機的基本參數(shù)可以確定，如表所示。 表 風力機參數(shù) 額定風速 平均效率 葉尖速比 設計功率 10m/s 40% 6 1000W 4 電氣設備及傳動設計 4.1 硅整流交流發(fā)電機 硅整流交流發(fā)電機的結構硅整流交流發(fā)電機由一臺三相同步交流發(fā)電機和硅二極管整流器組成。發(fā)電機工作時產(chǎn)生的三相交流電通過整流器進行三相橋式全波整流后轉變?yōu)橹绷麟?。硅整流交流發(fā)電機是由轉子、定子、整流器、端蓋、風扇葉輪等組成。 圖7 硅整流交流發(fā)電機 轉子用來在發(fā)電機工作時建立磁場

12、。它由壓裝在轉子軸上的兩塊爪形磁極、兩塊磁極之間的勵磁繞組和壓裝在轉子軸上的兩個滑環(huán)組成。兩個滑環(huán)彼此絕緣并與軸絕緣。勵磁繞組的兩端分別焊接在兩個滑環(huán)上。 定子用來在發(fā)電機工作時，與轉子的磁場相互作用產(chǎn)生交流電壓。它由內(nèi)圓帶槽的硅鋼片疊成的鐵心和對稱地安裝在鐵心上的三相定子繞組組成。三相定子繞組按星形或按三角形接法連接。按星形接法連接時，三相繞組的首端分別與整流器的硅二極管相連，三相繞組的尾端連在一起作為發(fā)電機的中性點。按三角形接法連接時，將三相繞組中一相繞組的首端與另一相繞組的尾端相連，并將聯(lián)接點接整流器的硅二極管。 整流器是由6個硅二極管組成的三相橋式全波整流電路，在發(fā)動機工作時將三相

13、定子繞組中產(chǎn)生的交流電轉變?yōu)橹绷麟?。在負極搭鐵的發(fā)電機中，3個二極管的殼體為負極，壓裝在與發(fā)電機機體絕緣的元件板上，并與發(fā)電機的輸出端(正極)相連，其引線為二極管的正極，稱為正極二極管；另外3個二極管的殼體為正極，壓裝在不與機體絕緣的元件板上，或直接壓裝在電刷端蓋上，作為發(fā)電機的負極，其引線為負極，稱為負極二極管。 驅動端蓋和電刷端蓋作為發(fā)電機的前后支撐。電刷端蓋上裝有電刷架和兩個彼此絕緣的電刷，并通過電刷彈簧，使電刷與轉子軸上的兩個滑環(huán)保持接觸，電刷的引線分別與電刷端蓋上的兩個磁場接線柱相連(外搭鐵式交流發(fā)電機)，或一個與磁場接線柱相連，另一個在發(fā)電機內(nèi)部搭鐵(內(nèi)搭鐵式交流發(fā)電機)。發(fā)電機

14、的整流器總成也安裝在驅動端蓋上，以有利于檢修。 獨立運行的小型風電機組的風力機葉片多數(shù)是固定槳距的，當風力變化時風機轉速隨之變化，與風機相連的發(fā)電機的轉速也隨之變化，因而發(fā)電機的出口電壓也會產(chǎn)生波動，這將導致硅整流器輸出的直流電壓及發(fā)電機勵磁電流的變化，并造成勵磁磁場的變化，這樣又造成發(fā)電機出口電壓的波動。這種連鎖反應是的發(fā)電機的出口電壓的波動范圍不斷增加。顯而易見，如果電壓的波動得不到控制，在向負載供電的情況下，將會影響供電質(zhì)量，甚至損壞用電設備。此外獨立運行的風力發(fā)電系統(tǒng)都帶有儲能電池組，電壓的波動會導致電池組的過充電，從而降低電池組的使用壽命。 在工作過程中，發(fā)電機轉速是不斷變化的，

15、要使發(fā)電機端電壓保持不變，可以通過改變磁通的大小來進行調(diào)節(jié)，而磁通的大小是由勵磁電流決定的。因此，當發(fā)電機轉速增高時，可以減小勵磁電流使磁通減小，保持發(fā)電機的輸出電壓不變;反之，當發(fā)電機轉速降低時，增大勵磁電流。因此電壓調(diào)節(jié)器的作用就是在發(fā)電機轉速變化時，自動改變勵磁電流的大小，使發(fā)電機輸出電壓保持不變。所以可以在發(fā)電機勵磁回路中串聯(lián)勵磁調(diào)節(jié)器，實質(zhì)是串入可切換電阻，改吧了勵磁回路的阻抗特性，進而改變了勵磁電流的大小。 4.2 電氣系統(tǒng)電路設計 如圖所示，勵磁調(diào)節(jié)器由電壓繼電器V1、電流繼電器I1、逆流繼電器I2及其所控制的動斷觸電V1、I1和動合觸電I2以及電阻R2等組成。 圖8

16、發(fā)電機勵磁圖 勵磁調(diào)節(jié)器的作用是使發(fā)電機能自動調(diào)節(jié)其勵磁電流（即勵磁磁通）的大小，來抵消因風速變化而導致的發(fā)電機轉速變化對發(fā)電機端電壓的影響。 當發(fā)電機轉速較低，發(fā)電機端電壓低于額定值時，電壓繼電器V1不動作，其動斷觸點V1閉合，硅整流器輸出端電壓直接施加在勵磁繞組上，發(fā)電機屬于正常勵磁狀態(tài)；當風速加大，發(fā)電機轉速增高，發(fā)電機端電壓高于額定電壓時，動斷觸電V1斷開，勵磁回路中被串入了電阻R2，勵磁電流及磁通隨之減小，發(fā)電機輸出端電壓隨之下降；當發(fā)電機電壓降至額定值時，觸點V1重新閉合，發(fā)電機恢復到正常勵磁狀態(tài)。電壓繼電器工作時發(fā)電機端電壓與發(fā)電機轉速的關系如圖所示。 圖9 發(fā)電機端電

17、壓與發(fā)電機轉速的關系 風力發(fā)電機組運行時，當用戶投入的負載過多時，可能出現(xiàn)負載電流過大超過額定值的狀況，如果不加以控制，使發(fā)電機過負荷運行，會對發(fā)電機的使用壽命有較大的影響，甚至損壞發(fā)電機的定子繞組。電流繼電器的作用是為了抑制發(fā)電機過負荷運行。電流繼電器I1的動斷觸點I1串接在發(fā)電機的勵磁回路中，發(fā)電機輸出的負荷電流則通過電流繼電器的繞組；當發(fā)電機的輸出電流低于額定值時，繼電器不工作，動斷觸點I1閉合，發(fā)電機屬于正常勵磁狀態(tài)；當發(fā)電機輸出電流高于額定值時，動斷觸點I1斷開，電阻R2被串入勵磁回路，勵磁電流減小，從而降低了發(fā)電機輸出端的電壓，并減小了負載電流。電流繼電器工作時，發(fā)電機負載電流與

18、發(fā)電機轉速的關系如圖所示。 圖10 發(fā)電機負載電流與發(fā)電機轉速的關系 為了防止無風或風速太低時，儲能電池組向發(fā)電機勵磁繞組送電，及儲能電池組由充電運行變?yōu)榉聪蚍烹姞顟B(tài)，這不僅會消耗儲能電池組所儲電能，還可能燒毀勵磁繞組，因此在勵磁調(diào)節(jié)器裝置內(nèi)，還裝有逆流繼電器I2。發(fā)電機正常工作時，逆流繼電器的電壓線圈及電流線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生的吸力是動合觸點I2閉合；當風速太低，發(fā)電機端電壓低于儲能電池組電壓時，繼電器電流線圈瞬間流過反向電流，此電流產(chǎn)生的磁場與電壓線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生的磁場作用相反，而電壓線圈內(nèi)流過的電流由于發(fā)電機電壓下降也減小了，由其產(chǎn)生的磁場也減弱了，故由電壓線圈及電流線圈內(nèi)電

19、流所產(chǎn)生的總磁場的吸力減弱，是的動合觸點I2斷開，從而斷開了儲能電池想發(fā)電機勵磁繞組送電的回路。 采用勵磁調(diào)節(jié)器的硅整流交流發(fā)電機，與永磁發(fā)電機比較，其特點是能隨風速變化自動調(diào)節(jié)輸出端電壓，防止產(chǎn)生對儲能電池組過充電，延長儲能電池組的使用壽命；同時還實現(xiàn)了對發(fā)電機的過負荷保護，但由于勵磁調(diào)節(jié)器的動斷、動合觸點動作頻繁，需對出頭材質(zhì)及斷弧性能做適當?shù)奶幚恚刹捎秒娮娱_關進行開關動作，并聯(lián)多組帶電子開關的電阻相當于多極調(diào)節(jié)）。而且用該交流發(fā)電機進行發(fā)電時，發(fā)電機的轉速必須達到在該轉速下的電壓時才能對儲能電池組充電。 5 傳動系統(tǒng)結構設計及計算 5.1 傳動軸的設計 主傳動軸只承受扭矩，基本

20、不受彎矩，按空心主軸扭轉強度估算主軸最小直徑： 其中A為系數(shù)，按《機械設計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-19》選??；d為軸端直徑，mm；n為軸的工作轉速，r/min；P為軸傳遞的功率，kW；為空心軸的內(nèi)徑d1與外徑d的比值，α=d1/d。 按照主軸扭轉剛度計算直徑： 其中B為系數(shù)，按《機械設計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-20》選取。 如果截面上有鍵槽時，應將求得的軸徑增大，其增大值見《機械設計手冊單行本軸-承及其連接》表5-1-22。 圖11 主軸示意圖 校核主軸安全系數(shù)。 主軸最大轉矩為最大風速下承受轉矩： 只考慮扭拒作用時的

21、安全系數(shù)為 其中為對稱循環(huán)應力下的材料扭轉疲勞極限，Mpa，見《機械設計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-1》，；為扭轉時的有效應力集中系數(shù)，見《機械設計手冊單行本軸-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《機械設計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-36》；軸表面強化處理后用《機械設計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-38》；有腐蝕情況時用《機械設計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-35》或《機械設計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-37》，；為扭轉時的尺寸影響系數(shù)，見《機械設計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-34》，；、為扭轉應力的應力幅和平均應

22、力，Mpa見《機械設計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-25》，；為材料扭轉的平均盈利折算系數(shù)，見《機械設計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-33》，。代入上式，可求得安全系數(shù)，然后根據(jù)鋼材的材質(zhì)標號，查表看安全系數(shù)是否滿足，不滿足就再增加主軸直徑。 5.2 軸承的計算及選型 由于風力機不僅承受風輪的扭矩，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。 5.2.1 角接觸球軸承1的選用計算 角接觸球軸承1的安裝位置如圖所示。 角接觸球軸承 圖12 軸承1的安裝位置 軸徑d=30mm,額定轉矩T=4.3

23、Nm。由《機械設計手冊單行本-軸承表6-2-82》可選擇角接觸球軸承。 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強為： 作用在葉片上的總力為 由《機械設計手冊單行本-軸承表6-2-12》推薦使用壽命為100000小時, 軸承當量動載荷的計算公式為 式中X、Y分別為徑向動載荷系數(shù)及軸向動載荷系數(shù)?？赏ㄟ^查《機械設計手冊表283-2》得到，然后計算載荷P。 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《機械設計手冊單行本-軸承表6-2-9》選??；為力矩載荷因數(shù)，力矩載荷較小

24、時取1.5，較大時取2，這里選取2；為沖擊載荷因數(shù)，按《機械設計手冊單行本-軸承表6-2-10》選取；為溫度因數(shù)，按《機械設計手冊單行本-軸承表6-2-11》選取1；為壽命因數(shù)，按《機械設計手冊單行本-軸承表6-2-8》選取0.405；為當量動載荷。將各個數(shù)據(jù)代入上式得C值，與手冊里標稱相應型號軸承的Cr值比較，小于Cr即可。 5.2.2 角接觸球軸承2的選用計算 角接觸球軸承2的安裝位置如圖所示。 軸承 圖13 軸承2安裝位置 按照《機械設計手冊單行本-軸承表6-2-82》選擇軸承型號按照軸承1校核公式對軸承進行校核。 由《機械設計基礎（第五版）公式16-3》計算軸承壽命： 式中：為溫度因數(shù)，按《機械設計手冊單行本-軸承表6-2-11》選取1；為沖擊載荷因數(shù)，按《機械設計手冊單行本-軸承表6-2-10》選取1.2；C為額定動載荷；N為主軸額定轉速，r/min；為壽命指數(shù)，對于球軸承取3。 將各數(shù)據(jù)代入式子后得軸承壽命小時。由《機械設計手冊單行本-軸承表6-2-12》推薦使用壽命為100000小時。 主軸與發(fā)電機之間用圓錐銷套筒聯(lián)軸器進行連接，如圖所示，聯(lián)軸器具體參數(shù)見圖紙。 圖14 圓錐銷套筒聯(lián)軸器