垂直轴风力发电机设计【5张CAD图纸和文档完整资料】
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湖州师范学院本科毕业论文 毕 业 设 计（说明书）2012 届 题 目 垂直轴风力发电机设计 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 学 号 指导教师 论文字数 14274 完成日期 2012年12月 湖 州 师 范 学 院 教 务 处 印 制VI原 创 性 声 明本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名： 日 期： 关于毕业论文使用授权的声明本人在指导老师指导下所完成的论文及相关的资料（包括图纸、试验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等），知识产权归属湖州师范学院。本人完全了解湖州师范学院有关保存、使用毕业论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权湖州师范学院可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本毕业论文。如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署名单位为湖州师范学院。本人离校后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为湖州师范学院。论文作者签名： 日 期： 指导老师签名： 日 期： 垂直轴风力发电机设计摘要：本次毕业设计主要是完成垂直轴风力发电机设计。风力发电现今发展飞速，其中小型发电机组以其设备简单、成本较低、风能利用率高、启动、制动性能好等优点，得到越来越多青睐。本论文主要介绍了小型风力发电机的机械结构部分，从独立型风力发电机组的构成特点、运行特点、保护措施等各方面，介绍了实现机组无人值守全自动运行的设计思想和实施办法。本设计利用机电一体化设计使整个系统组成简单，结构精巧，控制方便，性能可靠，应用前景广阔。关键词：垂直轴，风力发电机，设计Vertical axis wind turbine designAbstract: 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 目录第1章 绪论8第2章 风力发电机部件结构设计112.1风力发电机介绍112.2 垂直轴风力机空气动力学142.2.1 风能利用率152.2.2 Cp-功率特性曲线152.2.3 贝茨极限162.2.4 叶尖速比162.2.5 风力机的功率及扭矩计算172.3传动机构172.3.1主轴182.3.2联轴器192.3.3增速箱202.3.4制动器212.4塔架21第3章 风力发电机组总体性能243.1机组的构成及主要技术参数243.1.1基本技术参数243.1.2机舱传动总成253.2工作条件及运行参数263.2.1运行参数263.2.2无人值守的运行过程263.2.3待风状态263.2.4开机与并网283.2.5停机与保护28第4章 各附加装置的设计选取过程304.1 风机轴承技术要点分析304.2 制动器的设计与选取324.3 高效永磁风力发电机的设计334.4 联轴器的设计与选取334.5 风力发电机的尾舵调向装置设计34结论36参 考 文 献37致谢39本科生毕业设计（论文）第1章 绪论自80年代以来，风能利用的主要趋势是风力发电，最早在边远山区应用，主要有三种应用方式：（1）单独使用小型风力发电机供家庭住宅使用。（2）风力发电机与其他电源联用，为海上导航系统和远距离通讯系统供电。（3）并入地方孤立小电网为乡村供电。随着现代科学技术的迅猛发展，风力发电技术也飞速前进。以机组大型化、集中安装和控制为特点的风力场成为风力发电主要的发展方向。近20年，世界各地近30个国家开发建设了风电场，且在未来投资计划上有增无减。国外风力发电装机容量正以每年30的速度增长。同时大幅降低了风机的故障率，实现了互联网络的中央控制和跨地区、跨国界的远程控制。世界一些著名厂商，如NORDEX，VESTAS，DEWIND等，则把目光投向小型风力发电机组，并且逐步实现了商业化运行。我国作为风力资源极其丰富的国家，风力发电潜能巨大，风能资源的利用也历史悠久，古代甲骨文中的“帆”字存在，以及东汉刘熙著作里“随风张慢曰帆”的叙述，都说明我国是利用风能最早的国家之一，而我国对于现代风力发电机的研究始于80年代，从“六五”开始，国家将风能的开发利用列入科技攻关计划,国家计委和国家科委分别组织了综合性风能科技攻关，内容涉及风力资源、风力机空气动力学、结构动力学、电机、控制和材料等。国务院总理温家宝在2012年5月30日主持召开的国务院常务会议，又讨论通过“十二五”国家战略性新兴产业发展规划。会议指出新能源产业要发展技术成熟的风电、核能、太阳能光伏和热利用、生物质发电、沼气等，积极推进可再生能源技术产业化。我国风电技术将会借此时机继续创造出更多的辉煌。为了促进风电建设，有关部门出台了不少优惠政策，中国原电力部就颁布了关于风力发电场建设和管理的若干意见,要求各地电网应收购各地风电场发出的上网电力，风电上网电价按照还本付息加合理利润的原则确定。虽然后来随着电力部门的演变和国家管理体制的改革,这一政策现已无从实施,但它的出台为我国风力发电的起步奠定了重要的基础。中国政府又颁布了“关于促进可再生能源发展有关问题的通知”，提出了促进可再生能源发电项目尤其是风电的优惠政策,包括由银行安排基建贷款、银行贷款的项目给予的财政补贴、采用国产设备的风电项目给予的投资利润率优惠等。此外，风力发电的增值税率按照减半为征收，风力发电零部件和整机的进口关税也暂时按照和征收。在国务院公布的新一轮电力体制改革方案中，明确提出将制定发电排放的环保折价标准,形成激励清洁电源发展的新机制，这就为风电等来自可再生能源的电力提供了公平竞争的机会，从而会大大促进风电等清洁的可再生能源发电的发展。在电价改革方案中也特别提到，“风电、地热等新能源和可再生能源企业暂不参与市场竞争，电量由电网企业按政府定价或招标价格优先购买，电力市场成熟时由政府规定供电企业售电量中新能源和可再生能源电量的比例，建立专门的竞争性新能源和可再生能源市场”。这些规定对于尚处于初期发展阶段的我国风电产业成长将会起到重要的扶持作用。根据全国900多个气象站陆地上离地10m高度资料进行估算，全国平均风功率密度为100W/m2，风能资源总储量约32.26亿kW，可开发和利用的陆地上风能储量有2.53亿kW。另外，近海可开发和利用的风能储量有7.5亿kW，共计约10亿kW。如果陆上风电年上网电量按等效满负荷2000小时计，每年可提供5000亿千瓦时电量，海上风电年上网电量按等效满负荷2500小时计，每年可提供1.8万亿千瓦时电量，合计2.3万亿千瓦时电量，大约相当于我国目前一年的电力需求量。 (1)北部地区风能分布带。北部(东北、华北、西北)地区风能丰富带包括东北三省、河北、内蒙古、甘肃、青海、西藏和新疆等省/自治区近200km宽的地带。三北地区风能资源丰富，风电场地形平坦，交通方便，没有破坏性风速，是我国连成一片的最大风能资源区，有利于大规模的开发风电场，但是当地电网容量较小，限制了风电的规模，而且距离负荷中心远，需要长距离输电。 (2)沿海及其岛屿地区风能分布带。沿海及其岛屿地区包括山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、广西和海南等省/市沿海近10km宽的地带，冬春季的冷空气、夏秋的台风，都能影响到沿海及其岛屿，加上台湾海峡狭管效应的影响，东南沿海及其岛屿是我国风能最佳丰富区。沿海地区经济发达，沿海及其岛屿地区风能资源丰富，风电场接入系统方便，与水电具有较好的季节互补性。然而沿海岸的土地大部份已开发成水产养殖场或建成防护林带，可以安装风电机组的土地面积有限。 (3)内陆风能分布带。在内陆一些地区由于湖泊和特殊地形的影响，形成一些风能丰富点，如鄱阳湖附近地区和湖北的九宫山和利川等地区。 (4)海上风能分布带。我国海上风能资源丰富，东部沿海水深2m到15m的海域面积辽阔，按照与陆上风能资源同样的方法估测，10m高度可利用的风能资源约是陆上的3倍，即7亿多kW，而且距离电力负荷中心很近。随着海上风电场技术的发展成熟，经济上可行，将来必然会成为重要的可持续能源。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应用于浙江和福建沿海，特别是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和当地群众的需求，小型风力发电机的研究和推广得到了长足的发展。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2。掌握具有自主知识产权的小型风力发电机组的关键技术，降低风电成本，从可持续发展战略的要求入手，完全符合我国现状，走这条路势在必行。近年来，我国的风电机产业迅猛发展，但在风机整机及关键部件的设计与制造技术上与世界先进水平仍然存在一定的差距，在小型风力发电机组方面，我国从事小型风力发电机组及其配件开发研制生产的单位多达78家，年产量、总产量、生产能力、出口均位列世界之首。由于汽油、柴油、煤油价格飞涨，且供应渠道不畅通，使得小型风力发电机组用户量继续增加，根据我国风能资源开发利用的现状，以及风力发电事业的发展进步及水平来看，我国的小型风力发电，已从单纯的风力发电向多能互补方向；从单台供电向群组机组集中供电发展；从师范、试验性向高效实用性发展。事实证明，小型风力发电机的未来的发展方向掌握在我们的手中。小型风力发电机的技术进步是促进产业发展的根本保证。把小型风力机与太阳能电池结合作为最合理的独立电源可开发更多的应用领域，包括风光互补便携式电源、风光互补泵水系统、风光互补增氧系统、风光互补供暖系统等等。随着小型风力发电机产品的多样化，风光互补独立供电系统在市政项目、在边防哨所、在偏远地区都有着极广的应用前景。目前，国内的小风机产品开始走向国外。英国、美国等国家已立法鼓励家庭安装小型风力发电机并网发电系统，为小型风力发电机并网应用提供很大的发展空间。但小型风力发电机在家庭的推广对产品提出了更高的要求，低风速发电、低噪音、高可靠性、美观性、安全性等都有了更高的要求。由以上分析可见，小型风力发电机组有很多优越性与潜能性。本课题研究的就是小型垂直轴风力发电机组的结构设计。第2章 风力发电机部件结构设计2.1风力发电机介绍风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。风力发电利用的是自然能源，相对柴油发电要好的多。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电机从结构上可以分为两类，其一是水平轴风力机，叶片安装在水平轴，叶片接受风能转动去驱动所要驱动的机械。水平轴风力机分为多叶低速风力机和13个片的风力风电机。如图2-1。其二是垂直轴风力机，风轮轴是垂直布置的，叶片带动风轮轴转动再驱动所要驱动的机械。如图2-2。 本课题研究的是垂直轴风力发电机。风力机从功率大小上分类，可以分为微型风力发电机、小型风力发电及、中型风力发电机和大型风力发电机四类。如下表。微型风力发电机额定功率50-1000W小型风力发电及额定功率1-50KW中型风力发电机额定功率50-100KW大型风力发电机额定功率大于100KW本课题研究的20KW的风力发电机属于小型风力发电机。垂直轴风力机的旋转主轴与风向垂直，如图3-2所示，垂直轴风力机设计简单，风轮无需对风，其优点有：1.可以接受任何风向的风，无需对风；2.齿轮箱和发电机可以安装在地面，检修维护方便。图3-2 垂直轴风力发电机按照桨叶受力方式分类可分为升力型风力机和阻力型风力机。升力型风力机利用叶片的升力带动旋转轴转动，从而转化风能为电能，这种风力机目前较为常见，大部分水平轴风力机都属于升力型风力机。目前大中型风电主要采用水平轴风力机，属升力型风力机，具有转速高、风的利用率较高等优点，其叶尖速比通常在4以上，最大功率系数可达50%，如图3-3所示。阻力型风力机利用叶片上受到的阻力来驱动发电机发电，大部分阻力型风力机为垂直轴，目前较少，如图3-4所示。图3-3 升力型风力发电机图3-4 阻力型风力发电机垂直轴升力型风力机既有垂直轴风力机结构简单、维修方便等优点，又和升力型风力机一样具有较高转速，风能利用率有所提高。由于运行过程中受力比水平轴好得多，疲劳寿命要更长。2.2 垂直轴风力机空气动力学如图3-5所示建立平面坐标系，假定风速矢量为v，叶片端线速度矢量为u，叶片所在位置夹角为，则叶片的平均线速度为5 （3.1）在图3-5中，风速矢量v=（0，-V），叶片速度矢量u=（-Usin,Ucos），风对叶片的相对速度w=v+u，坐标运算后得w=（-Usin，-V+Ucos）。图3-5 垂直风力机动力原理相对风速的大小就是矢量w的模|w|，以表示w的单位矢量，表示u的单位矢量，则可以求出此时的攻角，攻角就是相对风速与叶片弦长所在直线的夹角，按照矢量计算可推得： （3.2）在风力的作用下，叶片在攻角时受到的升力和阻力可以按以下公式计算： （3.3） （3.4）将升力和阻力投影到风轮切方向： （3.5） （3.6）其中Flt为Fl在切向的分量；Fdt为Fd在切向的分量。叶片受力分解如图3-6所示6。图3-6 垂直风力机的叶素力学模型切向力的合力产生转矩使风轮转动，叶片在位置角为时产生的转矩为 （2.7）2.2.1 风能利用率风能利用系数Cp是表示风力机效率的重要参数，由于风通过风轮的风能不能完全转化为风轮机械能，其风能利用率Cp为7 （3.8）其中Pm为风力机输出的机械功率；Pw为风力机输入的风能。目前大型水平轴风力发电机的风能利用率绝大部分是由叶片设计方计算得到的，一般在40%以上。由于之前一般都是利用叶素理论来计算垂直轴风力机的风能利用率，得出的结果不如水平轴，但是根据国外最新的实验表明垂直轴的风能利用率不低于40%8，再加上水平轴风力机受到风向变化的影响，而垂直轴风力机可以在任何风速角下工作，因此有理由相信垂直轴风力机的利用率能够超过水平轴。2.2.2 Cp-功率特性曲线风能利用系数Cp一般是变化的，它随着风速与风轮转速变化而变化，叶片尖端线速度与风速之比叫做叶尖速比（将在第3.2.4节具体说明），为了得到最佳的风能利用率，一般根据Cp-曲线来选择合适的叶尖速比，如图3-7所示。图3-7 Cp-曲线图从图3-7中看出，当叶尖速比达到7.5左右时风能利用系数最大，风能利用率最高，Cp值有一个最大值，实际风力机一般都达不到这么高的风能利用率，所以我们先初定叶尖速比在=6，风能利用率Cp=0.4时对风力机进行设计，具体的Cp-图还需根据具体的风力机叶片试验及攻角调整来确定。2.2.3 贝茨极限风能利用系数缩短能达到的最大值就是贝茨极限，德国空气动力学家Albert Betz提出贝茨极限后,直到今天还没有人能设计出超过这个极限的风力机，该极限不是由于设计不足造成的，而是因为流管不得不在致动盘上游膨胀，使得自由流速比在圆盘处小，贝茨极限由一下微分方程得出9： （3.9）式中a为气流诱导因子。解微分方程可知当a=1/3时，Cp最大，求得最大Cp=0.953。2.2.4 叶尖速比风轮叶片尖端线速度与风速之比称为叶尖速比，阻力型风力机叶尖速比一般为0.3至0.6，升力型风力机叶尖速比一般为3至8。在升力型风力机中，叶尖速比直接反映了相对风速与叶片运动方向的夹角，即直接关系到叶片的攻角，是分析风力机性能的重要参数。叶尖速比计算公式为 （3.10）2.2.5 风力机的功率及扭矩计算由福建省情资料库中的图像资料可以看出厦门地区地面平均风速在4m/s6m/s左右，如图3-8所示。图3-8福建省风速分布从福建气象网站（/）24小时监测的结果可以看出，厦门地区一天内4级风（约8m/s）出现的频率最高，如图3-9所示。图3-9 厦门某日24小时风速监测图2.3传动机构风力机的传动机构一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等(图2-6)。但不是每一种风力机都必须具备所有这些环节。有些风力机的轮壳直接连接到齿轮箱上,不需要低速传动轴。也有一些风力机(特别是小型风力机)设计成无齿轮箱的,风轮直接连接到发电机。在整个传动系中除了齿轮箱其它部件基本上一目了然8。图 2-6 机舱传动总成图2.3.1主轴风轮通过键把转矩传到主轴上。小型风力机一般采用单键。小、微型风力机多采用45号钢，经过调制处理使钢材获得强度。塑性、韧性三方面都较好的综合机械性能，所以设计时，在主轴加工图上也要注明这一技术要求。主轴的材料实践证明主轴与轮毂的连接部分最好要有1：10的锥度，亦即轴端最好呈圆锥形。这种结构不仅装配牢固、拆卸方便，而且还避免了圆柱形轴端应力集中的影响。锁定风轮用的轴端螺母究竟采用右旋还是左旋要视风轮的转向而定。如果顺风看风轮是顺时针旋转，则螺母要用左旋螺纹，反之要用优选螺母，因为只有这样才能保证风力机在旋转中螺母越来越紧而不至于松脱，为了安全起见，螺母上最好还要有止动垫圈。主轴零件图如图2-7所示。图 2-7 主轴零件图根据国内外的实践经验，低速轴的直径通常取风轮直径的1%，亦即d=0.01D。若按这一标准设计，其强度一般是有保证的。作用在主轴上的主要负载有：工作转矩M，风轮的陀螺力矩M，以及风轮所受到的重力G。轴端所承受的合成应力为（N/cm） （2-1）式中：M为风轮的陀螺力矩（Nm）； G为风轮所受重力（N）；W为轴端抗弯截面模数(cm)；A为轴端截面积（cm）。M的大小与桨叶数B有关，当B=3时， （2-2）式中，风轮绕主轴的转转动惯量（）如用单键， （2-3）式中：b为键槽宽度（cm）； T为键槽深度（cm）。倘若轴端呈圆锥形，其d为平均值。为了简化计算，可以将本设计中的轴近似看成为大径，小径的光滑轴。本设计中的弯矩。将已知条件带入上述公式，可以算出。所以，本设计中的主轴满足条件，可以正常使用9-11。2.3.2联轴器在风力发电机中，常采用刚性联轴器、弹性联轴器（或万向联轴器）两种方式。刚性联轴器常用在对中性好的二轴连接，而弹性联轴器则可以为二轴对中性较差时提供二轴的联接，更重要的是弹性联轴器可以提供一个弹性环节，该环节可以吸收轴系因外部负载的波动而产生的额外能量。在风力发电机组中通常在高速轴选用弹性/万向联轴器，一般用十字联轴器或者轮胎联轴器，低速轴用刚性联轴器。一般用涨套式或者柱销式联轴器。本课题在设计时在高速轴使用胎式联轴器，在低速轴使用柱销式联轴器。如下所示，是联轴器的示意图。 柱销式联轴器 2.3.3增速箱与风力机匹配的增速器不仅要体积小、重量轻、效率高、噪音小、而且还应该承载能力大，启动转矩小。鉴于这些要求，所以分力发电机的选择至关重要。实现增速的方法也很多，最常用的有齿轮、皮带轮、链轮传动三种，其中齿轮传动运用最为广泛，能够满足增速器以上要求。其中NW型与NGW型行星齿轮增速器用在风力发电机上比较合适的。齿轮增速器的传动比可以根据风轮与发电机的转速之比确定，而功率则要按照风力发电机的输出功率的1.2-1.5倍考虑。在使用齿轮增速器时，要注意输入轴与输出轴的方向是一致还是相反，否则将会造成被动，甚至不能使用。本风力机所采用的齿轮箱为同轴行星增速齿轮箱，传动比为1：22.4，额定功率为55kW。 2.3.4制动器机械刹车是一种制动式的减慢旋转负载的装置。通常机械刹车按照作用方式可以分为液压、气动、电磁、电液、手动等形式。按照工作状态分为常闭式和常开式两种。在风力发电中，为了减少制动转矩，缩小制动尺寸，通常机械刹车装在高速轴上。本课题选用电磁盘式刹车，其结构如下图所示。2.4塔架风力机的塔架除了要支撑风力机的重量, 还要承受吹向风力机和塔架的风压, 以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系, 如果说塔架对小型风力机影响还不太大的话,对大、中型风力机的影响就不容忽视了12。一般要求塔架要有足够的强度，足以承受设计要求的动静载荷。同时基础不应该发生显著的、尤其是不均匀的下沉，因为基础一旦下沉将导致整个塔架倾斜，因此为了保证他家不发生歪斜，塔架各基础的重量合力必须与风力机重心垂线重合。基础则用混凝土砌筑，水泥、沙子和碎石的体积比约取1:2.5:5。基础的砌筑要与接地网、地脚螺栓以及地锚的预埋同时进行。塔架的高度为水平轴风力发电机的塔架主要可分为管柱型和桁架型两类,管柱型塔架可从最简单的木杆,一直到大型钢管和混凝土管柱。小型风力机塔杆为了增加抗弯矩的能力,可以用拉线来加强。中、大型塔杆为了运输方便,可以将钢管分成几段。一般圆柱形塔架对风的阻力较小,特别是对于下风向风力机,产生紊流的影响要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型风力机上,其优点是。价不高,运输也方便。但这种塔架会使下风向风力机的叶片产生很大的紊流。其计算方法如下：本风力机所采用的塔架为柔性钢管加拉索，重2.5t，智能化微机控制系统全自动化无人值守故障检测、报警状态及参数记录、显示。上部塔筒底部塔筒与上部塔筒联接法兰盘底部塔筒与基础联结法兰盘底部塔筒上部塔筒与底部塔筒联接法兰盘图 2-7 塔架结构图第3章 风力发电机组总体性能3.1机组的构成及主要技术参数独立型20kW风力发电机组采用了3叶片、水平轴、上风向旋转风轮、定桨距失速调节，异步发电机发电、蓄能器储能、高速轴抱闸双重主动机构，机舱支撑为柔性钢管拉索塔架，控制系统采用日本三菱公司F1-60MR可编程控制器（PLC）为控制核心，配以集成化、智能化I/O接口电路和先进的传感技术，可以实现全自动无人值守运行13。3.1.1基本技术参数总体性能参数如表3-1所示：表3-1 总体性能参数类型水平轴、下风向额定功率20kW额定风速11m/s切入风速4m/s切出风速20m/s抗最大风速50m/s风轮性能参数如表3-2所示：表 3-2 风轮性能参数叶片数目3直径11m额定转速180r/min桨叶材料增强型玻璃钢翼型NACA44 X X功率调节定桨距失速调节传动系统性能参数如表3-3所示：表 3-3 传动系统性能参数类型NG型行星齿轮增速箱额定功率11.2m额定转速55kW传动比1：22.4发电机性能参数如表3-4所示：表 3-4 发电机性能参数类型三相交流高滑差异步电机额定功率45Kw同步转速1500r/min电压380V，Y接频率50Hz塔架性能参数如表3-5所示：表 3-5 塔架性能参数类型柔性钢管加拉索重量2.5t控制系统智能化微机控制系统全自动化无人值守故障检 测、报警状态及参数记录、显示。3.1.2机舱传动总成20kW风力发电机传动轴总成设计采用同心轴连接，在机舱里面把叶轮、主轴支承、刹车盘、增速机、发电机等安装在机舱平台的同一轴心上，此种设计结构紧密、外型美观、工艺优化、机械效率高，比多轴心传动轴结构的设计，易于安装，检修，特别适用于定桨距、失速叶片风力机的机舱布局14。图 3-1 机舱机构图3.2工作条件及运行参数3.2.1运行参数机组在环境温度-2575，空气湿度不大于95%，电网电压在95%105%额定电压下，频率为1范围内，风力发电机组可以正常发电。运行参数如表3-6所示：表 3-6 运行参数运行风速范围4.0m/sv4.5，V1480r/min延20分钟机器状态差报警等待开机并网运行N1470r/minV4.5r/min逆功率报警停机N1580r/minN4.5m/sV21m/s手动操作小风逆功停机小风连续5分停机大风报警停机图 3-2 20kW风力发电机运行过程流程图3.2.4开机与并网由风速和转速传感作为主激励信号，辅以对传动、偏航、刹车系统的即时监控，在风速达到启动风速时，机组自动开机，进入工作状态。当风速连续60秒不小于4.5m/s，主轴盘式刹车释放，传动系统开始工作。由液压系统驱动变矩机构，将叶片由顺风的保护位置拉至迎风的工作位置，进入定桨距失速调节工作状态，完成这一过程的时间可调，其长短以有助于加速完成启动过程为宜，我们选在50秒左右。在运行、的同时，三叶片风轮通过增速机构带动发电机1500r/minn1525r/min转速达到同步转速，下达并网指令，并网接触器吸合，发电机与电网并列运行，进入风电转换运行状态控制，直接在高风速下启动，系统回差值取7m/s，当风速由25下降至18时，机组可以安全启动，快速并网，高效可靠地运行，经现场实测的风速功率曲线如图3-3所示16。图 3-3 风速功率曲线图3.2.5停机与保护停机分为正常停机和保护停机两种情况，除小风停机和调试时人为停机外，多数属于保护停机17-19。在处理故障或大风停机之后，机组可能面对高风速环境，为了有效利用这部分风能，又不至造成飞车，可以通过回差。因为风力不够，开机后，10分钟内达不到并网的同步转速，或并网后连续60秒逆功率运行，机组返回待风状态。当风速超过25m/s，声光报警，自动实现保护性停机。当发电机转速达到1690r/min，转速比较器发出停机指令，一旦该环节出现故障，发电机转速继续升高到1800r/min，连接在发电机上的离心开关动作，启动应急保护单元，实现收桨、刹闸、停机。对出现的各类机械、电气、液压系统故障，具有自诊断功能，一项或多项故障同时出现，利用逻辑门电路识别，可在显示故障的同时实现安全停机。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。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：-2.620载荷系数：1.5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4.2 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，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4.4 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.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 （4-1）其中。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；风对叶轮的推力；轮中心至转盘转动中心O距离。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：(1) 尾舵的面积（调向角时，角尾舵与尾舵中心成150，角尾舵长占尾舵总长的25%35%，如下图4-6所示）(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 39-结论本次设计主要是对小型风力发电的机械结构做出的设计。在设计过程中，最大的问题在于机舱部分的设计。由于机舱的空间有限，因此传动系统选择“一字”型，此外，失速调节是最难阐述的部分，如何采用形象的图形文字描述经过了巨大努力。本设计利用机电一体化设计使整个系统组成简单，结构精巧，控制方便，性能可靠，有很好的应用前景和可开发价值。小型风力发电机组机械系统的合理设计，为我国节约一次性能源、开发利用绿色风能提供了理论基础,为我国山区及近海地区提供了电力，方便了当地人民的生活。参 考 文 献1 潘文霞，陈允平，沈祖治.风力发电机的发展现状J.中小型电机，2001, 28 (4):3841.2 于午铭.走市场经济之路，发展民族风电产业J.风力发电，2002 (1):1-4.3 施鹏飞.21世纪风力发电前景J.中国电力，2003，9：78-84.4 孟庆和.风力发电技术J.风力发电，2002 (2):24-27.5 王承煦，张源.风力发电M.北京：中国电力出版社，2003.6 德西雷.勒.古里埃尔著.汤瑞源、华宪明、赵明亮等译.风力机理论与设计J.南京航空学院空气动力研究所.7 李本立等著. 风力机结构动力学M. 北京：中国航空航天大学出版社.1999.12.8 宫靖远主编. 风电场工程技术手册S. 北京：机械工业出版社.2004.4.9 王德玺，裴垠欣.机械设计M. 北京：煤炭工业出版社，1999.10.10 大型风力发电机设计手册S. 北京：中国风能技术开发中心，1998，12.11 贺德馨等著. 风工程与工业空气动力学M. 北京：国防工业出版社.2006.1.12 苏绍禹著. 风力发电机设计与运行维护M. 北京：电力工业出版社.2003.1.13 陈云程等. 风力机设计与应用M. 上海：上海科学技术出版社，1990. 5.14 李辉，杨顺昌，廖勇.并网双馈发电机电网电压定向励磁控制的研究J.中国电机工程学报，2003，23（8）：159-162.15 Iqbal.M.T.,Coonick,A.and Freris,L.L.Dynamic Control Options for Variable Speed Wind TurbinesJ.Wind Engineering,Vol 18,N
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