风力发电毕业设计

农业工程学院毕业设计说明书目录第一章绪论.11.1 设计小型风力发电机的依据和意义. .11.2 国内外风力发电现状与发展趋势. . 21.3 我国风能利用存在问题. .21.4 国内风力发电前景. .3第二章小型风力机设计制造的基本理论.42.1 小型风力机的基本概念和性能. 42.1.1 风力机的分类与特点. 42.1.2 小型风力发电系统的结构和特性.42.1.3 小型风力发电系统的选择与选址.62.2 风力机叶片的设计与制作. 72.2.1 叶片设计的空气动力学原理. 72.2.2 水平轴与垂直轴叶片设计方法的理论对比. . 8第三章小型风力发电机的总体方案确定.103.1 总体方案设计. .103.2 风力机基本结构. 103.3 基本参数的选择与计算. .103.3.1 设计前提条件. .103.3.2 基本参数的确定. 11第四章主要工作部件的参数选择与计算.134.1 叶片装置设计.134.1.2 叶片外形设计. .134.1.3 计算叶片的实际安装角 . .174.1.4 风轮叶片在转动中受力及风轮轴受力分析. .21农业工程学院毕业设计说明书4.2 调向装置设计.234.3 调速装置设计.24第五章传动系统设计与计算.255.1 传动特点.255.2 风力发电机总体及动力系统布置. .255.3 整机传动参数设计.25第六章部分零件设计计算.296.1 圆柱斜齿轮传动的几何尺寸计算. .296.1.1 选材料、热处理方法、定精度等级. .296.1.2 按照接触强度进行初步计算. .296.1.3 齿根弯曲强度校核. .31第七章轴的设计与校核. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347.1 增速器低速轴各力计算.347.2 初步确定轴的最小直径. .347.3 轴的结构设计. .347.3.1 拟定轴上零件的装配方案.347.3.2 根据轴的定位要求确定轴上各段直径和长度. 357.3.3 求轴上载荷及轴的校核.36第八章技术经济分析.388.1 生产成本概算. .388.2 项目未来市场分析.398.3 项目的生态效果与社会效益评价. 40第九章结论.41参考文献.43致谢.44农业工程学院毕业设计说明书1第一章 绪论1.1 设计小型风力发电机的依据和意义随着人类对生态环境的要求和能源的需求，风能的开发日益受到重视，风力发电将成为 21 世纪大规模开发的一种可再生清洁能源。在可再生能源领域，风能与太阳能是最具远大产业前景的行业。从我国现状看，由于风电处于快速发展的启动期，更具备商业化条件。风力发电与太阳能相比，在能量转换率、发电时间、产业规模、技术成熟度等许多产业特性上都有优势。风能是一种最具活力的可再生能源，它实质上是太阳能的转化形式，因此可以认为是取之不尽的，风能的利用将可能改变人类长期依赖化石燃料和核燃料的局面。风电的单位电量成本约为火电的 2 倍左右，而太阳能则为 10 倍左右，虽然随着技术进步，两者的成本都有降低的趋势，但在可预见的未来，风电行业较光伏行业仍会具有低成本的优势，因而将获得更快的发展速度。风能利用就是将风的动能转换为机械能，再装换成其他能量形式。风的动能通过风轮机装换成机械能，再带动发动机发电，转换为电能。世界各国研制的风力机的形态和种类很多，对于目前比较成熟的风力机，通常可按主轴方向分为两大类：一类为水平轴风力发电机，一类为垂直轴风力发电机。水平轴风力发电机的结构特征是风轮的旋转平面与风向垂直，旋转轴和地面平行。该种风力发电机的主要部件有叶片、传动轴、齿轮变速箱、发电机、尾翼和塔架等。风轮上的叶片与旋转平面成一定角度，叶片数目的多少视风力机的用途而定。用于发电的风力机叶片数大多为 2 片或 3 片，用于风力提水的风力机一般为 1224 片。叶片少的风力机通常为高速风力机，它在高速运行时有较高的风能利用系数，但启动风速较高。由于其叶片数很少，在输出同样功率的条件下，比低速风轮要轻得多，因此适用于发电。水平轴风力发电机是目前技术最成熟、生产应用最广泛的一种风力发电机。目前 10KW 以下的风力发电机，特别是几百瓦的充电式微型风力发电机绝大多数是水平轴式的。农业工程学院毕业设计说明书21.2 国内外风力发电现状与发展趋势尽管 2003 年欧洲风电装机增长幅度有所放缓，年增幅由 02 年的 35降为23，不过随着一些欧洲国家海上风电项目的发展，预计欧洲地区风电装机仍将维持快速增长的势头。美洲地区风电装机容量达 690 万千瓦，占全球风电总装机的 17。亚洲地区风力发电与美欧相比还比较缓慢，除印度一支独秀以外，其它国家风电装机容量均很小。我国较大规模地开发和应用风力发电机，特别是小型风力发电机，始于70年代，当时研制的风力提水机主要用于提水灌溉和沿海地区的盐场，研制的较大功率的风力发电机主要用于浙江和福建沿海。在内蒙古地区由于得到了政府的支持和适应了当地自然资源及当地群众的需求，小型风力发电机的研究和推广得到了长足的发展，这对于解决边远地区居住分散的农牧民群众的生活用电和部分生产用电起了很大作用。近年来，随着世界范围内对环境保护、全球温室效应的重视，各国都竞相发展包括风能在内的可再生能源的利用技术，将风能作为可持续发展的能源政策中的一种选择，不论对并网型的大型风力发电机还是用于边远地区农牧户的离网型小型风力发电机政府都给予了很大的政策支持。1.3 我国风能利用存在的问题我国小型风力发电保有量和年产量都居世界首位，截至2004 年底我国离网型户用小型风力发电机组生产企业累计生产量293153 台，总装机容量达到98524千瓦，预计年发电量约9246 万千瓦时。所生产的小型风力发电机组由于价格低廉和性能可靠，还出口远销到印尼，巴基斯坦，瑞典等23 个国家。但在巨大的产能数字背后，国内小型风力发电企业的产品技术含量一直偏低。风机零部件的紧缺以及质量差是另一个硬伤.国内风机企业普遍重整机、轻零部件,风电厂常要排队等待设备,有些项目甚至因此拖延18个月之久; 而且许多国产风机在试运行阶段也都遇到了质量问题,使工程难以正常运转.国外零部件不符合国内环境需求,价格也比国产同类产品高二到三成.国内众多的相关厂商在技术创新和产品升级上缺乏重视和投入，甚至不少乡镇企业一直停留在翻模仿造的阶段，导致仅有规模和农业工程学院毕业设计说明书3价格优势而缺乏技术含量和发展导向。因此，如何提高国内风力发电机的技术含量，从而树立我们自己民族的品牌是当前摆在我们面前的一个重要问题。1.4 国内风力发电前景作为节能环保的新能源，风电产业赢得历史性发展机遇，在金融危机肆虐的不利环境中逆市上扬，发展势头迅猛，截至2009年底，全国累计风电装机容量达到25800兆瓦。中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。随着中国风电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。因此风电开始成为越来越多投资者的逐金之地。风电场建设、并网发电、风电设备制造等领域成为投资热点，市场前景看好。我国幅员辽阔，海岸线绵长，可开发利用的风能资源十分丰富，集中分布在东南沿海及华北、东北、西北地区。在可再生能源法及一系列国家产业政策的推动下，我国风电装机容量迅速增长，风电装备制造业也快速发展，产业体系已逐步形成。中国已经成为世界风能大国，正在向风能强国转变，风电产业发展前景广阔。2011年并网风电超过50GW，当年并网14.5GW，稳居世界第一。农业工程学院毕业设计说明书4第二章小型风力机设计制造的基本理论2.1 小型风力机的基本概念与性能2.1.1 风力机的分类及特点风力机的种类和样式虽然很多，但是按照风轮的结构和其在气流中的位置，大体可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。 1、水平轴风力发电机： 旋转轴与叶片垂直，一般与地面平行，旋转轴处于水平位置的风力发电机，一般有双叶、三叶、多叶式，顺风式和迎风式，扩散式和集中器式。 2、垂直轴风力发电机： 旋转轴与叶片平行，一般与地面垂直，旋转轴处于垂直方向的风力发电机，一般有“S”型单叶片式、 “S”型多叶片式、 Darrieus透平、太阳能风力透平、偏导器式。目前占市场主流的是水平轴风力发电机，平时说的风力发电机通常也是指水平轴风力发电机。目前水平轴风力发电机的功率最大能达到到5wm左右。垂直轴风力发电机虽然最早被人类利用，但是近10多年才被用来发电。与传统的水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机具有不用对风向，无噪音，转速低等优点，但同时也存在起动风速高，结构复杂等明显缺点，这都限制了垂直轴风力发电机的应用。2.1.2 小型风力发电机组的结构及其特性水平轴风力发电机大致由以下几个部分组成：风轮、发电机、回转体、调速机构、调向机构（尾翼） 、刹车机构、塔架。1.风轮水平轴风力发电机的风轮是由 1-4 个叶片（ 大部分为 23 个叶片）和轮毂组成。其功能是将风能转换为机械能。叶片的结构一般有多种形式.但是总的说来，除部分小型风力机的叶片采用木质材料外，通常风力机的叶片采用玻璃纤维或高强度复合材料。风力发电机的叶片都装在轮毂上。轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件，所有从叶片传来的力，都将会通过轮毂传递到传动系统，再传到风力机驱动的对象，同时轮毂也是控制叶片桨距（使叶片作俯仰转动）的所在。轮毂要有足够的强度，并力求结构简单。在可能的条件下（如采用叶片农业工程学院毕业设计说明书5失速控制） ，叶片采用定桨距结构，即将 叶片固定在轮毂上无俯仰转动 ，这样不但能简化结构，提高寿命，而且能有效地降低成本。2.发电机发电机的种类：小型风力发电机所用的发电机，可以是直流发电机，也可以是交流发电机。目前，小型风力发电机用的发电机大部分是三相交流发电机。由于产生磁场的形式不同，三相交流发电机有永磁式和励磁式，它们所产生的三相交流电都要通过整流二极管整流后输出直流电。为便于安装和维修，现在很多小型风力发电机，采用交流 发电机时，将整流器安装在控制器中。交流发电机与直流发电机相比，具有体积小、重量轻、结构简单、低速发电性能好等优点。尤其是对周围无线电设备的干扰要比直流发电机小得多，因此适合小型风力发电机使用。3. 回转体回转体是小型风力发电机的重要部件之一。其作用是支撑安装发电机、风轮和尾翼调速机构等，并保证上述工作部件按照各自的工作特点随着风速、风向的变化在机架 上端自由回转，小型风力发电机回转体的结构和安装方式种类各异。4.调速机构由于自然界的风具有不稳定性、脉动性，风速时大时小，有时还会出现强风和暴风，而风力发电机叶轮的转速又是随着风速的变化而变化的，如果没有调速机构，风力发电机叶轮的转速将随着风速的增大而越来越高。这样，叶片上产生的离心力会迅速 加大，以至损坏叶轮。另外，随着风速增大，叶轮转速增高的同时，风力发电机的输出功率也必然增大，而风力发电机的转子线圈和其他电子元件的超载能力是有一 定限度的，是不能随意增加的。因此风力发电机若要有一个稳定的功率输出，就必须设置调速机构。小型风力发电机常用的调速方法有三种：风轮侧偏调速法；桨叶侧偏调速法；空气制动调速法。5.调向机构风力发电机是靠风的能量发电的，而风轮捕获风能的大小与风轮的垂直迎风面积成正比，也就是说，对于某一个风轮，当它垂直 风向时（正面迎风）捕获的风能就多；而当它不是正面迎风时，所捕获的风能相对就少；当风轮与风向平行时，就捕获不到风能。所以，风力发电机必须设置调向机 构，使风轮最大程度地保持迎风状态，以获取尽可能多的风能，从而输出较大的电能，调向机构对于小型风力发电机来说，一般采用“尾翼调向” 。尾翼主要用在小型风力发电机农业工程学院毕业设计说明书6上，由尾翼梁、尾翼板等组成，一般安装在主风轮后面，并与主风轮回转面垂直。其调向原理是：风力发电机工作时，尾翼板始终顺着风 向，也就是与风向平行。这是由尾翼梁的长度和尾翼板的顺风面积决定的，当风向偏转时尾翼板所受风压作用而产生的力矩足以使机头转动，从而使风轮处在迎风位置。尾翼一般都装在风力发电机风轮的尾流区里，但为了避开风轮的尾流区，也有把尾翼安装在很高位置上。而尾翼支撑臂的长度，以与风轮直径大体相同为标准，尾翼面积为风力发电机回转面积的 1/8。6.手刹车机构小、型风力发电机的手刹车机构的用途是使风轮临时性停车（停止旋转） 。如遇到特大风时可紧急使风轮停转，检修风力发电机和为了使风力发电机有计划地停止转动 等，可通过手刹车机构使风轮刹车，或使风轮偏转与尾翼板平行。为了简化结构，有些小型风力发电机没有设置手刹车机构，但为实现临时停车，大多在尾翼端部系 一根尼龙绳摆动尾翼，使风轮偏转离开迎风位置。手刹车机构一般都是钢丝绳牵拉式。小型风力发电机手刹车钢丝绳的牵拉方式有杠杆原理牵拉、绞轮原理牵拉。7. 塔架为了让风轮在地面上较高的风速带中运行，需要用塔架把风轮支撑起来。这时，塔架承受两个载荷：一个是风力发电机重力，向下压在塔架上；一个是阻力，使塔架向风的下游方向弯曲。塔架所用材料是木杆或铁管，也可以采用钢材作成的桁架结构。小型风力发电机百瓦级的大多采用空心、立柱拉索式千瓦级的采用空心立柱式，也有采用桁架式。不论选择什么样的塔架，目的是使风轮获得较大风速，同时还必须考虑成本。引起塔架破坏的载荷主要是风力发电机的重量和塔架所受到的阻力，因此，要根据实际情况来确定。2.1.3 小型风力发电系统的选择与选址风电场选址与传统的发电厂选址时不同，风电场内风力发电机组的发电量取决于风电场位置及风力发电机组的布置，风电场选址是一个系统而复杂的问题。通常，风电场选址包括宏观选址和微观选址。宏观选址是从一个较大的地区（从几十平方公里到几十万平方公里的范围），对气象条件（风能资源）、并网条件、经济条件、地理条件、地形条件、环境影响等方面进行综合考察后，选择一个风农业工程学院毕业设计说明书7能资源丰富、而且最有利用价值的小区域（通常小于十平方公里）。微观选址是在宏观选址中选定的小区域中确定如何布置风力机，使整个风电场具有较好的经济效益。一般，风电场选址需要两年时间，国内外的经验教训表明，由于风电场选址的失误造成发电量损失和增加维修费用将远远大于对场址进行详细调查的费用。因此，风电场选址对于风电场的建设是至关重要的。如何选择小型风力发电机的合适安装场址是一个要考虑多方面因素的问题，不过一般来说，选址应考虑的主要因素就是对重要的风能特性的利用。在一般的实际工作中，第一步要根据风能资源区划和技术标准粗略选址；第二步分析当地特点，充分利用有利地形，确定安装地点。小型风力机选址的基本技术要求可以归纳为：选择年平均风速较大；有较稳定的盛行风向；风速的日变化、季变化要小；风力发电机高度范围内垂直切变要小；湍流强度要小；尽可能少的自然灾害。另外，小型风力发电机因为安装高度相对较低，必须考虑周围地形地物的影响。2.2 风力机叶片的设计与制作2.2.1 叶片设计的空气动力学原理（1）贝兹理论是风力发电中关于风能利用效率的一条基本的理论，它是由德国物理学家Albert Betz于1919年提出的。它是指在理想情况下风能所能转换成为电能的极限比值为16/27约为59.3%。贝兹理论假定风轮是理想的：风轮流动模型可简化成一个单元流管；风轮没有锥角、倾角和偏角，这时风轮可简化成一个平面桨盘；风轮叶片旋转时没有摩擦阻力；风轮前未受扰动的气流静压和风轮后的气流静压相等，即P1=P2；作用在风轮上的推力是均匀的。经验证可推出风能利用系数的最大值为：C p= 16/270.593。这就是著名的贝兹极限值，它说明风力机从风流场中所能得到的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。有这个极限值可以确定无论何种类型的风力机，其实际风能利用率一定低于0.593。（2）通过涡流理论我们可以知道，对于有限长的叶片，在风轮叶片的下游存在着尾迹涡流，它形成两个主要的涡流区：一个在轮毂附近，另外一个在叶尖出。当风轮旋转的时候，通过每个叶片尖部的气流的轨迹为一螺旋线，因此，每农业工程学院毕业设计说明书8个叶片的尾迹涡形成一螺旋形。在轮毂附近也存在同样的情况，每个叶片都对轮毂涡流的形成产生一定的作用。此外，为了确定速度场，可将各叶片的作用以一边界涡流代替。对于空间某一给定点，其风速可认为是由非扰动的风速和涡流系统产生的风速之和，由涡流引起的风速可看成是由下列三个涡流系统叠加的结果：中心涡，集中在转轴上；每个叶片的边界；每个叶片尖部形成的螺旋