开题报告-大型垂直轴风力发电机组传动系统结构设计

杭州电子科技大学毕业设计（论文）开题报告题目大型垂直轴风力发电机组传动系统结构设计学院机械工程学院专业机械设计制造及其自动化姓名班级学号1指导教师综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义1.1题目背景稳定、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年的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。21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[1]。因此新时代人类应该脱离对化石燃料的过分依赖，寻找新的再生可替代能源。风力发电技术在近期逐渐成熟起来，是具有很大发展潜力的可代替绿色能源，可能在不久的将来能够成为世界重要的几个能源来源之一。根据专家估计,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2.74万亿kW,可利用的风能约为200亿kW,装机容量可达10TW,每年可发出电力13PW°h。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。在技术上全球风能资源是整个世界上预期电力需求的2倍，换句话说，只要利用地球上一半的风能资源就能满足全球的能源需求[2]。风力机能够将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置。风力机的造型按照风轮的主轴不同可分为水平轴风力机和垂直轴风力机[3]。水平轴风力发电机是目前最常见，也是技术最成熟的一种风力机，启动力矩较大且风能利用系数较高。为了使风轮的扫风面随时正对风向，需装有调向装置。垂直轴风力发电机的发明要比水平轴晚，直到20世纪20年代才开始出现[4]。一开始人们普遍认为垂直轴发电机的风轮尖速比（即风速与叶片尖处的线速度之比）只能小于1，风能利用率太低下远远不及水平轴风力机。但是随着科技的发展，人们逐渐了解到垂直轴风力机仅限于阻力型风轮（Savonius型）。而对于升力型风轮（Darrieus型）的尖速比甚至可以达到6，并且其风能利用率也不低于水平轴风力机[5]。目前,垂直轴风力机的研究仍处在摸索阶段。随着风力机组控制技术、多能互补技术、风力机叶片技术、曲面造型技术和计算机仿真技术的不断发展,以及各种风力机结构设计的创新等先进的技术应用于垂直轴风力机领域[6-7]。垂直轴风力机的风能利用率和环境适应能力都有了很大的提升，垂直轴风力机在国内外发展有了更好的基础。1.2国内外相关的研究上海华贻电力市政建设工程有限公司的朱巍晶提出了一种新型负载平衡式垂直轴风力发电机结构。该结构的风轮机叶片和永磁发电机质心与发电机主轴长度中心处于同一平面，质量分布均匀，且悬臂长度可缩小一半以上。因此，可以从结构上使风轮机在受力状态下产生附加径向力及弯矩减小或平衡，结构刚性大为改善，无论装配运输及安装工艺性能均较传统悬臂式结构大为改善。通过创新设计制造的负载平衡式垂直轴风力发电机,其结构与传统垂直轴风力发电机相比，可以更有效地平衡和减少运行过程中径向力和附加弯矩对发电机性能及寿命的影响，而且风轮机结构刚性好，运行平稳，如图1所示。1.风叶2.风叶拉杆3.电机主轴4.上回转套筒5.上联轴器6.电机7.下联轴器8.下回转套筒图1负载平衡式垂直轴风力发动机结构国外的研究机构如，Dr.YongleSong[9]等通过应用软件RomaxDesigner建立了风力发电机组传动系统的虚拟样机模型，对齿轮箱系统的主要部件如轴、轴承、行星轴等进行仿真分析，通过建立齿轮箱系统的有限元模型计算其动态响应，给出了轴承、齿轮箱等的错位啮合量及装配误差对传动系统中各部件寿命的影响。B.D.Altan[10]等人在试验中对Savonius型风力机使用了有聚风作用的挡板如图2所示，使入流速度比原始风速度更大,这可以使得该风力机的应用风速范围更加广泛,所使用的挡板具有可以降低Savonius型风力机的阻力作用,能够更好地利用风能，还能提高垂直轴风力机的启动力矩。根据模拟计算,只要合理安排集风挡板的结构参数l1,l2,a和β的值,风力机的效率最高可以达到38%,比不用挡板集风的效率16%高出很多.图2试验用S型风力机聚风挡板示意图国内的研究机构也是和国外类似采用挡流板提高能量利用率的，如重庆大学机械工程学院实验室[11]，采用挡流板的结构设计，在两台转向相反的H型垂直轴风力发电机的上游区域放置一块挡流板的结构方案，如图3所示。实验结果最后说明，适当的挡流板宽度，高度和到两台风力机轴之间的距离有效增大垂直轴风力发动机的风能利用系数，扩大垂直轴风力发电机的有效工作范围。图3带有导流板的2台反向旋转的垂直轴风力机简图从上述实例中可以看出，这些机构的相关研究都比较成功，可以制造出实物并进行测量得出实验结果，或是讨论了对垂直轴风力机本体结构的创新和优化，又或是对外部采风条件的控制，都主要致力于提高能源利用率。但是现如今的垂直轴风力机设计还存在着重要的问题，上述研究都没有涉及到摩擦损耗、启动条件苛刻的情况。1.3研究的意义风力发电机组传动系统主要由风叶、轮毂、主轴、齿轮箱、联轴器和发电机转子构成[12]，如图4所示。1.风叶2.轮毂3.主轴4.齿轮箱5.联轴器6.发电机图4风力发电机组传动系统本文对利用垂直轴风力发电机获取风能如何高效且使用寿命长的课题进行了研究，在分析传动设计的基础上，研究风电机组传动系统的优化配置和布局。通过国内外的研究现状可以看出，对垂直轴风力发电机的研究主要集中在提高风能利用率和改造叶片。传统大型垂直轴风力发电机的设计思想就是减少摩擦损耗、降低启动风速、提高风机转速。为此有采用水浮和磁悬浮等方式来减小轨道摩擦力的[13-15]，也有采用优化叶片形状来提高转速的等等[16]。但是无论哪种方法，最大的难点都在于低转速大功率发电机的实现。考虑到大功率直驱电机成本高昂，一般都采用增速齿轮箱和发电机相结合的机电传动系统[17]。传动系统的性能特性对风电机组整体设计影响较大，其中齿轮箱是一个重要的机械部件（其主要作用是将风轮的转速增加到发电机要求的转速，风轮的转速较低，在多数风力发电机组中，达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的作用来实现增速，故也将齿轮箱称之为增速箱[18]），同时增速机构对工作环境要求严格，维护困难等问题的存在，就必须对传动系统整体的强度、刚度、抗振性、平衡和稳定性要求进行综合的研究和考虑[19]。由于本文是大型风力机的设计，受机舱尺寸的限制大型风力机组的机械传动系统一般都沿着机舱轴线分布，齿轮箱也从多级直齿或斜齿齿轮箱改而采用结构紧凑的行星齿轮箱[20]。风力发电机齿轮箱一般安装在距地面几十米甚至--百多米高的狭小机舱内，由于维修不便、维修成本高，通常要求齿轮箱的设计寿命为20年，对可靠性的要求极其苛刻。尺寸、重量与可靠性之间存在着不可调和的矛盾，因此风电齿轮箱的总体设计，应在满足可靠性和工作寿命要求的前提下，以最小体积、最小重量为目标进行传动方案的比较和优化;结构设计应以满足传递功率和空间限制为前提,尽量考虑结构简单、运行可靠、维修方便。因此解决风力机组的齿轮箱结构的改进问题，能大大提高风力机的效率并降低维护成本，对于保证整个机组的传动系统的稳定性具有很大意义。研究的基本内容，拟解决的主要问题：研究基本内容可以分为以下几个部分：1、技术要求：拟对大型（兆瓦级）垂直轴风力发电机组传动系统进行设计，风力机组的传动机构由轮毂、传动轴、齿轮箱、联轴节和制动器等组成。根据风机外部环境条件，设计合理的传动系统结构及轮毂、传动轴的强度，并进行验算。2、主要研究内容：（1）行星齿轮箱的结构分析和选择，通过对适用于大型垂直轴风力发电机齿箱的结构原理进行阐述，按照体积最小的原则选择齿轮结构。拟采用1级平行轴+2级行星传动的结构，如下图5所示。图51级平行轴2级行星轮结构简图因为这个形式的行星轮结构的齿轮传动效率高，体积小结构简单且传动功率的范围大，轴向尺寸相对不是很大，可用于各种工作条件。整机传动系统方案研究，结合垂直轴风力机自身优势，综合考虑传统高速型、半直驱型两种传动形式（如下图6）的优缺点，确定传动系统布置形式。对于传动系统的整体布局，即轴系支承结构形式、位置等的确定，通过采用多方案对比的方法，对不同布置方案进行综合评估，最终确定整机传动系统方案。图6传统高速型与半直驱高速型传动系统布局（3）传动轴系的结构设计，对风轮选型并进行必要的气动计算，确定风轮在不同工况下的气动载荷，使“风轮-增速箱-发电机”三者匹配。根据风力机的受力情况建立整机受力模型，并进行受力分析，设计传动链结构，确定传动轴的结构尺寸。对轴系结构进行静力学、疲劳分析和动力学模态分析,使传动链中各传动轴能够满足静强度和疲劳强度,同时要避免共振，防止结构发生破坏，延长整体使用寿命。研究步骤、方法及措施：研究和设计的方法只要是将理论上的设计和实际的操作结合起来，也就是根据一定的科学理论和实践结论，在注重理论环节的基础上学以致用，根据理论上的方案,通过数学建模和计算机仿真分析进一步检验理论的可行性和正确性，完善理论方案。1、前期(2018.11.23-2019.1.19)：收集相关的资料和数据为展开进一步的研究做好准备。这些工作可以包括有：查找书籍资料，上网查询,完成开题报告。2、中期(2019.1.20-2013.4.29)：在前期的准备工作完成后，进行方案的理论分析，并制定多套实施方案。根据各方案的可行性以及优缺点，确定一个最优化的方案进行具体设计。具体设计步骤：(1)根据设计要求，设计装置及传动系统,选择最佳的理论方案。(2)数学建模及计算机仿真可以分析系统在理论上的可行性。(3)根据方案设计计算，确定具体结构(4)三维建模绘制相应的图纸,包括装配图及零件图；3、后期(2019.4.30-2019.5.19)：根据完成的课题设计撰写毕业论文、设计说明书、注意事项等等，整理与课题相关的资料数据。在这个过程中一定要保证设计参数的科学与实用性，因此要大量收集相关书籍和手册以作参考。设计研究过程中在保证独立自主的前提下注意和导师的联系沟通，使设计方案更加合理可行。四、研究工作进度：进度安排：序号时间内容12018.9.27-2018.11.10教师报题、学院审题、双向选题22018.11.15-2018.11.25下达任务书32019.1.7-2019.1.19开题报告会42019.2.14-2019.2.28提出可行方案，并确定一种最佳方案52019.3.1-2019.3.15数学建模及计算机仿真分析可行性62019.3.16-2019.3.24根据方案设计计算，确定具体结构72019.3.25-2019.4.7三维建模，修改和绘制图纸82019.4.8-2019.4.14中期检查92019.4.15-2019.4.28设计方案的校验102019.4.29-2019.5.19毕业论文的撰写112019.5.20-2019.5.26论文初审评阅及查重122019.5.27-2019.6.9答辩报告会

五、主要参考文献：（所列出的参考文献不得少于10篇，其中外文文献不得少于2篇，发表在期刊上的学术论文不得少于4篇。）[1]田海姣,王铁龙,王颖.垂直轴风力发电机发展概述[J].应用能源技术,2006(11):22-27.[2]张显双.风能的利用[M].物理世界.人民教育出版社，2004.[3]姚英学,汤志鹏.垂直轴风力机应用概况及其展望[J].现代制造工程,2010(03):136-139+144.[4]张国铭.论建造兆瓦级垂直轴式风力发电机组的合理性[J].水利电力施工机械,1995(04):32-36.[5]孙云峰,田德,王海宽,张春友,时燕,亢燕茹.垂直轴风力发电机的发展概况及趋势[J].农村牧区机械化,2008(02):42-44.[6]Vanncharless.MagneticallyLevitatedwindmill[J].America,US6700216,2004-03-02.[7]杜朝辉.水平轴风力机的几个关键气动问题探讨[J].上海汽轮机,2002(01):30-35.[8]朱巍晶.垂直轴风力发电机的创新设计应用[J].建筑科技,2018,2(02):65-67+78.[9]Dr.YongleSong.Integratedsoftwareofwindturbinegearboxdesign&developmentanalysis.EuropeanWindEnergyConference[R].Athens:2006,12(4):47-52.[10]Altan.B.D,MehmetAtilgan,AydoganOzdamar.AnexperimentalstudyonimprovementofaSavoniusrotorperformancewithcurtaining[J].ExperimentalThermalandFluidScience,2008(32):1673-1678[11]金鑫,甘洋,杨显刚,巨文斌.带有挡流板的垂直轴风力发电机性能优化研究[J].太阳能学报,2018,39(07):1995-2002.[12]张锁怀,王开专,张文礼,陈杨.兆瓦级风力发电机组传动系统的振动特性研究[J]