第Ⅱ代风力空气压缩机设计空气动力学专业

1、第代风力空气压缩机设计摘 要本次课题针对第二代风力空气压缩机的设计进行了简要介绍，本次设计采用风力作为动力，使得海洋丰富的风能资源能够被有效地收集和利用。通过本次设计，旨在为相对隔离和交通不便的近海海洋养殖家庭和钻探平台的日常生活提供便利。通过设计的结构,我们可以实现海上自动垂直风,同时对抗的海风和海浪的效果也十分稳定。与其他能源比如海流能量,潮汐能,太阳能,等等相比,风能利用是一个相对成熟的技术,风能项目的投资相对较小,回报率高。总体结构的传动链短,能量利用率高。整体结构的稳定性和部分的强度刚度条件、严格的刚性机械检查,科学合理。关键词：（关键词3到5个，关键词之间用“；”隔开）风轮机；增速

2、器；气泵IAbstractMy project called the multipurpose floating wind machine ", the power supply is the wind, driving device for impeller, coupling, a gear box and an air pump, executive a gas tank (energy storage device) to the sea of the rich wind energy resources to effectively collect and use. The

3、 object is the relative isolation and transportation inconvenience of the offshore marine breeding household and the drilling platform, and can provide the necessary power for their daily operations. Through the structure of the design, we can achieve the offshore automatic vertical to the wind, at

4、the same time for the fight against wind and waves also have a good stationary.By unique and simple structural design of the fan can adapt non stationarity of offshore platform, within a certain range of sea conditions within 5 sea) impeller can in any direction always keep vertical to the wind.Comp

5、ared with other energy: ocean current energy, tidal energy, solar energy, and so on, wind energy utilization is a relatively mature technology, the investment of wind energy projects is relatively small, the return rate is high.Overall structure of the transmission chain is short, energy utilization

6、 is high. The stability of the whole structure and the strength of the parts of the rigidity of the rigidity of the conditions are strictly mechanical check, scientific and reasonable.KEYWORDS: Wind turbine；Speed-increasing gear; Air pumpII第代风力空气压缩机设计1风机设计原理：风机是依靠输入的风能，推动风叶转动，从而带动整台机器运转起来，最后把高压气体储存起

7、来或直接运用。气体压缩和气体输送机械是把旋转的机械转换为气体压力能和动能。风机主要由风叶、增速器、气泵、储气罐、浮筒、支撑架等部件组成。1.1设计原理图： 图1.1 风机设计原理图1.2系统工作原理：叶轮在海风的作用下，通过圆周转动产生功率（设计值为1kw），经过轴承、联轴器及增速器，将转速变化到气泵的满载转速（选用值为1600r/min），然后气泵将压缩的空气经过空气软管储存在储气罐里，随时等待取用。1.3作品整体结构设计图：2 叶片设计： 设计一台功率为1kw的三叶片风轮机，设计风速为10.8m/s(即五级风) ，空气的密度为1.224kg/m2（气温为15，气压为1lata。）。由参考文

8、献风能与风力发电技术图（47）查得：opt=4.6 ,Cp=0.36其中，速比，是叶尖速度与风速之比; Cp风能利用系数，最大值是59.3%。由风机的理论设计公式得：功率：P=12r2Vw3Cp 叶尖速比：=wrVw=2rn60Vw=rn30Vw其中，空气密度，kg/m3; P风轮的吸收功率，w; w风轮角速度，rad/s，w=; r风轮半径，m。风轮半径：r=1.07m 转速:n=整个叶片浆的受风面积:由以上的计算可选定风机的叶片半径r为1.35 m ，材料为玻璃纤维其特点是质量轻，耐腐蚀，易在海面使用。叶片图（包括轮毂和导流罩）如下：图2.1 叶片1KW风机详细参数：风轮直径(m) 2.8

9、叶片长度(m) 1.35叶片宽度(m) 0.16叶片重量(kg) 8叶片材质 增强玻璃钢叶片数量 3额定风速 9启动风速 3工作风速 3.020安全风速 403 传动装置的设计3.1 传动参数的拟定及相关参数的确定3.1.1 传动简图：同原理图。3.1.2 传动比的确定：由前面的计算结果得：n =424r/min 增速箱的输出转速为n=1600r/min故总传动比为：i总=1600/424=3.8 整合得i总=4。对于增速箱的传动比：i增=1/i总=1/4=0.25。3.1.3 各轴的转速：低速轴的转速：n=n=424r/min中间轴、的转速：n=n=n=n=424r/min 高速轴、的转速：

10、n=n=3.1.4 各轴的输入功率：根据机械设计课程设计表（31），取联轴器的效率联=0.99，球轴承的效率轴承=0.99，锥齿轮的效率锥=0.96，增速器的效率增=0.92。则：低速轴：P=P=1000W中间轴：P=P轴承锥=1000×0.99×0.96=950.40W中间轴: P=P轴承联=980.1×0.99×0.99=931.49W中间轴: P= P锥=931.49×0.96=894.23W高速轴：P= P增=894.23×0.92=822.69W高速轴：P= P联=822.69×0.99=814.46W3.1.5

11、各轴的输入转矩：低速轴：T=9.55×106P/n=9.55×106×1/424=2.252×104N·mm中间轴：T=9.55×106P/n=9.55×106×0.950/424=2.140×104N·mm中间轴: T=9.55×106P/n=9.55×106×0.931/424=2.097×104N·mm中间轴: T=9.55×106P/n=9.55×106×0.894/424=2.014×104N&#

12、183;mm高速轴：T=9.55×106P/n=9.55×106×0.867/1696=4.837×103N·mm高速轴：T=9.55×106P/n=9.55×106×0.859/1696=4.786×103N·mm3.1.6 传动参数数据表：表3-1-1 传动参数数据表轴轴轴轴轴轴功率P/KW10.9500.9310.8940.8670.859转矩T/(N·mm)2.252×1042.140×1042.097×1042.014×1044.837

13、×1044.786×104转速n/(r/min)42442442442416961696传动比 1110.251效率 0.9500.9800.9600.9600.9903.2 设计两对传动齿轮：3.2.1 选精度等级、材料及齿数，齿型 确定齿轮类型 因为风机传动的力矩不大，速度较低，所以两对齿轮均为直齿锥齿轮。 材料选择因为含Si量在15%20%的钢抗腐蚀性能最强，所以根据机械设计表10-1（注：在齿轮的设计中的数据均来自机械设计，以下在齿轮的设计中省略。），齿轮材料为,35SiMn（调质），硬度为250HBS。 精度选择： 风机为

14、一般工作机器，速度不高，故选用7级精度。 参数选择： 初选齿轮齿数Z124，压力角3.2.2 按齿面接触强度设计 设计公式 按式（1029）试算，即确定公式内的各计算数值1) 试选KHt=1.3。2) 由图10-20查得区域系数ZH=2.5。3) 选取齿宽系数。4) 试选KHt=1.3。5) 由图10-20查得区域系数ZH=2.5。6) 选取齿宽系数。7) 由表10-5查得材料的弹性影响系数ZE=189.8MP1/2。8) 由图1025d按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限 。9) 由式1013计算应力循环次数 10) 由图1022查得接触疲劳强度寿命系数： 11)

15、 计算接触疲劳强度许用应力取失效概率为，安全系数为S=1，由式1014得 试算 齿轮分度圆直径、，由计算公式得 调整齿轮的分度圆直径 计算实际载荷系数前的准备。12) 圆周速度v。 13) 当量齿轮的齿宽系数。 计算实际载荷系数。由表102查得KA=1。由速度v1=1.36m/s,v2=1.33,7级精度，由图108查得Kv1=1.07,Kv2=1.06。直齿锥齿轮精度较低，取齿间载荷分配系数。由表104用插值法得,。所以，实际载荷系数 计算分度圆直径及相应的齿轮模数： 3.2.3 按齿根弯曲强度设计 试算模数模数公式 即， 确定计算参数14) 试选15) 计算分

16、锥角 16) 计算当量齿数 17) 查取齿形系数由表1017查得 18) 查取应力校正系数由表1018查得19) 由图1024c查得，齿轮的弯曲疲劳强度极限，20) 由图1022查得弯曲疲劳强度寿命系数21) 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S1.7，由式（1012）得22) 计算齿轮的 计算模数 = = 调整模数 计算实际载荷系数前的数据准备。23) 圆周速度v 24) 齿宽b 计算实际载荷系数KF由图10-8查得由于直齿锥齿轮精度较低，所以取齿间载荷系数由表10-4插值法得由于是直齿锥齿轮，取，所以，载荷系数为所以，按实际载荷系数算得的模数为对比计算结果，由齿根弯曲疲劳

17、强度计算的模数，就近选择标准模数，可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度，须按接触疲劳强度算得的分度圆直径来计算应有的齿数。于是有 ，取 ，取3.2.4 几何尺寸计算 计算两对齿轮分度圆直径 计算分锥角 3.2.5 计算齿轮宽度 , 圆整后取 ,3.2.6 结构设计及绘制两对齿轮的零件图（从略）3.2.7 主要涉及结论齿数，模数，压力角，变位系数，分锥角，齿宽，。两对齿轮均采用35SiMn(调质)。两对齿轮均按照7级精度设计。3.3 轴的设计3.3.1 轴的设计 初算轴径 选材45号钢（调质）,查机械设计表151（注：在轴的设计中的数据均来自机械

18、设计，以下在轴的设计中省略。），许用弯曲应力，查表153取Ao=110，许用扭转应力。 按扭矩估算最小轴径由于轴多了一个键槽，轴径将增大7%即：初选为: 结构设计图3.1 轴的弯矩扭矩图已知FA=8kg(叶片)+1.5kg(轮毂)×9.8=93.10N由平衡条件：MB=0 FA×lAB=FC×lBC F=0 FB-FA-FC=0 得FC=FA×lAB/lBC=93.10×144/84=159.60N 得FB=FA+FC=93.10+159.60=252.70N故最大弯矩：M=FA×lAB=93.10

19、5;144N·mm=13406.40N·mm最大扭矩：叶片受到的轴向力为Fa,，则作用叶轮的空气质量: 由动能定理：, 已知v1=10.8m/s 得：由冲量定理：, 得： 轴的疲劳强度校核轴的扭转强度条件： 代入数据： 轴的弯扭合成强度条件：其中M=13406.40N·mm, T=22522N·mm 。当扭转切应力为静应力时，取折合系数为=0.3。轴的抗弯截面系数W=0.1d3 。则，故符合条件。3.3.2 、轴的设计同轴的设计过程基本相同，主要是在轴的另一端增加一个相同的键槽，故轴的强度也是够用的，不再重复设计。3.4 联轴器的选择为了能

20、缓冲减振且质量轻，选用梅花形弹性联轴器。联轴器的计算转矩,查表14-1，考虑转矩变化小，故取KA=1.5，则按照计算转矩，查标准GB/T5014-2003或手册，选用的联轴器型号分别为轴联轴器型号：LM2-bGB/T 5272-2002，允许公称转矩为100N·m对于高速轴轴，其轴径为15mm，所以其联轴器型号：LM1-bGB/T 5272-2002，许公称转矩45N·m图3.2 联轴器 相应的参数为：LM1：d1=20mm d2=22mm dZ=24mm L=35mm L0=86mm D=50mm m=0.66kgLM2：d1=20mm d2=22mm dZ=24mm L

21、=38mm L0=95mm D=60mm m=0.93kg3.5 滚动轴承的选择与计算外球面轴承优先适用于要求设备及零部件简单的场合。例如用于农业机械、运输系统或建筑机械上。它具有很好的调心性能，允许调心角度最大为±10°。对主机相关件的加工精度要求较低。轴承内孔与轴之间可为间隙配合，且安装、拆卸方便，特别适合有多支轴承、长轴、刚度小易变形的轴。带顶丝轴承适用于旋转方向不变的场合。轴承具有可靠的密封装置，可以有效防止污物侵入轴承，防止轴承内润滑脂外溢。轴承内的润滑脂可保证轴承在一定期间内正常工作，必要时还可通过油孔定期添加润滑油脂，使轴承保持良好润滑，达到长期使用的效果。3

22、.5.1 选型类型代号：UCP207。轴承材质为GCr15 (GB/T18254-2002)，轴承座为铸铁。其特点是大部分外球面轴承都是将外径做成球面，与带有球状内孔的轴承座安装在一起，结构形式多样，通用性和互换性铰好。同时，此类轴承在设计上还具有一定调心性，易于安装，具有双重结构的密封装置，可以在恶劣的环境下工作。轴承座一般是采用铸造成型。 3.5.2 基本参数基本额定动载荷为19.8KN 静载荷为15.2KN。如下图所示，图3.3 滚动轴承3.5.3 轴承的计算 求轴向载荷与径向载荷比值此为带顶丝外球面轴承，已知轴承径向载荷Fr1=1890N，Fr2=4030N。轴向载荷Fa

23、=100.91N。轴承转速n=424r/min，运转时有轻微冲击。查机械设计表135得判断系数e=0.22 。故，查上表得 X=0.56，Y=2.0.2 计算轴承寿命 求相对轴向载荷e的值相对轴向载荷,在机械设计表135中介于0.0250.040之间，对应e值为0.220.24。 用线型插值法求Y。故 X=0.56，Y=1.961 计算当量动载荷P。查机械设计表136，得fp=1.01.2，取 fp=1.2。当量动载荷 ：P=fp（XFr+YFa）代入数据得：P1=1.2(0.561890+1.961100.91)=1507.42N P2=1.2(0.564030+1.9611

24、00.91)=2945.50N 验算轴承UCP207的寿命轴承的寿命公式：由机械设计式（13-4）查得球轴承=3。则，25)若每天工作时间为20h 则工作寿命为12.37年26)若每天工作时间为20h 则工作寿命为8.60年 安装(1)往轴上安装轴承前，先拔下外套的固定销，同时将轴颈表面打磨整洁，并在轴颈处涂油防锈兼润滑(允许轴承在轴上有稍微转动)。(2)在轴承座与轴承配合面涂润滑油，把轴承装入轴承座内。然后将装配好的轴承与轴承座一起套在轴上，推至所需位置处进行安装。(3)固定轴承座的螺栓先不要拧紧，让轴承外套在轴承座内能自由转动。装好同一根轴上的另一端带座轴承，将轴转动几圈，让轴承自动找正位

25、置，再将轴承座螺栓紧固好。(4)装偏心套。先将偏心套套在轴承内套的偏心台阶上，并用手顺轴的旋转方向拧紧，然后再将小铁棍插入或顶住偏心套上的沉孔，用手锤顺轴的旋转方向敲击小铁棍，使偏心套安装牢固，最后锁紧偏心套上的内六角螺钉。3.5.4 、轴上的轴承设计、轴与I相同，故可试选相同的轴承，由于、轴上的轴承主要受径向力，轴向力可忽略，因此可直接取与I轴相同的轴承即可满足要求。3.6 键的选择与校核3.6.1 键的设计 选型根据键连接处轴颈的大小，查机械设计课程设计表14-26得键的型号为：键C6×6×16 单圆头普通平键（C型），b=8、h=7、L=16键C6

26、15;6×20 单圆头普通平键（C型），b=8、h=7、L=20键C8×7×16 单圆头普通平键（C型），b=8、h=7、L=16键C5×5×20 单圆头普通平键（C型），b=5、h=5、L= 键连接强度计算假定载荷在键的工作面上是均匀分布的，则普通平键连接的强度条件为： 查机械设计表6-2得p=100-120MPa 取p=110MPa对键 对键 对键 对键 故所选的键合格。3.6.2 设计结论轴、上轴与齿轮的连接采用键，标记为：GB/T 1096 键C6×6×16；轴上轴与齿轮的连接采用键，标记为：GB/

27、T 1096 键C8×7×16；轴、上轴与联轴器的连接采用键，标记为：GB/T 1096 键C6×6×20；轴、上轴与联轴器齿轮的连接采用键，标记为：GB/T 1096 键C5×5×20。4 对风装置（及尾舵）和尾杆尾舵材料为玻璃钢 质量3.5kg尾杆为无缝钢管,长度为1.52m,质量为1.7kg。5 技术参数汇总名称材料尺寸（长×宽×高）（mm）数量（件）单件质量（kg）总质量（kg）轴45号钢（调质）322×42×4211.41.4轴45号钢（调质）285×42×4211

28、.21.2轴45号钢（调质）247×42×4211.11.1叶片优质玻璃钢1350388轮毂铸铁（表面氧化）11.51.5弹簧刹车铸铁90×150×17013.03.0齿轮35SiMn(调质)19×90×9013.53.5齿轮35SiMn(调质)19×88×8813.33.3联轴器（低速轴）HT20095×60×6010.930.93联轴器（高速轴）HT20086×50×5010.660.66增速箱221×140×14015.05.0气泵14.04.0滚动

29、轴承及轴承座轴承钢、铸铁167×43×8021.12.2滚动轴承及轴承座轴承钢、铸铁172×172×4341.61.6键145钢8×7×1610.00820.082键245钢5×5×2010.00420.0039键345钢6×6×2020.00710.0142键445钢6×6×1620.00590.0108对风装置（尾舵）玻璃钢750×500×50013.53.5尾杆无缝钢管ø25×211.71.7齿轮箱铸铁142×142&#

30、215;16022.65.2总质量： . m=1.4+1.2+1.1+8+1.5+3.0+3.5+3.3+0.93+0.66+5.0+4.0+2.2+1.6+3.5+1.7+5.2 =59.36kg 注：45钢密度=7.85g/cm3 灰铸铁密度=7.0g/cm36 轴的重心计算：图6.1 轴零件图质量mz=/4×（202×50+302×95+352×48×2+422×36+302×26+202×19）×10-3 =7.8×/4×（20000+85500+58800×2+63

31、504+23400+7600）×10-3 =1945.68g 1.95kg体积V=249.06cm3重心V/2=124.53cm3由于124.53-20-85.5=19.03cm3可求得重心离轴端2的距离为 L=19.03/58.8×48mm=15.53mm16mm7 整个风能转化机构的重心计算图7.1 风机重心示意图其中FA为叶轮的质量，FB为弹簧刹车的质量，FC为轴承的质量，FD为轴的质量，FE为轴承的质量，FF为齿轮质量，FG为垂直机构的质量，FH为齿轮的质量，FI为增速箱的质量，FJ为联轴器的质量，FK为气泵的质量，FL为尾翼的质量。 =9.5×2619+

32、3.0×2564+1.1×2468+1.4×2456+1.1×2416+3.5× 2349+(3.5+1.2+1.6×2+0.93+1.6×2+3.3+2.6×2)×2313+3.3×2277+7.0×2232+0.66×2080+4.0×1980×9.8kgmm=70303.62kgmm 故 所以整个风能转化机构重心距离F左端为 1.18mm处。8 底板的设计材料为45号钢，密度，质量m1=2.6kg，m3=3.3kg (由PROE软件计算得),厚度h=

33、4mm。结构如下图：底板：图8.1 底板结构示意图底板：图8.2 底板结构示意图9 竖直支架的设计竖直支架在风电设计方面目前主要有杆支架和桁架，但考虑到杆状的支架在本设计中较粗，相应质量加大，再考虑机器的安装、维修等方便，所以采用桁架，用角钢作为搭接桁架的材料。角钢的总质量为m=171kg,(由PROE软件计算得),简图如下图所示图9.1 支架结构简图据平衡条件有：角钢稳定性分析 选用3号角钢（角钢长度分为6类，分别为3.00m4根、4.23m2根、0.25m40根、0.35m72根、0.24m16根）。密度安全系数故,此支架安全。10 浮筒选择材料为高分子量高密度聚乙烯，尺寸为500

34、5;500×400，质量约为15kg,数量为4台，总质量约为60kg,每平方米的浮力可达350kg以上；11 技术参数汇总表11-1 技术参数汇总名称材料尺寸（长×宽×高）（mm）数量(件)单件质量(kg)总质量(kg)支撑板45号钢（调质）482×170×4012.62.6支撑板45号钢（调质）620×170×4013.33.33号角钢六类长度：3.00m4根、4.23m2根、0.25m40根、0.35m72根、0.24m16根136171支撑板45号钢800×400×411010浮筒聚乙烯500

35、15;500×400415.060.0气罐30L125.025.0总质量m2=2.6+3.3+171+10+60.0+25.0=261.9kg12 整体结构的稳定性分析 整个结构的总质量四个浮筒所能提供的最大浮力为400kg 在5级海况时，平台参数如下： 平均波长为；周期为;波速为波高为 理论最大倾角为：根据近几年南海气象数据显示，南海的海浪平均波高为1.2m。由相关文献查得漂浮平台的最大倾斜角为9度。实际平均倾角为：所以，该平台理论上是平稳的。13 设计总结 风机零件报价及参数：零件名称数量单价总价叶片、轮毂、导流罩110001000高速旋转接头138.5038.50气泵12002

36、00联轴器2180360弹簧刹车1500500气管11313增速箱1500500带座球面轴承22346尾舵1100100气罐1250250浮筒424096030*30号角钢 171m15855轴3250750底板（螺栓）1500500 共计 6069.5（元） 通过本次设计，了解了风力空气压缩机的工作原理，通过其对轴承等零部件的大量计算熟悉了压缩机各零部件的设计需求，为实际的生产工作提供了理论依据。 32 鸣 谢鸣 谢通过毕业设计，使我有了很大的感触和收获。无意中参加的一次新能源讲座让我第一次了解到“海上多能整合系统”，并对漂浮平台有了一个初步的认识，也感受到了它潜在的价值，才决定把它申请为毕

37、业设计，也是想通过它作为我大学四年知识和能力的一个鉴定。还记得刚开始接到这个设计时，根本摸不着头脑，可以说一无所知，无从下手，在两位指导老师的悉心帮助下，再加上宽博的网络平台，使我对这个项目有了越来越清晰的认识，到现在对风机的每个尺寸的都能熟悉掌握，可以说这个过程我进步了很多。在此我们非常感谢陆兵老师和彭明忠工程师的大力支持和帮助，我的毕业设计工作才得以顺利进行和开展。在设计的开始阶段心里激动有一种说不出的感觉，既是高兴，又是不安，高兴的是自己在大学毕业前老师给我们这次机会去运用自己学过的专业知识去设计完成一个真正能投入生产及对社会有用的产品，不安的是这不仅是一个项目，更是我的毕业设计，怕做不好影响毕业。当自己决定做时，通过老师的指导和自己的努力，渐渐的我才熟悉了风机原理。在设计方案的确定，自己也想了好多方案，从环境、成本等方面考虑了很多，最后通过数次与指导老师的讨论和沟通，最终才将方案给确定下来。接下来的这段时间里，我将整体设计划分到具体的每个零件，运用所学的专业知识我们主要从这几个方面入手