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小型 风力 发电 机组 动力 结构设计 含有 CAD 文件

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摘要摘要 随着化石能源的过渡消耗以及其对环境带来的严重影响，风能凭借其清洁、可循环利用等诸多优点而越来越受到重视，各国都在积极开发利用本国的风能资源，中国也不例外。本文根据导师布置的毕设课题小型风力发电机组动力结构设计中的要求，探索小型风力发电机动力结构的设计。 主要研究结果如下:1、 根据风力发电机叶片设计的经典理论设计叶片的外形，利用三维建模软件建立叶片的三维实体模型。2、 根据设计需求，设计出了轴毂、支撑架等零部件，并利用Solidworks软件建立了三维模型。3、根据设计需求，设计出了变向器装置，并合理地选择了轴承、键等配套零部件。 关键词：小型风力发电机；叶片；轴承。Abstract With the consumption of fossil fuels and their serious impact on the environment, the wind energy with the advantages of clean and can be recycled for use is growing importance to many countries and they are actively developing and utilizing its wind resource, China is no exception. This paper is based on the requirements of The Power Conformation of Small Wind Turbine to explore the method for design and manufacturing process of small wind turbine using of composite materials. The main results achieved are as following: 1 .According to the classic theory of the wind turbine blade design and using 3D modeling software, the blades 3-D solid model is established. 2. Based on the requirements of design ,the aim is to design some parts as bushing and brace, even more I should establish he blades 3-D model using the software of Solidworks.3. Based on the requirements of design, my aim is to select some parts just like axle-bearing, bond reasonably, and deign the apartment of transformer.Keywords: small wind turbine；blade；axle-bearing；II小型风力发电机动力结构设计第一章 概述1.1课题研究的目的和意义数千年来，风能技术发展缓慢，也没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。当前，全球都面临着能源枯竭、环境恶化、气温升高等问题，日益增长的能源需求、能源安全问题受到世界各国广泛关注。风能是一种可再生能源，它资源丰富，是一种永久性的本地资源，可为人类提供长期稳定的能源供应;她安全、清洁，没有燃料风险，更不会在使用中破坏环境。为此，世界各国都在加快风力发电技术的研究，以缓解越来越重的能源与环境压力，中国也不例外。中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，能源利用以煤炭为主。在当前以石化能源为主体的能源结构中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然气占2%，其余为水电等其它资源。在电力的能源消费中，也是以煤炭为主，燃煤发电量占总发电量的80%。但是，能为人类所用的石化资源是有限的，据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍，按目前的技术水平和采掘速度计算，全球煤炭资源还可开采200年。此外，石油探明储量预测仅能开采34年，天然气约能开采60年。随着人口的增长和经济的发展，能源供需矛盾加剧，如果不趁早调整以石化能源为主体的能源结构，势必形成对数亿年来地球积累的生物石化遗产更大规模的挖掘、消耗，由此将导致有限的石化能源趋于枯竭，人类生态环境质量下降的恶性循环，不利于经济、能源、环境的协调发展。电力部己制定“大力发展水电，继续发展火电，适当发展核电，积极发展新能源发电”的基本原则，把风力发电作为优化我国电力工业结构跨世纪的战略发展目标。表1-1 1996-2005年世界风电市场增长从表1-1可以看出，世界上的风电能源增长的非常迅速，10年平均增长率达到了29.77。截止2005年底，全世界并网运行的风力发电机总装机容量达到59237 MW ,是1996年装机容量的9.76倍。风力发电近几年发展如此之快，是因为它有许多优点:1.设备简单，投资少，成本低，风力发电机的整个设备成本不足功率相当的火力发电、水力发电和核电站成本的1/4，在二、三年内就可以收回全产投资;2.节省燃料和运输费用。在风力资源丰富的地区，风力是取之不尽，用之不竭的，可就地建立风力发电站，就地用电，这样就可以节省大量的输电设备和能源。许多燃料是十分重要的化学原料，把它白白的燃掉是十分可惜的。我国资源并不十分丰富，充分利用风力资源意义就更重大了;3.利用风力可以减少对大气的污染，保护我们人类赖以生存的自然环境。化学燃料不断向大气中排放对生物有害物质，严重的威胁人们健康，而风力能源则没有任何影响人类健康的有害物质。1.2 课题的研究现状及已有成果1.2.1研究现状我国风电的利用大体上采用三种方式，一是户用式，可独立运行，用蓄电池，直流输出或逆变交流输出;单机容量为100300W，可基本满足照明、电视等家用电器的生活用电需要。其次是孤立的小居民区用，独立运行，有蓄电池、直流输出或逆变交流输出，统一向各家各户供电或每天为其更换蓄电池，单机容量为1kW。这种方式也可供无电风区边防哨所、气象台站、雷达站、电视差转台以及无电区小火车站使用。三是建立风电场，联网后输出，有的与柴油发电机组或太阳能电站联合，有稳定的输出。1.2.2已有成果1.2.2.1 FD2.5300型风力发电机1)性能特点FD2.5300型风力发电机是低速型风机。该机具有发电效率高，结构简单，维护方便，可靠性高等待点，是大电网以外而风力资源丰富的农牧区、海岛、边防哨所及气象台站等较理想的小功率风力发电设备，也是迄今我国销售量最多的小型风力发电机。它可为用户的照明、彩色电视机、音响设备、洗衣机、电冰箱、组合收录机、航标灯等电器提供稳定可靠的电源。参见图1和图2。 图1 FD2.5300型风力发电机 图2 FD2.5300型风力发电机输出特性2）主要技术指标叶片型式：木质芯，外表包玻璃钢风轮直径：2.5米叶片数：3片风能利用系数：0.42额定风速：8米/秒额定转速：400分额定功率：300瓦最大发电量：500瓦调速方式：偏侧并尾工作风速范围：325米/秒发电机型式：三相交流永磁式发电机直流额定电压：24伏、36伏、48伏控制/逆变交流电压：AC220伏(10方波或正弦波)；频率：50赫兹1储能方式：120安时，蓄电池2只或3、4只串联塔架型式:立柱拉索式塔架风机高度：5米整机重量：175千克1.2.2.2 FD750009型风力发电机1) 性能特点FD7一50009型风力发电机组属水平轴、上风式、变桨距调节的风力发电设备，适用的自然条件为全天候。配用不同的增速箱和发电机可以形成2.5干瓦、5千瓦、10千瓦三种功率档次、8种不同用途的变型产品。机组发出的三相交流电可用来给蓄电池充电贮能、给电阻器加热、驱动异步电动机或输入电网。参见图3、图4。 图3 FD7-5000/9型风力发电机 图4 FD7-5000/9型风力发电机输出特性2)主要技术指标叶片型式：木质芯，外表包玻璃钢结构叶片数:2片风轮直径：7米风轮标定转速(额定转速)：195/分风轮最高允许转速：250/分启动风速：4米/秒额定风速：9米/秒最高安全运行风速：60米/秒发电机型式：电容励磁异步额定功率：5000瓦额定电压：交流380伏机头重量(塔架以上部分)：560千克利用方式：BAT(充电储能式)；CHA(电阻加热式)；MOT(驱动电动机式)；RES(并网式)蓄电池容量：350安时 塔架高：12米整机重量：2500千克1.3本课题的研究内容本课题研制的小型风力发电机主要定位于它可为用户的照明、彩色电视机、音响设备、洗衣机、电冰箱、组合收录机、航标灯等电器提供稳定可靠的电源。总体要求是在满足功能要求的前提下，使用简单，外型明快，可靠性强，低成本。从能量转换的角度看，风力发电机组由两大部分组成。其一是风力机，它的功能是将风能转换为机械能;其二是发电机，它的功能是将机械能转换为电能。大型风力发电机组发出的电能直接并到电网上，向电网馈电，小型风力发电机一般将风力发电机组发出的电能用储能设备储存起来(一般用蓄电池)，需要时再提供给负载(可直流供电，亦可用逆变器变换为交流供给用户)，其简要的系统图如图5。风力机负载（电网）发电机风储能设备图5 风力发电机系统方框图本课题的研究内容包括:1、进行小型风力发电机的总体功能需求分析，进行整体方案设计，力求实现机与电的完美结合和统一。2、进行机器的机械装配图设计，功能完备后，然后进行机械零件的详尽设计。根据风力发电机叶片设计理论及实际风能情况，设计出合适的风力发电机叶片，并利用三维建模软件Solidworks建立叶片的三维实体模型。3、根据功能要求设计一变速器装置，其实达到改变方向的功能。第二章 风能资源2.1风的重要性2.1.1什么是风 提到风，谁都会说出很多切身的体会。如微风吹过脸颊时的舒爽，狂风刮过时的树叶纷飞、飞沙走石的情景，如果遇上可怕的龙卷风，那将是拔树毁屋的恐怖景象，凡是见过的人无不“谈风色变”。总之，风有时友好有时又不近人情，来无影去无踪让人捉摸不透。风到底是什么，用科学的说法就是：地球表面的空气水平运动称之为风。太阳辐射对地球表面不均匀件加热是形成风的主要成因。 太阳对地球的辐射，透过厚厚的大气层，到达地球表面，地球表面各处(海洋和陆地；高山岩石和平原土壤；沙漠、荒原和植被、森林地区)吸收热量不同；由于地球自转、公转、季节、气候的变化和昼夜温差的影响，使地表各处散热情况也各不相同，散热多的地区，靠近地表的空气受热膨胀，压力减少，形成低气压区，这时空气从高气压区向低气压区流动，这就产生了风。地形、地貌的差异，地球自转、公转的影响，更加剧了空气流动的力量和流动方向的多变性，使风速和风向的变化更加复杂。2.1.2风的特性风作为一种自然现象，有它本身的特性。通常采用风速、风向、风频等基本指标来表述。(1)风速：空气在单位时间内运动的距离，用米/秒或千米/时作为计量单位。例如空气在1秒钟内运动了3米，那么风速就是3米/秒。由于风是不断变化的，通常所说的风速是指一段时间内各瞬时风速的算术平均值，即平均风速。风速可由测风仪测量得到。 (2)风速随高度的变化：从地球表面到10000米高空层内，空气的流动受到涡流、黏滞和地面摩擦等因素的影响，风速随着高度的增加而增大。 通过实验，我们常用的计算风速随高度的变化的公式有:指数公式：vv1(hh1)n （2-1）对数公式：v=v1（lgh/h0）/（lgh1/h0） （2-2）式中：v1高度为h1的风速；h0风速为零的高度；n值取决于地面的平整度(粗糙度)和大气的稳定度，取值范围为1/81/2。在开阔、平坦、稳定度正常的地区，n值取1/7。(3)风频：分为风速频率和风向频率。 风速频率：各种速度的风出现的频繁程度。对于风力发电的风能利用而言，为了有利于风力发电机平稳运行，便于控制，希望平均风速高、而风速大小变化小。 风向频率：各种风向出现的频繁程度。对于风力发电的风能利用而言，总是希望某一风向的频率尽可能的大。2.2风能的特点和限制性2.2.1风能的特点大家可能深有体会，在大风中会站立不稳，说明风具有能量。风所具有的动能我们称为风能，是指空气相对地面做水平运动的时候所产生的动能。根据理论计算和实践结果，我们把具有一定风速的风，通常是指3米/秒到20米/秒的风作为一种能量资源加以开发，用来做功(如发电)，我们把这一范围的风称为有效风能或风能资源。因为风速低于3米/秒时，它的能量太小，没有利用的价值，而风速大于20米/秒时，它对风力发电机的破坏性很大，很难利用。那么风速和我们常常听到的“几级风”有什么关系呢？世界气象组织将风力分为13个等级，如表2-1所示，在没有风速计的时候，可以根据它来粗略估计风速。表2-1 风力等级表 续表 大风所具有的能量是很大的。风速为910米/秒的5级风，吹到物体表面上的力，每平方米约为10千克；风速为20米/秒的9级风，吹到物体表面上的力，每平方米约为50千克；风所含的能量比人类迄今为止所能控制的能量要大得多。2.2.2 风能的优点和局限性 风能与其他能源相比，有明显的优点，但也合其突出的局限性。 .风能的优点 蕴藏量大：我们已知道风能是太阳能的一种转换形式，是取之不尽、用之不竭的可再生能源，根据计算，太阳至少还可以像现在一样照射地球60亿年左右。 无污染：在风能转换为电能的过程中，不产生任何有害气体和废料，不污染环境。 可再生：风能是靠空气的流动而产生的，这种能源依赖于太阳的存在。只要太阳存在，就可不断地、有规律地形成气流，周而复始地产生风能，可永续利用。 分布广泛、就地取材、无需运输：在边远地区如高原、山区、岛屿、草原等地区，由于缺乏煤、石油和大然气等资源，给生活在这一地区的人民群众带来诸多不便，而且由于地处偏远、交通不便，即使从外界运输燃料也十分困难。因此，利用风能发电可就地取材、无需运输，具有很大的优越性。 适应性强、发展潜力大：我国可利用的风力资源区域占全国国土面积的76，在我国发展小型风力发电，潜力巨大、前景广阔。 .风能的限制性 能量密度低：由于风能来源于空气的流动，而空气的密度很小，因此风力的能量密度很小，只有水力的1816。 不稳定性：由于气流瞬息百变，风时有时无，时大时小，日、月、季、年的变化都十分明显。 地区差异大：由于地形变化，地理纬度不同，因此风力的地区差异很大。两个近邻区域，由于地形的不同，其风力可能相差几倍甚至几十倍。2.3我国风能资源区划根据国家气象局气象研究院的估算，我国的地面风能潜力理论可开发的总量全国3226亿千瓦，10米高度层实际可供开发量为253亿千瓦，可开发的风能资源是十分丰富的。 为了充分开发利用丰富的风能资源，在研究了各地风能资源差异的基础上，进行了风能资源区划，为设计、生产部门研制风力机以及广大用户选购风力机提供科学依据，并为政府部门制定能源规划提供参考。 我国风能资源区划。 在我国的不同地区，风能资源是不同的。分为4种类型： (1)风能资源丰富区：这一区域的有效风能功率密度在200瓦/米2以上，风速不低于35米/秒的时间，全年为70008000小时左右。 (2)风能资源较丰富区：这一区域的有效风能功率密度为150瓦/米2以上，风速不低于35米/秒的时间，全年为4000小时以上。 (3)风能资源可利用区：这一区域的有效风能功率密度为50瓦/米2以上，风速不低于35米/秒的时间，全年为2000小时以上。 (4)风能资源欠缺区：这一区域的有效风能功率密度50瓦米2以下，风速不低于35米/秒的时间，全年为2000小时以下。根据全国气象台站风能资料的统计和计算，表2-2给出我国风能区占全国面积的百分比。表2-2 我国风能区占全国面积的百分比2.4什么样的风能对人类有用风虽然随处可见，但是也有可利用和不可利用之分，它与风速有直接关系。根据上面风能资源区划，年平均风速小于2米/秒的地区，其潜能很低，至少目前没有什么利用价值。年平均风速在24米/秒的地区，是风能可利用区，在这一区域内，年平均风速在34米/秒的地区，利用价值较高，有一定的利用前景，但从总体考虑，该地区的风力资源仍是不高。年平均风速在44、5米/秒的地区基本相当于风能较丰富区；年平均风速大于45米/秒的地区，属于风能丰富区。 由此可见，除去一些破坏性极大的风(如台风、龙卷风等)，绝大多数风速在2米/秒以上的风能都是对人类有用的风能。 目前，国内外一般选择年平均风速为6米/秒或以上的高风速区(即风能资源丰富区)，安装并网型风力发电机组，即大型风力发电机组。在这些机组中。我国一般选用单机容量600千瓦以亡的机组建设风电场。这样才能保证机组多发电，经济效益才能显著。独立运行的小型风力发电机组启动风速较低，一般为3米/秒以上就能发电，这些地区分布区域广、我国有相当部分农耕区、山区和牧区属于这种地区。第三章 风力发电机组的设计方案确定3.1风力发电机的结构 风力发电机从结构上可分为两类。其是水平轴风力机，叶片安装在水平轴上，叶片接受风能转动去驱动所要驱动的机械。水平轴风力机分多叶片低速风力机和1-3个叶片的高速风力机。如图3-1所示。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3-2所示。风力发电机就是利用风力机驱动的发电机组。图3-1 水平轴风力机叶片形式(a)单叶片；(b)双叶片；(c)三叶片；(d)多叶片；(e)上风向-下风向布置的两组叶片；(f) 上风向布置的两组叶片；(5)水平轴索旺尼斯型叶片 在20世纪末，风力发电机得到了不断地完善、发展，技术成熟，已经达到微机自控无人现场值守的程度。工业发达国家的风力发电机已达到商品化生产。图3-2 垂直轴风力机叶片形式(a) 垂直轴索旺尼斯型叶片；(b)一般型叶片(c)垂直轴杯型（d）达里厄风轮3.2风力发电机的分类3.2.1按风力发电机的功率分类(1)微型风力发电机，其额定功率为501000W。(2)小型风力发电机，其额定功率为1.010.0KW。(3)中型风力发电机，其额定功率为10.0100.0KW。(4)大型风力发电机，其额定功率大于100.0KW。3.2.2按风轮轴安装形式分类风力发电机按风轮轴不同可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两种。3.2.2.1水平轴风力发电机的结构水平轴风力发电机是目前世界各国风力发电机最为成功的一种形式，而生产垂直轴风力发电机的国家很少，主要原因是垂直轴风力发电机效率低、需启动设备，同时还有些技术问题尚待解决。水平轴风力发电机主要由风轮、风轮轴、低速联轴器、增速器、高速轴联轴器、发电机、塔架、调速装置、调向装置、制动器等结构组成。典型结构见图3-3。图3-3 美国MOD-0型风力发电机结构1-左调向电机；2-左调向减速器；3-右调向电机；4-右调向减速器；5-调向传动轴；6-发电机；7-高速轴；8-高速轴结合器；9-低速制动器；10-低速轴；11-调速装置；12-增速器；13-调向制动盘；14-调向制动器；15-叶片1、风轮叶片安装在轮鼓上称作风轮，它包括叶片、轮鼓等。风轮是风力发电机接受风能的部件。现代的风力发电机的叶片数，常为1-4枚叶片，常用的是2枚或3枚叶片。出于叶片是风力发电机接受风能的部件，所以叶片的扭曲、翼型的各种参数及叶片结构都直接影响叶片接受风能的效率和叶片的寿命。2、增速器由于风轮的转速低而发电机转速高，为匹配发电机，要在低速的风轮轴与高速的发电机轴之间接一个增速器。增速器就是一个使转速提高的变速器。增速器的增速比i是发电机额定转数nD与风轮额定转数n的比，即inDn。3、联轴器 增速器与发电机之间用联轴器连接，为了减少占地空间，往往联轴器与制动器设计在一起。风轮轴与增速器之间也有用联轴器的，称低速联轴器。4、制动器制动器是使风力发电机停止运转的装置，也称刹车。制动器有手制动器、电磁制动器和液压制动器。当采用电磁制动器时，需有外电源；当采用液压制动器时，除需外电源外，还需泵站、电磁阀、液压油缸及管路等。5、发电机 叶片接受风能而转动最终传给发电机，发电机是将风能最终转变成电能的设备。 风力发电机上常用的发电机有四种： (1)直流发电机，常用在微、小型风力发电机上。直流电压12，24，36V等。中型风力发电机也有用直流发电机的。 (2)永磁发电机，常用在小型风力发电机上，电压一般为115，127V等，有直流也有交流。水磁交流发电机在中、大型风力发电机上尚未得到使用，主要有些技术问题还未解决。现在我国已经发明了交流电压440240V的高效永磁交流发电机，可以做成多级低转速。特别适合风力发电机。 (3)同步交流发电机，它的电枢磁场与主磁场同步旋转，同步转速nD60f/p。 (4)异步交流发电机，它的电枢磁场与主磁场不同步旋转，其转速比同步转速略低。当并网时转速应提高。6、塔架 塔架是支撑风力发电机的支架。塔架有型钢架结构的，有圆锥型钢管和钢筋混凝土的等三种形式。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。7、调速装置 风速是变化的，风轮的转速也会随风速的变化而变化。为了使风轮运转在所需要的额定转速下的装置称为调速装置。 当风速超过停机风速时，调速装置会使风力发电机停机。调速装置只在额定风速以上时调速。 目前世界各国所采用的调速装置主要有以下几种。(1) 可变桨距调速装置。(2) 定桨距叶尖失速控制调速装置。(3) 离心飞球调速装置。(4) 空气动力调速装置。(5) 扭头、仰头调速装量。8、调向装置调向装置就是使风轮正常运转时一直使风轮对准风向的装置。风力发电机的调向有很多种形式，总的说来有五种形式：尾舱调向、侧风轮调向、下风向调向及调向电机（伺服电机)调向和液压驱动调向。3.2.2.2垂直轴风力发电机的结构 现代垂直轴风力发电机尚未商品化生产。主要原因是效率低，需启动设备。但垂直轴风力发电机优点很多，增速器、联轴器、制动器、发电机都可以安装在地面上，安装、维修都非常方便，不用调向，垂直轴风力发电机主要有达里厄垂直轴风力发电机和旋翼式垂直轴风力发电机，如图3-4及图3-5。 达里厄垂直轴风力发电机主要由叶片、垂直轴、增速器、联轴器、制动器、发电机、塔架及拉线等组成。 旋翼垂直轴风力发电机由上支撑、叶片、钢架、翼片致动器、下支撑、塔架、增速器、发电机等组成。垂直轴风力发电机有很多水平轴风力发电机所不具备的优点，但是也存在一些难以解决的技术难题。比如达里厄垂直轴风力发电机叶片变桨距问题，需要启动设备问题。旋翼式垂直轴风力发电机叶片在风向不同位置变换叶片迎角问题，而现在仅能通过翼片致动器变换叶片是否迎风，但不能随风速变换叶片迎角。旋翼式叶片与达里厄叶片接受风能的效率都比水平轴叶片接受风能的效率低，这主要原因在于叶片不能按风速而变换叶片迎角。达里厄叶片在转动中叶片各位置距转动中心的半径不同，难以做到按不同风速变换叶片迎角和叶片弦长。这些问题还有待研究解决。图3-4 达里厄垂直轴风力发电机 图3-5 旋翼式垂直轴风力发电机1- 塔架；2-发电机；3-制动器；4-联轴器； 1-发电机；2-增速器；3-塔架；5-增速器；6-垂直轴；7-叶片；8-拉线 4-下支撑；5-翼片致动器；6-钢架； 7-叶片；8-上支撑通过上述介绍及其所查资料显示，水平轴风力发电机的研究远远多于垂直轴风力发电机的研究，水平轴风力发电机已有大量资料可用来进行设计计算，而垂直轴风力发电机的研究却没有较大进展，虽然垂直轴风力发电机有很多缺点，但其优点是水平轴风力发电机所不能替代的，所以在下一章节将重点介绍本课题研究的内容，垂直轴风力发电机组的部分零部件的设计。第四章 垂直轴风力发电机组部分零部件的设计一定速度前进的风吹在静止的风力机叶片上做功并驱动发电机发电，将风能有效地转变成电能。风力发电机就是由风力机驱动发电机的机组。本章将对风力发电机的部分结构进行设计计算。4.1风力机的基本原理空气的流动就是风。风是由于地球自转及纬度温差等原因致使空气流动形成的。风能在这里指的是风的动能。关于风力机的理论有几种。如贝茨(Betz)理论，萨比宁(Sabinin)理论，葛劳渥(Clauert)理论，斯特法尼亚克(Stefaniak)理论，许特尔(Hutter)理论等。本节主要介绍贝茨理论。世界上第一个关于风力机风轮叶片接受风能的完整的理论是1919年由A贝茨(Betz)建立的。贝获理论的建立，是假定风轮是“理想”的，全部接受风能(没有轮鼓)，叶片无限多，对空气流没有阻力。空气流是连续的，不可压缩的，叶片扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的(或称平行风轮轴线的)，这时的风轮称“理想风轮”。分析一个放置在移动的空气中的“理想风轮”叶片上所受到的力及移动空气对风轮叶片所做的功。设风轮前方的风速为v1，v是实际通过风轮的风速，v2是叶片扫掠后的风速，通过风轮叶片前风速面积s1，叶片扫掠面的风速面积s及扫掠后风速面积s2。风吹到叶片上所做的功是将风的动能转化为叶片转动的机械能，则必v2v1，s2s1。如图4-l所示。图4-1贝茨(Betz)理论计算简图v1-风轮前方的风速 v-实际通过风轮的风速 v2 -叶片扫掠后的风速s1-通过风轮叶片前风速面积 s- 叶片扫掠面的风速面积 s2-扫掠后风速面积于是s1 v1=s2 v2=sv 风作用在叶片上的力由欧拉定理求得 F=sv(v2- v1) （4-1）式中 -空气当时的密度。 风轮所接受的功率为 N=Fv= sv2(v2- v1) （4-2） 经过风轮叶片的风的动能转化 T= sv(v12- v22)/2 （4-3）式中sv-空气质量。N=Tv=（v2+ v1）/2风作用在风轮叶片上的力F和风轮输出的功率N分别为 F= s(v12- v22)/2 （4-4） N= s(v12- v22) （v2+ v1）/4 （4-5）风速v1是给定的，N的大小取决于v2，N是v2的函数，对N微分求最大值，得dN/d v2= s(v12- 2v1 v2-3v22)/4另其等于0，求解方程，得v2= v1/3求Nmax得Nmax=8 sv13/27令16/27=0.593为CP，称为贝茨功率系数，有Nmax= CPsv13/2而sv13/2正是风速为v1的风能T，故 Nmax= CPT （4-6）CP=0.593说明风吹在叶片上，叶片上所能获得的最大功率Nmax为风吹过叶片扫掠面积s的风能的59.3。贝茨理论说明，理想的风能对风轮叶片做功的最高效率是59.3。通常风力机风轮叶片接受风能的效率达不到593，一般设计时根据叶片的数量、叶片翼型、功率等情况，取0.250.45。4.2小型风力发电机部分零部件的设计在贝茨(Betz) 基本理论的基础上，通过实践设计小型风力发电机的部分零部件。垂直轴风力发电机不受风向限制，不用调向，发电机、增速器、联轴器、离合器、制动器等可直接安装在地面上，具有结构简单，维修方便等优点，致使一些国家不遗余力地研究。但垂直轴风力发电机启动困难，需其他动力来启动，且效率较水平轴风力发电机低。所以其发展受到限制，目前世界发达国家商品风力发电机都是水平轴。尚未见到垂直轴风力发电机商品。下面介绍本课题中垂直轴小型风力发电机的部分零部件的设计。4.2.1叶片4.2.1.1风轮功率的确定 经验公式给出风轮输出功率的最大值 Ne=0.25Sv3 （4-7） 式中 Ne-最大输出功率，w或kw； S-叶片扫掠面积，m2； v-风速，m/s。4.2.1.2叶片扫掠面积S S= Ne/0.25 v3 （4-8）还可以表达为 S=8/3RH （4-9）式中 R-叶片扫掠的最大半径，m H-风轮高度之半，m。4.2.1.3风轮半径R的确定 R=3S/8H （4-10）4.2.1.4尖速比的确定 =2nR/60v （4-11）4.2.1.5叶片各处的尖速比 i= ri/R （4-12）式中i-距转动中心不同半径的尖速比； ri-叶片至转动中心不同位置的半径，m； R-叶片最大转动半径，m。4.2.1.6叶片弦长L根据加拿大涅太华的JTemPlin(J腾普林)试验结果叶片弦长可由下式给出 L=5R/K 2 （4-13）式中 L-叶片弦长，m； K-叶片数。4.2.1.7叶片距转动中心不同位置的半径的弦长Li Li=5ri/ki2 （4-14）式中 Li-叶片距转动中心不同半径的弦长，m； ri-叶片距转动中心不同位置的半径，m； k-叶片数。4.2.1.8增速比i的确定 i= nD /n （4-15）式中 nD-发电机额定转速，rmin； n-风轮额定转速数，rmin。4.2.1.9叶片设计计算本课题所设计的叶片如图4-2所示，a）、b）为二维图，c）为三维图。其总长为1000mm，总宽为355mm，最大使用风速为20m/s由此得叶片扫掠面积S=1000355=0.355 m2风轮输出功率的最大值Ne=0.25Sv3=0.250.355203=0.71kw。符合设计要求。图4-2 a）叶片左视图图4-2 b）叶片的主视图图4-2 c）叶片三维图4.2.1.10叶片的材料本设计中叶片材料采用的铸造铝合金（ZL104）。Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，密度小，具有良好的耐蚀性、耐热性和焊接性能，可通过热处理来强化。最后表面抛光处理。图4-3 a）轴毂的三维图图4-3 b）轴毂的二维图4.2.2轴毂根据经验和所查资料设计出垂直轴小型风力发电机的轴毂部分，如图4-3所示，a）为三维图，b）为二维图。数据如图所示。4.2.3架子为了将轴毂和叶片连接起来，设计了其连接件-架子，其材料为Q235，加工方法是铸造后加工孔。设计方案和数据如图4-4所示，a）为二维图，b）为三维图。图4-4 a）架子二维图图4-4 b）架子三维图4.2.4支撑架为了支撑风力机，设计了支撑架，有效地分散了风力机的重量，承担了部分轴向力，支撑架的低端与地面接触，用地脚螺栓连接，起支撑作用。其三维图如图4-5所示。图4-5 支撑架的三维图4.2.5风力机设计中标准零部件的选型4.2.5.1风力机轴承的选型垂直轴小型风力发电机安装的是推力调心滚子轴承。 设计时，必须合理选择轴承的润滑方式和润滑路径。加工支撑架上的油路时，往往要打若干工艺孔才行，最后用密封堵头封闭这些工艺孔，防止漏油。对于双列轴承，箱体的油孔应对准双列轴承中间的入油孔，使油液能够准确流入轴承的内部。有入油孔就必然对应有出油孔，入油孔开设在方便安装的地方。润滑方式有：油液循环润滑、脂润滑、油雾润滑、喷射润滑等。其中油脂润滑（如高级锂基脂）是目前最常用的方式。油脂封入量通常为轴承空间容积的10，如果填得太满会加剧轴承发热。对于油液循环润滑，一般用于中等转速的主轴上，多用于后支承上，设计时注意油路布局合理，既畅通、方便，又不影响其它结构件的刚度。设计时，选择合理的密封方式。4.2.5.2风力机主轴上键的选型根据结构需求主轴与轴毂的之间通过键来传递扭矩，在这里采用的是楔键连接，其尺寸 为28*16*180。4.2.5.3风力机轴毂上销的选型根据结构需求用销来固定轴毂与轴的相对位置，采用的是开尾锥销，其尺寸为16*200。 垂直轴小型风力发电机风力机部分的三维图如图4-6所示。图4-6垂直轴小型风力发电机风力机部分的三维图4.2.6变向器由于本课题所设计的垂直轴小型风力发电机的风力机随风转动后，其扭矩是竖直传递的，所以需设计一装置使其转化成水平传递的才能满足设计要求，根据结构需要设计了一变向器。结构如图4-7所示。图4-7 变向器的主视图以下是变向器的相关设计计算。4.2.6.1锥齿轮的设计变向器的作用只是将垂直的输出量转化成水平输出，无需变速，所以其锥齿轮的齿数比为1，在以下的计算中只列出其中一个锥齿轮的数据，另一个锥齿轮数据与其相同。计算如下：齿轮比 u=1大端分度圆直径 de1=200mm齿数 Z1=Z2=30大端模数 me1=de1/Z1=6.67分锥角1=45外锥距 Re=de1/2sin1=141.4齿宽 b1=RRe=42.42齿宽系数 R=b/Re=0.3平均分度圆直径 dm1=de1 (1-0.5R)=170中锥距 Rm=Re(1-0.5R)=120.19平均模数 Mm=me1 (1-0.5R)=5.6695切向变位系数 Xt=0径向变位系数 X=0.46（1-cos2/ucos1）=0齿顶高 ha1=me（1+x1）=6-67齿根高 hf1=me（1+c-x1）=8.004顶隙 c= cm齿距角 a1=f2=f1齿根角f1=arctan(hf1/Re)=3.24顶锥角 a1=1+f2=48.24根锥角 f1=1-f1=41.76齿顶圆直径 da1=de1+2ha1cos1=209.43安装距A1冠顶距 Ak1=de2/2-ha1sina1=95.285轮冠距=H1=A1-Ak1大端分度圆齿厚S1=me（/2+2x1tan+xt1）端面当量齿数 Zv1=z1/cos1=42.434.2.6.2箱体箱体采用以垂直轴的圆锥齿轮的轴线为对称中心的对称机构，以便水平轴圆锥齿轮调头安装，改变输出轴的方向。4.2.6.3轴承两个锥齿轮轴均安装32312型圆锥滚子轴承。这是因为该系列圆锥滚子轴承接触角较大，承受轴向力的能力较强，并能对锥齿轮啮合加以精确引导。滚子轴承通常也用以承受锥齿轮的径向力。轴承的刚度计算：轴承在零间隙时的变形和刚度，可以按下列公式计算。线接触的滚子轴承式中：径向与周向变形（）；径向与周向刚度（）；轴承的径向和轴向载荷（N）；接触角（）；db球径（mm）；滚子有效长度（mm）;列数和每列滚动体数；单个滚动体的径向和轴向载荷（N）；轴承的刚度不是一个定值，而是载荷的函数，载荷越大，刚度也越大。由于球轴承载荷对刚度的影响比滚子轴承的影响大，所以，球轴承在计算时应该同时考虑预紧力。计算时，当外载荷无法确定时，常取轴承额定动载荷的0.1倍作为轴承的载荷。主动锥齿轮轴上的圆锥滚子轴承，系轴向游动轴承，因此，将其外圈以可移动方式配合于H6级精度的外壳孔内。另一个圆锥滚子轴承，一般用端盖通过外圈进行调整，因此应将外圈间隙配合于H6级的外壳孔中。安装在输出轴上的圆锥滚子轴承，为适应轴的热伸长，也应将外壳孔加工到H6级精度。两根轴上所有轴承的内圈，均受循环载荷，故全部采用过盈配合的方式，安装在k5级精度的轴上。当载荷很大时，可将轴的精度降为m6。由于锥齿轮的线速度已超过2m/s，因此该变向器里的全部轴承均采用飞溅润滑。即依靠锥齿轮的旋转，将油甩到箱体内壁上，然后经上箱壁和下箱座抛分面上的输出沟，以及轴承盖上的导油槽，将油引入轴承。为保证良好的润滑，应控制箱体内油面的高度。一般情况下，应把大锥齿轮的整个齿宽，至少0.7倍齿宽浸入油中为了防止变向器周围环境中的灰尘、水气、酸气、和其他杂质浸入轴承内，同时防止箱内润滑油外漏，在轴伸出端盖的部分，应设置密封装置。在多数情况下，应使用橡胶密封圈。4.2.6.4键的选择根据轴径大小所选键均为16*10，与联轴器相连的两个键为16*10*70，主动轴与锥齿轮连接的键为16*10*56，从动轴与锥齿轮连接的键为16*10*63。以上为本课题所涉及到的设计计算。第五章 垂直轴风力发电机正常工作的条件5.1垂直轴风力发电机的调速 垂直轴风力发电机调速的方式也很多，如改变叶片转动半径以改变叶片扫掠面达到调速的目的；用改变叶片的迎风角来调速等等。但结构都很复杂，制造成本也很高，且难以稳定在风轮额定转速范围内。较好的办法是采用恒定扭矩输出器以保证发电机获得恒定扭矩达到发电机运行在额定转速范围内。另一种较好的办法是不调速，为了更好地利用风能，可安装二台或更多台发电机。当风轮所获得的风能满足1台发电机时接通1台，当风速增大，能满足2台发电机功率时接通2台，所发交流电经交一交逆变器达到并网的频率。5.2垂直轴风力发电机的启动 垂直轴小型风力发电机不能自行启动，需外部动力启动后方能自行运转。 大、中型垂直轴风力发电机并网的并且调速稳定，可以采用异步发电机。当启动时，电网向发电机供电，发电机成为电动机转动启动风轮转动，风轮转动后再切断电网供电。不并网的单机使用的垂直轴风力发电机，应附加启动装置。一般在增速器与发电机之间安装离合器并安装启动装置，动力由直流或交流电机供给。启动后将启功电机分离，再将增速器与发电机之间的离合器结合，实现发电机正常运转发电。单机使用的垂直轴风力发电机应备有储存电能的蓄电池，将多余电能经整流(交流发电机)或直接(直流发电机)向蓄电池充电，用以启动和无风时向用电器供电。5.3垂直轴风力发电机制动器的设计一般微型和小型风力发电机不设制动器，中大型风力发电机大部分的制功器采用液压或电磁制动器，也有备用手制动器的。 为了使风力发电机结构简单、重量轻，一般将联轴器与制动器设计在一起，并且置于增速器与发电机之间的高速轴部位，很少有布置在低速轴位置的，因为低速轴的制动力矩大。 我国制功器已有标准并且有商品可供应。但我国制定制动器标准时没有考虑风力发电机，主要适合于通用机械、起重机械等制动用，制动器通常既大又重。风力发电机用制动器应具有重量轻、制动力矩大、经久耐用、制动可靠等特点。5.4 小型风力发电系统中配置的蓄电池5.4.1为什么用蓄电池由于风能的间歇性和不稳定性，如果用电器直接由风力发电机来供电，会出现供电时有时无、忽高忽低现象，这种电能是无法使用的。为建立一个供电电压稳定、能够全天候提供均衡供电的电源系统，就必须在风力发电机和用电器之间设置储能装置，把风力发电机发出的电储存起来，稳定地向用电器供电。 理想的电能储存装置应当具有大的储存密度和容量；储存和供电具有良好的可逆性；有高的转换效率和低的转换损耗；运行要便于控制和维护；使用安全，无污染；有良好的经济性和较长的使用寿命。 现在，正在研究、开发和应用的电能贮存方式有改进型铅蓄电池和新型蓄电池储能；飞轮储能；水位储能；压缩空气储能；超导线圈储能等形式。 从目前小型风力发电机的实际应用看，最方便、经济和有效的储能方式是采用蓄电池储能。蓄电池又称“电瓶”，它能够把电能转变为化学能储存起来，使用时再把化学能转变为电能，变换过程是可逆的，充电和放电过程可以重复循环、反复使用，因此蓄电池又称为“二次电池”。5.4.2现在使用的蓄电池现在使用的蓄电池，虽然从外形看有大有小，形状不一，但从电解液的性质来区分，主要分为酸性蓄电池和碱性蓄电池两大类酸性蓄电池也叫铅蓄电池，它是各种二次电池中使用最多的一种。由于铅的资源丰富，铅蓄电池的造价较低，因而应用非常广泛。 作为风力发电系统中的储能设备，无论是酸性蓄电池还是碱性蓄电池，只有用户了解它们的性能和使用操作方法，才能延长蓄电他的使用寿命。早期的铅蓄电他的充放电循环次数只有200300次，使用寿命只有12年。随着工艺及结构不断改进，其性能不断提高，目前充放电次数已超过500次，使用寿命可达34年，不过蓄电池的实际使用寿命和能否正确使用维护有很大关系。若能正确操作使用，按时维护有的铅蓄电池可使用5年以上。5.5发电机系统中的防雷击设施风力发电机安装在室外，塔架加风轮和轮毂高度