1360-家庭小型风力发电机设计
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2007 届毕业设计(论文)题目审查(建议)表院、系: 机电工程系 毕业设计(论文)题目基本信息指导教师姓名 毕业设计(论文)题目史天录 家庭式小型风力发电机组的设计指导学生人数 学生所学专业名称2 机械工程及自动化毕业设计(论文)题目审查项目一、选题合理性题 目 与 专 业 培 养 目 标 相 关 程 度 很 紧 密 紧 密 不 够 紧 密 不 紧 密 题目综合运用本专业知识的程度 高 一般 低 题目与生产或教学实际的结合 很 紧 密 紧 密 不 够 紧 密 不 紧 密 课题任务 偏重 合适 偏轻 题目难度 偏难 合适 偏易 对学生接受科研训练及其能力的培养 有利 有点作用 没有作用 选题是否合理 是 否 结论选题若有不妥您的意见如何二、其他相关事宜检查项目 填报内容 备注指导教师的职称指导教师应由本校讲师、工程师等中级职称及以上有经验的教师担任;题目来自校外,校外单位应有中级职务以上技术人员承但相应的指导工作。指导教师本学期最多指导的学生数一位指导教师最多指导学生数不宜超过 10 名;请院系按以下格式填写指导学生数:普高本科人数+普高专科人数+ 继续教育人数本届题目与前一届指导题目的重复度与区分度如何?由教务处提供前一届毕业设计(论文)的题目汇总若一题多人,各位学生分工及任务的区分度如何?在统一基本设计方案的基础上各自书写设计说明书,绘制相关零件图和装配图。由于风力发电机结构相对简单,故分工较易也比较合理。安排是否合理 是 否 结论 安排若有不妥您的意见如何2007 届毕业设计(论文)题目审查(建议)表院、系: 机电工程系 毕业设计(论文)题目基本信息指导教师姓名 毕业设计(论文)题目史天录 家庭式小型风力发电机组的设计指导学生人数 学生所学专业名称2 机械制造及自动化毕业设计(论文)题目审查项目一、选题合理性(?以下按要求打勾)题 目 与 专 业 培 养 目 标 相 关 程 度 很 紧 密 紧 密 不 够 紧 密 不 紧 密 题目综合运用本专业知识的程度 高 一般 低 题目与生产或教学实际的结合 很 紧 密 紧 密 不 够 紧 密 不 紧 密 课题任务 偏重 合适 偏轻 题目难度 偏难 合适 偏易 对学生接受科研训练及其能力的培养 有利 有点作用 没有作用 选题是否合理 是 否 结论选题若有不妥您的意见如何二、其他相关事宜检查项目 填报内容 备注指导教师的职称指导教师应由本校讲师、工程师等中级职称及以上有经验的教师担任;题目来自校外,校外单位应有中级职务以上技术人员承但相应的指导工作。指导教师本学期最多指导的学生数一位指导教师最多指导学生数不宜超过 10 名;请院系按以下格式填写指导学生数:普高本科人数+普高专科人数+ 继续教育人数本届题目与前一届指导题目的重复度与区分度如何?由教务处提供前一届毕业设计(论文)的题目汇总若一题多人,各位学生分工及任务的区分度如何?在统一基本设计方案的基础上各自书写设计说明书,绘制相关零件图和装配图。由于风力发电机结构相对简单,故分工较易也比较合理。安排是否合理 是 否 结论 安排若有不妥您的意见如何1毕业设计任务书系别 机电工程系 专业 机械工程及自动 化 班号 Ap03081 姓名 何依文1、毕业设计题目:家庭式小型风力发电机组的设计2、毕业设计任务及技术要求:毕业设计任务:1. 风力发电机组的总体方案设计(以总体方案设计和结构计算为主) ;2. 风轮叶片的设计;3. 风轮、叶片的受力分析;4. 风力发电机组联接及结构设计计算;5. 塔架的受力分析;6. 风力发电机的附加装置的设计与选取;7. 风力发电机的尾舵调向装置设计;8. 设计说明书 1 份(10000 字左右) ;9. 绘制相关零件图、装配图;技术要求:1. 风机启动风速为 4m/s,额定风速为 10m/s 时额定功率约为 5KW;2. 控制方式能实现智能自动控制;3. 充电方式能实现智能充电控制,使用简单,维护方便;4. 防水、防锈、防蚀;5. 调速方式采用叶轮侧偏式;6. 附加使用方便,安装、维护简单。23、毕业设计应完成的项目内容和指导性进度安排:第一周 第二周 收集、整理风力发电机的相关资料,完成开题报告;第三周 5KW 风力发电机组基本方案的确定;第四周 5KW 风力发电机组的设计计算;第五六周 风力发电机组联接及结构设计计算;第七周 风机轴承技术要点分析;第八周 制动器的设计与选取;第九周 高效永磁风力发电机的设计;第十周 联轴器的选取;第十一周 风力发电机的尾舵调向装置设计;第十二周 增速器的设计与绘制;第十三十四周 绘制零件图、装配图;第十五周 检查、修改图纸和说明书,准备答辩;第十六周 答辩。4、主要参考文献资料:1 苏绍禹.风力发电机设计与运行维护.中国电力出版社.2003 2 D.勒古里雷斯.风力机的理论与设计.机械工业出版社.19873 D Le Gourieres,施鹏飞译.风力机的理论与设计北京:机械工业出版社,19874 叶杭冶.风力发电组的控制技术.机械工业出版社.20005 张希良.风能开发利用.化学工业出版社.20016 成大先.机械设计手册.化学工业出版社.19937 林景尧等.风能设备使用手册. 机械工业出版社.19928 高小法,国内风力发电的现状和前景,能源工程,20029 Dwight,st.John .Guidelines for Design of Wind Turbines. A publication from DNV/Ris.200310 Donald Marier. Wind power for the homeowner . Rodale Press, Inc.199811 陈世坤,电机设计,机械工业出版社,199712 郭继高,小型交流永磁风力发电机设计特点,微特电机,1999系主任签发: 指导教师签名:时间: 年 月 日 时间: 年 月 日3毕业设计(论文)成绩评定表系别 机电工 程系 专业 机械工程及自 动化 班号 Ap03081 姓名 何依文1、指导教师评语:指导教师评定成绩: 指导教师签名:日期: 年 月 日2、评阅教师评语:评阅教师评定成绩: 评阅教师签名:日期: 年 月 日 43、答辩成绩:答辩小组组长签名:日期: 年 月 日 4、答辩委员会评语:毕业设计(论文)终评成绩:答辩委员会主任签名: 答辩委员代表签名:日期: 年 月 日 日 日期: 年 月 日 五 邑 大 学毕 业 设 计 ( 论 文 ) 开 题 报 告题 目:家庭式小型风力发电机组的设计院 (系) 机电工程系 专 业 机械工程及自动化班 号 Ap030813 学生姓名 何依文 指导教师 史天录 副教授 开题报告日期 2007 年 3 月 20 日五邑大学教务处制2007 年 3 月1课题来源及研究的目的和意义本课题来源于江门市朝阳精密制造有限公司和我系合作开发的5KW风力发电机组的设计。风能是一种取之不尽,用之不竭,无污染,可再生的能源。世界各国都非常重视它的发展和利用工作。当石油发生危机后,人们纷纷把能源转向新开发的新能源研究,其中风能占有较大的比例。目前微小型指100W、200W风力发电机已进入千家万户供照明及小型电器用,随着牧民家用电器和小型生产电器。由于风力资源是不花钱的,评价风力发电机好坏的核心标准是:性价比。便宜的风力发电机必然在用材和制造工艺上有所欠缺,由于风力发电机是一种常年在户外使用的产品,而自然环境变化无常,风力发电机在设计和制造时必须考虑到台风、风沙、盐碱腐蚀、高温、低温及盐雾等恶劣环境的影响。否则,风力发电机很快就会发生故障。对用户来说,用户不得不经常花费额外的金钱用以维修,其使用成本甚至比购买机器时的花费还要多。另外,由于经常要维修,使其年发电量大为降低,直接影响用户的日常生活。针对以上提出的问题,本文设计出一套使用方便、维护简单、价格低廉的高性价比的5KW风力发电机。2国内外在该方向的研究现状及分析风能的利用有着悠久的历史。近年来,资源的短缺和环境的日趋恶化使世界各国开始重视开发和利用可再生、且无污染的风能资源。自80 年代以来,风能利用的主要趋势是风力发电。风力发电最初出现在边远地区,应用的方式主要有: 1) 单独使用小型风力发电机供家庭住宅使用; 2) 风力发电机与其它电源联用可为海上导航设备和远距离通信设备供电;3)并入地方孤立小电网为乡村供电。随着现代技术的发展,风力发电迅猛发展。以机组大型化(50kW2MW)、集中安装和控制为特点的风电场(也称风力田、风田)成为主要的发展方向。20年来,世界上已有近30个国家开发建设了风电场(是前期总数的3倍),风电场总装机容量约1400万kW(是前期总数的100倍)。目前,德国、美国、丹麦以及亚洲的印度位居风力发电总装机容量前列,且未来计划投资有增无减。美国能源部预测2010年风电至少达到国内电力消耗的10%。欧盟5国要在20002002年达到本国总发电量的10%左右,丹麦甚至计划2030年要达到40%。中国是一个风力资源丰富的国家,风力发电潜力巨大。据1998年统计,风力风电累计装机22136万kW,仅占全国电网发电总装机的01081%,相对于可开发风能资源的开发率仅为01088%。1999年底,我国共建了24个风力发电场,总装机268MW。我国风力发电场主要分布在风能资源比较丰富的东南沿海、西北、东北和华北地区,其中风电装机容量最多的是已达72135kW。在未来23年内,我国计划新增风电场装机容量将在800MW以上,并且将会出现300400MW的特大型风力发电场。中国具有丰富的风能资源,在沿海地区风能的季节分布还有与水能资源互补的特点。发展风电既有广泛的社会需求、丰富的资源条件,又有国外先进成熟的技术可供借鉴,同时风电本身还有许多其它发电方式无法相比的优势,比如,建设周期短、装机规模灵活、不消耗燃料、不污染环境、不淹没土地等。国家电力公司已经把风电作为电力工业的一个重要组成部分,积极争取一切有利的投资,逐一克服影响开发风电的障碍,稳步向大规模产业化发展。3本课题研究的主要内容本文主要研究设计5KW风力发电机组,通过大量的调研,了解国内外此功率的风力发电机组的生产设计现状及相应的社会效益,设计出使用方便、维护简单、价格低廉的高性价比的5KW风力发电机。设计由风轮、发电机、尾翼、支架、控制器、和蓄电池等六部分组成风轮是接收能源的装置。由三叶片、叶片臂和轮毂组成。叶片采用流线型等截面型式,并采用端部半圆形,背部倾斜的叶尖形状,风能利用系数大、起动风速低,发电机为永磁式三相交流发电机结构,采用带有防尘罩的密封轴承,转动灵活;防护型式封闭式,能防雨雪侵蚀;机体做成流线形,能减少空气阻力,结构简单,使用维护方便。发电机装置配有充电控制器。发电装置的支架采用了独立杆拉索式,结构简单、牢固可靠,4具体研究方案及进度安排和预期达到的目标参照了目前国内外小型风力发电机的形式,结合本设计的要求,本设计的小型风力发电机主要应用在东南沿海地区,功率为 5KW,现得以下设计方案。 (见下图)发电机额定功率:5KW发电机的选用:选用三相永磁发电机,发电机体积小,重量轻,发电效率高。叶片材质:增强玻璃钢材料,三叶片形式,具有高强度、高精度、耐酸碱、不变形等特点,可以达到强度好、重量轻的目。启动风速:4m/s停机风速: 25(m/s)最大风速: 40(m/s)风能系数: 0.42(%)工作风速:3.520m/s安全风速:25 m/s停车方式:机械制动保护方式: 超速自动保护限速方式: 尾翼自动,偏侧限速塔架方式:角钢桁架,结构简单、稳定。偏航方式:尾翼自动定风定向,平衡风力,抵抗狂风,飓风的袭击。充电方式:智能充电控制,使用简单,维护方便(待选定)图 11 小型风力发电机结构简图本设计工作进度安排如下:第一周:毕业论文选题;第二周:收集、整理风力发电机的相关资料、图书;第三周:5KW 风力发电机组基本方案的确定;第四 五周:5KW 风力发电机组的设计计算;:第五 六周:风力发电机组联接及结构设计计算;第七周:风机轴承技术要点分析;第八周:制动器的设计与选取;第九周:高效永磁风力发电机的设计;第十周:联轴器的选取;第十一周:风力发电机的尾舵调向装置设计;第十二周:增速器的设计与绘制;第十三 十四周:绘制零件图、装配图;:第十五周:检查、修改图纸和说明书,准备答辩;第十六周:答辩。5预计研究过程中可能遇到的困难和问题,以及解决的措施设计的初期可能在资料的收集上有困难,那样就要通过各种途径尽可能地收集所需的资料。可通过互联网上的数据库,技术论坛,学校的图书馆以及周边的购书中心来收集所需的资料6主要参考文献1 苏绍禹.风力发电机设计与运行维护.中国电力出版社.2003 2 D.勒古里雷斯.风力机的理论与设计.机械工业出版社.19873 D Le Gourieres,施鹏飞译.风力机的理论与设计北京.机械工业出版社.19874 叶杭冶.风力发电组的控制技术.机械工业出版社.20005 张希良.风能开发利用.化学工业出版社.20016 成大先.机械设计手册.化学工业出版社.19937 林景尧等.风能设备使用手册.机械工业出版社.19928 高小法.国内风力发电的现状和前景.能源工程.20029 Dwight.st.John .Guidelines for Design of Wind Turbines。 A publication from DNV/Ris.200310 Donald Marier. Wind power for the homeowner . Rodale Press, Inc.199811 陈世坤.电机设计.机械工业出版社.199712 郭继高.小型交流永磁风力发电机设计特点.微特电机.1999指导教师评语: 指导教师签字: 检查日期: 五邑大学本科毕业设计I摘要风能是可再生能源,世界各国越来越重视风能的开发和利用。在风力资源丰富地区,最好选择风机额定设计风速与当地最佳设计风速相吻合的风力发电机。小型风力发电系统的应用在我国己经相当普遍,目前依然有很大的应用前景。本文设计5KW小型风力发电机,采用目前国内外流行的款式以及领先的技术,可以达到高的“性价比”,具有一定的市场竞争力。本设计采用三叶片的水平轴机构形式,叶片采用高强度、低重量流行的玻璃钢材料,有防腐、防酸雨、防盐碱的特性。风力发电机选用钕铁硼永磁发电机,超载能力强,电机的体积小,重量轻且发电效率高。偏航方式采用尾翼自动风向调节,超强风控制功能,提高接受风能的效率。限速方式采用自动偏侧限速,对发电机有保护作用。充电方式采用智能充电控制。塔架形式采用拉索钢管形式,结构简单且稳定,占地面积少,对土地要求低,在山丘、海边、河堤、荒漠等地形恶劣的条件下均可运用。本文设计的5KW小型风力发电机组拥有稳定的使用可靠性。在叶片的材料、发电机选用的永磁材料和防水、防锈性都具有先进的技术,整套机组安装,使用简单,维护方便,达到了设计的目的。关键词 风力发电;永磁;玻璃钢五邑大学本科毕业设计IIAbstractWind energy is renewable energy. The world is increasingly paying attention to the development and utilization of wind energy. In areas where there are abundant wind resources, its the best way to choose wind operators whose rating wind speed fits closely with the best local wind speed. Small wind generators are widely applied in China. However, theres still a bright future for them. This paper describes the design of a 5 KW small wind generator, which with the adoption of the current advanced domestic and international style and technology can achieve a high “cost-effectiveness” and has a certain extent of market competitiveness. The design adopts the three-blade horizontal axis form, and the blades are made with high-strength, low-weight popular GRP, thus it has the characteristics of anti-sepsis, anti- acid rain and anti- salinity. Wind generators employ Nd-Fe-B permanent magnet generator, which has large overloading capacity and a small, light and efficient motor. Yaw adopts automatic tail wind regulation, in this way it can manipulate the wind freely and enhance the efficiency in receiving the wind. Automatic unilateral speed limiting is used to protect the generator. As for the charging mode, here the design uses the smart charger control. And the tower employs guy cable steel tube, with relative small floor space, low demand for land, feasibility on hills, by the sea shores and river banks, and on the deserts.This 5KW small wind generator described in this paper is stable and reliable. The material used for the blades and the permanent magnet material used for the generator are waterproof and anti-rust. Its easy to install and maintain, which is just what the generator is designed for. Key words wind power generation Permanent magnet GRP 五邑大学本科毕业设计III目录摘要 -Abstract -第 1章 绪论1.1 风力发电概述 -11.2 世界风力发电现状及展望 -21.3 我国风力发电的发展特点 -21.4 小型风力发电系统在我国的应用前景 -2第 2章 风力发电机组的结构和原理2.1 风力发电机原理 -42.2 小型风力发电机的使用条件 -42.3 水平轴大型风力发电机组的原理 -52.4 水平轴小型风力发电机组的组成 -52.4.1 风轮 -62.4.2 发电机 -62.5 5KW风力发电机组基本方案的确定 -10第3章 5KW风力发电机组的设计计算3.1 风力机的有效效率 -123.2 风轮叶片扫掠的面积S及风轮直径d的确定 -123.2.1 风轮叶片扫掠的面积S的确定 -123.2.2 确定单个叶片的面积 -133.3 风轮转速的计算及增速比的确定 -143.4 风轮叶片具体尺寸的确定 -153.4.1 叶片从转动中心至叶尖不同位置的尖速比 -153.4.2 叶片从转动中心至叶尖不同半径处的剖面翼型弦长 -163.4.3 求叶片的平均弦长 -183.4.4 验算叶片面积 -183.4.5 求升力曲线平均斜率 -183.4.6 叶片的展弦比 -19五邑大学本科毕业设计IV3.4.7 求叶片的平均迎角 -193.4.8 叶片的实际安装角 -203.4.9 校核叶尖叶片叶型安装角是否失速 -203.4.10 设计功率曲线 -213.4.11 叶片翼型的选择 -223.4.12 叶片结构设计 -233.4.13 风轮叶片在转动中所受的力及塔架的受力分析 -243.5 风力发电机组联接及结构设计计算 -253.5.1 塔架的结构设计 -253.5.2 塔架的受力分析 -25第4章 各附加装置的设计选取过程4.1 风机轴承技术要点分析 -274.2 制动器的设计与选取 -304.3 高效永磁风力发电机的设计 -304.4 联轴器的设计与选取 -314.5 风力发电机的尾舵调向装置设计 -314.6 增速器的设计绘制 -324.6.1 大、小齿轮部件装配 -334.6.2 箱座部件的装配 -344.6.3 总装配 -354.6.4 渐开线圆柱齿轮传动设计报告 -36结论 -41致谢 -43参考文献 -44附录1 -45附录2 -48五邑大学本科毕业设计 (论文)1第1章 绪论1.1 风力发电概述能源是现代社会和经济发展的基础。远期,能源工业面临矿物资源枯竭的问题;近期,能源工业面临全球环境污染的压力。自1973年发生石油危机以来,世界各国都在寻求替代化石燃料的能源,投入大量的经费进行研究开发。因此推动了太阳能、风能等可再生能源的发展,成为近期内最有大规模开发利用前景的可再生能源。随着经济全球化与人口的不断增长,能源需求日益增加,人类正面临着能源利用和环境保护两方面的压力。一方面,煤炭、石油和天然气等化石燃料的储量由于二十世纪下半叶的无节制开采而日趋匾乏和枯蝎;另一方面,大量使用化石燃料对自然环境产生严重的污染和破坏。以 煤 炭 、天 然 气 、 石 油 、 水 利 和 核 物 质 为 原 料 或 资 源 的 传 统 电 力 开 发 造 成 了 大 量 的 环 境 负担 , 如 环 境 污 染 、 酸 雨 、 气 候 异 常 、 放 射 性 废 物 处 理 、 石 油 泄 露 等 等 。 而 以 风 能为 资 源 的 电 力 开 发 对 环 境 的 影 响 则 十 分 微 小 , 具 有 显 著 的 环 境 友 好 特 性 , 是 典 型的 清 洁 能 源 。 在 四 级 风 区 ( 每 小 时 20 21.4公 理 ) , 一 座 750千 瓦 的 风 电 机 , 平:均 每 年 可 以 替 代 热 电 厂 1179吨 的 二 氧 化 碳 、 6.9吨 的 二 氧 化 硫 和 4.3吨 的 排 放 。能源与环境成为当今世界所面临的两大重要课题。因此,能否解决好能源供应与环境保护之间的矛盾,已经成为国民经济可持续发展的重要决定因素。人类正在努力寻求清洁、高效、可以再生的能源来代替对石油、煤炭等常规能源的依赖。可再生能源大都直接或间接的来自太阳,包括太阳能、风能、水能、生物质能和地热能等,是洁净能源,对环境不产生或很少产生污染。经过多年的发展,可再生能源己经开始在世界能源供应战略结构中占据一席之地,越来越受到各国政府的重视,其中尤以风能为甚。开发利用风力能源成为世界能源可持续发展战略的重要组成部分,成为大多数发达国家和部分发展中国家21世纪能源发展战略的基本选择,而开发利用风能的最重要形式就是风力发电。五邑大学本科毕业设计 (论文)21.2 世界风力发电 现状及展望由于风力发电可以减少环境污染、调整电力工业结构、推进技术进步,因此在世界各国得到了广泛的开发和应用,近年来全世界风力发电均以每年超过30%的速度增长。自从1973年世界发生石油危机以来,美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源,投入大量经费,用新技术研制现代风力发电机组,80年代开始建立示范风电场,成为电网新的电源。到了90年代对环境保护的要求日益严格,特别是要兑现减排二氧化碳等温室效应气体的承诺,风电的发展进一步受到鼓励 8。1.3 我国风力发电的发展特点我国东南沿海和山东、辽宁沿海及其岛屿、内蒙古北部、甘肃、北部以及松花江下游等地区均属风能资源丰富区,有很好的开发利用条件。这些地区中很多地方常规能源贫乏,无电或严重缺电,尤其是、内蒙古的大部分草原牧区以及沿海几千个岛屿,人口分散,电网难以通达,或无电力供应,或采用很贵的柴油发电。在上述地区,利用风力发电,以节约能源,改善环境,缓解电力供应紧张状况,具有重要的现实意义。另一方面,这几年我国的交通条件得到很大的改善,电网覆盖程度有了很大的提高,不少风能资源丰富地区己置于电网覆盖之下,这也为建设大型风电场提供了有利的条件。上述情况决定了我国发展风电的特点是:(1)在风力资源丰富、电网通达的地区,风力发电则作为一种清洁的可再生能源,补充和逐步替代部分常规能源,缓解电力供应紧张的矛盾,提高当地的环境质量,所以应以发展大型风电场为主。(2)在风力资源丰富或较丰富的边远无电、缺电地区,以发展小型或中型独立运行的风电系统(包括风力/柴油联合发电和风/光联合发电等)为主,利用风力发电解决边远地区的生活用电和部分生产用电。1.4 小型风力发电系统在我国的应用前景我国从20世纪80年代初就把小型风力发电作为实现农村电气化的措施之一,主要研制、五邑大学本科毕业设计 (论文)3开发和示范应用小型充电用风力发电机,供农民一家一户使用。目前,1kW以下的机组技术已经成熟并进行大量的推广。在电网不能通达的偏远地区,约60万居民利用风能实现电气化。截至1999年,我国累计生产小型风力发电机组18.57万台,居世界第一。随着我国风能市场的扩大和国家产业政策的调整,风能制造业逐渐进入高速发展期。具资料表明,在我国风能市场,已有十余家在国内建成了颇具规模的风力发电机厂。他们投资大,有的还拥有自己的风场,发展前景可观。但我国是一个发展中国家,一些边远地区的农牧民还未用上电。实践表明:在一个较长的时期,小型风力发电机组在解决有风无电地区农牧民生活用电仍然是一条重要的途径。就是在有风有电地区,从长远考虑,发展小型风力机组对改善能源结构,保护生态平衡和充分利用资源等方面亦有积极的意义。国家计委提出的“光明工程”就为我国小型风力发电机组的发展创造了条件。因此继续发展小型发电机组仍有很大的潜力。 五邑大学本科毕业设计 (论文)4第 2 章 风力发电机组的结构和原理2.1 风力发电机原理:风力发电是一项成熟的廉价电力资源,它由三项永磁发电机、转向回转体、 风叶、风向控制尾舵、支架、拉索等组成。漆包铜线绕成线圈,用永久磁铁产生磁场,线圈在磁场中旋转,切割磁力线产生电动势,线圈转得越快,切割磁力线的速度就越高,产生的电压也越高,对外电路提供的功率就越大,线圈和磁铁相对旋转的动力来源于风轮,通过风轮和发电机就可以将风的能量转变成电能的装置 3。图 2-1 风力发电机原理图2.2 小型风力发电机的使用条件:小型风力发电机一般应在风力资源较丰富的地区使用。即年平均风速在3ms以上,全年3-20ms有效风速累计时数3000h以上;全年3-20ms平均有效风能密度lOOW 以2m上。在选择使用风力 发电机时,要做到心中有数,避免盲目性,这样才能充分地利用2m当地的风力资源,最大限度地发挥风力发电机的效率,取得较高的经济效益。应该指出的是,在风力资源丰富地区,最好选择风机额定设计风速与当地最佳设计风速相吻合的风力发电机。如能做到这一点无论是从风力机的选择上,还是利用风力资源的经济意义上都有重要的意义。风洞试验证明,风轮的转换功率与风速的立方成正比,也就是说,风速对功率影响最大。例如,在当地最佳设计风速为6ms的地区,安装一台额定设计风速为8ms的风力发电机,结果其年额定输出功率只达到原设计输出功率的42,也就是说,风力发电机额定输出功率较设计值降低了58%。若选用的风力发电机额定设计风速越高,那么其额定功率输出的效果就越加不理想。但也必须指出,风力发电机额定设计风速偏低,其风轮直径、电机相对要增大,整机造价相应也就加大从制造五邑大学本科毕业设计 (论文)5和产品的经济意义上考虑都是不合算的。2.3 水平轴大型风力发电机组的原理:叶片是风力发电机的核心部件,依风力发电机旋转轴的方向分水平轴式和垂直轴式两种形式。水平轴式风力发电机叶轮需随风向变化而调整位置,还要考虑大型叶轮的动平衡问题,垂直轴式风力发电机叶轮不必随风向改变而调整位置,也没有叶轮的动平衡问题,设计较为简单,但其系统抽取风能系数小,同等发电量下叶片尺寸大。目前商用大型风力发电机组一般为水平轴风力发电机,它由风轮、风轮轴、底速轴联轴器、高速轴联轴器、增速齿轮箱、发电机、调速装置、调向装置、制动器控制系统、塔架等部件所组成。风轮的作用是将风能转换为机械能,它由气动性能优异的叶片(目前商业机组一般为23个叶片)装在轮毂上所组成,低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速,将动力传递给发电机。上述这些部件都安装在机舱平面上,整个机舱由高大的搭架举起,由于风向经常变化,为了有效地利用风能,必须要有迎风装置,它根据风向传感器测得的风向信号,由控制器控制偏航电机,驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动,使机舱始终对风 1。2.4 水平轴小型风力发电机组的组成:水平轴小型风力发电机组一般由下列几部分组成:风轮、发电机、调速和调向机构、停车机构、塔架、控制器、蓄电池、逆变器等。如下图所示小型风能发电装置的原理图,风驱动风轮旋转,将风能转为机械能,风轮带动发电机旋转,将机械能转化为电能,整流后输出。五邑大学本科毕业设计 (论文)6图 2-2 水平轴小型风力发电机结构图2.4.1风轮:小型风力机的风轮大多用23个叶片组成,它是把风能转化为机械能的部件。目前风轮叶片的材质主要有两种。一种是玻璃钢材料,一般用玻璃丝布和调配好的环氧树脂在模型内手工糊制,在内腔填加一些填充材料,手工糊制适用于不同形状和变截面的叶片但手工制作费工费时,产品质量不易控制。国外小风机也采用机械化生产等截面叶片,大大提高了叶片生产的效率和产品质量。对于小型的风力发电机,选择材料通常关心的是效率而不是重量、硬度和叶片的其它特性。风力机通常有2片或3片叶片,当叶尖速度达到5070时, 3叶片风轮通常能够提供最佳效率,为保证最佳效率,故选择三叶片风轮。2.4.2 发电机: 发电机的选择:小型风力发电机一般采用的是永磁式交流发电机,由风轮驱动发电机产生的交流电经过整流后变成可以储存在蓄电池中的直流电。通过比较分析,故在发电机的选择上,选用了发电效率高的新型钕铁硼材料的风力发电机,提高了发电效率,达到了与风轮直接联接的转速范围,简化了机组结构,降低了成本。五邑大学本科毕业设计 (论文)7 发电机额定功率的选择:风力发电机根据应用场合的不同又分为并网型和离网型风力机。离网型风力发电机亦称独立运行风力机,是应用在无电网地区的风力机,一般功率较小,单机容量一般在100W-10KW;另一种是作为常规电网的电源,并网运行供电系统,商业化的机组单机容量为150KW-1650KW。独立运行风力机一般需要与蓄电池和其他控制装置共同组成独立运行风力机发电系统。这种独立运行系统可以是几千瓦乃至上几十千瓦解决一个村落的供电系统,也可以是几十到几百瓦的小型风力发电机组以解决一家一户的供电,由于本课题设计的家庭式小型发电机用于地形复杂,人口又多,居住分散,电网涉及不到的地区。故选择独立运行(离网型)供电系统,通过大量的调研,了解国内外此功率范围的风力发电机组的生产设计现状及相应的社会效益,设计出使用方便、维护简单、价格低廉的高性价比的5KW风力发电机。 调向机构、调速机构和停车机构:离网型风力发电机组的调向装置大部分是上风向尾翼调向。调速装置采用风轮偏置和尾翼铰接轴倾斜式调速、变桨距调速机构或风轮上仰式调速。功率较大的机组还装有手动刹车机构,以确保风力机在大风或台风情况下的安全。风力发电机组配套的逆变控制器,除可以将蓄电池的直流电转换成交流电的功能外,还具有保护蓄电池的过充、过放、交流泄荷、过载和短路保护等功能,以延长蓄电池的使用寿命。这些机组的设计额定风速也较低,只有68米秒;其工作范围较宽,在325米沙风速范围内都可工作:机组的成本较低,价格便宜,非常适合于中国的低速地区和消费水平。为了从风中获取能量,风轮旋转面应垂直于风向,在小型风机中,这一功能靠风力机的尾翼作为调向机构来实现。同时随着风速的增加,要对风轮的转速有所限制,这是因为一方面过快的转速会对风轮和风力机的其他部件造成损坏,另一方面也需要把发电机的功率输出限定在一定范围内。由于小型风力机的结构比较简单,目前一般采用叶轮五邑大学本科毕业设计 (论文)8侧偏式调速方式,这种调速机构在风速风向变化转大时容易造成风轮和尾翼的摆动,从而引起风力机的振动。因此,在风速较大时,特别是蓄电池已经充满的情况,应人工控制风力机停机。在有的小型风力机中设计有手动刹车机构,另外在实践可采用侧偏停机方式,即在尾翼上固定一软绳,当需要停机时,拉动尾翼,使风轮侧向于风向,从而达到停车的目的。 塔架塔架是支撑风力发电机的支架。塔架有钢架结构的,有圆锥型钢管和钢筋混凝土等三种形式。同时塔架又分为硬塔,柔塔,甚柔塔。硬塔的固有频率大于kn,其k为叶片数N为风轮转数;柔塔的固有频率在kn和n之间;甚柔塔的固有频率小于n。为防止钢制塔架生锈,往往对钢制塔架热镀锌。 控制器风力机的运行及保护需要一个全自动控制系统,它必须能控制自动启动及在正常和非正常情况下停机。除了控制功能,系统也能用于监测以提供运行状态、风速、风向等信息。该系统是以计算机为基础,除了小的风力机,控制及监测还可以远程进行。控制系统具有几个主要功能:1、顺序控制启动、停机以及报警和运行信号的监测2、偏航系统的低速闭环控制3、桨距装置(如果是变桨距风力机)快速闭环控制4、与风电场控制器或远程计算机的通讯 逆变器逆变器的作用:储存在电瓶中的直流电,只能供给直流电器工作,如直流灯泡等,而家用电器基本上都是交流电器,电压是交流220伏的,因此,要将电瓶的低压直流电转化成220伏的交流电(直流转变成交流,这个过程称为逆变),这个任务就由逆变器来完成。五邑大学本科毕业设计 (论文)9而本课题使用的逆变器(建议使用蓄电池型号300AH20块) 所有附件如下:发电机,叶轮,回转体,尾舵,独立钢管,防水电缆,5KW逆变器。适用于:日光灯,电视,750W单相水泵,一些小型感性负载。无风时可使用7天至10天。充电时长8小时,年平均风速10米每秒时,运行4000小时,累积发电量:14000度。 有效风速的选择:由于空气密度低,风速小(小于3米/秒)风能太小而无利用价值。风太大(超过25米/秒),不仅无法利用,而且具有很大的破坏性。故限定有效风速范围:3.520m/s五邑大学本科毕业设计 (论文)102.5 5KW风力发电机组基本方案的确定:为了减轻叶片重量同时又保证强度和刚度等要求,玻璃纤维增强聚酯复合材料简称玻璃钢成为制造叶片的首选材料。在水平轴风力发电机组中,叶片截面为渐变型,长度为3040米(用于兆瓦级风力发电机上) ,目前国外生产厂家多采用预沁和手糊制的方法生产(国内用叶片95%为进口) ,其生产成本高、生产效率低、严重制约了大型风力发电机组的装机容量。在垂直轴风力发电机组中,叶片为鱼骨型不变截面,且不需考虑转子动平衡问题,可采用拉挤工艺方法生产。用拉挤成型工艺方法生产玻璃钢叶片可实现工业化连续生产,产品无需后期修整,质量一致,无需检测动平衡,成品率95%,用拉挤成型工艺方法生产玻璃钢叶片与其他成型工艺方法生产的玻璃钢叶片相比,成本可降低40%,销售价格降低50%。设计方案:发电机额定功率:5KW发电机的选用:选用三相永磁发电机,发电机体积小,重量轻,发电效率高。叶片材质:增强玻璃钢材料,三叶片形式,具有高强度、高精度、耐酸碱、不变形等特点,可以达到强度好、重量轻的目.启动风速:4m/s停机风速: 25(m/s)最大风速: 40(m/s)风能系数: 0.42(%)工作风速:3.520m/s安全风速:25 m/s停车方式:机械制动保护方式: 超速自动保护限速方式: 尾翼自动,偏侧限速五邑大学本科毕业设计 (论文)11塔架方式:角钢桁架,结构简单、稳定。偏航方式:尾翼自动定风定向,平衡风力,抵抗狂风,飓风的袭击。充电方式:智能充电控制,使用简单,维护方便(待选定)五邑大学本科毕业设计 (论文)12第 3 章 5KW 风力发电机组的设计计算3.1 风力机的有效效率风力机的有效效率 可由下式求得:()eNW3eatKCSv(31)式中 单位换算系数,见表3-3;空气高度密度换算系数,它是指不同海拔高度空气密度的修正值,见表3-a4;空气湿度密度修正系数,温度不同时空气密度也不同,见表3-4;tC风轮叶片扫掠面积, ;S2m风速, ;v/s风力机全效率。风力机的全效率一般取 =25%-50%。低速风力机取小值,1-3叶片高速风力机取大值;一般设计时高速风力机取30%-50%。参见风力发电机设计与运行维护图3-6及图3-7及表3-5。3.2 风轮叶片扫掠的面积S及风轮直径d的确定3.2.1 风轮叶片扫掠的面积S的确定风力机的有效功率 ,故风轮扫掠的面积 为3eatNKCSvS(32)3atS式中 风力机有效功率,W;即 ;e 15eNkw单位换算系数,按风力发电机设计与运行维护表3-3选取;K;0.6127、 空气高度密度换算系数和空气湿度密度换算系数;aCt按风力发电机使用地方的风速给定 m/s,即10m/s;v五邑大学本科毕业设计 (论文)13按风力发电机设计与运行维护表3-5选取。参见图3-6及图3-7.选取30%。按风力发电机设计与运行维护表3-4根据风力发电机使用地理、自然条件选取;取 、 。1aC0.963t所以: 3 3528.470.6127.90.eatNkwSKCSv风 轮 扫 椋 面 积1 风轮直径的确定求出叶片扫掠面积S之后,便可计算出风轮直径d。 2/8.2471/5.9把结果完整后取 6dm2 确定风力机叶片数叶尖速比,简称尖速比,即风轮叶片尖端的线速度与风速v之比(3-3)260VRnv式中 风轮叶片尖端的线速度;风速v,单位m/s;风轮转速,r/min;n风轮转动半径。R60169.082mindr风 轮 转 速把结果完整后取 ;9inr叶尖线速度: ;风速1600ds10s所以 ,把结果完整后取235.974VRv 6风力机的叶片数与风力机的用途有关,与尖速比有一定的匹配,参考风力发电机设计与运行维护表3-1的选取。所以查表确定风轮叶片数为3片。3.2.2 确定单个叶片的面积 风力机接受风能的效率,与叶片翼型、尖速比等因数有关,同时还与密实比有关。五邑大学本科毕业设计 (论文)14所谓密实比就是叶片本身的面积 与叶片扫掠面积S之比。密实比愈高的叶片,其尖速yks比愈低,风轮转速也愈低,叶片也愈多。多叶片低转速风轮启动性能好,适用于风力机抽水、碾米、压缩空气;密实比愈低的叶片,其尖速比愈高,其风轮转速愈高,叶片数愈少,适合于风力发电机。密实比 按图3-5曲线所形成的面积内选择。lK(3-lyS4)式中 风轮叶片数;k密实比。lK按风力发电机设计与运行维护图 3-8 选取,当 时 ,取60.3.7lK:,所以单个叶片的面积: ,0.5l 20.528.471.3lyKSm其中 还必须满足 ,在下面有验算过程。yS()ymSLRr3.3 风轮转速 的计算及增速比 的确定ni1风轮转速 的计算风轮转速 主要取决于风力机的用途,即主要取决于尖速比 。尖速比 愈大则风轮的转速愈高。(3-60(/min)2vnrR5)式中 风轮的半径,单位m 。所以 60109(/in)23vnrR2增速比 的确定i风轮接受风能转动,不可能通过风轮轴直接驱动发电机,因为目前发电机多为4、6、8极,它们同步转速为1500、1000、750r/min,与风轮转速相差太多,所以采用增速器将低转速的风轮与高转速的发电机转速达到一致,相互匹配。现在的交流电或直流电发电机转速愈低其效率也愈低,但为了减小增速比,又往往选择低转速的发电机,以减少增速器的传动比,减少齿轮,降低生产成本,增强可靠性。五邑大学本科毕业设计 (论文)15增速比 由下式给出i(3-6)Dn式中 发电机同步转速 r/min;选用同步转速为 1000r/min;D风轮转速,r/min。n所以: 105.249Di3.4 风轮叶片具体尺寸的确定3.4.1 叶片从转动中心至叶尖不同位置的尖速比是叶片尖端速度与风速的比,叶片从转动中心至叶尖不同半径处的尖速260Rnv比 可由下式得出i(3-260iinrv7)(3-/iirRv8)(3-iir9)式中 叶片从转动中心至叶尖不同半径处的尖速比;i叶片从转动中心至叶尖的不同半径;irR风轮半径;R=3m,叶片不同半径 处的尖速比 。iri,叶片从转动中心至叶尖不同位置的尖速比如下:0.25m136五邑大学本科毕业设计 (论文)1642.564.8351.9.06.7.45371.82.908.56.46390.1.9107256.43.0.93.4.2 叶片从转动中心至叶尖不同半径处的剖面翼型弦长为了设计的叶片能接受空气动力能平均的分配到整个叶片上,叶片不仅需要扭曲,还需要有不同的翼型弦长,以满足叶片各处有相同的升阻比,以取得较高的接受风能的效率。叶片翼型不同其所接受的风能亦有差别,为了表示不同形状的叶片其接受风能的特征引入叶片形状参数,图3-8表示叶片形状参数与尖速比的关系曲线。尖速比愈大,则叶片面积应愈小。叶片接受风能的效率还与叶片翼型的相对迎风角有关,即与迎角 有关,因相对迎风角 。为使叶片各处接受空气动力一致,叶片各处的安装角 就不同,亦即相对 迎风角 不同,这就是扭曲叶片。图3-9表示尖速比 与相对迎风角 的关系曲线。这一曲线表明,随着尖速比 的增大叶片的相对迎风角愈小。以上讨论了叶片翼型弦长与叶片形状参数、尖速比及升阻比、升力等有关,叶片从转动中心至叶尖不同半径 处的叶片弦长(叶片翼型弦长) 计算如下,计算简图如下ir iL(3-()icLrCmk10)式中 叶片从转动中心至叶尖的不同位置的半径; ir五邑大学本科毕业设计 (论文)17叶片形状参数,在风力发电机设计与维护图3-8中可以根据计算出来的cC对应于 的尖速比 的值所对应的叶片形状参数;iri升力系数,由设计者选定翼型查风力发电机设计与维护图3-10(b)取L升阻比 最佳值,再按升阻比最佳值在升力、阻力与迎角 的图上/LD查取; ;0.7C风轮的叶片数。k经查表,得如下数据:表 3-1 叶片的参数叶片的不同半径数N叶片的不同半径值(m)ir叶片不同半径 处的尖速比 i叶片不同半径处的形状参数 iC叶片不同半径处的相对迎风 角 i1 3 6 0.131 5.82 2.7475 5.495 0.172 6.3 2.495 4.99 0.183 7.24 2.2425 4.485 0.2 .55 1.99 3.98 0.225 8.76 1.7375 3.475 0.315 107 1.485 2.97 0.52 2.58 1.2325 2.456 0.6 19 0.98 1.96 0.93 20五邑大学本科毕业设计 (论文)1810 0.7275 1.455 1.12 2.511 0.475 0.95 2.0 3.将所查数据代入剖面翼型弦长 中,得:iL130.1.7icLrCmk2.4520.5ic3.9.183.907icLrCk4.425.ic m51.9.194073icLrk6.50.27icC71.48.4073icLrmk8.256.2icC9.89.073icLrk10.2510.ic m.4.73icLrCk3.4.3 求叶片的平均弦长(3-11)12im0.750.98.130.94.2370.4.32.4.5()Lm3.4.4 验算叶片面积五邑大学本科毕业设计 (论文)19当 时,才能满足设计要求 1()ymSLRr所以 所以满足。20.2583.470.65.47y m3.4.5 求升力曲线平均斜率(3-(max)0LCK( )( )12)式中 升力曲线最大值;升力系数为零时所对应的迎角为- (max)L 2.6零升力;(0)CC 最佳升力角 a 时的最大升力系数,在升阻比 C 最大值 55(max)Lax_LmxL /LD时所对应的迎角 a ;6AMX升力系数 为零时所对应的迎角为 ;0L 2所以 (max)0.70.9656(2)LCK( )( )3.4.6 叶片的展弦比(3-2ZyMRSL13)式中 叶片的平均弦长;mL2231.680.5ZyMRS3.4.7 求叶片的平均迎角(3-03(1)LmZCaKR14)五邑大学本科毕业设计 (论文)20式中 升力系数为零时的叶片迎角( ),通常为负值;0a展弦比,按上已算;zR升力系数;LC升力曲线平均斜率,按上已算。K在风力发电机设计与维护选定翼型NACA-23012翼型图3-12(b), 升力曲线 为零时, 。LC02a所以 03.73(1)(1)8.06965.2mLZaKR 3.4.8 叶片的实际安装角1. 由风力发电机设计与运行维护图3-9按不同的 所对应的尖速比 的值所对应的iri叶片相对迎风角 。这条曲线是按叶片迎角为零的条件下绘制的,所以应包括为校正i而增加的迎角在内。叶片 处的叶片实际安装角 应为相对迎风角 减去叶片的平均迎角 。iriima叶片的实际安装角 由下式给出i(3-iima15)式中 叶片从转动中心至叶尖不同位置的半径 所对应的叶片实际安装角,( );i ir 处所对应的叶片相对迎风角,( );iir 叶片的平均迎角,( )。ma所以叶片不同半径 r 处的叶片叶型安装角 i 8.06iimia五邑大学本科毕业设计 (论文)21u=60m/sv115.8062.21537.845.0638.961472.5.06.589.1.910432.5.062.3.4.9 校核叶尖叶片叶型安装角是否失速叶尖线速度 193.4*/606nuds 风速 1/Vms 图 3-1 叶尖片叶速度模型根据三角形勾股定理得: 22601.8/uvms图 3-2 风论旋转平面图所以当迎向角为 时 ,叶尖开始失速,而现在的迎向角为9.462.1.462,不失速。9.4623.4.10 设计功率曲线五邑大学本科毕业设计 (论文)22风力机的有效功率 ,由上面计算可知3()eatNKCSvW代入。0.6172,.0,.96,28.471,0,3%atkCsVms 所以 35()etNKSv表 3-2 功率选择表风速 Vms功率 ()eNW风速 Vms功率 ()eNW4 320 7.5 2109.3754.5 455.635 8.0 25605.0 625 8.5 3070.6255.5 831.875 9.0 36456.0 1080 9.5 4286.8756.5 1373.125 10 50007.0 1715图 3-3 小型功率发电机功率曲线图3.4.11 叶片翼型的选择现代风力机通常是采用三叶片的上风或下风结构。风力机叶展形状、翼型形状与风五邑大学本科毕业设计 (论文)23力发电机的空气动力特性密切相关。一台好的风力机应当尽量增加升力而减小阻力,使之尽量趋于最大值,以增加风力机的风能利用系数。叶片通常由翼型系列组成。由于叶片根部各翼型力臂较小,对风力机风轮输出扭矩贡献不大,所以叶片根部对风力机性能影响较小,主要考虑加工方便和强度问题。在尖部采用薄翼型以满足高升阻比的要求;根部采用相同翼型或较大升力系数翼型的较厚形式,以满足结构强度的需要。典型运行工况下的雷诺数范围是5 105 - 2 106 3 。常用的翼型有NACA44xx系列、NACA644xx系列和NACA230xx系列等航空翼型;专用翼型有美国的SER I翼型系列以及NREL翼型系列、丹麦的R IS2A系列翼型和瑞典的FFA2w系列翼型族。根据不同的设计需要选取翼型。翼型数据及其气动性可参考 选用NACA44xx系列的结构型式。3.4.12 叶片结构设计叶片的性能参数:叶片是风力发电机的主要结构部分,其性能直接影响整个发电机的效率,因此要求叶片性能达到以下指标:几何尺寸:弦长偏差 2 mm (max);厚度偏差 1mm (max);扭角偏差 mm (max);0一伏叶片(3个)对旋转轴的力矩互差不大与5gm;叶片重量(1付)互差不大与500gm;叶柄与身轴的同轴度公差 0.50mm;叶片前弦、后弦、叶身各切面间应光滑过度;叶片表面光洁度达到要求。风力发电机的风轮叶片是接受风能的最主要部件。叶片的设计要求有高效的接受风能的翼型,合理的安装角(或迎角),科学的升阻比、尖速比和叶片扭曲。由于叶片直接迎风获得风能,所以还要求叶片有合理的结构、先进的材料和科学的工艺以使叶片能可靠地承担风力、叶片自重、离心力等给予叶片的各种弯矩、拉力,而且还要求叶片重五邑大学本科毕业设计 (论文)24量轻、结构强度高、疲劳强度高、运行安全可靠、易于安装、维修方便、制造容易、制造成本和使用成本低。另外,叶片表面要光滑以减少叶片转动时与空气的摩擦阻力。为了减轻叶片重量同时又保证强度和刚度等要求,玻璃纤维增强聚酯复合材料简称玻璃钢成为制造叶片的首选材料。在水平轴风力发电机组中,叶片截面为渐变型。本课题选用的是增强玻璃钢叶片。所谓玻璃钢就是环氧树脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤维而做成的增强塑料。增强塑料强度高、重量轻、耐老化,表面可以再缠入玻璃纤维及涂环氧树脂,既可增加强度又使叶片表面光滑。下图就是用玻璃钢抽压或挤压成从叶根至叶尖渐缩的纵梁,其余部分用泡沫塑料填充,蒙皮用2-3层玻璃纤维缠绕再涂环氧树脂的玻璃钢叶片。叶片材质:增强玻璃钢材料,三叶片形式,具有高强度、高精度、耐酸碱、不变形等特点,可以达到强度好、重量轻的目。其叶片结构形式如下:图 3-4 叶片结构形式3.4.13. 风轮叶片在转动中所受的力及塔架的受力分析(1)叶片升力 LF为 3 21.2760.47103.92LyCSv N(2)叶片阻力 D为 3 2110.7.26510.42(,0.7)5ylDLFSvC(3)风轮叶片轴向推力计算五邑大学本科毕业设计 (论文)25P= 220.4.104vN(4)叶片受离心力 为gF223.81.895gGwr(5)叶片受拉力为= P0.640.6FN(6)重力对叶片纵梁的弯矩 为GM2cos13cos145.5GMRM(7)叶片重量 G 对风轮轴的弯为=ka340.=N 3.5 风力发电机组联接及结构设计计算3.5.1 塔架的结构设计发电装置的搭架采用独杆拉索式,结构简单、牢固可靠,最大抗风能力可达 25 米/秒,立杆材料选用优质钢管,为使发电装置最佳使用价值,所选择的安装地点周围 5 米半径内不得有任何障碍物,且迎着主要风向前 300 米,后 100 米不得有任何高于风力机的建筑物,为确保风力机正常工作,应选用较为坚实的地面按装。塔架采用市面上的拉索钢杆类型,塔架高 10 米,中空,截面外径 220mm,内径124mm, 具体看工程图。(2)塔架与转盘采用转盘插入轴承内圈过盈配合的联接方式,使转盘能绕垂直轴转动。(3)转向发电机固定在垫板上,转盘还联接尾舵固定杆。(4)发电机轴采用锥度过盈联接轮毂,轴端采用六角螺母拧紧进行轴向定位。(5)尾舵杆的另一端联接尾舵。(6)轴的设计计算五邑大学本科毕业设计 (论文)263305192PdAmh3.5.2 塔架的受力分析(1)塔架承受的压力 143091504150YiFGN(2)风的推力对塔架形成的弯矩为 28TMhNM(3)除塔架之外几乎所有风力发电机重量作用在塔架中心对塔架的弯矩为1430.5410.51.2gieNm(4) 阵风对塔架的弯矩 M 为ZM = Z28(103/)2RFhNm( )(5)叶片转动时的反转矩为 14054f (6)塔架受总力矩为众扭、弯矩的矢量和为42803541N mETgZfMM五邑大学本科毕业设计 (论文)27第 4 章 各附加装置的设计选取过程4.1 风机轴承技术要点分析风力发电机用轴承主要包括:偏航轴承总成、风叶主轴轴承、变速器轴承、发电机轴承等,轴承的结构形成主要有四点接触球轴承、交叉滚子轴承、圆柱滚子轴承、调心滚子轴承、深沟球轴承等。风力发电机常年在野外工作,工况条件比较恶劣,温度、湿度和轴承载荷变化很大,风速最高可达23m/ s ,有冲击载荷,因此要求轴承有良好的密封性能和润滑性能、耐冲击、长寿命和高可靠性,发电机在23 级风时就要启动,并能跟踪风向变化,所以轴承结构需要进行特殊设计以保证低摩擦、高灵敏度,大型偏航轴承要求外圈带齿,因此轴承设计、材料、制造、润滑及密封都要进行专门设计。偏航轴承总成:偏航轴承总成是风机及时追踪风向变化的保证。风机开始偏转时,偏航加速度将产生冲击力矩M = I ( I 为机舱惯量) 。偏航转速 越高,产生的加速度也越大。由于I 非常大,这样使本来就很大的冲击力成倍增加。另外,风机如果在运转过程中偏转,偏航齿轮上将承受相当大的陀螺力矩,容易造成偏航轴承的疲劳失效。根据风机轴承的受力特点,偏航轴承采用“零游隙”设计采用推力球轴承和深沟球轴承。通过对这两种轴承的结构设计、加工工艺方法改进、生产过程清洁度控制及相关组件的优选来降低轴承振动的噪声,使轴承具有良好的低噪声性能。沟道进行特别设计及加工,可以承受大的轴向载荷和力矩载荷。偏航齿轮要选择合适的材料、模数、齿面轮廓和硬度,以保证和主动齿轮之间寿命的匹配。同时,要采取有针对性的热处理措施,提高齿面强度,使轴承具有良好的耐磨性和耐冲击性。风机暴露在野外,因此对该轴承的密封性能有着严格的要求,必须对轴承的密封型式进行优化设计,对轴承的密封性能进行模拟试验研究,保证轴承寿命和风机寿命相同。风机装在10m 的高空,装拆费用昂贵,因此必须有非常高的可靠性,一般要求20 年寿命,再加上该轴承结构复杂,因此在装机试验之前必须进行计算机模拟试验,以确保轴承设计参数无误。五邑大学本科毕业设计 (论文)28风叶主轴轴承:风叶主轴由两个调心滚子轴承支承。由于风叶主轴承受的载荷非常大,而且轴很长,容易变形,因此,要求轴承必须有良好的调心性能。确定轴承内部结构参数和保持架的结构形式,使轴承具有良好的性能和长寿命。图 41 调心滚子轴承(圆锥孔)名称调心滚子轴承(圆锥孔)标准=摘自GB/T 288-1994 参照ISO15-1981单位=(mm)-轴承代号(圆锥孔)=22206CK尺寸d=30 尺寸D=62尺寸B=20 尺寸d1=40尺寸D1=52.7 尺寸B0=-尺寸rs(min)=1 重量(kg)=0.3轴承类型:调心滚子轴承轴承代号: 22206C 轴承内径:30轴承外径:62 轴承宽度:20额定动载荷:46000 额定静载荷:33500极限转速:8000 润滑方式:脂润滑工作参数:径向载荷:18.8N 轴向载荷:400N使用寿命:3600h 工作转速:25m/s接 触 角:-2.62 0 载荷系数:1.5五邑大学本科毕业设计 (论文)29工作参数: 径向载荷:18.8轴向载荷:400 使用寿命:3600工作转速:25 接 触 角:载荷系数:1.5变速器轴承:变速器中的轴承种类很多,主要是靠变速箱中的齿轮油润滑。润滑油中金属颗粒比较多,使轴承寿命大大缩短,因此需采用特殊的热处理工艺,使滚道表面存在压应力,降低滚道对颗粒杂质的敏感程度,提高轴承寿命。同时根据轴承的工况条件,对轴承结构进行再优化设计,改进轴承加工工艺方法,进一步提高轴承的性能指标。图 4-2 60000型轴承发电机轴承:发电机轴承采用圆锥轴承。通过对这两种轴承的结构设计、加工工艺方法改进、生产过程清洁度控制及相关组件的优选来降低轴承振动的噪声,使轴承具有良好的低噪声性能。图 4-3 发动机轴承五邑大学本科毕业设计 (论文)304.2 制动器的设计与选取图 4-4 YWZ 液电力液压单推杆制动器YWZ 液电力液压单推杆制动器,基本规格为:400-1250,额定退距为 1.25 ,/min额定制动转距 1800/N.m,基本尺寸为 500mm. 制动器 动作平稳,无噪音,寿命长;尺寸小,重量轻;动作快,每小时可接电 2000 次;补偿型单推杆具有补偿由于制动瓦磨损退距增大的功能,不需经常调整;可调型单推杆,上升、下降时间可调,其范围为0.510s,安全可靠,适用于工作要求高的场合;起升、运行、旋转及变幅机构。4.3 高效永磁风力发电机的设计人们曾使用过直流发电机、电磁式交流发电机、爪极式发电机、磁阻式发电机以及感应子式发电机等用于小型风能发电装置。随着永磁材料的技术发展,永磁材料磁能积大大提高,目前主要使用永磁发电机。该类电机不论从电气性能上,还是在安全可靠性上讲,都优于前几类发电机。由于该类发电机的应用场所与一般发电机不同,其技术要求有其特殊性,在性能上又必须与风力机有良好的匹配 12。永磁发电机的优点 :(1) 结构简单、可靠性高(2)体积小、重量轻、比功率大(3) 中、低速发电性能好(4) 效率高 (5) 采用自启动式稳压器 (6) 特别适合于在潮湿或灰尘多的恶劣环境下工作(7) 无无线电干扰五邑大学本科毕业设计 (论文)314.4 联轴器的设计与选取图 4-5 HLL型带制动轮弹性柱销联轴器名称HLL型带制动轮弹性柱销联轴器标准=摘自GB/T 5014-1985单位=(mm)-型号=HLL11额定转矩Tn(N.m)=6300许用转速n(r/min)=960轴孔直径d1、d2、dz=100;110轴孔长度LY型=212轴孔长度L1J、J1、Z型=167轴孔长度LJ、J1、Z型=212D0=630D=320B=265d3=40l=112转动惯量(kg.m2)=314重量(kg)=1874.5 风力发电机的尾舵调向装置设计风力机的保护系统. 该风力机采用斜置铰链尾舵侧偏风轮保护,其基本原理是当风速增大时,风轮侧偏,使风轮的旋转平面背对风向,减少风轮的迎风面积,从而使风轮的吸收功率下降. 当风轮的迎风面被侧偏到与风向一致时(或平行) ,风轮会自动停止转动,达到保护整机的目的.五邑大学本科毕业设计 (论文)32调向装置就是在风轮正常运转时一直使风轮对准风向的装置。风力发电机的调向装置有好多种,但微小型风力发电机常用尾舵调向。因为尾舵调向结构简单,调向可靠,制造容易,成本低等优点。设计尾舵时应保证尾舵在风向偏离风轮 300角之内调向,使风轮对准风向。风向是变化的,尾舵调向应有迎合而不应使风轮频繁摆头。尾舵设计计算如下:当风向偏离风轮叶片 角时,风对尾舵面积 A 的推力对转盘中心 O 的力矩应大于风对风轮叶片 的推力对转盘中心 O 的力矩,尾舵开始调向。设计时建议调向角 yKS(4-1212cosin.cos.TTFlflfApl1)其中 。05式中 A尾舵面积;P单位面积风压;装盘转动中心 O 至尾舵面积受力中心距离;2l风对叶轮的推力;TF轮中心至转盘转动中心 O 距离。1l用叶片风轮叶片扫掠的面积 S 来表示时,高速风轮发电机尾舵计算按下面的经验公式:,所以:1122(0.5.8)(0.5.8),lSlA:(1)尾舵的面积 (调向角 时,角尾舵与尾舵中心成 150,2.6.47lml015角尾舵长占尾舵总长的 25% 35%,如下图 4-6 所示): 2120.58.0.58.7%4.833l lA ml l(2)尾舵的中心到转向轴的距离 LL=0.6D=0.6x6=3.6m,转角 r=15(3)转向轴与风轮旋转平面间的距离 EE=1/4L=1/4x3.6=0.9m 图 4-6 叶片坐标4.6 增速器的设计绘制 五邑大学本科毕业设计 (论文)33减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置,用来降低转速和增大转矩,以满足工作需要,在某些场合也用来增速,称为增速器,即降低转矩、增大转速。减速器的种类很多,按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星减速器以及它们互相组合起来的减速器;按照传动的级数可分为单级和多级减速器;按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥一圆柱齿轮减速器;按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式减速器。风力发电机对增速器的要求比较高,一般齿轮箱很难满足风力发电机的要求。主要表现为:A、长寿命、一般要求无检修寿命大于 10 万小时。B 低噪声,一米处的噪声的声功率不得大于 75db。、动载系数大。采用增速器目的将低转速的风轮与高转速的发电机转速达到一致,相互匹配。现采用的增速比 , =5.24 ( ),采用单级圆柱齿轮增速器,转齿可做成直齿、斜iDn6i齿和人字齿。直齿用于速度较低(8m/s)载荷较轻的转动;斜齿轮用于速度较高的传动,人字齿轮用于载荷较重的传动中,箱体通常用铸铁做成,单件或小批生产有时采用焊接结构。轴承一般采用滚动轴承,重载或特别高速时采用滑动轴承。增速器主要由传动零件(齿轮或蜗杆) 、轴、轴承、箱体及其附件所组成。本设计为单级圆柱齿轮增速器(具体见工程图) ,其基本结构有三大部分:1)齿轮、轴及轴承组合;2)箱体;3)增速器附件。增速器的装配设计是按齿轮箱的装配顺序进行的,先实现部件的装配,然后再由部件装配成为变速器。生产实际中将变速器分为大齿轮部件、小齿轮部件、箱座、箱盖。先进行大、小齿轮部件的装配,然后再将大、小齿轮部件装配到箱座上,最后进行整体的装配。下面介绍主要的装配步骤。4.6.1 大、小齿轮部件装配(增速器的设计与绘制 参考机械设计论坛网的增速器的设计与绘制专区) 创建装配模型文件进入装配模式,选择下拉菜单 File【文件】中 New【新建】项,出现文件的对话框,在 type【类型 】栏中选取【组件】 ,在【子类型】中选取【设计】单选按钮,在Name【名字】中输入名称 JIANSUQI。 进行大齿轮部件的装配五邑大学本科毕业设计 (论文)34依次进行“轴+键”+ “齿轮 ”+“定距环”+“轴承 ”的装配,过程如下:(1) 调入要装配的零件模型。点选菜单项 Assemble【装配】 ,再打开文件的对话框中选择轴的模型文件,调入大齿轮轴的模型;再次点选菜单项 Assemble【装配】 ,再打开的对话框中选择键的模型文件,调入键的模型。(2) 定义装配约束。轴与键的装配约束由三个:轴的键槽对称面与键的对称面的Align(对齐) ;键槽的底面与键的底面 Mate(贴合) ,键槽与键上对应端的圆弧面重合,这里用 Insert(插入)实现。再约束定义对话框中点按 OK(确定) ,完成轴与键的装配。(3) 加入齿轮的装配。在上述的好模型中,加入齿轮零件模型;并定义它们之间的装配约束,也有三个约束条件,分别为键槽与键在宽度方向上对齐、轮毂端面与轴肩端面贴合、齿轮与轴的中心线对齐。(4) 加入定距环。以同样的方法完成定距环的组装,装配约束有两个,定距环与轴的中心线对齐、定居环与轮毂另一端贴合。(5) 加入轴承。过程同上,注意有两个轴承的装配。 以同样的方法可完成小齿轮部件的装配。进行小齿轮部件的装配,见装配如图 4-7。图 4-7 小齿轮和轴装配图、窥视孔盖图图 4-8 大齿轮和轴装配图4.6.2 箱座部件的装配五邑大学本科毕业设计 (论文)35先将大、小齿轮部件装配倒箱座上,然后完成箱座的附件装配。 箱座与大齿轮部件的装配新建箱座的装配文件;调入箱座模型,再调入大齿轮部件装配模型;定义装配约束,分别是大齿轮与箱座宽度方向的对称基准面 Mate(贴合) 、大齿轮组件的轴线与箱座轴承孔的轴线的 Align(对齐);完成箱座与大齿轮部件的装配。 装配体与小齿轮部件的装配方法同上。 螺塞及油尺组件装配 调入螺塞组件;再定义装配约束条件,分别为螺塞孔的端面与螺塞大台肩面贴合、螺塞孔与螺塞轴线对齐;第三步调入油尺组件;定义装配约束条件为:油尺孔端面与油尺大台肩端面对齐、油尺 Insert(插入)到油尺孔中,完成装配。箱座部件的装配如图4-9 所示。图 4-9 下箱体装配图4.6.3 总装配 箱盖的装配 在箱座部件的装配模型文件中,调入箱盖模型;加入装配约束条件,使箱座与箱盖的凸缘装配面贴合、箱座与箱盖的大轴承孔的中心线对齐、箱座与箱盖的定位销孔中心线对齐。 定位销及螺栓的组装 首先调入定位销,分别加入贴合面及堆砌组装约束条件,可完成定位销组装;调入螺栓,使螺刷哦头端面与箱座沉孔表面贴合,以及螺栓及螺栓孔的轴线重合,即可完成螺栓的组装。 轴承端盖的组装 先调入轴承端盖,再定义约束条件,轴承端盖的凸缘内端面与箱体上的轴承座端面贴合、两者的中心线重合;后调入螺钉,钉螺纹中心线与箱体螺纹孔对齐、螺钉端面与轴五邑大学本科毕业设计 (论文)36承端盖端面贴合。 窥视孔盖及通气器的组装调入窥视孔盖,分别加入贴合及对齐,可将其装于孔盖上;调入螺钉加入贴合及堆砌约束,成螺钉装配。再调入通气器,义约束条件,完成装配。再调入通气器,第一约束条件,完成装配。变速器的总装配如图 4-10 所示。图 4-10 总装配图的分解图4.6.4 渐开线圆柱齿轮传动设计报告一、设计信息设计者 Name=何依文 设计单位 Comp=五邑大学设计日期 Date=2007-6-16 设计时间 Time=下午 04:22:11二、设计参数传递功率 P=10.00000 (kW) 传递转矩 T=95.49000 (N.m)齿轮 1 转速 n1=1000 (r/min) 齿轮 2 转速 n2=190.83969 (r/min)传动比 i=5.24 原动机载荷特性 SF=轻微振动工作机载荷特性 WF=均匀平稳 预定寿命 H=43200 (小时)三、布置与结构结构形式 ConS=闭式 齿轮 1 布置形式 ConS1=对称布置齿轮 2 布置形式 ConS2=对称布置四、材料及热处理齿面啮合类型 GFace=硬齿面 热处理质量级别 Q=ME齿轮 1 材料及热处理 Met1=S17Cr2Ni2Mo齿轮 1 硬度取值范围 HBSP1=56-62 齿轮 1 硬度 HBS1=62齿轮 1 材料类别 MetN1=0 齿轮 1 极限应力类别 MetType1=13五邑大学本科毕业设计 (论文)37齿轮 2 材料及热处理 Met2=S17Cr2Ni2Mo齿轮 2 硬度取值范围 HBSP2=56-62 齿轮 2 硬度 HBS2=62齿轮 2 材料类别 MetN2=0 齿轮 2 极限应力类别 MetType2=13五、齿轮精度齿轮 1 第组精度 J
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