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2KW家用垂直轴风力发电机的设计【SW】【9张图/16900字】【优秀机械毕业设计论文】

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A0-变向器装配图图幅.dwg

A0-小型风力发电机总装图.dwg

A0-风力机装配图.dwg

A2-主动轴.dwg

A2-从动轴.dwg

A2-叶片.dwg

A2-架子.dwg

A2-轴.dwg

A2-轴毂.dwg

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关键词：: kw 家用垂直风力发电机设计 sw 优秀优良机械毕业设计论文

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说明书一份,58页,16900字左右.
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图纸：
A0-变向器装配图图幅.dwg
A0-小型风力发电机总装图.dwg
A0-风力机装配图.dwg
A2-主动轴.dwg
A2-从动轴.dwg
A2-叶片.dwg
A2-架子.dwg
A2-轴.dwg
A2-轴毂.dwg

对国内外的现状进行资料收集，分析整理做出设计的必要性结论。提出自己的至少两种方案进行比较优缺点，最后确定最终的方案。选择关键零部件，材料等。计算各种参数主要参数。
1.画出结构草图，布置方式，完成总装配图。零号图1张
2.完成主要零部件装配图。零号图2张，一张是增速器，另一张随意
3.部分零件图，图上必须标注几何精度及技术要求。四号图2张
4.画出三维图，展示各方向的结构与功能。
5.完成详实的设计说明书，不少于2万字，其中说明书的摘要400字译成。
注：A.总图量为3.5张零号图纸
B.增速器为NGW型行星轮，单级，增速比为4
C.叶片选用naca0012，直线翼H型
题目：2KW家用垂直轴风力发电机的设计
QQ:290284242
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 blade's 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 blade's 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；

目录
摘要（中文）…………………………………………………………………………Ⅰ
（英文）…………………………………………………………………………Ⅱ
第一章概述 …………………………………………………………………………1
1.1课题研究的目的和意义 …………………………………………………………………1
1.2 课题的研究现状及已有成果 ……………………………………………………………2
1.3本课题的研究内容 ………………………………………………………………………4

第二章风能资源 ……………………………………………………………………6
2.1风的重要性 ………………………………………………………………………………6
2.2风能的特点和限制性 ……………………………………………………………………6
2.3我国风能资源区划 ………………………………………………………………………9
2.4什么样的风能对人类有用………………………………………………………………10

第三章风力发电机组的设计方案确定 …………………………………………11
3.1风力发电机的结构………………………………………………………………………11
3.2风力发电机的分类………………………………………………………………………12

第四章垂直轴风力发电机组部分零部件的设计 ………………………………17
4.1风力机的基本原理………………………………………………………………………17
4.2小型风力发电机部分零部件的设计……………………………………………………18

第五章垂直轴风力发电机正常工作的条件 ……………………………………30
5.1垂直轴风力发电机的调速………………………………………………………………30
5.2垂直轴风力发电机的启动………………………………………………………………30
5.3垂直轴风力发电机制动器的设计………………………………………………………30
5.4 小型风力发电系统中配置的蓄电池……………………………………………………30
5.5发电机系统中的防雷击设施……………………………………………………………31

结束语 ………………………………………………………………………………32
参考文献 ……………………………………………………………………………33

2KW家用垂直轴风力发电机的设计【SW】

内容简介：: 1 小型风力发电机部分零部件三维图图 1 小型风力发电机叶片三维图图 2 小型风力发电机轴毂三维图 2 图 3 小型风力发电机风力机三维图 1 图 4 小型风力发电机风力机三维图 1 小型风力发电机组动力结构设计开题报告班级（学号）：姓名：指导教师：一、综述数千年来，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，她资源丰富，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，煤炭占石油占天然气占 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 1996世界风电市场增长从表 1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 2 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 是 1996 年装机容量的。风力发电近几年发展如此之快，是因为它有许多优点 :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 ;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 ;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。究现状及已有成果 (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 100 300W，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 1 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。 (2)已有成果 300 型风力发电机 1)性能特点 300 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 1 300 型风力发电机图 2 300 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：叶片数： 3 片风能利用系数：定风速： 8 米 /秒 3 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： 3 25 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： ( 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 5000 9 型风力发电机 1) 性能特点 5000 9 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 型风力发电机图 4 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：电储能式 )；阻加热式 )；动电动机式 )；网式 ) 4 蓄电池容量： 350 安时塔架高： 12 米整机重量： 2500 千克二、研究内容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，进行风力机的方案设计。 2、进行变向器的方案设计。 3、进行机械装配图设计，功能完备后，然后进行机械零件的详尽设计。三、实现方法及与其预期目标 1、用 2、完成风力机设计装配图。 3、完成变向器设计装配图。 4、完成部分零件部件图。 5、完成小型风力发电机设计的总装图。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。图 5 风力发电机系统方框图设计过程牵涉到了机械知识，控制系统知识，电子电路知识，软件知识等各方面的知识，虽然实现了一些单纯由机械或电子技术都难以实现的功能，但是同时由于多学科融合的特点也给这些机械产品的设计提出了更高的要求，产品设计问题较传统机械更为突出，设计在产品的整个生命周期中占据越来越重的比重，它从根本上决定了产品的内在和外在的品质。预期目标是向新型立体式风力发电机发展。立体式风力发电机即风力发电机的轴和风的方向垂直。它克服了一般风力发电机叶片需要不断增长和提高塔架以及在材料和加工工艺等方面的困难。这样来自任何方向的风都可以充分利用，提高了风能利用率。又可以降低高大的支撑铁塔，结果造价低，重量也轻了许多。叶片是风力发电机的关键部件，它的作用是将风的流动转换为风轮的转动从而驱动发电机发电。叶片设计制造的好坏直接关系到风力发电风力机械负载（电网）发电机风储能设备 5 机的效率和使用寿命，所以对叶片的设计制造的研究有着非常重要的现实意义。叶片和风力发电机的设计是重点也是难点。四、对进度的具体安排 1. 第 1 课题调研，学习相关理论； 2. 第 4 周撰写并提交调研报告和开题报告； 3. 第 5 系统的整体方案的确立； 4. 第 7 系统硬件的设计（主要是风力机的结构设计）； 5. 第 10 零件部件的绘制； 6. 第 12 其它硬件的设计； 7. 第 15 撰写并提交毕业论文；审阅、评审并修改毕业论文； 8. 第 17 周完成毕业答辩五、参考文献新的可再生能源一未来发展指南海洋出版社， 1998，；中国一欧洲联盟能源合作大会文集 1996；中国新能源与可再生能源 1999白皮书中国计划出版社， 2000，；中国可再生能源技术评价中国环境科学出版社， 1999；取之不尽的风力发电 2000，；能源科学导论中国电力出版社， 1999；北京二中国环境科学出版社， 1998；政府的支持推动新能源快速发展 1997；刚，刘春娟 2005；晓荣，刘德庸机械设计 , 2005；文华风力发电， 2003；新彦机电工程， 2006。 6 指导老师：年月日督导老师：年月日领导小组审查意见：审查人签字：年月日摘要能源危机是我们面对的最大挑战之一，风力发电是具有大规模发展潜力的可再生能源，在远期有可能成为世界重要的替代能源。尽管水平轴风力机是目前应用最广的一种风力发电机，但垂直轴风力机有着优越的性能，并越来越被人们所重视。垂直轴风力机具有比水平轴风力发电机更好的商业开发价值，应用领域十分宽广。阐述了垂直轴风力机的发展历史及基本现状，从各方面比较了水平轴风力机以及垂直轴风力机，得出垂直轴风力机在各方面的优势，并介绍了达里厄风力机的改进型式。论证了垂直轴风力机的整体方案，确定了风力机固定攻角及可变攻角两种方案的运行方式。由于风力发电装置所需的发电机未形成标准和系列，无法选型，因此自主设计了 50电机。最后详细设计了垂直轴风力机的机械本体，确定了风力机各部分结构的最终数据，经校核验证垂直轴风力发电机的性能满足设计要求。关键词：风能；垂直轴；风力发电机 he is of we is a be an in is of us of of be in of us in by of of of of be of no or so 0kW is in of in of It be 目录第 1章绪论 1 言 1 界及我国风力发电发展现状 1 内外风力机研究现状 3 力机的造型 3 平轴风力机 3 直轴风力机 3 直轴达里厄型风力机 4 里厄风力机的发展历史 5 里厄风力机与水平轴螺旋桨风力机的比较 6 里厄风力机的改进 7 计选题目的及意义 8 计的主要内容及具体要求 8 第 2章总体方案的论证设计 9 体结构布局的初步确定 9 力机运行方式的设计 9 定攻角风力机的设计 10 变攻角风力机的设计 11 章小结 15 第 3章电机的设计 16 磁设计的依据和任务 16 要尺寸和极数的选择 16 要尺寸的确定 16 弧系数与电磁负载 A 及 B的选择 18 数的选择 20 枢设计 20 枢绕组、槽数和槽型 20 向器的主要尺寸与电刷的选择 22 路计算 23 流电机的磁路与主极漏磁系数 23 隙 24 枢齿部 24 极 24 子轭部 25 机轴的设计 26 章小结 26 第 4章机械本体设计及校核 27 轴器的选取 27 动器的选取 27 承轴及其附件的设计校核 28 承轴最小直径的确定 28 承轴的校核 29 承轴上键的校核 32 沟球轴承的校核 33 力球轴承的的校核 34 转支撑筒的设计及校核 34 速同向传递机构的设计及校核 35 的设计 35 轮的设计校核 40 承的选择 42 杆的设计及校核 43 杆部分数据的确定 43 横杆的受力分析 44 杆与法兰连接处螺栓的选取及校核 46 片与横杆连接处的设计校核 47 接轴的设计校核 47 核连接板的拉伸强度 48 承的选择及校核 48 章小结 49 结论 50 参考文献 51 致谢 53 1 第 1章绪论言稳定、可靠、清洁的能源供应是人类文明、经济发展和社会进步的保障。煤炭、石油、天然气等化石能源支持了 19 世纪和 20 世纪近 200 年人类文明的进步和发展。然而，化石燃料的大量消耗，不仅让人类面临资源枯竭的压力，同时也感觉到了环境恶化的威胁。 2l 世纪是科技、经济和社会快速发展的世纪，也将是从化石燃料时代向具有持续利用能力的可再生能源时代过渡，逐步开创一个人类摆脱化石燃料桎梏的能源新时代的世纪。风能是可再生能源中发展最快的清洁能源，也是最具有大规模开发的商业化发展前景的可再生能源。积极发展可再生能源，对增加能源供应，调整能源结构，缓解环境污染，保障能源安全，促进经济发展，建设和谐社会都起到重要作用。风力发电是近期内技术成熟，在远期有可能成为世界重要的替代能源。据专家们的估计，地球上所收到的太阳辐射能大约有 2%转换成风能，风力发电可以有效利用的风速范围为 3 20m / s ，最适宜的风速范围是 6 8m / s ，地球上蕴有风能约为亿利用的风能约为 200 亿机容量可达 10年可发出电力。地球上的风能资源是地球上水能资源的 10 倍，已经利用的不足千分之一 10。在技术上全球风能资源是整个世界预期电力需求的 2 倍，也就是说，只要利用地球上 50%的风能资源就能满足全球能源。界及我国风力发电发展现状由于欧美国家风能资源丰富，工业技术水平高，这些国家在风力发电领域占绝对优势。目前世界上装机容量最大的国家是美国，其次是德国、丹麦、印度。它们的单机容量已达 1 0 0 0 3 2 0 0 k W。美国、德国、等许多国家都把 2 风力发电视为最大的补充能源。目前世界最大的风力发电机是德国制造，高达 120m，风机直径可达 126m，每个叶片长片重 18t，装机功率可达 53。预计到 2050 年风力发电要占上述国家全国发电量的 20% 30% 。专家预测，到 2010 年，全世界风力发电机组装机容量将突破我国的风能资源丰富，总储量估计约 16 亿世界第三位。按目前估计的技术及可开发储量计算，年电量可达 2 万亿，并且能有效地减少污染物的排放，缓解全球气候变暖的趋势。 2002 年欧洲风能协会和绿色和平组织发表了“风力研究报告，提出了 2020 年风电在全球全部发电装机中占据 12%的宏伟目标，届时，中国的风力发电将能够占到全球风电总量的 14%15。目前，全球风力发电居前三位的分别是德国、西班牙和美国，三国的风力发电总量占全球风力发电总量的 60%。近年来亚洲地区风力发电的增速显著。我国是发展中国家，对风能资源的开发利用也十分重视。在 20 世纪 60年代就开始研制有实用价值的新型风力机， 20 世纪 70 年代以后发展较快，在装机容量、制造水平及发展规模上都居于世界前列。中国已经建成众多风电厂，掌握了风电厂运行管理的技术和经验，培养和锻炼了一批风电设计和施工的技术人才，为风电的大规模开发和利用奠定了良好的基础。 2005 年 2月，中华人民共和国可再生能源法颁布后，我国风能发展进入了一个新的时期。到 2006 年底，全国除台湾地区以外建成了 91 个风电场，风力发电总装机容量达到了 2599中 2006 年新增 1337 2006 年新增风力发电机数量来看，印度和中国分别排第三位和第五位。专家预测，数年以后，全球风力发电量第一的宝座将由美国和中国争夺 23。随着风电的发展，风力机制造业也在迅猛发展，成为一种新兴的机械行业。 3 内外风力机研究现状力机的造型风力机又称风车，是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置。风力机的造型，既要考虑到结构和质量的需要，也要考虑到视觉的要求。按风轮轴的不同可分为水平轴风力机和垂直轴风力机。能量驱动链 (即风轮、主轴、增速箱、发电机 )呈水平方向的，称之为水平轴风力机。能量驱动链成垂直方向的，称之为垂直轴风力机 10。平轴风力机水平轴风力机是目前国内外研制最多，最常见的一种风力机（1），也是技术最成熟的一种风力机。其风轮叶片数一般为 23 叶，叶片形状一般为翼形，该风轮启动力矩较大，风能利用系数高。为使扫风面随时对风，需装有调向装置。图平轴风力机直轴风力机传统的垂直轴风力机叶轮的转动与风向无关，因此不需要像水平轴风力机那样采用迎风装置。 4 垂直轴风力机可分为两个主要类型，一类是是利用空气动力的阻力做功，典型的结构是 S 风轮，它由两个轴线错开的半圆柱形组成，其优点是起动转矩较大，缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流，从而对它产生侧向推力。对于较大型的风力机，由于受偏转与极限应力的限制，采用这种结构形式是比较困难的。另一类是利用翼型的升力做功，最典型的是达里厄 (风力机。达里厄风力机有多种形式，型、 H 型、 Y 型和菱形（见图 1）。基本上是直叶片和弯叶片两种，以型、 H 型风轮为典型 10。 H 型风轮结构简单，但这种结构造成的离心力使叶片在其连接点处产生严重的弯曲应力，另外，直叶片需要采用横杆或拉索支撑，这些支撑将产生气动阻力，降低效率；型风轮看起来像是个巨型打蛋器，所采用的弯叶片只承受张力，不承受离心力荷载，从而使弯曲应力减至最小。由于材料所承受的张力比弯曲应力要强，所以对于相同的总强度，叶片比较轻，且比直叶片可以以更高的速度运行。图型及 H 型垂直轴风力机直轴达里厄型风力机虽然目前世界各地的大部分风场所用的风力机为水平轴的，但由于垂直轴风力机，尤其提到达里厄型风力机，有着优越的空气动力性能，提高了效 5 率，并且很大程度降低了造价，所以近年来广泛受到各国研究人员的关注。里厄风力机的发展历史达里厄风力机是由法国人 1925 年发明的， 1931 年取得专利权。当时这种风力机并没有受到关注，直到 20 世纪 70 年代石油危机以后，才得到加拿大国家科学研究委员会 (美国圣地亚 (家实验室的重视，进行了大量的研究。美国第一个达里厄型风机只有 12 英寸高，安装在一个工程师的桌子上，圣地亚的研究人员用扇子扇风来运行这个小风机。不久，一个 5 米高的模型产生了，叶片是由钢结构做骨架，并用泡沫塑料和玻璃纤维罩面，叶片截面采用一般用于螺旋桨的泪珠形。实验人员把它安装在屋顶上，并且需要手动来启动它绕轴旋转。 1975 年圣地亚 17 米的达里厄风机的模型诞生了，良好运行超过 10,000 小时。之后，这种风力机用于商业开发，并且在气候条件良好的福利尼亚州建了风力发电场，该风场由 500 多个这种垂直轴风力机组成的 10。 80 年代中期，司开始关注在行的有关降低造价以及提高可靠性方面的研究，并且给予了资金方面的支持。至此，气动力学，结构动力学，疲劳及可靠度，系统工程等。由于 17m 风力机的成功，究人员在 1988 年建成了高达 34m 的风力机试验模型。该产 500量，满足该地区一半以上的用电量。该风力机的主要特性是在一定的风速范围内 ( 25 40它都能工作，而大多数的风力机只能在某一恒定风速下运转。现在，续支持研究。验室正利用它的计算机模型计算各种工况下产生的应力，并进一步分析对结构运转产生的影响。 6 里厄风力机与水平轴螺旋桨风力机的比较 1、从叶片受力分析比较水平轴桨叶上受到正面风载荷力，离心力，叶片结构相似悬臂梁，叶片根部受到的由弯矩产生的应力较大，大量事故都是叶片根部折断引起的。型垂直轴风力机叶片两头与轴固定，尤如一张弓，叶片是柔性的，叶片的形状不是由叶片的刚度来保证的，而是轴旋转后叶片自然形成一条“无弯矩应力曲线”，叶片只受拉应力，故受力较小，用料少，不易折断。 2、从系统稳定性分析水平轴风力机机仓放置在较高的塔顶，而且是一个可 360 旋转的活动联接机构，自身重达十几吨至几十吨，叶片上随机风荷载达几十吨，重心高，结构不稳定，且高位放置导致安装和维护不便。垂直轴风力发电机组发电机的齿轮箱在底部，重心低，不仅稳定，而且维护方便，风机塔架可以用钢索进行固定，因而制造成本大大减小。 3、从迎风分析水平轴机组机仓需 360 旋转，以达到“迎风”目的。这个调节系统包含有风向检测、角位移发送、角位移跟踪闭环电力拖动系统。垂直轴风力机不要迎风调节系统，可以接受 360 方位中任何方向来风，主轴永远向设计的方向转动。 4、从附属系统分析达里厄系统不需要闭环液压调距系统，不需要叶片迎风调节系统，不需要任何自动控制调速系统或特殊设计的变速恒频发电机，在整个可发电风速范围内向电网输出同频率，同电压的电功率。不需要发电机的过载、过流保护系统及复杂昂贵的监控系统。 5、系统风电转换效率高于其他机型与系统风电转换效率涉及到以下七个效率：（ 1）风机效率也就是风能利用系数平 7 轴风力机最大值一般为达里厄风轮的气动性，加拿大气动研究委员会实验室主任坦普林 (为该风轮的风能利用系数能达华大学对直径 600达里厄风轮机进行了风洞试验，表明其风能利用系数最高可达于风轮叶片不可能永远运行在最大值上。是随系统工况而变。所以两种风力机平均都取1 ；（ 2）升速齿轮箱效率2 (减速箱效率较高，升速箱低 )；（ 3）发电机满载时效率为轻载时效率为取平均效率3 ；（ 4）大功率整流器效率4 ；（ 5）蓄电池充电效率5 ；（ 6）蓄电池放电效率6 ；（ 7）直流变三相交流，逆变器效率7 。水平轴交交并网发电，风电转换综合效率为以上七个效率相乘，等于达里厄交流并网系统，因为低位布置可以配以低速发电机，而不要齿轮箱，它发出电能直接由发电机入网，不需要昂贵的交交系统，它的风电转换效率是 21%，明显高于水平轴风力机 10。达里厄风力机的缺点：（ 1）不能自启动；（ 2）调速、限速困难；（ 3）叶片弯曲，不易加工。里厄风力机的改进为克服上述达里厄风力机的问题，许多学者作了不少努力，在原先的达里厄基础上做出了不少改进：（ 1）直叶片垂直轴风力机 14：直叶片风力机不仅仅是具有活动叶片的另一种达里厄。叶片倾角的变化是用导杆或凸轮获得的。试验表明在低速下直叶片垂直轴风力机的效率比传统的达里厄风力机要高，并具有自启动的特 8 点。（ 2）学的德拉加德（学的伊万斯（设计的达里厄风力机，是具有活动叶片的达里厄风力机。叶片的重心偏离叶片转轴，作用在重心上大的离心力使叶片转一定的角度，结果使风力机实现自调节。（ 3）德拉加德风轮上的叶片角度由两块挡块和附装在后缘的弹性带限位。在伊万斯风力机 14上这个功能是通过离心锤和作用在前缘上的弹簧力实现的。与传统的达里厄风力机比较，这三种风力机的优点是都能够实现自启动。计选题目的及意义风能资源是大自然赐予人类取之不尽用之不竭的绿色能源，世界各国研究人员都在努力寻找各种途径，能最大限度的利用风能。随着科技的发展，水平轴和垂直轴风力机相继问世，并在不同时期不同地区发挥作用。然而如何以最低造价、最小人力物资投入而获益最多是值得探讨的问题，总结上文，可以发现垂直轴风力机系统力学性能好，结构简单，成本低，值得大力推广。计的主要内容及具体要求（ 1）详细查阅相关资料，明确工作重心，进行论文及设计的进度安排；（ 2）垂直轴风力发电装置的总体方案设计，主要为机械结构整体框架的设计，包括固定攻角型式风力机的设计及可变攻角型式风力机的设计；（ 3）设计发电装置的详细机械本体，并初步设计发电机；（ 4）进行受力及强度分析（不包括风动力分析）；（ 5）通过软件绘图完成原样图，及工程化图纸；（ 6）撰写论文，详尽阐述设计的细节、难点、重点。再次检查、修改设计结构及毕业论文，准备毕业答辩。 9 第 2章总体方案的论证设计体结构布局的初步确定考虑到尽可能使风力机的发电效率达到最高，因此风力机的设计采取简单的组合以达到最高的效率并保证机构的安全系数。风力发电装置主要由叶片、连接杆、轮毂、发电机、制动装置及附件装置组成，可简单如图示。 a（）方案为电机与轮毂间距离较小，电机的位置距离地面较高， b（）方案为电机放置于地面，但轮毂与电机间需采用较长的联轴器。经比较，两种方案各有优缺点， a（）方案在于电机需吊装，发电机距离地面高，且不便于维护， b（）方案电机便于维护，但需增加联轴器，传动效率下降，且经济性下降。因此，风力机的设计采取 a（）方案。图力机的总体布局力机运行方式的设计垂直轴风力机需要进行两种攻角的设计，即固定攻角和可变攻角。固定 10 攻角即叶片与横杆固定连接，叶片与横杆没有相对运动；可变攻角可实现叶片与横杆角度的相对变化，即叶片可根据设计达到最好的迎风面。定攻角风力机的设计 1、固定攻角的介绍固定攻角为传统的达里厄风力机型式，叶片的受力主要靠叶片的自身的流线型，对叶片的设计不做详细的阐述。固定攻角原理：假设风轮在风的作用下转动，如图示，气流与叶片的相对速度风速叶片圆周速度的关系为 V U W果已知矢量就可确定矢量叶片所受的空气动力。图片不同位置受力图 2、横杆的改进设计传统的 H 型风力机如图示，这种方式对发电机输出轴要求较高，并且结构相对复杂，现场安装程序较多。另外，从力学方面分析， H 型垂直轴风力发电机功率越大、叶片越长、平行杆的中心点与发电机轴的中心点距离越长，抗风能力越差。因此，经该进的方案如图示，采用三角形向 11 图进的 H 型风力机叶片连接型式量法。这种方案的优点在于：（ 1）中间旋转筒的长度减小，从而减轻旋转筒的质量；（ 2）减小了旋转筒所受的应力；（ 3）叶片的中心相对于旋转轴的中心降低了，从而减小了对中间旋转轴的应力；（ 4）旋转时横杆能依靠离心力减小叶片自身重力引起的横杆端部螺栓的受力。经总结，这种方案最为合理。变攻角风力机的设计可变攻角是指垂直轴风力发电机的风轮在转动过程中，当叶片处于不同位置时根据风速、风向的变化情况，使叶片的“攻角”保持受控变化，使其始终处在最佳的“攻角”位置，从而达到最大的风能利用率。本次设计采用上文所述的直叶片垂直轴风轮，叶片变攻角本质上是靠五杆机构实现的。平面五杆机构在机械设计中有着广泛应用，随着工业技术与可控机构的发展，五杆机构作为一种结构简单、可以产生丰富运动轨迹的多自由机构受到越来越多关注。 1、五杆机构运动学正解分析已知主动件的运动规律和机构杆长，求解运动输出点的运动规律称为运 12 动学正解分析。如图示，取铰链 A 点为绝对坐标系的坐标原点。已知：原动件为杆 1 和杆 4，1l、2l、3l、4机构的杆长，两原动件的相位角为1和4；角速度为1和4； C 点的位置 ( , ) 由图封闭矢量法得23C B Dr r l r l v v；图面五杆机构运动学分析简图由各矢量在轴上的投影，可得 C 点的位置方程： 2 2 32 2 3c o s c o ss i n s i Dx x l xy y l y （将式（移项后平方相加，消去3得： 0 2 0 2 0c o s s i n 0A B C （式中 022 ( )l x x； 022 ( )l y y； 2 2 20 2 3l l l ； 13 22( ) ( )B D D B D Bl x x y y ；解式（可得： 2 2 20 0 0 02002 a r c t a n ( )B A B （式（中， “ ”和“ ”表示已知两铰点 B 、 D 的位置和杆长2l、3l，该杆组可有两种位置的可能，如图 1 中实线位置取“ ”，虚线位置取 “ ”。将2带入式（可求得 C 点的位置可求得 3 a r c t a n ( / )C D C Dy y x x 2、风力机的五杆设计如图示，为叶片，为横杆，和保持角速度相等并随时保持平行，即14，14。设计时，根据图，初步选取1 ，2 1，3 ，4 1，5 ，初始时1490o，其中1海斯模电子设备有限公司的力发电机参数。图力机五杆运动学分析简图设计中将图软件与叶片位置动态相联合，绘制叶片在不同 14 位置时2的角度。由图知叶片攻角的变化，至于叶片在攻角的位置是否能达到迎风最大效率，需要考虑叶片的形状，叶片的设计涉及流体力学相关知识，不在本设计之内。本设计所确定的杆长也只是作为机械本体的设计基准，若流体效率方面存在问题，则需根据实际情况进行修改，以便到最大的发电机效率。图力机叶片攻角变化图 3、横杆的结构设计因变攻角在结构上的要求，装置上增加了等速同向传递机构，因此横杆的结构设计不能采用图示的结构，必须加以修改。新改进的结构图如图示，上横杆由原先的上倾斜变成水平。这种结构优点在于减小了等速同向传递机构上轴的长度，从而减少了轴所受的应力。 15 图杆与轮毂布置示意图章小结在本章中，介绍了垂直轴风力机结构布局的理解及设计内容，理清了设计思路，并剖析了所设计装置的原理，改进了横杆的设计，确定了风力机的运行方式，即固定攻角和可变攻角两种运行方案，为下一章的进一步的设计奠定了基础。 16 第 3章电机的设计在我国，大、中型风力发电机的起步较晚，对风力发电机的专用电机还没有形成标准和系列。因此，对发电机进行了初步的设计，以供参考。考虑到电能的存储，选取直流发电机为垂直轴风力发电装置的发电机。直流电可以直接存储于蓄电池中，减去了交流电存储所需的逆变装置，具有一定的优点。所设计的电机基本要求为：额定功率 50速 50r/ 磁设计的依据和任务直流电机电磁设计的任务是按电机额定数据确定其与电磁有关的几何尺寸和绕组数据、计算换向参数、工作特性和温升等。电磁设计必须使电机的工作特性、换向性能、温升和一些主要安装尺寸符合国家标准机基本技术要求及有关技术标准的规定，满足产品技术条件。电磁设计的程序一般是：（ 1）根据电磁负载经验值初步确定电枢直径和长度，相应的确定极数；（ 2）确定电枢绕组、电枢铁心和换向器、电刷的主要尺寸；（ 3）确定磁路各部分的尺寸，计算空载特性曲线、电枢反应去磁磁动势并确定励磁绕组；（ 4）确定换向极和补偿绕组；（ 5）计算损耗、效率和工作特性；（ 6）估计温升、冷却空气的风量和风压，确定风扇尺寸。设计中主要是大致确定电机的主要尺寸参数，其余涉及磁路部分参数主要依据电机专业相关知识进行完善，在此不进行详细的计算。要尺寸和极数的选择要尺寸的确定直流电机的主要尺寸指电枢的直径们与电枢绕组、换向 17 器、定子以及电机的运行性能和经济性密切相关。定转速和所选择的电磁负载有以下的关系： 112 6 . 1 1 0 e m e ma t a l n n （式中电机常数 3cm r / m 额定转速 / 电枢长度电枢直径极弧系数； B 气隙磁痛密度 G ； A 电负载 A/ 电磁功率 12 （式中额定功率电机效率；据本风力发电装置的要求，初步设定电机额定转速为 50r/额定功率 50 根据图选取电机效率 =则根据n=从图查得电机常数18 104，据式（ 2a 1053 1、电枢直径的选择 2确定后，一般先选取确定电枢直径根据图，由n 1 查得直径范围60 80 中小型电机和低速中大型电机的换向问题较易解决，可选用较小直径以 18 减少电枢的转动惯量，提高电机的动态性能，因此经综合考虑选取电枢直径5 2、电枢长度的选择在上述 2枢长度22 4 5 . 8 c a 取46 从换向性能、通风发热、机械强度和工艺等方面考虑，中大型电机中能用的最长电枢长度与电枢直径有关，当250：m a x 6 5 0 。经验算，取6合要求。 3、电枢长度与直径的比值（值的大小，影响电机的性能和经济指标。因此，定后，应核算值。小，即电枢直径短而长度短，有利于电枢通风散热；且可减小电枢绕组的电抗电动势，有利于电机换向；但电枢直径增大，定子、换向器、刷架、端盖的直径随之增大，经济性较差。值大，则转动惯量小，电枢绕组端部用铜及铜耗也相应减小，但换向性能和冷却条件随值的增大而变坏。根据图，可知当 = 则 =合要求。弧系数与电磁负载 A 及 B的选择从公式（： 116 1 0A 3cm r / m （ 19 上式中的、 A 及 B分别按下式确定极弧系数：电负载： A2 a （气隙磁通密度： B G （式中极靴计算弧长极距电枢电流 A ； N 电枢总导体数； 2a 电枢绕组并联支路数； N 额定转速、电压和电流时的每极气隙磁通；大对缩小电机主要尺寸有利，但极靴之间距离窄，将使磁极漏磁增加，并不影响换向。参考图，范围为合考虑取= 选用的 B和 A 值愈大，则电机的主要尺寸愈小。但若 B过大，将引起电机铁心过分饱和，从而增加励磁绕组损耗，及电枢铁心损耗，是电枢温升增高和电机的效率下降。又若 A 值过高，电抗电动势将增加，使电机换向性能恶化，电枢温升增高。 B和 A 值都不宜选上限，这样选择虽然电机体积可以缩小，但对电机的工作特性和温升将产生不良影响。 B 的经验值根据图，可得8 7 0 0 1 0 5 0 0 ， A 的经验值根据图，可得 A = 4 0 0 4 8 0 A / c m。初步确定 B=10000G ， A =450A/ 在确定、 B、 A 后带入公式（核 20 116 1 0A 0，经比较与值 0较接近，符合要求。数的选择选择极数应综合考虑运行性能和经济指标

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