风力液动机设计（机械类）毕业论文.doc

前言风能利用已有数千年的历史，在蒸汽机发明以前，风帆和风车是人类生产和生活的重要动力装置。埃及被认为可能是最先利用风能的国家，约在几千年以前，他们就开始用风帆来帮助行船。波斯和中国也很早开始利用风能，主要使用垂直轴风车。从现在的能源角度来说，对风能的利用更具有了时代意义。首先风能是一种干净的、储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此也可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源；而煤、石油、天然气等矿物燃料能源，其储量将随着利用时间的增长而日趋减少。矿物燃料在利用过程中会带来严重的环境污染问题，如空气中的CONOSOCOx、22等气体的排放量的增长导致了温室效应、酸雨等现象的产生。因此自20世纪70年代末以来，随着世界各国对环境保护、能源短缺及节能等问题的日益关注，认为大规模利用风力发电是减少空气污染、减少有害气体（2CO等）排放气体的有效措施之一2。大自然的风完全不用进口，是地道的自产能源，多加利用可减低对进口石油、煤炭等化石能源的依赖，促进能源来源多元化，在国家安全上也有其战略意义。在经济社会层面，风力发电可制造工作机会，从零组件的生产、运输、组装、维护等，皆为设置风力发电机当地带来相当的就业机会与新的产业。德国、丹麦、西班牙、英国、荷兰、瑞典、印度加拿大等国在风力利用技术的研究与应用上投入了相当大的人力及资金，充分综合利用空气动力学、新材料、新型电机、电力电子技术、计算机、自动控制及通信技术等方面的最新成果，开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展了变浆距控制及失速控制的风力机设计理论，采用了新型风力机设计理论，采用了新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出了变极、变滑差、变速、恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性3。因此，本文基于风力机的无污染和资源丰富等各种优点，通过对风力液动机风轮部分桨叶、桨叶轴、复位弹簧等以及主轴、回转体的设计，并通过选择对应的增速器、液压泵、液压马达等液动系统原件，以达到通过风力液动机的将风能转化为其他机械能的目的。21绪论本章重点在于对风动机的基本特征进行分析，研究风能的特点及并对其产生进行分析，研究对风能利用的原理，进一步说明对风能利用的必要性，最后介绍世界风动机发展的特点。1.1风能的产生和特点由于太阳辐射造成地表面受热不均引起大气温度、密度和压力差别产生了风。风能是地球表面空气从压力高的地方向压力低的地方移动时产生的动能，风能资源是经过测在量和质上可供人类开发利用的风能。风能的大小用风功率密度来度量，它与风速的立方和空气密度成正比2。太阳辐射的能量在地球表面约有2%转化为风能。根据荷兰和美国对风能资源的研究，考虑城镇、森林、复杂地形、交通困难的山区及社会环境的制约，如景观和噪音影响等，取具有风能资源土地面积的4%推算，可利用的风能资源储量估计约96亿kW或18.7万亿kWh/a。另外，海岸线附近的浅海区域也有非常丰富的风能资源，且平均风速大、湍流小，仅欧盟国家沿岸的海上风能资源估计约3万亿kWh/a，比欧盟12国目前的年用电量2万亿kWh还大，如按年满功率发电2500h计划，则装机容量可达12亿kW。1.2风动机对风能的利用风动机并不能将所有流经的风力能源转换成电力，理论上最高转换效率约为59%，实际上大多数的叶片转换风能效率约介于3050%之间，经过机电设备转换成电力能或其他机械能后的总输出效率则约介于2045%。鉴于水平轴式拥有较高机械效率，现代风动机多为水平轴式。并且采用后背式轮毂设计，这样可以省去尾翼3。风动机的机械能输出与风的速度非常有关，叶片能自风获得之能量与风速的三次方成正比，一般市场上风动机的启动风速约介于2.54m/s，于风速1215m/s时达到额定的输出容量，风速更高时风动机的控制机构将电力输出稳定在额定容量左右，为避免过高的风速损坏发电机，大多于风速达2025m/s范围内停机。一般采用旋角节制或失速节制方式来调节叶片之气动性能及叶轮之输出。除了风速外，叶轮直径决定了可获取风能的多少，约与叶轮直径平方成正比，以目前商业化的中、大型风动机为例，容量600kW的机组其叶轮直径约45m左右，1000kW的机组叶轮直径约55m左右，2000kW的机组叶轮直径则约75m左右，依型号各异。叶片的数量也影响风力发电机的输出，一般而言多叶片的风车效率较低但机械力矩较高；少叶片型(13叶片)效率较高而力矩较低，其中又以2叶及3叶效率较高。此外，现代风力发电机的叶片多采用机翼型，以更有效的摄取风能2。1.3世界风电技术发展的特点1）风动机单机大型化风动机单机容量不断增加是风电技术的显著特点之一。商业风动机平均单机容量从1982年为55kw到2002年约为1100kw，20年增加了近20倍。随着技术的逐渐成熟早年多样化的设计理念也趋向统一。单机容量大，有利于降低每千瓦的制造成本；而且大型机组采用更高的塔架，有利于捕获风能，50m高度捕获的风能要比30m高度处多20%。目前，商业化机组的单机容量已达3.6MW。2）变速恒频机组将成为主流机型目前，世界各地风电场的风力发电机组，绝大多数为恒速运行机组。随着控制技术的发展和变速恒频机组的应用，风力机开始改恒速运行为变速运行，风轮转速随风速变化，在低于额定风俗的相当大范围内保持最佳叶尖速比已获得最大风能。3）重量更轻、结构更具柔性随着风动机叶片的增长，其单位功率的重量更轻、结构更柔性。叶片材料由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、质量轻的碳纤维。同时，针对风动机的空气动力环境，风动机专用新翼型也得到广泛应用，大大改善叶片的气动性能。4）海上风力发电迅速发展由于海上风力资源比陆地上好，风速比沿岸路上约高25%，且海面粗糙度小，海上风场湍流强度小，具有稳定的主导风向，减少机组疲劳载荷，延长使用寿命3。42风力液动机风轮的设计风轮机是一种叶片式机械，风轮机的桨叶与机翼类似，可用机翼升力理论描述。风轮机的风能转换有效性特性，用风能高速特性曲线来描述，风能利用系数相当于风轮机的效率，叶尖风速比相当于风轮机的速比，是风力机最重要的参数2。2.1基础理论2.1.1风场的风速资料风场的风速资料是设计风轮机最基本的资料。风场的实际风速是随时间不断变化的量，因此风速一般用瞬时风速和平均风速来描述。瞬时风速是短时间发生的实际风速，也称有效风速，平均风速是一段较长时间内瞬时风速的平均值3。表2-1蒲福风力等级表Table2-1Bofuwindscale风力等级名称相当于平地10m高处的风速（m/s）陆上地物征象中文英文范围中数0静风Calm0.00.20静、烟直上1软风Lightair0.31.51烟能表示风向，树叶略有摇动2轻风Lightbreeze1.63.32人面感觉有风，树叶有微响，旗子开