风力发电机传动系统设计

学号 密级 公开 xxxxxxxxx 本科生毕业设计风力发电机传动系统的设计学院名称：培黎工程技术学院 专业名称：机械设计制造及其自动化学生姓名：马 指导教师：同 教授 二一三年五月BACHELORS DEGREE THESIS OF LANZHOU CITY UNIVERSITYDesign of Transmission System of Wind Power GeneratorCollege : School of Bailie Engineering drive system; direct drive; doubly-fed; step-up gear box目 录第 1 章 绪论 .11.1 风力发电机研究的背景及其意义 .11.1.1 风力发电机研究的背景 .11.1.2 风力发电研究的意义 .11.2 风力发电发展的过程、现状及趋势 .21.2.1 风力发电初创时期 .21.2.2 风力发电徘徊发展期 .21.2.3 风力发电的现状及趋势 .31.2.4 我国风力发电技术存在的问题 .41.3 本文研究的主要内容 .5第 2 章 风力发电机组的组成和驱动结构型式 .62.1 概述 .62.2 风力发电机组的组成与结构 .72.3 风力发电机的结构型式 .102.3.1 直驱型风力发电机 .102.3.2 双馈型风力发电机 .112.3.3 直驱型风力发电机和双馈型风力发电机的特性比较 .12第 3 章 风力发电机组传动系统设计 .143.1 传动系统的结构 .143.2 风力发电机传动系统布置型式及其特点比较 .143.3 增速齿轮箱传动系统的典型结构型式及分析 .153.4 增速齿轮箱传动系统设计 .173.4.1 设计的主要内容 .173.4.2 齿轮增速传动系统设计 .193.4.2.1 传动比的分配 .203.4.2.2 行星齿轮选用满足的几何条件 .203.4.2.3 传动部分参数计算 .203.4.2.4 齿轮参数确定 .213.4.3 箱 体 .303.4.4 齿轮箱的冷却和润滑 .313.4.5 齿轮箱的使用及其维护 .313.5 联轴器的选用 .32总 结与展望 .33参考文献 .34致谢 .35附录 .361第 1 章 绪论1.1 风力发电机研究的背景及其意义1.1.1 风力发电机研究的背景风能是一种可再生的自然资源，是太阳能的转化形式,具体指的是太阳的辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均匀，从而使空气沿水平方向运动，空气流动所形成的动能。据统计，地球上的风能理论蕴藏量约为 2.741015MW,可开发利用的风能为 2.109MW，是地球水能的 10 倍，只要能够使用地球上 1%的风能就能满足全球能源的需要。风能是人类利用历史悠久的能源和动力之一，风能利用主要包括风力发电、风帆助航、风车提水、风力磨坊、风力锯木等。人类对于风能的利用已有千年的历史，风能最早的利用方式是“风帆行舟” 、利用“方格形风车” （Panemon）来带动石磨磨谷等。12 世纪，风车从中东传入欧洲。据认为，是班师的十字军将风车的概念和设计带到了欧洲，风力和水力很快就在中世纪的英格兰成了机械能的主要来源。今天，荷兰人将风车视为国宝，北欧国家保留的大量荷兰式的大风车，已成为人类文明是的见证。如 1895 年，丹尼尔哈利戴开始发展了后来演变成鼎鼎有名的“美国农场风车” 。在今天，假如没有这种风车，那么在美国、阿根廷和澳大利亚的许多地区，牲畜的牧场饲养也不是不可能的。19 世纪末，丹麦人首先研制了风力发电机。1891 年丹麦建成了世界第一座风力发电站。到 1973 年发生石油危机后，风力发电进入了一个蓬勃发展的阶段，在世界不同地区建立了许多大、中型的风电场。同时，气候的变化也推动了风电技术的进一步升温。预计到 21 世纪中叶，风能将会成为世界能源供应的支柱之一，成为人类社会可持续发展的主要动力源 1。1.1.2 风力发电研究的意义从我国来看，改革开放以来,由于我国的经济增长基本建立在高消耗，高污染的传统发展模式上,出现了比较严重的环境污染和生态破坏,环境与发展的矛盾日益突出。再加之不断增加的人口因素 ,这一切最终的结果是资源相对短缺，生态环境脆弱，环境容量不足，这也逐渐成为中国发展中的重大问题。从世界范围内来看，风力发电作2为无污染的可再生能源随着世界范围内石油、煤炭储量的不断减少和燃用石油、煤炭等对环境污染产生严重影响。因此，节约能源，提高能源利用率，大力开发使用新能源和可再生能源，逐步以洁净能源替代矿物燃料，是我国能源建设与发展应遵循的原则，也是实施可持续发展战略的一个重要组成部分，对于环境保护和增加能源供应有着积极作用。此种情况下风能的利用受到人们的关注，但我国的风力发电机大多引进国外整套设备，从中国大范围、持久开发风能的需要来看，单纯依赖国外进口风机绝不是根本出路。只有在引进国外先进技术的同时发展我们自己的风机制造业，才是百年大计，才能保证不会面临淘汰的危险。因此研制具有自主知识产权的风力发电机具有十分重大的意义。总之，发展风电技术，对于缓解能源危机,保护环境，发展国民经济具有深远的意义。1.2 风力发电发展的过程、现状及趋势1.2.1 风力发电初创时期风力发电初创时期从 18871888 年冬到二十世纪 30 年代初开始，主要代表有美国人布拉什安装了一台被现代人认为是第一台自动运行的且用于发电的风力发电机，以及 1891 年，丹麦人拉库尔（LaCour）教授设计建造了世界上第一座风力发电试验站，采用蓄电池充、放电方式供电，获得成功，并得到推广应用。1897 年，LaCour 教授发明了快速转动、叶片数少的风力发电机，在发电时比低转速的风力发电效率高得多，如图 1.1。到小容量的风力发电机组技术已经比较成熟，并得到广泛的推广和应用。图 1.1 四叶片直流风力发电 图 1.2 Gedser 风力发电机31.2.2 风力发电徘徊发展期从 20 世纪 30 年代初到 60 年代末，为风力发电的第二个阶段。此时风力发电处于徘徊时期。比如,丹麦在风力发电机并网方面研究比较深入，取得了很多成果。1942 年，丹麦F.L.Smidth 公司在 Bobo 岛安装了一批两叶片和三叶片的风机，这些风机（与它们的前辈一样）发的是直流电，如图 1.2,最具代表性的是盖瑟（Gedser）风力发电机组。创新的 200kW 盖瑟风力发电机在 19561957 年由 Johannes Juul 为 SEAS 电力公司建成，风机安装在丹麦南部的盖瑟海岸。三叶片，上风向，带有电动机械偏航和异步发电机的风力发电机是现代风力发电机的设计先驱。这台风力机是失速调节型风力机，JohannesJuul 发明了紧急气动叶片尖刹车，在风力机过塑是通过离心力的作用解放。基本上与现代失速型风力发电机上使用着相同的系统。这台风力发电机，在随后的很多年一直是世界上最大的。它在无需维护的情况下，运行了 11 年。同样的，法国、英国、德国在这一时期对风力发电技术都取得了一些进展，但仍由于一些客观技术原因的存在，仍没有将风力发电技术发展到对于当时来说的最大化。如前所述，为了找到更加廉价的能源，世界各国对风力发电寄予厚望，也投入了大量的人力、物力、财力，研制成功了一些大型风力发电机，取得了一些经验，但在20 世纪 60 年代初，由于石油价格降低，风力发电在造价和稳定可靠性方面远竞争不过火力发电，所以风力发电的研究又停滞下来 1。1.2.3 风力发电的现状及趋势随着国际社会能源紧缺压力的不断增大，环境问题日益严重化，风力发电得到了高度的重视。二十多年来，风电技术日趋成熟，应用规模越来越广。其中我国增长最快，维持 100%的增速，当年吊装完成 1400 万千瓦，比 2008 年增加了 760 万千瓦，同比增长 120%；欧盟实现装机容量 1056 万千瓦，同比增长 17%；美国净增 992 万千瓦，同比增长 19%。根据全球风能理事会的统计，截止到 2010 年12 月，2010 年全球风能新增装机 3850 万千瓦，累计装机 19440 万千瓦，同比 2009 年（15870 万千瓦）增长了 22.5%。2010 年新增风电投资近 473 亿欧元（650 亿美元） 。从风电发展的区域分布区域来看，2010 年欧洲、亚洲、北美仍分居世界三甲，42010 年底的装机容量分别达到 8756 万千瓦、5828 万千瓦合 4699 万千瓦。欧洲虽然仍居首位，但是与亚洲、北美的差距正在缩小，我国风电新增容量超过欧盟。业内人士普遍估计，到 2010 年三大风电装机容量将基本持平。从国别来看，我国以累计装机容量 4478 万千瓦稳居首位，美国以 4027 万千瓦的装机容量位居第二，德国以 2736 万千瓦的容量位居第三，西班牙和印度位居第四和第五，累计装机容量分别 2030 万千瓦和1297 万千瓦。进入前十名的还有法国（596 万千瓦） 、英国（586 万千瓦） 、意大利（579 万千瓦） 、加拿大（401 万千瓦） 、和葡萄牙（383 万千瓦） ，详见图 1.3。图 1.3 2010 年全球风电装机排名前十的国家总之,随着各国政策的倾斜和科技的不断进步,世界风力发电发展迅速,展现出了广阔的前景。未来数年世界风力发展的趋势可能如下发展:(1) 风力发电从陆地向海面拓展。 (2) 单机容量进一步增大单机容量为 5 MW 的风机已经进入商业化运行阶段。 (3) 在技术上,经过不断发展,世界风力发电机组逐渐形成了水平轴、三叶片、上风向、管式塔的统一形式.进入 21