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垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計
摘要：本次畢業(yè)設(shè)計主要是完成垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計。風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)今發(fā)展飛速，其中小型發(fā)電機(jī)組以其設(shè)備簡單、成本較低、風(fēng)能利用率高、啟動、制動性能好等優(yōu)點(diǎn)，得到越來越多青睞。本論文主要介紹了小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，從獨(dú)立型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成特點(diǎn)、運(yùn)行特點(diǎn)、保護(hù)措施等各方面，介紹了實(shí)現(xiàn)機(jī)組無人值守全自動運(yùn)行的設(shè)計思想和實(shí)施辦法。
本設(shè)計利用機(jī)電一體化設(shè)計使整個系統(tǒng)組成簡單，結(jié)構(gòu)精巧，控制方便，性能可靠，應(yīng)用前景廣闊。
關(guān)鍵詞：垂直軸，風(fēng)力發(fā)電機(jī)，設(shè)計
II
Vertical axis wind turbine design
Abstract: The graduation project is mainly to complete the vertical axis wind turbine design. Wind power in rapid development, in which small generation units with its simple equipment, low cost, high wind energy utilization rate, starting, braking performance is good wait for an advantage, get more and more popular. This paper mainly introduces the small-scale wind turbine mechanical structure part, from the independent type of wind turbine characteristics, operation characteristics, protection measures and other aspects, introduced the implementation of unmanned automatic operation unit of the design idea and implementation method.
This design is the use of mechanical and electrical integration design of the whole system with simple structure, compact structure, easy control, reliable performance, wide application prospect.
Key words: Vertical axis，wind turbine， design
目錄
第1章 緒論 8
第2章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 11
2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)介紹 11
2.2 垂直軸風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué) 14
2.2.1 風(fēng)能利用率 15
2.2.2 Cp-λ功率特性曲線 15
2.2.3 貝茨極限 16
2.2.4 葉尖速比 16
2.2.5 風(fēng)力機(jī)的功率及扭矩計算 17
2.3傳動機(jī)構(gòu) 17
2.3.1主軸 18
2.3.2聯(lián)軸器 19
2.3.3增速箱 20
2.3.4制動器 21
2.4塔架 21
第3章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總體性能 24
3.1機(jī)組的構(gòu)成及主要技術(shù)參數(shù) 24
3.1.1基本技術(shù)參數(shù) 24
3.1.2機(jī)艙傳動總成 25
3.2工作條件及運(yùn)行參數(shù) 26
3.2.1運(yùn)行參數(shù) 26
3.2.2無人值守的運(yùn)行過程 26
3.2.3待風(fēng)狀態(tài) 26
3.2.4開機(jī)與并網(wǎng) 28
3.2.5停機(jī)與保護(hù) 28
第4章 各附加裝置的設(shè)計選取過程 30
4.1 風(fēng)機(jī)軸承技術(shù)要點(diǎn)分析 30
4.2 制動器的設(shè)計與選取 32
4.3 高效永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計 33
4.4 聯(lián)軸器的設(shè)計與選取 33
4.5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的尾舵調(diào)向裝置設(shè)計 34
結(jié)論 36
參 考 文 獻(xiàn) 37
致謝 39
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第1章 緒論
自80年代以來，風(fēng)能利用的主要趨勢是風(fēng)力發(fā)電，最早在邊遠(yuǎn)山區(qū)應(yīng)用，主要有三種應(yīng)用方式：（1）單獨(dú)使用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)供家庭住宅使用。（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)與其他電源聯(lián)用，為海上導(dǎo)航系統(tǒng)和遠(yuǎn)距離通訊系統(tǒng)供電。（3）并入地方孤立小電網(wǎng)為鄉(xiāng)村供電。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也飛速前進(jìn)。以機(jī)組大型化、集中安裝和控制為特點(diǎn)的風(fēng)力場成為風(fēng)力發(fā)電主要的發(fā)展方向。近20年，世界各地近30個國家開發(fā)建設(shè)了風(fēng)電場，且在未來投資計劃上有增無減。國外風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量正以每年30％的速度增長。同時大幅降低了風(fēng)機(jī)的故障率，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的中央控制和跨地區(qū)、跨國界的遠(yuǎn)程控制。世界一些著名廠商，如NORDEX，VESTAS，DEWIND等，則把目光投向小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并且逐步實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)行。
我國作為風(fēng)力資源極其豐富的國家，風(fēng)力發(fā)電潛能巨大，風(fēng)能資源的利用也歷史悠久，古代甲骨文中的“帆”字存在，以及東漢劉熙著作里“隨風(fēng)張慢曰帆”的敘述，都說明我國是利用風(fēng)能最早的國家之一，而我國對于現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究始于80年代，
從“六五”開始，國家將風(fēng)能的開發(fā)利用列入科技攻關(guān)計劃,國家計委和國家科委分別組織了綜合性風(fēng)能科技攻關(guān)，內(nèi)容涉及風(fēng)力資源、風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、電機(jī)、控制和材料等。國務(wù)院總理溫家寶在2012年5月30日主持召開的國務(wù)院常務(wù)會議，又討論通過《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》。會議指出新能源產(chǎn)業(yè)要發(fā)展技術(shù)成熟的風(fēng)電、核能、太陽能光伏和熱利用、生物質(zhì)發(fā)電、沼氣等，積極推進(jìn)可再生能源技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。我國風(fēng)電技術(shù)將會借此時機(jī)繼續(xù)創(chuàng)造出更多的輝煌。
為了促進(jìn)風(fēng)電建設(shè)，有關(guān)部門出臺了不少優(yōu)惠政策，中國原電力部就頒布了關(guān)于風(fēng)力發(fā)電場建設(shè)和管理的若干意見,要求各地電網(wǎng)應(yīng)收購各地風(fēng)電場發(fā)出的上網(wǎng)電力，風(fēng)電上網(wǎng)電價按照還本付息加合理利潤的原則確定。雖然后來隨著電力部門的演變和國家管理體制的改革,這一政策現(xiàn)已無從實(shí)施,但它的出臺為我國風(fēng)力發(fā)電的起步奠定了重要的基礎(chǔ)。中國政府又頒布了“關(guān)于促進(jìn)可再生能源發(fā)展有關(guān)問題的通知”，提出了促進(jìn)可再生能源發(fā)電項目尤其是風(fēng)電的優(yōu)惠政策,包括由銀行安排基建貸款、銀行貸款的項目給予的財政補(bǔ)貼、采用國產(chǎn)設(shè)備的風(fēng)電項目給予的投資利潤率優(yōu)惠等。此外，風(fēng)力發(fā)電的增值稅率按照減半為征收，風(fēng)力發(fā)電零部件和整機(jī)的進(jìn)口關(guān)稅也暫時按照和征收。在國務(wù)院公布的新一輪電力體制改革方案中，明確提出將制定發(fā)電排放的環(huán)保折價標(biāo)準(zhǔn),形成激勵清潔電源發(fā)展的新機(jī)制，這就為風(fēng)電等來自可再生能源的電力提供了公平競爭的機(jī)會，從而會大大促進(jìn)風(fēng)電等清潔的可再生能源發(fā)電的發(fā)展。在電價改革方案中也特別提到，“風(fēng)電、地?zé)岬刃履茉春涂稍偕茉雌髽I(yè)暫不參與市場競爭，電量由電網(wǎng)企業(yè)按政府定價或招標(biāo)價格優(yōu)先購買，電力市場成熟時由政府規(guī)定供電企業(yè)售電量中新能源和可再生能源電量的比例，建立專門的競爭性新能源和可再生能源市場”。這些規(guī)定對于尚處于初期發(fā)展階段的我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)成長將會起到重要的扶持作用。
?根據(jù)全國900多個氣象站陸地上離地10m高度資料進(jìn)行估算，全國平均風(fēng)功率密度為100W/m2，風(fēng)能資源總儲量約32.26億kW，可開發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲量有2.53億kW。另外，近海可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲量有7.5億kW，共計約10億kW。如果陸上風(fēng)電年上網(wǎng)電量按等效滿負(fù)荷2000小時計，每年可提供5000億千瓦時電量，海上風(fēng)電年上網(wǎng)電量按等效滿負(fù)荷2500小時計，每年可提供1.8萬億千瓦時電量，合計2.3萬億千瓦時電量，大約相當(dāng)于我國目前一年的電力需求量。
???? ?(1)北部地區(qū)風(fēng)能分布帶。北部(東北、華北、西北)地區(qū)風(fēng)能豐富帶包括東北三省、河北、內(nèi)蒙古、甘肅、青海、西藏和等省/自治區(qū)近200km寬的地帶。三北地區(qū)風(fēng)能資源豐富，風(fēng)電場地形平坦，交通方便，沒有破壞性風(fēng)速，是我國連成一片的最大風(fēng)能資源區(qū)，有利于大規(guī)模的開發(fā)風(fēng)電場，但是當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)容量較小，限制了風(fēng)電的規(guī)模，而且距離負(fù)荷中心遠(yuǎn)，需要長距離輸電。
????? (2)沿海及其島嶼地區(qū)風(fēng)能分布帶。沿海及其島嶼地區(qū)包括山東、江蘇、上海、浙江、福建、廣東、廣西和海南等省/市沿海近10km寬的地帶，冬春季的冷空氣、夏秋的臺風(fēng)，都能影響到沿海及其島嶼，加上臺灣海峽狹管效應(yīng)的影響，東南沿海及其島嶼是我國風(fēng)能最佳豐富區(qū)。沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，沿海及其島嶼地區(qū)風(fēng)能資源豐富，風(fēng)電場接入系統(tǒng)方便，與水電具有較好的季節(jié)互補(bǔ)性。然而沿海岸的土地大部份已開發(fā)成水產(chǎn)養(yǎng)殖場或建成防護(hù)林帶，可以安裝風(fēng)電機(jī)組的土地面積有限。
????? (3)內(nèi)陸風(fēng)能分布帶。在內(nèi)陸一些地區(qū)由于湖泊和特殊地形的影響，形成一些風(fēng)能豐富點(diǎn)，如鄱陽湖附近地區(qū)和湖北的九宮山和利川等地區(qū)。
????? (4)海上風(fēng)能分布帶。我國海上風(fēng)能資源豐富，東部沿海水深2m到15m的海域面積遼闊，按照與陸上風(fēng)能資源同樣的方法估測，10m高度可利用的風(fēng)能資源約是陸上的3倍，即7億多kW，而且距離電力負(fù)荷中心很近。隨著海上風(fēng)電場技術(shù)的發(fā)展成熟，經(jīng)濟(jì)上可行，將來必然會成為重要的可持續(xù)能源。
我國較大規(guī)模地開發(fā)和應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)，特別是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，始于70年代，當(dāng)時研制的風(fēng)力提水機(jī)用于提水灌溉和沿海地區(qū)的鹽場，研制的較大功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用于浙江和福建沿海，特別是在內(nèi)蒙古地區(qū)由于得到了政府的支持和適應(yīng)了當(dāng)?shù)刈匀毁Y源和當(dāng)?shù)厝罕姷男枨?，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究和推廣得到了長足的發(fā)展。對于解決邊遠(yuǎn)地區(qū)居住分散的農(nóng)牧民群眾的生活用電和部分生產(chǎn)用電起了很大作用[2]。掌握具有自主知識產(chǎn)權(quán)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)，降低風(fēng)電成本，從可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求入手，完全符合我國現(xiàn)狀，走這條路勢在必行。
近年來，我國的風(fēng)電機(jī)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，但在風(fēng)機(jī)整機(jī)及關(guān)鍵部件的設(shè)計與制造技術(shù)上與世界先進(jìn)水平仍然存在一定的差距，在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組方面，我國從事小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其配件開發(fā)研制生產(chǎn)的單位多達(dá)78家，年產(chǎn)量、總產(chǎn)量、生產(chǎn)能力、出口均位列世界之首。由于汽油、柴油、煤油價格飛漲，且供應(yīng)渠道不暢通，使得小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用戶量繼續(xù)增加，根據(jù)我國風(fēng)能資源開發(fā)利用的現(xiàn)狀，以及風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展進(jìn)步及水平來看，我國的小型風(fēng)力發(fā)電，已從單純的風(fēng)力發(fā)電向多能互補(bǔ)方向；從單臺供電向群組機(jī)組集中供電發(fā)展；從師范、試驗(yàn)性向高效實(shí)用性發(fā)展。
事實(shí)證明，?小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的未來的發(fā)展方向掌握在我們的手中。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)進(jìn)步是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本保證。把小型風(fēng)力機(jī)與太陽能電池結(jié)合作為最合理的獨(dú)立電源可開發(fā)更多的應(yīng)用領(lǐng)域，包括風(fēng)光互補(bǔ)便攜式電源、風(fēng)光互補(bǔ)泵水系統(tǒng)、風(fēng)光互補(bǔ)增氧系統(tǒng)、風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)等等。隨著小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品的多樣化，風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)在市政項目、在邊防哨所、在偏遠(yuǎn)地區(qū)都有著極廣的應(yīng)用前景。?目前，國內(nèi)的小風(fēng)機(jī)產(chǎn)品開始走向國外。英國、美國等國家已立法鼓勵家庭安裝小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，為小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)應(yīng)用提供很大的發(fā)展空間。但小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在家庭的推廣對產(chǎn)品提出了更高的要求，低風(fēng)速發(fā)電、低噪音、高可靠性、美觀性、安全性等都有了更高的要求。
由以上分析可見，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有很多優(yōu)越性與潛能性。本課題研究的就是小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
第2章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)介紹
風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的動力機(jī)械。廣義地說，它是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質(zhì)的熱能利用發(fā)動機(jī)。風(fēng)力發(fā)電利用的是自然能源，相對柴油發(fā)電要好的多。風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約是每秒三公尺的微風(fēng)速度（微風(fēng)的程度），便可以開始發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)從結(jié)構(gòu)上可以分為兩類，其一是水平軸風(fēng)力機(jī)，葉片安裝在水平軸，葉片接受風(fēng)能轉(zhuǎn)動去驅(qū)動所要驅(qū)動的機(jī)械。水平軸風(fēng)力機(jī)分為多葉低速風(fēng)力機(jī)和1‐3個片的風(fēng)力風(fēng)電機(jī)。如圖2-1。其二是垂直軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪軸是垂直布置的，葉片帶動風(fēng)輪軸轉(zhuǎn)動再驅(qū)動所要驅(qū)動的機(jī)械。如圖2-2。
本課題研究的是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
風(fēng)力機(jī)從功率大小上分類，可以分為微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、小型風(fēng)力發(fā)電及、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)四類。如下表。
微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)
額定功率50-1000W
小型風(fēng)力發(fā)電及
額定功率1-50KW
中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)
額定功率50-100KW
大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)
額定功率大于100KW
本課題研究的20KW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)屬于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
垂直軸風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸與風(fēng)向垂直，如圖3-2所示，垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計簡單，風(fēng)輪無需對風(fēng)，其優(yōu)點(diǎn)有：1.可以接受任何風(fēng)向的風(fēng)，無需對風(fēng)；2.齒輪箱和發(fā)電機(jī)可以安裝在地面，檢修維護(hù)方便。
圖3-2 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)
按照槳葉受力方式分類可分為升力型風(fēng)力機(jī)和阻力型風(fēng)力機(jī)。升力型風(fēng)力機(jī)利用葉片的升力帶動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而轉(zhuǎn)化風(fēng)能為電能，這種風(fēng)力機(jī)目前較為常見，大部分水平軸風(fēng)力機(jī)都屬于升力型風(fēng)力機(jī)。目前大中型風(fēng)電主要采用水平軸風(fēng)力機(jī)，屬升力型風(fēng)力機(jī)，具有轉(zhuǎn)速高、風(fēng)的利用率較高等優(yōu)點(diǎn)，其葉尖速比通常在4以上，最大功率系數(shù)可達(dá)50%，如圖3-3所示。阻力型風(fēng)力機(jī)利用葉片上受到的阻力來驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，大部分阻力型風(fēng)力機(jī)為垂直軸，目前較少，如圖3-4所示。
圖3-3 升力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)
圖3-4 阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)
垂直軸升力型風(fēng)力機(jī)既有垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，又和升力型風(fēng)力機(jī)一樣具有較高轉(zhuǎn)速，風(fēng)能利用率有所提高。由于運(yùn)行過程中受力比水平軸好得多，疲勞壽命要更長。
2.2 垂直軸風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)
如圖3-5所示建立平面坐標(biāo)系，假定風(fēng)速矢量為v，葉片端線速度矢量為u，葉片所在位置夾角為θ，則葉片的平均線速度為[5]
（3.1）
在圖3-5中，風(fēng)速矢量v=（0，-V），葉片速度矢量u=（-Usinθ,Ucosθ），風(fēng)對葉片的相對速度w=v+u，坐標(biāo)運(yùn)算后得w=（-Usinθ，-V+Ucosθ）。
圖3-5 垂直風(fēng)力機(jī)動力原理
相對風(fēng)速的大小就是矢量w的模|w|，以表示w的單位矢量，表示u的單位矢量，則可以求出此時的攻角α，攻角就是相對風(fēng)速與葉片弦長所在直線的夾角，按照矢量計算可推得：
（3.2）
在風(fēng)力的作用下，葉片在攻角α?xí)r受到的升力和阻力可以按以下公式計算：
（3.3）
（3.4）
將升力和阻力投影到風(fēng)輪切方向：
（3.5）
（3.6）
其中Flt為Fl在切向的分量；Fdt為Fd在切向的分量。
葉片受力分解如圖3-6所示[6]。
圖3-6 垂直風(fēng)力機(jī)的葉素力學(xué)模型
切向力的合力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動，葉片在位置角為θ時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為
（2.7）
2.2.1 風(fēng)能利用率
風(fēng)能利用系數(shù)Cp是表示風(fēng)力機(jī)效率的重要參數(shù)，由于風(fēng)通過風(fēng)輪的風(fēng)能不能完全轉(zhuǎn)化為風(fēng)輪機(jī)械能，其風(fēng)能利用率Cp為[7]
（3.8）
其中Pm為風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率；Pw為風(fēng)力機(jī)輸入的風(fēng)能。
目前大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率絕大部分是由葉片設(shè)計方計算得到的，一般在40%以上。由于之前一般都是利用葉素理論來計算垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率，得出的結(jié)果不如水平軸，但是根據(jù)國外最新的實(shí)驗(yàn)表明垂直軸的風(fēng)能利用率不低于40%[8]，再加上水平軸風(fēng)力機(jī)受到風(fēng)向變化的影響，而垂直軸風(fēng)力機(jī)可以在任何風(fēng)速角下工作，因此有理由相信垂直軸風(fēng)力機(jī)的利用率能夠超過水平軸。
2.2.2 Cp-λ功率特性曲線
風(fēng)能利用系數(shù)Cp一般是變化的，它隨著風(fēng)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化而變化，葉片尖端線速度與風(fēng)速之比叫做葉尖速比λ（將在第3.2.4節(jié)具體說明），為了得到最佳的風(fēng)能利用率，一般根據(jù)Cp-λ曲線來選擇合適的葉尖速比，如圖3-7所示。
圖3-7 Cp-λ曲線圖
從圖3-7中看出，當(dāng)葉尖速比達(dá)到7.5左右時風(fēng)能利用系數(shù)最大，風(fēng)能利用率最高，Cp值有一個最大值，實(shí)際風(fēng)力機(jī)一般都達(dá)不到這么高的風(fēng)能利用率，所以我們先初定葉尖速比在λ=6，風(fēng)能利用率Cp=0.4時對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行設(shè)計，具體的Cp-λ圖還需根據(jù)具體的風(fēng)力機(jī)葉片試驗(yàn)及攻角調(diào)整來確定。
2.2.3 貝茨極限
風(fēng)能利用系數(shù)縮短能達(dá)到的最大值就是貝茨極限，德國空氣動力學(xué)家Albert Betz提出貝茨極限后,直到今天還沒有人能設(shè)計出超過這個極限的風(fēng)力機(jī)，該極限不是由于設(shè)計不足造成的，而是因?yàn)榱鞴懿坏貌辉谥聞颖P上游膨脹，使得自由流速比在圓盤處小，貝茨極限由一下微分方程得出[9]：
（3.9）
式中a為氣流誘導(dǎo)因子。
解微分方程可知當(dāng)a=1/3時，Cp最大，求得最大Cp=0.953。
2.2.4 葉尖速比
風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比稱為葉尖速比，阻力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為0.3至0.6，升力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為3至8。在升力型風(fēng)力機(jī)中，葉尖速比直接反映了相對風(fēng)速與葉片運(yùn)動方向的夾角，即直接關(guān)系到葉片的攻角，是分析風(fēng)力機(jī)性能的重要參數(shù)。葉尖速比計算公式為
（3.10）
2.2.5 風(fēng)力機(jī)的功率及扭矩計算
由福建省情資料庫中的圖像資料可以看出廈門地區(qū)地面平均風(fēng)速在4m/s～6m/s左右，如圖3-8所示。
圖3-8福建省風(fēng)速分布
從福建氣象網(wǎng)站（http://fj.weather.com.cn/）24小時監(jiān)測的結(jié)果可以看出，廈門地區(qū)一天內(nèi)4級風(fēng)（約8m/s）出現(xiàn)的頻率最高，如圖3-9所示。
圖3-9 廈門某日24小時風(fēng)速監(jiān)測圖
2.3傳動機(jī)構(gòu)
風(fēng)力機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)一般包括低速軸、高速軸、齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)和制動器等(圖2-6)。但不是每一種風(fēng)力機(jī)都必須具備所有這些環(huán)節(jié)。有些風(fēng)力機(jī)的輪殼直接連接到齒輪箱上,不需要低速傳動軸。也有一些風(fēng)力機(jī)(特別是小型風(fēng)力機(jī))設(shè)計成無齒輪箱的,風(fēng)輪直接連接到發(fā)電機(jī)。在整個傳動系中除了齒輪箱其它部件基本上一目了然[8]。
圖 2-6 機(jī)艙傳動總成圖
2.3.1主軸
風(fēng)輪通過鍵把轉(zhuǎn)矩傳到主軸上。小型風(fēng)力機(jī)一般采用單鍵。小、微型風(fēng)力機(jī)多采用45號鋼，經(jīng)過調(diào)制處理使鋼材獲得強(qiáng)度。塑性、韌性三方面都較好的綜合機(jī)械性能，所以設(shè)計時，在主軸加工圖上也要注明這一技術(shù)要求。主軸的材料實(shí)踐證明主軸與輪轂的連接部分最好要有1：10的錐度，亦即軸端最好呈圓錐形。這種結(jié)構(gòu)不僅裝配牢固、拆卸方便，而且還避免了圓柱形軸端應(yīng)力集中的影響。鎖定風(fēng)輪用的軸端螺母究竟采用右旋還是左旋要視風(fēng)輪的轉(zhuǎn)向而定。如果順風(fēng)看風(fēng)輪是順時針旋轉(zhuǎn)，則螺母要用左旋螺紋，反之要用優(yōu)選螺母，因?yàn)橹挥羞@樣才能保證風(fēng)力機(jī)在旋轉(zhuǎn)中螺母越來越緊而不至于松脫，為了安全起見，螺母上最好還要有止動墊圈。主軸零件圖如圖2-7所示。
圖 2-7 主軸零件圖
根據(jù)國內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，低速軸的直徑通常取風(fēng)輪直徑的1%，亦即d=0.01D。若按這一標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，其強(qiáng)度一般是有保證的。作用在主軸上的主要負(fù)載有：工作轉(zhuǎn)矩M，風(fēng)輪的陀螺力矩M，以及風(fēng)輪所受到的重力G。軸端所承受的合成應(yīng)力為（N/cm）
（2-1）
式中：M為風(fēng)輪的陀螺力矩（Nm）；
G為風(fēng)輪所受重力（N）；
W為軸端抗彎截面模數(shù)(cm)；
A為軸端截面積（cm）。
M的大小與槳葉數(shù)B有關(guān)，當(dāng)B=3時，
（2-2）
式中，——風(fēng)輪繞主軸的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量（）
如用單鍵，
（2-3）
式中：b為鍵槽寬度（cm）；
T為鍵槽深度（cm）。
倘若軸端呈圓錐形，其d為平均值。
為了簡化計算，可以將本設(shè)計中的軸近似看成為大徑，小徑的光滑軸。本設(shè)計中的彎矩。
將已知條件帶入上述公式，可以算出。
所以，本設(shè)計中的主軸滿足條件，可以正常使用[9-11]。
2.3.2聯(lián)軸器
在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，常采用剛性聯(lián)軸器、彈性聯(lián)軸器（或萬向聯(lián)軸器）兩種方式。剛性聯(lián)軸器常用在對中性好的二軸連接，而彈性聯(lián)軸器則可以為二軸對中性較差時提供二軸的聯(lián)接，更重要的是彈性聯(lián)軸器可以提供一個彈性環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)可以吸收軸系因外部負(fù)載的波動而產(chǎn)生的額外能量。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中通常在高速軸選用彈性/萬向聯(lián)軸器，一般用十字聯(lián)軸器或者輪胎聯(lián)軸器，低速軸用剛性聯(lián)軸器。一般用漲套式或者柱銷式聯(lián)軸器。
本課題在設(shè)計時在高速軸使用胎式聯(lián)軸器，在低速軸使用柱銷式聯(lián)軸器。如下所示，是聯(lián)軸器的示意圖。
柱銷式聯(lián)軸器
2.3.3增速箱
與風(fēng)力機(jī)匹配的增速器不僅要體積小、重量輕、效率高、噪音小、而且還應(yīng)該承載能力大，啟動轉(zhuǎn)矩小。鑒于這些要求，所以分力發(fā)電機(jī)的選擇至關(guān)重要。實(shí)現(xiàn)增速的方法也很多，最常用的有齒輪、皮帶輪、鏈輪傳動三種，其中齒輪傳動運(yùn)用最為廣泛，能夠滿足增速器以上要求。其中NW型與NGW型行星齒輪增速器用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上比較合適的。齒輪增速器的傳動比可以根據(jù)風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速之比確定，而功率則要按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率的1.2-1.5倍考慮。在使用齒輪增速器時，要注意輸入軸與輸出軸的方向是一致還是相反，否則將會造成被動，甚至不能使用。本風(fēng)力機(jī)所采用的齒輪箱為同軸行星增速齒輪箱，傳動比為1：22.4，額定功率為55kW。
2.3.4制動器
機(jī)械剎車是一種制動式的減慢旋轉(zhuǎn)負(fù)載的裝置。通常機(jī)械剎車按照作用方式可以分為液壓、氣動、電磁、電液、手動等形式。按照工作狀態(tài)分為常閉式和常開式兩種。在風(fēng)力發(fā)電中，為了減少制動轉(zhuǎn)矩，縮小制動尺寸，通常機(jī)械剎車裝在高速軸上。
本課題選用電磁盤式剎車，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。
2.4塔架
風(fēng)力機(jī)的塔架除了要支撐風(fēng)力機(jī)的重量, 還要承受吹向風(fēng)力機(jī)和塔架的風(fēng)壓, 以及風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中的動載荷。它的剛度和風(fēng)力機(jī)的振動有密切關(guān)系, 如果說塔架對小型風(fēng)力機(jī)影響還不太大的話,對大、中型風(fēng)力機(jī)的影響就不容忽視了[12]。一般要求塔架要有足夠的強(qiáng)度，足以承受設(shè)計要求的動靜載荷。同時基礎(chǔ)不應(yīng)該發(fā)生顯著的、尤其是不均勻的下沉，因?yàn)榛A(chǔ)一旦下沉將導(dǎo)致整個塔架傾斜，因此為了保證他家不發(fā)生歪斜，塔架各基礎(chǔ)的重量合力必須與風(fēng)力機(jī)重心垂線重合?；A(chǔ)則用混凝土砌筑，水泥、沙子和碎石的體積比約取1:2.5:5?；A(chǔ)的砌筑要與接地網(wǎng)、地腳螺栓以及地錨的預(yù)埋同時進(jìn)行。
塔架的高度為
水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架主要可分為管柱型和桁架型兩類,管柱型塔架可從最簡單的木桿,一直到大型鋼管和混凝土管柱。小型風(fēng)力機(jī)塔桿為了增加抗彎矩的能力,可以用拉線來加強(qiáng)。中、大型塔桿為了運(yùn)輸方便,可以將鋼管分成幾段。一般圓柱形塔架對風(fēng)的阻力較小,特別是對于下風(fēng)向風(fēng)力機(jī),產(chǎn)生紊流的影響要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型風(fēng)力機(jī)上,其優(yōu)點(diǎn)是。價不高,運(yùn)輸也方便。但這種塔架會使下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)的葉片產(chǎn)生很大的紊流。其計算方法如下：
本風(fēng)力機(jī)所采用的塔架為柔性鋼管加拉索，重2.5t，智能化微機(jī)控制系統(tǒng)全自動化無人值守故障檢測、報警狀態(tài)及參數(shù)記錄、顯示。
上部塔筒
底部塔筒與上部塔筒聯(lián)接法蘭盤
底部塔筒與基礎(chǔ)聯(lián)結(jié)法蘭盤
底部塔筒
上部塔筒與底部塔筒聯(lián)接法蘭盤
圖 2-7 塔架結(jié)構(gòu)圖
第3章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總體性能
3.1機(jī)組的構(gòu)成及主要技術(shù)參數(shù)
獨(dú)立型20kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用了3葉片、水平軸、上風(fēng)向旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪、定槳距失速調(diào)節(jié)，異步發(fā)電機(jī)發(fā)電、蓄能器儲能、高速軸抱閘雙重主動機(jī)構(gòu)，機(jī)艙支撐為柔性鋼管拉索塔架，控制系統(tǒng)采用日本三菱公司F1-60MR可編程控制器（PLC）為控制核心，配以集成化、智能化I/O接口電路和先進(jìn)的傳感技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)全自動無人值守運(yùn)行[13]。
3.1.1基本技術(shù)參數(shù)
總體性能參數(shù)如表3-1所示：
表3-1 總體性能參數(shù)
類型
水平軸、下風(fēng)向
額定功率
20kW
額定風(fēng)速
11m/s
切入風(fēng)速
4m/s
切出風(fēng)速
20m/s
抗最大風(fēng)速
50m/s
風(fēng)輪性能參數(shù)如表3-2所示：
表 3-2 風(fēng)輪性能參數(shù)
葉片數(shù)目
3
直徑
11m
額定轉(zhuǎn)速
180r/min
槳葉材料
增強(qiáng)型玻璃鋼
翼型
NACA44 X X
功率調(diào)節(jié)
定槳距失速調(diào)節(jié)
傳動系統(tǒng)性能參數(shù)如表3-3所示：
表 3-3 傳動系統(tǒng)性能參數(shù)
類型
NG型行星齒輪增速箱
額定功率
11.2m
額定轉(zhuǎn)速
55kW
傳動比
1：22.4
發(fā)電機(jī)性能參數(shù)如表3-4所示：
表 3-4 發(fā)電機(jī)性能參數(shù)
類型
三相交流高滑差異步電機(jī)
額定功率
45Kw
同步轉(zhuǎn)速
1500r/min
電壓
380V，Y接
頻率
50Hz
塔架性能參數(shù)如表3-5所示：
表 3-5 塔架性能參數(shù)
類型
柔性鋼管加拉索
重量
2.5t
控制系統(tǒng)
智能化微機(jī)控制系統(tǒng)全自動化無人值守故障檢 測、報警狀態(tài)及參數(shù)記錄、顯示。
3.1.2機(jī)艙傳動總成
20kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動軸總成設(shè)計采用同心軸連接，在機(jī)艙里面把葉輪、主軸支承、剎車盤、增速機(jī)、發(fā)電機(jī)等安裝在機(jī)艙平臺的同一軸心上，此種設(shè)計結(jié)構(gòu)緊密、外型美觀、工藝優(yōu)化、機(jī)械效率高，比多軸心傳動軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計，易于安裝，檢修，特別適用于定槳距、失速葉片風(fēng)力機(jī)的機(jī)艙布局[14]。
圖 3-1 機(jī)艙機(jī)構(gòu)圖
3.2工作條件及運(yùn)行參數(shù)
3.2.1運(yùn)行參數(shù)
機(jī)組在環(huán)境溫度-25——75℃，空氣濕度不大于95%，電網(wǎng)電壓在95%——105%額定電壓下，頻率為±1°范圍內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以正常發(fā)電。
運(yùn)行參數(shù)如表3-6所示：
表 3-6 運(yùn)行參數(shù)
運(yùn)行風(fēng)速范圍
4.0m/s
4.5，V<15m/s
故障辨別
停機(jī)處理
開槳松閘
N>1480r/min
延20分鐘
機(jī)器狀態(tài)差報警
等待開機(jī)
并網(wǎng)運(yùn)行
N>1470r/min
V>4.5r/min
逆功率報警停機(jī)
N>1580r/min
N<100r/min
超速報警停機(jī)
超速傳感失靈
報警停機(jī)
V>4.5m/s
V>21m/s
手動操作
小風(fēng)逆功停機(jī)
小風(fēng)連續(xù)5分停機(jī)
大風(fēng)報警停機(jī)
圖 3-2 20kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程流程圖
3.2.4開機(jī)與并網(wǎng)
由風(fēng)速和轉(zhuǎn)速傳感作為主激勵信號，輔以對傳動、偏航、剎車系統(tǒng)的即時監(jiān)控，在風(fēng)速達(dá)到啟動風(fēng)速時，機(jī)組自動開機(jī)，進(jìn)入工作狀態(tài)。
①當(dāng)風(fēng)速連續(xù)60秒不小于4.5m/s，主軸盤式剎車釋放，傳動系統(tǒng)開始工作。
②由液壓系統(tǒng)驅(qū)動變矩機(jī)構(gòu)，將葉片由順風(fēng)的保護(hù)位置拉至迎風(fēng)的工作位置，進(jìn)入定槳距失速調(diào)節(jié)工作狀態(tài)，完成這一過程的時間可調(diào)，其長短以有助于加速完成啟動過程為宜，我們選在50秒左右。
③在運(yùn)行①、②的同時，三葉片風(fēng)輪通過增速機(jī)構(gòu)帶動發(fā)電機(jī)1500r/min
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