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20
风力发电机
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20千风力发电机的设计含开题及4张CAD图,20,风力发电机,设计,开题,CAD
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学科门类： 单位代码 ： 毕业设计说明书（论文）中文题目：20千瓦风力发电机设计 外文题目：20 KILOWATT WIND-DRIVEN GENERATOR DESIGN学生姓名所学专业 班 级 学 号 指导教师 XXXXXXXXX系二*年XX月辽宁工程技术大学 本科毕业设计（论文）开 题 报 告 题 目 20千瓦风力发电机设计 指 导 教 师 院（系、部） 专 业 班 级 学 号 姓 名 日 期 48 自然界的风是可以利用的资源，然而，我们现在还没有很好的对它进行开发。这就向我们提出了一个课题：我们如何开发利用风能？自然风的速度和方向是随机变化的，风能具有不确定特点，如何使风力发电机的输出功率稳定，是风力发电技术的一个重要课题。迄今为止，已提出了多种改善风力品质的方法，例如采用变转速控制技术，可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。由于变转速风力发电组采用的是电力电子装置，当它将电能输出输送给电网时，会产生变化的电力协波，并使功率因素恶化。因此，为了满足在变速控制过程中良好的动态特性，并使发电机向电网提供高品质的电能，发电机和电网之间的电力电子接口应实现以下功能：一，在发电机和电网上产生尽可能低的协波电波；二，具有单位功率因素或可控的功率因素；三，使发电机输出电压适应电网电压的变化；四，向电网输出稳定的功率；五，发电机磁转距可控。此外，当电网中并入的风力电量达到一定程度，会引起电压不稳定。特别是电网发生短时故障时，电压突降，风力发电机组就无法向电网输送能量，最终由于保护动作而从电网解列。在风能占较大比例的电网中，风力发电机组的突然解列，会导致电网的不稳定。因此，用合理的方法使风力发电机组电功率平稳具有非常重要的意义。风力发电对电网的不利影响可以用储能技术来改善。例如，用超导储能技术使风力发电机组输出电压和频率稳定。另外，飞轮储能技术发展较为成熟，具有使用寿命长，功率密度高，基本上不受充电，放电次数的限制，安装维护方便，对环境无危害等优点。 在机械结构方面，改进设计，避免或减少由于风的波动引起的有害机械负荷，减少部件所受到的应力,从而减轻有关部件及机组整体的质量.进一步降低成本.改进机械结构的另一个动向是采用新型整体式驱动系统,集主传动轴,齿轮箱和偏航系统为一体,这样就减少了零部件数目,同时增强了传动系统的刚性和强度,降低了安装,维护和保养的费用. 由于空气动力学的不确定性和发电机,电力电子装置的复杂性,风力发电系统模型的描绘很困难.可能影响风力发电机组性能的误差源和不确定性包括:雷诺数的变化,会引起5%的功率误差;叶片上的沉积物和下雨影响,可造成20%的功率变化;其他例如老化,大气条件和电网等因素,在机组的能量转换过程中,都会引起不同程度的功率变化.因此,风力发电系统模型具有很强的非线性,不确定性和多干扰性等特点.一、选题的目的、意义和研究现状二、研究方案及预期结果较经济的手段。在常规能源并不缺乏的情况下，只要减排压力加大，风电才能得到更快发展。风电的社会效应比经考虑到风力发电机的控制系统可靠性的问题,可以采用自适应控制器,以改善风力发电机组在较大运行范围内,功率系数特性.在自适应控制器,以改善风力发电机组在较大运行范围中,功率系数的衰减特性.在自适应控制器中,通过测量系统的输入输出值,实时估计出控制过程中的参数,因此控制器中的增益可调节.在遇到干扰和电网不稳定时,自适应控制器比PI控制器有许多优点.但实时参数的估计是其一个主要的缺点,因为它需要耗费大量的时间,自适应控制器还需要一个参考模型,而建立一个精确的参考模型是相当困难的.模糊控制不需要精确的数学模型,可以高效的综合专家经验,具有较好的动态性能.它基于模糊逻辑的智能控制技术,最近几年已被引入风力发电机组控制领域,并受到重视.基于模糊控制和神经网络的智能控制方案,用模糊控制调节电压和功率,用神经网络控制桨距角及预测风轮气动特性的细节,可参考有关专门文献.这种方案可以较好的满足最大能量获取,保证可靠运行和提供良好的发电质量的控制目标.但是,神经网络调节器是离线训练的,当机组老化或者运行条件变化时,难以较好的实现控制目标.对于高精度的控制问题,模糊控制的效果也不理想. 在目前体制下,如果缺少当地电管部门的支持,风能很难得到大规模发展.在风力发电行业内部,还没有建立起有效的市场竞争机制.现在没有足够投资的原因，不是由于资金有限造成的，很大程度上是缺乏相应的投资政策和法规。目前，风电的作用主要不是为满足电量需求，而是提供了一条减排CO2等温室气体比济效益更重要，因此，风电高于煤电发电的价差应由全社会承担。否则，风能资源丰富的省区开发风电越多负担越重。在这种情况下，政府扶持是重要的。2000年，德国制定了可再生能源促进法，从法律上制订的可再生能源的发电电价，保证经营者可得到一定的利润，从而激发人们开发再生能源的热情。这样投资一座风力发电场只需78年就能收回成本。而风力发电设备的使用寿命最少有20年，投资收益率很高，没有任何风险。在风电机制造过程中或风电场土建施工中，没有特殊要求的材料或加工工艺。丹麦生产的大型风电机，其制造中所消耗的能源在投产运行后34个月内即可补偿。现代发电机的设计寿命是2030年，风电机报废后，可按常规方法处理。风电机在制造和运行过程中不排放任何有害物质，因此对健康和生态没有不利影响。风电对减排CO2贡献取决于它所替代的电量是用何种化石燃料生产的。 开发风电最主要的是环境效益，需要具体的立法支持，把可再生能源的开发当成为一项国民社会义务。国内的实际情况是风电场很难保证投资者的利益及鼓励风电场建设的积极性，简单的办法就是给风电定一个较高的上网价格，确保风电场投资者或开发商能偿还贷款利息。在税收方面，只实行优惠的关税政策，以推动风电机进口，而仍没有任何关于风电增值税和所得税方面的优惠措施，风电没有火电的燃料进项抵扣，实际交纳的增值税比火电高。银行方面没有低息长期贷款，在7年的还贷期内，风电上网电价很高，而风电高于火电的价差，目前规定在省级电网内分摊，造成开发风电越多负担越重。西部经济落后地区，如新疆和内蒙古，已难以承受，没有风能资源的省区却无需负担。 我国对风电已有部分优惠政策，包括一下几个方面。 一.风电配额 制定出常规火电污染排放量分配比例，由全国所有省区共同分摊的政策。 二.风电上网电价 落实风电高于火电的价差摊到全省的平均销售电价中。制定出按常规水电污染排放量分配比例，由全国所有省区共同分摊的政策。按地区具体情况定出风电最高上网电价的限制，并保持10年不变，促使业主充分利用资源，降低成本。 三.售电增值税 发电增加了新的税源，建议参照小水电，核定风电销售环节增值税率为6%。 四.银行贷款 为降低风电电价，减轻还贷压力，建议适当延长风电还贷期限，还贷期增至15年；为风电项目提供贴息贷款。 五.鼓励采用国产化风电机 为采用国产化风电机的业主提供补贴和贴息贷款，补偿开发商的风险，帮助初期国产化机组进入市场，得到批量生产和改进产品的机会，以利降低成本。 六.建立市场机制 鼓励私人投资和引入外资，参照海洋石油开发的方式制定有关风能资源开发特许权的法律法规。三、研究进度第1 4周 参观实习，收集相关资料及写开题报告；第5 8周 根据资料拟定设计方案，初估各机构尺寸并对其进行校核；第910周 对各零件进行绘图并对部分组装图进行绘制；第11周 编写WORD文档及毕业论文；第1215周 整理图纸、编写设计说明书；第16周 进行论文的检查并准备答辩四、主要参考文献1 李柱国.机械设计与理论 （2）第2版.北京：科学出版社.20042 官忠范.液压传动系统 第3版.北京：机械工业出版社.1996，63 成大先 .机械设计手册 单行本.北京：化学工业出版社.2004，44 孟宪源现代机构手册M第1版北京：机械工业出版社1994，65 徐灏机械设计手册（1）M 第2版北京：机械工业出版社20006 徐灏机械设计手册（2）M 第2版北京：机械工业出版社20007 徐灏机械设计手册（3）M 第2版北京：机械工业出版社2004摘要自然风的速度和方向是随机变化的，风能具有不确定特点，如何使风力发电机的输出功率稳定，是风力发电技术的一个重要课题。迄今为止，已提出了多种改善风力品质的方法，例如采用变转速控制技术，可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。由于变转速风力发电组采用的是电力电子装置，当它将电能输出输送给电网时，会产生变化的电力协波，并使功率因素恶化。风能利用发展中的关键技术问题风能技术是一项涉及多个学科的综合技术。而且，风力机具有不同于通常机械系统的特性：动力源是具有很强随机性和不连续性的自然风，叶片经常运行在失速工况，传动系统的动力输入异常不规则，疲劳负载高于通常旋转机械几十倍。本文通过对风力发电机的总体设计，叶片、轮毂机构的设计，水平回转机构的设计，齿轮箱系统的设计，以达到利用风能发电的目的，有效利用风能资源，减少对不可再生资源的消耗，降低对环境的污染。关键词：风能；风力发电机；叶片；轮毂；齿轮箱AbstractNatural wind speed and direction of change is random, wind characteristics of uncertainty, how to make wind turbine output power stability, wind power technology is an important subject. So far, have raised a variety of ways to improve the quality of the wind, such as the use of variable speed control technology, can make use of wind round the moment of inertia smooth power output. Because variable speed wind power group using a power electronic devices, when it will transfer to the output of electric power grids, will change in the waves power, and power factor deterioration.Use of wind energy in the development of key technical issues involved in wind energy technology is one of a number of integrated technical disciplines. Moreover, the wind turbine is usually different from the mechanical system characteristics: a strong power source is not random and continuity of the natural wind, the leaves often run in the stall condition, the power transmission system very irregular importation, fatigue load than Rotating Machinery usually several times.Based on the wind turbine design, leaves, the wheel design, level of rotating the design, gear box system design, use of wind power to achieve the objective of effective use of wind energy resources, reduce non-renewable resources Consumption, reduce the environmental pollution. Key words: wind power； wind power generators；blade；wheel；Gearbox目录前言11概述 21.1风力发电机的发展简史 21.2我国现阶段风电技术发展状况 21.3风力的等级选择 31.4风能利用发展中的关键技术问题 42风轮的结构设计 62.1风轮设计中的关键技术迎风技术 62.2风轮桨叶的结构设计 72.2.1桨叶材料的选择 72.2.2风轮扫掠半径参数计算 72.2.3风轮的半径分配问题 82.3理想风能的利用 82.4桨叶轴的结构设计计算112.4.1桨叶轴危险截面轴颈的计算112.4.2桨叶轴各轴段轴颈的结构设计计算132.5风力发电机组的功率调节问题132.6风轮桨叶的复位弹簧参数计算152.7风轮的桨叶轴轴承座的螺栓强度校核计算182.7.1轴承座上螺栓组的布置问题182.7.2螺栓的受力分析和参数计算192.7.3轴承座上螺栓直径的计算202.7.4轴承座上螺栓疲劳强度校核203风力发电机的主轴结构设计223.1主轴的相关参数的选择和计算223.2轴段的设计与校核224风力发电机的增速器和发动机的选取254.1主轴与增速器之间的联轴器254.1.1联轴器的特点254.2.2联轴器的型号及主要参数254.2风力发电机增速器的选择254.2.1使用范围和特点254.2.2型号的选择264.3发电机的选取264.3.1选择发电机应综合考虑的问题264.3.2型号的选择265风力发电机的回转体结构设计和参数计算275.1初步估计回转体危险轴颈的大小275.2结构设计286风力发电机的其他元件的设计296.1刹车装置的设计296.2选择滑环296.3托架的基本结构307结论31致谢 32参考文献 33前言自然界的风是可以利用的资源，然而，我们现在还没有很好的对它进行开发。这就向我们提出了一个课题：我们如何开发利用风能？自然风的速度和方向是随机变化的，风能具有不确定特点，如何使风力发电机的输出功率稳定，是风力发电技术的一个重要课题。迄今为止，已提出了多种改善风力品质的方法，例如采用变转速控制技术，可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。由于变转速风力发电组采用的是电力电子装置，当它将电能输出输送给电网时，会产生变化的电力协波，并使功率因素恶化。因此，为了满足在变速控制过程中良好的动态特性，并使发电机向电网提供高品质的电能，发电机和电网之间的电力电子接口应实现以下功能：一，在发电机和电网上产生尽可能低的协波电波；二，具有单位功率因素或可控的功率因素；三，使发电机输出电压适应电网电压的变化；四，向电网输出稳定的功率；五，发电机磁转距可控。此外，当电网中并入的风力电量达到一定程度，会引起电压不稳定。特别是电网发生短时故障时，电压突降，风力发电机组就无法向电网输送能量，最终由于保护动作而从电网解列。在风能占较大比例的电网中，风力发电机组的突然解列，会导致电网的不稳定。因此，用合理的方法使风力发电机组电功率平稳具有非常重要的意义。本文通过对风力发电机的总体设计，叶片、轮毂机构的设计，水平回转机构的设计，齿轮箱系统的设计，以达到利用风能发电的目的，有效利用风能资源，减少对不可再生资源的消耗，降低对环境的污染。本论文在王慧老师的悉心教导之下，通过研读各著作期刊，经过多次的修改。由于作者水平有限，论文中难免出现点差错，恳请读者指正。1概述1.1风力发电机的发展史简介我国是最早使用风帆船和风车的国家之一，至少在3000年前的商代就出现了帆船，到唐代风帆船已广泛用于江河航运。最辉煌的风帆时代是明代，14世纪初叶中国航海家郑和七下西洋，庞大的风帆船队功不可没。明代以后风车得到了广泛的应用，我国沿海沿江的风帆船和用风力提水灌溉或制盐的做法，一直延续到20世纪50年代，仅在江苏沿海利用风力提水的设备增达20万台。随着蒸汽机的出现，以及煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，各种曾经被广泛使用的风力机械，由于成本高、效率低、使用不方便等，无法与蒸汽机、内燃机和电动机等相竞争，渐渐被淘汰。欧洲到中世纪才广泛利用风能，荷兰人发展了水平轴风车。18世纪荷兰曾用近万座风车排水，在低洼的海滩上造出良田，成为著名的风车之国。德国、丹麦、西班牙、英国、荷兰、瑞典、印度加拿大等国在风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人力及资金，充分综合利用空气动力学、新材料、新型电机、电力电子技术、计算机、自动控制及通信技术等方面的最新成果，开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展了变浆距控制及失速控制的风力机设计理论，采用了新型风力机设计理论，采用了新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出了变极、变滑差、变速、恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。到了19世纪末，开始利用风力发电，这在解决农村电气化方面显示了重要的作用，特别是20世纪70年代以后，利用风力发电更进入了一个蓬勃发展的阶段。1.2我国现阶段风电技术发展状况中国现代风力发电机技术的开发利用起源于20世纪70年代初。经过初期发展、单机分散研制、系列化和标准化几个阶段的发展，无论在科学研究、设计制造，还是试验、示范、应用推广等方面均有了长足的进步和很大的提高，并取得了明显的经济效益和社会效益。 我国对风电已有部分优惠政策，包括一下几个方面。1)风电配额 制定出常规火电污染排放量分配比例，由全国所有省区共同分摊的政策。2)风电上网电价 落实风电高于火电的价差摊到全省的平均销售电价中。制定出按常规水电污染排放量分配比例，由全国所有省区共同分摊的政策。按地区具体情况定出风电最高上网电价的限制，并保持10年不变，促使业主充分利用资源，降低成本。 3)售电增值税 发电增加了新的税源，建议参照小水电，核定风电销售环节增值税率为6%。 4)银行贷款 为降低风电电价，减轻还贷压力，建议适当延长风电还贷期限，还贷期增至15年；为风电项目提供贴息贷款。5)鼓励采用国产化风电机 为采用国产化风电机的业主提供补贴和贴息贷款，补偿开发商的风险，帮助初期国产化机组进入市场，得到批量生产和改进产品的机会，以利降低成本。表1-1 中国风电场装机容量发展情况（单位：万KW）Table 1-1 Chinas installed capacity of wind power development (unit : 10，000 KW)装机容量199920002001200220032004当年新增4.477.655.726.699.9819.8累计容量26.8334.4840.2046.6256.676.41.3 风力的等级选择风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小，国际上采用的是英国人蒲福（Francis Beaufort，17741859）于1805年所拟定的等级，故又称蒲福风级，他把静风到飓风分为13级。见表2-2。表1-2 蒲福风力等级表Table 1 -2 Bofu wind scale风力等级名称相当于平地10m高处的风速（m/s）陆上地物征象中文英文范围中数0静风Calm0.00.20静、烟直上1软风Light air0.31.51烟能表示风向，树叶略有摇动2轻风Light breeze1.63.32人面感觉有风，树叶有微响，旗子开始飘动，高的草开始摇动3微风Gentle breeze3.45.44树叶及小枝摇动不息，旗子展开，高的草摇动不息4和风Moderate breeze5.57.97能吹起地面灰尘和纸张，树枝动摇，高的草呈波浪起伏5清劲风Fresh breeze8.010.79有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波，高的草波浪起伏明显6强风Strong breeze10.813.812大树枝摇动，电线呼呼有声，撑伞困难，高的草不时倾伏于地7疾风Near gale13.917.116大树摇动，大树枝弯下来，迎风步行感觉不变8大风Gale17.220.720可折毁小树枝，人迎风前行感觉阻力甚大9烈风Strong gale20.824.423草房遭受破坏，屋瓦被掀起，大树枝可折断10狂风Storm24.528.426树木可被吹倒，一般建筑物遭破坏11暴风Violent storm28.532.631大树可被吹倒，一般建筑物遭严重破坏12飓风Hurricane32.633陆上少见，其摧毁力极大1.4 风能利用发展中的关键技术问题风能利用发展中的关键技术问题风能技术是一项涉及多个学科的综合技术。而且，风力机具有不同于通常机械系统的特性：动力源是具有很强随机性和不连续性的自然风，叶片经常运行在失速工况，传动系统的动力输入异常不规则，疲劳负载高于通常旋转机械几十倍。对于这样的强随机性的综合系统，其技术发展中有下列几个关键技术问题：1）空气动力学问题空气动力设计是风力机设计技术的基础，它主要涉及下列问题:一是风场湍流模型，早期风力机设计采用简化风场模型，对风力机疲劳载荷和极端载荷的确定具有重要意义；另一是动态气动模型。再一是新系列翼型。2）结构动力学问题准确的结构动力学分析是风力机向更大、更柔和结构更优方向发展的关键。3）控制技术问题风力机组的控制系统是一个综合性的控制系统。随着风力机组由恒速定浆距运行发展到变速变浆距运行，控制系统除了对机组进行并网、脱网和调向控制外，还要对机组进行转速和功率的控制，以保证机组安全和跟踪最佳运行功率。2 风轮的结构设计2.1风轮设计中的关键技术-迎风技术风速的大小、方向随时间总是在不断变化，为保证风轮机稳定工作，必须有一个装置跟踪风向变化，使风轮随风向变化自动相应转动，保持风轮与风向始终垂直。这种装置就是风轮机迎风装置。 (2-1) (2-2)式中 P风轮机输出功率， KW；空气密度， kg/；r 风轮半径， m；风能利用系数 ；风速， m/s；n 风轮转速， r/min；由式（2-1）和（2-2）可知风轮机的输出功率与风速立方成正比，转速与风速一次方成正比。因此，风速变化将引起出力和转速的变化。风轮迎风装置有三种方法：尾舵法、舵轮法和偏心法。风向变化时，机身上受三个扭力矩作用，机头转动的摩擦力矩，斜向风作用于主轴上的扭力矩，尾舵轮扭力矩。与机头质量、支持轴承有关，决定于风斜角、距离L，尾舵力矩由下式近似计算 （2-3）式中 尾舵升力、阻力合力系数由实验曲线查得；尾舵面积，；风轮的圆周速率，m/s；K风速损失系数约0.75；L尾舵距离，m。机头转动条件 （2-4）尾舵面积 （2-5）式中 尾舵轮扭力矩， ； 机头转动的摩擦力矩， ； 斜向风作用于主轴上的扭力矩， ；按上式设计的尾舵面积就可以保证风轮机桨叶永远对准风向。舵轮法是用自动测风装置测定风向，按风向偏差信号控制同步电动机转动风轮，此方法也可保证风轮机桨叶永远对准风向。在本设计中把尾舵取消增加桨叶轴与圆盘角度到7角这样可以加大与斜向风的接触面积增大斜向风对主轴的转矩当斜向风的转矩为零时风轮机桨叶对准风向。2.2 风轮桨叶的结构设计2.2.1 桨叶材料的选择水平轴风力机的风轮一般由13个叶片组成（本设计中取6片桨叶），它是风力机从风中吸收能量的部件。叶片采用实心木质叶片。这种叶片是用优质木材精心加工而成，其表面可以蒙上一层玻璃钢。在本设计中桨叶材料选用落叶松作为内部骨架，木材物理力学性能见下表。 表2-1 木材物理力学性能Table 2-1 Physical and mechanical properties of wood 顺纹抗压强度/MPa顺纹抗拉强/Mpa强度极限/MPa 弹性模数/MPa顺纹抗剪强度/Mpa52.2122.699.3126径向 弦向 8.8 7.02.2.2 风轮扫掠半径的参数计算任何种类风力机产生的功率可用下式表示：风轮机功率 P= （2-6）风轮半径 取 （2-7）叶尖速比 （2-8）风轮机转速 n= （2-9）式中 P输出功率（指额定工况下输出的电功率）（W）；P=20KW（给定值）空气密度（一般取大气标准状态）（kg/）； =1.25 kg/（给定值） 设计的风速（风轮中心高度处）（m/s）； =10m/s（给定值） A风轮扫掠面积 ；风能利用系数；0.45 （给定值）n风轮机转速；n=100r/min （给定值）r风轮半径(m)； 叶尖速比；n风轮机转速(m/s)；2.2.3 风轮的半径分配问题根据需要，圆盘轮毂半径取0.45m，圆盘轮毂与桨叶间距取0.05m。则桨叶长度 （2-10）2.3理想风能的利用经风轮做功后的风也有一定流速和动能，因此风的能量只能被部分转化为机械能。风轮前后流场如图2-2。图2-2风轮前后流场Figure 2 -2 Wind flow around 设 ， ， (2-11)由伯努利方程 (2-12)作用在风轮上的轴向力F=A()= (2-13)A= (2-14)式中 A 桨叶扫过的面积， ； 空气密度， ； P 风轮机功率， KW； 平均风速， m/s； 轮前风速， m/s； 轮后风速， m/s； 轮前压力， pa； 轮后压力， pa；F 轴向力， N；r 风轮半径， m；质量流量 （2-15）桨叶中的平均风速等于轮前、轮后风速的平均值 （2-16）从风能中可能提取的能量是进出口风的动能差 （2-17）已知输入风轮的能量为 （2-18）风能利用系数 (2-19)可能提取的能量 (2-20)代入各值得 (2-21)令 (2-22)将式2-12代入下式得风能利用系数 (2-23)可由式2-13求得风轮机风能利用系数的极值。进口风速是已知的，对求导，并令为零，求得风能利用系数为极大值时的轮后风速 (2-24)通过式2-13求得风能利用系数的极大值为 =0.593 (2-25)由式2-10得出最大理想可能利用的风能为 (2-26)理想风轮机的能量密度 (2-27)2.4桨叶轴的结构设计计算2.4.1 桨叶轴危险截面轴颈的计算当风垂直吹过桨叶时风对桨叶轴的弯矩M由下式算得： （2-28）式中 F风对桨叶施加的力，N风的密度，风速，m/s桨叶面积， （2-29）式中 H桨叶的一半到桨叶轴危险截面的距离，m；M桨叶轴危险截面处所受弯矩，；图2-4桨叶受力简图Figure 2-4 Blade force schematic桨叶轴所受扭矩如下式： （2-30）式中 F桨叶偏心面积所受风的吹力，N；h桨叶轴中心到桨叶偏心面积中心线的距离，m；T桨叶轴所受转矩，；桨叶轴的危险截面按弯扭合成强度条件校核见下式：危险截面轴颈d取60mm式中 许用抗拉强度极限， ； 弯扭合成强度， ；M 主轴弯矩， N；T 主轴扭矩， N； 当剪应力为脉动循环应变力时为0.6；W 危险截面处的抗扭截面模量， ；许用弯曲应力， ；d 危险截面轴颈， mm；2.4.2 桨叶轴各轴段轴颈的结构设计计算桨叶轴从左至右安装零部件分别为：桨叶轴复位斜板、桨叶轴支撑轴承座、轴套、光轴、轴向固定螺母、垫片、桨叶轴支撑轴承座、光轴、加强钣金、桨叶夹槽。所以轴颈分布如下： 图2-5 桨叶轴轴颈分布Figure 2-5 Paddle axle parts map2.5风力发电机组的功率调节问题功率调节是风力发电机组的关键技术之一。风力发电机组在超过额定风速（一般为1216m/s；）以后，由于机械强度和发电机、电力电子容量等物理性能的限制，必须降低风轮的能量捕获，使功率输出仍保持在额定值的附近。这样也同时限制了桨叶承受的负荷和整个风力机受到的冲击，从而保证风力机安全不受损害。功率调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距角调节和混合调节三种方式。1）定桨距失速调节 定桨距是指风轮的桨叶与轮毂是刚性连接，叶片的桨距角不变。当空气流流经上下翼面形状不同的叶片时，叶片弯曲面的气流加速，压力降低，凹面的气流减速，压力升高，压差在叶片上产生由凹面指向弯曲面的升力。如果桨距角不变，随着风速增加，攻角相应增大，开始升力会增大，到一定攻角后，尾缘气流分离区增大，形成大的涡流，上下翼面压力差减小，升力迅速减少，造成叶片失速（与飞机的机翼失速机理一样），自动限制了功率的增加。图2-6桨叶失速前的状态图Figure 2 -6 Blade stall before the state chart因此，定桨距失速控制没有功率反馈系统和变桨距角伺服执行机构，整机结构简单、部件少、造价低，并具有较高的安全系数。缺点是这种失速控制方式依赖育叶片独特的翼型结构，叶片本身结构较复杂，成型工艺难度也较大。随着功率增大，叶片加长，所承受的气动推力大，使得叶片的刚度减弱，失速动态特性不易控制，所以很少应用在兆瓦级以上的大型风力发电机组的功率控制上。2）变桨距角调节 变桨距角型风力发电机能使风轮叶片的安装角随风速而变化，风速增大时，桨距角向迎风面积减小的方向转动一个角度，相当于增大桨距角，从而减小攻角，风力机功率相应增大。变桨距角机组启动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力机的启动性能和功率输出特性都有显著改善。变桨距角调节的风力发电机在阵风时，塔架、叶片、基础受到的冲击，较之失速调节型风力发电机组要小得多，可减少材料，降低整机质量。它的缺点是需要有一套比较复杂的变桨距角调节机构，要求风力机的变桨距角系统对阵风的响应速度足够快，才能减轻由于风的波动引起的功率脉动。3）混合调节 这种调节方式是前两种功率调节方式的组合。在低风速时，采用变桨距角调节，可达到更高的气动效率；当风机达到额定功率后，使桨距角向减小的方向转过一个角度，相应的攻角增大，使叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。这种方式变桨距调节不需要很灵敏的调节速度，执行机构的功率相对可以较小。2.6 风轮桨叶的复位弹簧参数计算1）当6级风时V12m/s；此时桨叶所受力 （2-31） 式中 V风速 m/s (给定值) ；A桨叶的迎风面积 ；H桨叶轴作用点到桨叶受力中点的距离 m；T桨叶受到的转矩 。取L=20mm时 （2-32）式中 弹簧最小工作载荷N2）当V16m/s时，此时桨叶所受力 （2-33） （2-34） （2-35）F总= （2-36）式中 弹簧最大工作载荷 N3） 工作行程 （2-37） h= （2-38）=34.641=35mm图 2-7 桨叶复位弹簧工作示意图Fig.2-7 The working sketch map of the replacement spring of blade弹簧类别圆柱螺旋压缩弹簧端部结构端部并紧、磨平，支承圈为1圈弹簧材料碳素弹簧钢丝C级4）初算弹簧刚度 （2-39）5）工作极限载荷因是类载荷；故2444.4N 查表选2626.2N表2-2 弹簧有关参数Tab.2-2 Table of the parameter of springDD8402626.24.1566326）有效圈数n ，按表取标准值n22 （2-40）总圈数22+2=247）弹簧刚度 N/mm （2-41）8）工作极限载荷下的变形量 mm （2-42）9）节距t mm （2-43）10）自由高度 nt+1.5d=2212.156+1.58=279.432 mm （2-44）11）弹簧外径 D+d=40+8=48mm （2-45）12）弹簧内径D-d40-832 mm （2-46）13）螺旋角arctan （2-47）14）展开长度L mm （2-48）15）最小载荷时高度 mm （2-49）14）最大载荷时的高度 mm （2-50）15）极限载荷时的高度 = mm （2-51）16）实际工作行程h h=-=234.552-199.5=351 （2-52）17）工作区范围 （2-53）18）高径比b b （2-54） 该弹簧的技术要求：1.总圈数242.旋向为右旋3.展开长度L3028.5mm4.硬度HRC45502.7风轮的桨叶轴轴承座上的螺栓强度校核计算2.7.1轴承座上螺栓组的布置问题螺栓组结构设计采用如图所示的结构，螺栓数z=4，对称布置。图2-8螺栓布置图Figure 2-8 bolts layout2.7.2螺栓的受力分析和参数计算1）考虑在极限风速20m/s时，螺栓组承受以下各力和翻转力矩的作用：轴向力 F=A=1.2540.25=433N （2-55）横向力 R=F离心+G桨叶+G桨叶轴 （2-56） G桨叶=V桨叶g=N （2-57）式中 桨叶材料选用东北落叶松，气干密度为594kg （2-58） =462.3N （2-59） 式中 桨叶中心到主轴中心线的距离 m；桨叶轴中心到主轴中心线的距离 m； R=462.3N+99.8N+54.5N=616.6N翻转力矩 M=FL=1.2540.251.325= 573.725 （2-60）式中 L桨叶中心到第一个轴承座中心的距离 m；2）在轴向力F的作用下，各螺栓所受的工作拉力为= （2-61）3）在翻转力矩的作用下，前面两螺栓受加载作用，而后面两螺栓受到减载作用，故前面两个螺栓受力较大，所受的载荷为 （2-62）式中受力最大的螺栓到中心的距离 m；单个螺栓到中心的距离； 螺栓数目的初始值。 根据以上分析可见前面的螺栓所受的轴向工作拉力为 （2-63）4）在横向力R的作用下，底板链接接合面可能产生滑移，根据底板接合面不滑移条件，并考虑轴向力F对预紧力的影响，则各螺栓所需要的预紧力为 （2-64）式中 螺栓所需要的预紧力 N；地的相对连接刚度系数；查得联结接合面间的摩擦系数f=0.35，查得螺栓的相对连接刚度系数=0.2，取可靠性系数=1.2，则各螺栓所需要的预紧力为 （2-65）=833.655N5）螺栓所受的总拉力Q （2-66）2.7.3轴承座上螺栓直径的计算螺栓的性能等级为6.6级，查得，S=5螺栓的许用应力螺栓危险剖面的直径为 （2-67）2.7.4 轴承座上螺栓疲劳强度校核螺栓尺寸系数 查得 螺材料的疲劳极限 应力幅安全系数 查得 应力集中系数 查得 螺栓许用应力幅 (2-68)螺栓应力幅 (2-69)所以选用M8的螺栓，强度以及安全性足够。3风力发电机的主轴结构设计3.1主轴的相关参数的选择和计算1）主轴的轴颈估算如下式：mm （3-1） 估取主轴d100mm 式中 d主轴轴颈，mm；P风轮机输入功率，kw；n风轮机额定转速，r/min；A主轴参数，查表得A=110。主轴所受转矩如下式T9.55 （3-2）2）主轴键的选择 主轴键的挤压应力校核如下式： 取； （3-3）；t=10mm， k=h/2=16/2=8mm，L=50mm，d=100mm； 所以该键合理。 （3-4）式中 许用挤压应力，；k 键与轮毂槽（或轴槽）的接触高度，mm，k=h/2；h 键高，mm；l 键的工作长度，mm，A型：l=L-b，B型：l=L，C型：l=L-b/2，b 键宽，mm。3.2轴段设计与校核主轴从左至右装配的零部件分别为：1）弹簧挡板调节螺母2）弹簧上挡板3）压缩弹簧4）弹簧下挡板5）圆盘定位螺母6）带轮毂圆盘7）支撑轴承座。图3-1 主轴装配图Figure 3-1 Spindle assembly 圆盘作用在主轴上的力由下式计算得出 （3-5） （3-6）式中 V 圆盘体积，； 圆盘质量，kg；F 圆盘自重施加在主轴上的力，N；桨叶轴、桨叶作用在主轴上的力 （3-7）式中 六片桨叶、桨叶轴与圆盘整体自重，kg；六片桨叶、桨叶轴与圆盘整体自重作用在主轴上的力，N；圆盘、桨叶、桨叶轴整体对主轴的弯矩强度校核如下：M=1424.8h=1424.80.0775=110400 （3-8） （3-9） 即54.18d 所以 选取d=100mm主轴轴颈校核强度满足要求。式中 V 圆盘体积，；B 圆盘厚度， m；r 圆盘半径， m； 圆盘质量， kg；桨叶轴质量，kg； 桨叶质量，kg；图 3-2 主轴 Fig.3-2 The spindle4 风力发电机的增速器和电动机的选取4.1 主轴与增速器之间的联轴器4.1.1 联轴器的特点 由于风力液动机在工作时，主轴会产生偏移，因此采用弹性连轴器。 弹性柱销联轴器制造容易，耐久性好，安装维护方便，传递转矩大。为防止脱销，柱销两端用螺栓固定了挡板。适用于轴向位移大，正、反转或启动频繁传动，因此选用弹性柱销联轴器。4.2.2 联轴器的型号及主要参数 主轴末端轴颈为100mm，选择HL7型弹性柱销联轴器，其主要参数为表4-1 联轴器参数Tab.4-1 Table of the parameter of coupling公称转矩许用转速（钢）质量转动惯量630022405841.14.2 风力发电机增速器的选择 由于桨叶轮的转速较小，因此需要借助增速器来带动电动机，增速器的原理与减速器相同，只是将其的输出与输入调换，根据设计要求和具体需要本设计采用NGW型行星齿轮减速器。4.2.1 使用范围和特点 1）适用范围 NGW型行星齿轮减速器主要用于冶金、矿山、起重运输等机械设备减速。其工作条件为：工作环境温度为；高速轴最高转速不超过1500；齿轮圆周速度不超过10；可正反两方向运转。2）主要特点a.体积小、重量轻。相同条件下，比普通渐开线圆柱齿轮的重量轻1/2以上，1/2到1/3。b.传动效率高。c.适应性强，传动功率范围大。 d.运转平稳，噪声小。使用寿命达10年以上。4.2.2 型号的选择根据主轴轴颈、选用的联轴器、传动比及输入功率等选取NGW62型行星齿轮减速器，其主要参数为 表4-2 减速器主要参数Tab.4-2 The main parameter of retarded公称传动比i转速主动轴允许输入功率重量m18750272914.3 发电机的选取4.3.1 选择发电机应综合考虑的问题（1）根据机械的 负载性质和生产工艺对发电机的启动、制动、反转、调速等要求，选择发电机的类型。（2）根据负载转矩、速度变化范围和启动频繁程度的要求，考虑发电机的温升限制、过载能力和启动转矩，选择发电机的功率，并确定冷却通风方式、所选电动机的功率应留有余量，负荷率一般取0.80.9。（3）根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护方式，选择发电的结构形式。（4）根据企业的电网电压标准对功率因数的要求，确定发电的电压等级和类型。（5）根据生产进行的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能的要求，以及进行减速机构的复杂程度，选择发电机的额定功率。4.3.2 型号选择根据实际需要，以及选择电动机应综合考虑的问题，选择Y系列三相异步发电机。其主要性能及机构特点：效率高，性能好，噪声低，振动小，体积小，重量轻，运行可靠，维修方便等。5风力发电机的回转体结构设计和参数计算5.1初步估计回转体危险轴颈的大小1）为回转体， 由于回转体位于整体装置的重心偏后200mm处，所以桨叶、桨叶轴、圆盘、增速器和托架对回转体会产生正向弯矩，发电机对回转体产生负向弯矩。图5-1回转体受力简图Figure 5-1 rotational force schematic=900mm； =142.48.kg；350mm； 300kg； 200mm； 150kg； 425mm； 200kg； 1.25； （5-1） （5-2）80.8， （5-3）本设计中d取135mm所以完全符合强度要求。式中 六片桨叶、桨叶轴与圆盘整体自重到回转体中心线的距离，mm；增速箱重心到回转体中心线的距离， mm；托架重心到回转体中心线的距离， mm；发电机重心到回转体中心线的距离， mm；六片桨叶、桨叶轴与圆盘整体自重， kg；增速箱重量， kg；托架重量， kg；发电机重量， kg；圆盘背面受风施加给回转体的弯矩， N；合成弯矩， ；图5-2回转体装配图Figure5-2 rotating assembly5.2 结构设计回转体由：回转轴底盘、加强钣金、回转轴轴承轴肩、回转轴推力轴承轴段、回转轴危险轴段、滑动轴承注油口、回转轴轴向定位段、安装滑环轴段、轴向定位螺母、轴向定位挡板、回转体上联接板、铜套、无缝钢管、推力轴承等部分组成。其中回转轴的左右摆动问题通过滑动轴承来解决它能很好的解决由于顶部重心偏向前而引起对轴的弯矩，加强了回转轴的抗弯强度。回转轴挡板可以在安装过程中防止回转轴脱落下滑，回转轴中心钻出的通孔此处为发电机输电线路。因回转轴固定在塔架上当风向改变对风时套筒上方连接的所有部件随着套筒一起转动铜套与套筒为过盈配合，铜套与回转轴之间用润滑油润滑所以输电线路不会缠到一起。6风力发电机的其他元件的设计6.1刹车装置的设计由于机械维修以及意外情况的发生需要对风轮机进行刹车，所我们在增速器高速轴侧加装一轮毂并在轮毂外安置刹车装置通过拉拽钢丝绳带动刹车带使风轮转速降低直至停止。刹车带的复位由弹簧套筒内的弹簧来保证停止刹车后刹车皮与轮毂不在接触。图6-1刹车装置装配图Figure 6-1 brake assembly刹车机构常用于安全系统，用在静止或正常运行时，刹车装置一般有三种刹车方式：1）、电磁刹车（电动式）；2）、机械刹车；3）
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