水平軸風力發(fā)電機設計

精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上目 錄專心-專注-專業(yè)6摘 要風能是清潔綠色的動力，風力能源目前相對于我國來說還是相當充裕的。風力發(fā)電就是獲取風能最主要的一種方法。風力發(fā)電的根本工作原理，是通過風力使其葉片轉動，然后經(jīng)過增速機把風輪轉動的速度提高到一定的值，繼而使發(fā)電機正常工作然后發(fā)電?，F(xiàn)在風力發(fā)電技術已經(jīng)達到了一定的地步，基本風速達到3m/s的速度后，發(fā)電機就可以開使正常工作繼而發(fā)電。該課題是設計一臺小型水平軸風力發(fā)電機，它的基本組成部件主要有以下五種葉片發(fā)電機回轉體塔架控制系統(tǒng)等。本課題對風力發(fā)電機進行了基本的講述，首先計算風輪的掃掠面積，繼而確定風輪的直徑，選定發(fā)電機，然后通過以上計算查表選擇軸承等部件，確定塔架的高度及材料，并繪制了圖紙。關鍵詞：風力發(fā)電機；回轉體；風輪AbstractWind power is a clean and green power, and wind power generation is quite abundant relative to our country. Wind power is the most important way to get wind energy. The basic principles and overall structure of small wind turbines are listed below.This project is to design a small horizontal axis wind power generator with a power of 2000W. The structure of the generator is a small horizontal axis wind turbine. The basic components of the generator are as follows:(1)five kinds of blade (2) generator (3) yaw device (4) tower frame (5) control system, etc. Among them, the revolving body plays the role of orientation, support and protection in this organization.The subject has carried on the basic narration to the wind power generator, mainly carried out the detailed design and calculation of the part of the rotary body, calculated its axial and radial force by calculating its windward area, selected the generator, calculated the gravity of the wind wheel roughly, and then selected the bearing and other components through the above calculation table, and passed the real time. And draw the drawings.Key words: wind turbine; rotary body; impeller1 緒論1.1風能資源的概述我國的風能資源十分豐富，每年可開發(fā)利用的風能儲量約為10億千瓦，其中，陸地上風能儲量約為2.53億千瓦，而海上可開發(fā)和利用的風能儲量約為7.5億千瓦，共計10億多千瓦。風能是清潔綠色的源動力，屬于可再生資源之一。并且我國的風能儲量相對于其他國家而言還是占有一定優(yōu)勢的?？砷_發(fā)利用比例也非?？捎^，而且我國開采風能技術已經(jīng)達到一定地步，比較適合開發(fā)利用風力發(fā)電項目，能夠給國家節(jié)省資源，給國民創(chuàng)造利益。1.2風能資源的利用風在全球的儲藏量都很大，它并不會因為人們大量的開發(fā)利用而減少，也不會因為其他客觀的因素而影響，它是我們能夠開發(fā)利用并且長期使用的可再生能源。目前全世界每年燃燒煤所獲得的能量，只有風力在一年內(nèi)所提供能量的三分之一左右。也正是因為這樣，全世界都非常重視開發(fā)研究風能資源，以便能夠更充分利用風力發(fā)電。人類很早以前就對風力發(fā)電的開發(fā)和利用進行研究了，期間也有過很多發(fā)明，經(jīng)過人們的不懈努力，反復嘗試，現(xiàn)在風力發(fā)電的制造與安裝技術正在逐步趨于完善。這對全世界來說都是一個福音。但是風能也是有不足的地方，因為風的大小并不是我們可以控制的，臺風、龍卷風都能在一瞬間摧毀很多建筑物，對人們造成不可估量的損失，所以我們不能停下對風能開發(fā)利用的腳步，一定要攻克這個難關，讓人能夠有實力來應對風力過大所帶來的災害。1.3風能資源利用的原理我們常說的風力發(fā)電其本質就是把風的動能通過葉片和發(fā)電機的組合體轉化為機械能，然后再把機械能轉變成電能。風力發(fā)電的根本工作原理，是通過風力使其葉片轉動，然后經(jīng)過增速機把風輪轉動的速度提高到一定的值，繼而使發(fā)電機正常工作然后發(fā)電?，F(xiàn)在風力發(fā)電技術已經(jīng)達到了一定的地步，基本風速達到3m/s的速度后，發(fā)電機就可以開使正常工作繼而發(fā)電。因為風能綠色無污染，并且風力發(fā)電在任何情況下都無需原料等原因，它已經(jīng)在慢慢的成為一種趨勢。風輪（包括尾翼）、塔架和發(fā)電機這三個部分構成的整體稱為發(fā)電機組，也是風力發(fā)電需要的基本裝置。其中風輪由兩只或兩只以上葉片組成，它是將風的動能轉化成機械能的重要部件。風能資源的最典型應用就是用來發(fā)電。將風能有效的轉化為電能的有效途徑就是通過發(fā)電機進行轉化。通過外部風力作用到發(fā)電機機組葉片上，使得葉片進行旋轉，以此帶動發(fā)電機的電機軸隨著轉動。發(fā)電機的轉子做切割磁感線的運動，繼而產(chǎn)生電流。將風能有效的轉化為電能。隨著生態(tài)環(huán)境保護重要性的不斷升級，有效解決環(huán)境污染問題已經(jīng)是個破在眉捷的話題了。因此，風力發(fā)電的應用在不久的將來，勢必會成為一種重要的能源獲取形式。使用風能發(fā)電的機構稱為風力發(fā)電機。這種機構基本由三大部分組成。迎風裝置，也就是風輪和尾翼的組合；發(fā)電裝置，就是指發(fā)電機。發(fā)電機的形式由水平回轉形式和垂直回轉形式兩大種；最后一部分就是起到支撐整個發(fā)電機運行工作的部件，塔架，其形式也是多種多樣，根據(jù)發(fā)電機的重量大小不同，它們的承重能力也不同。風輪是風力發(fā)電機獲取能量的最直接原件。因此，它的自身結構方面要求就比較高。既需要保證結構強度，在大風或者惡略的環(huán)境中不易損壞，又需要盡可能的減輕自重，保證運轉時不會消耗大量的能量。以至對葉片本身的材料和結構有了更高要求。玻璃鋼是一種有機的纖維合成材料，既保留了力學性能方面的高強度性能，又擁有著塑料一樣小的密度，是一種很適合設計制作葉片的材料。另外，由于自然界的風向和風速并不穩(wěn)定，最顯著特點就像一首歌中描述的時而寧靜，時而瘋狂。因此，合理的設計尾翼，讓尾翼對風向進行調節(jié)，始終保證葉片處于迎風狀態(tài)，能夠有效的提高發(fā)電機的發(fā)電效率。相反，還有另外一種情況，就是發(fā)電機轉速太高，以至于對發(fā)電機造成影響，嚴重的可能損壞設備。因此，減速裝置的設計應用就成了必不可缺的結構。剎車減速機構一般分為兩種，一種是具有自動調節(jié)功能的機構，另一種是手動調節(jié)機構。自動調節(jié)機構多用于相對比較大型的發(fā)電機組。它的基本原理是，在發(fā)電機軸上安裝轉速傳感器，當傳感器顯示的轉速達到預設值后，系統(tǒng)通過液壓或者電磁鐵的方式，迫使剎車機構進行剎車，達到降低轉速的目的，進一步保護發(fā)電設備不受損害。也可通過在電能輸出裝置上安裝電壓傳感器，憑借傳感器獲取的瞬時峰值電壓給出系統(tǒng)信號啟動剎車裝置。鐵塔在發(fā)電機中的主要作用就是支撐，是確保發(fā)電機穩(wěn)定運行，保證獲取風能的一個構架。鐵塔的選用需要根據(jù)具體的使用環(huán)境而定，在滿足發(fā)電機工作風速的情況下，具有足夠的剛性，且不能影響地面的人和物的日?；顒?。1.4風力發(fā)電的輸出發(fā)電機發(fā)出的電是不能被直接使用的，盡管它是交流電。這是因為，自然界的風速是隨時改變的，發(fā)電機輸出的電能也是非常的不穩(wěn)定。這樣一來，就需要有一個裝置把不穩(wěn)定的交流電進行轉化。將轉化以后的交流電存儲到蓄電池中或并入電網(wǎng)之中，再通過逆變器，將存儲的電能轉化為可被電器使用的工頻交流電，也就是我們熟知的220V的交流電。有的時候人們在選用小型發(fā)電機的時候，有一個選擇誤區(qū)，認為發(fā)電機的功率應該大于用電器的功率。這種認識是錯誤的。因為不論發(fā)電機的功率大小，他都將風能必須先存儲起來，存儲到預先設定好的蓄電池中。蓄電池的容量和匹配使用的逆變器才是輸出功率大小的關鍵決定因素。在平均風力較小的環(huán)境使用功率太大的風力發(fā)電機，很有可能會因為風力不足而無法帶動發(fā)電機正常運轉。而選擇一個合適大小的發(fā)電機，才能夠最為高效的將風能源源不斷的轉化為電能。從而取得最大的利用率。風力發(fā)電機的使用意義在實際生活中是很重要的。在貧困山區(qū)或者電力電網(wǎng)沒有完全覆蓋的區(qū)域，一臺風力發(fā)電機足可以為一家人進行日常生活的供電，在自然風光較多的旅游景區(qū)，不但可以為景區(qū)進行照明也，可以增加景區(qū)的特點。1.5風力發(fā)電機的種類風力發(fā)電的種類多種多樣，但是比較常見和被人們所熟知的風力發(fā)電機，根據(jù)其回轉軸的形式分類，主要有兩種形式。一是水平回轉軸風力發(fā)電機，另一種是垂直回轉軸風力發(fā)電機。這兩種發(fā)電機的最大區(qū)別在于，風力方向與回轉軸之間的位置關系不同。1.5.1水平軸風力發(fā)電機水平軸風力發(fā)電機是指，旋轉葉片的旋轉軸與發(fā)電機的電機軸在同一個回轉軸內(nèi)，或者說，二者的中心軸共線。水平軸風力發(fā)電機基本結構有：葉片前端的導流裝置，或者稱為整流罩。用于把風能轉變成機械能的葉片。將機械能轉化為電能的發(fā)電機。將電能進行存儲的蓄電池。將直流電轉變成普通市電的裝置，逆變器。以及用于支撐發(fā)電機的塔架。和一些輔助構件，比如說塔架固定鋼絲繩索等等。1.5.2垂直軸風力發(fā)電機對應于水平軸風力發(fā)電機，還有一種垂直軸風力發(fā)電機。這種發(fā)電機最大的特點就是不需要安裝迎風裝置的尾翼，氣流可以從360度方向吹過，它都能夠進行旋轉，切割磁感線，進行發(fā)電。它是利用空氣流過葉片，從而葉片產(chǎn)生對風的阻力，既而有一個反向的作用力促使發(fā)電旋轉。隨著轉速的增加，阻力會快速的下降，發(fā)電的效率也會隨之增加。然而它的最典型弊端就是啟動力矩太大。因此，這種形式的使用不及水平軸風力發(fā)電機廣泛。2 水平軸發(fā)電機的基本功能構成及工作原理2.1水平軸風力發(fā)電機的結構簡介水平軸風力發(fā)電機整體大致由以下幾個部分組成：(1)風葉 (2)整流罩（有的兼顧葉片固定作用）(3)發(fā)電機（主體結構）(4)回轉體（主體結構）(5)尾舵（調控風向）(6)固定拉索（鋼絲繩）(7)地基（穩(wěn)住整體）(8)地腳螺栓（固定設備）(9)控制器（用于把不穩(wěn)定的交流電轉換為穩(wěn)定的直流電的裝置）(10)蓄電池（儲存電能的裝置）(11)逆變器（將蓄電池中的直流電轉換為交流電，供其他電器使用）圖1 水平軸風力發(fā)電機基本結構示意圖2.2水平軸發(fā)電機關鍵部件詳細介紹認知2.2.1.風輪葉片介紹水平軸風力發(fā)電機的風輪一般最少可以是一個葉片，最多可以為四個葉片，但大多數(shù)都為三個葉片組成。如圖所示為葉片的幾種形式。a.層壓木制翼型 b.部分實心材料翼型c.有玻璃纖維的空心翼型 d.金屬翼型圖2 葉片結構形式圖2.2.2發(fā)電機（1）發(fā)電機的種類小型風力發(fā)電機有兩個大的種類，一種是直流另一種是交流?，F(xiàn)在很多風力發(fā)電機都選擇交流發(fā)電機，因為交流發(fā)電機具有很多優(yōu)點，如質量輕可以方便運輸安裝，在很大程度上節(jié)省了成本，能在很小的風力下運行發(fā)電，能增加風能的利用率。（2）發(fā)電機的構造交流發(fā)電機主要是由轉子、定子、外殼和整流器組成。（3）發(fā)電機的功率發(fā)電機在設計及研發(fā)時都會有一個額定值，但是因為風速一直變化等原因，發(fā)電機的功率也會隨之變化，有時低于額定值有時高于額定值，但是由于發(fā)電機自身的限制，其輸出功率會有一個極限值。達到極限值后不會再增加輸出功率。（4）回轉體回轉體是本課題研究的重點，它就像是整個裝置的脖子一樣，具有支撐和旋轉功能，是保證風輪、尾翼正常運作的基礎。風力發(fā)電機回轉體的設計安裝目前在我國種類繁多，本課題采用偏心式，其結構大致有三點，如下圖 圖3 回轉結構要素示意圖a.風輪的仰角考慮到風輪工作的特點，我們可以將回轉體上平面與水平面間設計有510 的夾角。發(fā)電機安裝在回轉體上，以至于發(fā)電機會有與之相同的仰角，因此能夠增加風輪的穩(wěn)定性。b.風輪軸與回轉體中心的偏心距風輪軸與回轉中心的偏心距是風力發(fā)電機調速機構能夠準確調速的重要結構參數(shù)。當風速達到限定風速時，此偏心距能夠準確地產(chǎn)生一個迫使風輪扭轉的力矩，使風輪立即開始側偏調整。如果風速繼續(xù)增大，風輪扭轉力矩也會增大，風輪則繼續(xù)側偏，直至達到限速停車的極限位置。c.尾翼后傾角和側偏角風輪尾翼與回轉體上的尾翼通過銷軸聯(lián)結，而此銷軸在安裝時即有一個設計好的空間后傾角和側偏角，由于這一空間后傾角和側偏角的存在，當風輪側偏調速時，尾翼逐漸翹起，翹起的尾翼在其重力的作用下企圖恢復到原來位置，一旦風速減小，尾翼重力作用下的恢復力矩迫使尾翼回到原來位置，使風輪迎風。2.2.3調速機構因為現(xiàn)實生活中風速大小的不確定性，像沿海地區(qū)有時還會出現(xiàn)臺風，針對這種現(xiàn)象我們就要有一個調速機構來限制風輪的轉速，如果不做限制的話，風輪的速度就會同風速一直增加，而我們設計時所選取的材料是承受不了這么大力的，進而就會損壞風力發(fā)電機，導致整體癱瘓，正是因為這個原因，我們才需要設計一個調速機構，用來保證風力發(fā)電機能夠穩(wěn)定工作從而有穩(wěn)定的輸出功率。小型風力發(fā)電機常用的調速方法有三種：風輪側偏調速法；槳葉側偏調速法；空氣制動調速法。（1）風輪側偏調速法在工作狀態(tài)下，風速增長至限制風速仍繼續(xù)增長時，我們可以轉動風輪，使風輪與風向產(chǎn)生一定夾角，降低迎風面積，以實現(xiàn)控制風速。如下圖所示：圖4 風輪側偏調速發(fā)示意圖（2）槳葉側偏式調速法槳葉側偏式調速法就是當風速達到限定風速時，迫使槳葉繞葉柄轉過一個角度，以改變槳葉的沖角，從而改變槳葉的升力與阻力，達到調速的目的。如下圖所示：圖5槳葉側偏式調速法（3）空氣制動調速法空氣制動調速法就是增大槳葉阻力從而達到調速的目的。2.2.4調向機構調向機構對于設備整體來說具有很重要的作用，因為風的方向并不是一直穩(wěn)定不變的，如果我們只是固定方向迎風的話，效率會變得非常的低，而加上調向機構效果會截然不同，就會大大增加風能的利用率，無論風是從哪個方向來的，它都會迅速做出調整，使風輪轉動，然后帶動風力發(fā)電機整體進行工作，所以說調向機構就像啟動器一樣至關重要。因此設置調向機構能夠使風輪盡可能的捕獲風能，進而提高風能的利用率。我們常常采用“尾翼調向”，小型風力發(fā)電機體質輕，這也是常用這種方式的原因之一。2.2.5手剎車機構手剎車機構是風力發(fā)電機中阻止風輪繼續(xù)轉動的裝置。主要作用是在遇到大風天氣或者設備出現(xiàn)故障時可以及時有效的停止風輪運行，以避免其他意外發(fā)生。在一些小型的設備中，經(jīng)常采用更為簡單的方式達到這種效果，例如：在尾翼加裝尼龍繩或鋼絲繩，也可以加裝絞輪裝置，通過繩索牽引改變風輪位置。2.2.6塔架塔架是風力發(fā)電機中重要的元件之一，用來支撐整個風輪結構，使風輪維持一定的高度，并且在較高的風速環(huán)境下能夠正常運行。因此，要合理的選擇作為塔架的材料，要保證足夠的硬度，不僅能夠支撐風輪的重量，還要克服較大的空氣阻力而不會出現(xiàn)彎曲或斷裂的現(xiàn)象。一般塔架大多數(shù)選擇空心結構的鐵材或鋼材，通過焊接的方式做成立式結構，不僅可以保證足夠的高度，而且硬度也基本滿足要求，還能夠節(jié)約成本。3 小型風力發(fā)電機葉輪和發(fā)電機裝置的選擇確定3.1設計風速的確定總的來說，能達到最大風能利用系數(shù)時所選取的風速，一般就為設計風速?，F(xiàn)我國所選取的設計風速也稱額定風速，一般是8m/s還有的是10m/s，因為國情的原因，選取好了設計風速，就能使發(fā)電機在額定風速下正常工作。如下表是內(nèi)蒙古風速氣象表，通過表中可以看出5-6m/s的風速出現(xiàn)的比重較多。表1 內(nèi)蒙古風速氣象表地區(qū)數(shù)值指標風能密度w/全年積累小時數(shù)h風速3-20m/s(約4-8級)風速6-20m/s(約4-8級)風速8-20m/s(約5-8級)風能豐富區(qū)即東南沿海、島嶼、內(nèi)蒙等地>200<6000>2200>1000風能較豐富區(qū)即豐富區(qū)向陸延展20-30km,青藏高原中部和北部等>15060001500800風能可利用區(qū)即兩廣沿海，大小興安嶺等地50-1502000-4000500-1500 表2 內(nèi)蒙古某地區(qū)氣象站觀測2004年平均風速表月份123456789101112風速m/s4.65.35.85.85.64.94.94.74.85.55.25.3表3 風力等級參照表風級名稱風速m/sKm/h陸地地面物像海面波浪浪高m最高m0無風0.0-0.2<1靜，煙直上平靜0.00.01軟風0.3-1.51-5煙示風向微波峰無飛沫0.10.12輕風1.6-3.36-11感覺有風小波峰未破碎0.20.33微風3.4-5.412-19景氣展開小波峰頂破裂0.61.04和風5.5-7.920-28吹起塵土小浪白沫波峰1.01.55勁風8.0-10.729-38小樹搖擺中浪折沫波群2.02.56強風10.8-13.839-49電線有聲大浪白沫離峰3.04.07疾風13.9-17.150-61步行困難破峰白沫成條4.05.58大風17.2-20.762-74折毀樹枝浪長高有浪花5.57.59烈風20.8-24.475-88小損房屋浪峰倒卷7.010.010狂風24.5-28.489-102拔起樹木海浪翻滾咆哮9.012.511暴風28.5-32.6103-117損毀重大波峰全程飛沫11.516.012颶風>32.6>117摧毀極大海浪滔天14.0-通過上表，我們?yōu)榱俗岋L的利用率提高，決定選擇8m/s作為設計風速。3.2 風輪外形的計算3.2.1風能利用系數(shù)Cp風能利用系數(shù)Cp的物理意義:風力發(fā)電機將風能轉化成電能的轉換效率。貝茲在20世紀30年代創(chuàng)立了氣動理論。在貝茲的理想化假設下得出了風力發(fā)電機的理論最大效率Cp=0.593。因為以上為理想化結論，可知風能利用效率是有一定限制的，所以現(xiàn)實中應該為Cp<0.593。3.2.2風輪的掃掠面積確定掃掠面積內(nèi)的未擾動氣流所含風能的百分比?？捎孟率奖硎荆篊p=P/(1/2SV) 公式（1）式中：P風力發(fā)電機實際獲得的輸出功率；-空氣密度 備注：標準狀態(tài)下=1.2928kg/m3，考慮到氣溫等因素本處計算取=1.2kg/m3 S風輪的掃掠面積；V風速。此時，根據(jù)公式1，變形得到S=P/(1/2*V*Cp) 公式（2）此時，因為暫取風速為 8m/s,（在第三章，3.1節(jié)中確定的風速）風能利用系數(shù)CP在此暫取為 0.5. 綜合以上所述，根據(jù)公式（2），計算出風輪的掃掠面積S。S=P/(1/2*V*Cp) =2000/（1/2*1.2*512*0.5）=13.023.2.3風輪直徑的確定風力發(fā)電機的掃掠面積是指風輪旋轉掃過的面積在垂直于風向的投影面積，是風力發(fā)電機截留風能的面積，稱為風力機的掃掠面積，如下圖所示，是一個典型三葉片水平軸風力機的掃掠面積示意圖。根據(jù)圓周面積S=R² 公式（3）風輪直徑可由下列公式進行估算:風葉長度R=2.03m(包含中間整流護罩),最后取整2m.圖6 典型三葉片水平軸風力機的掃掠面積示意圖3.2.4回轉體水平軸向力的計算從水平軸風力發(fā)電機的工作原理（第二章，第2.1節(jié)）我們知道，葉片受到風壓產(chǎn)生的作用力，會傳遞給發(fā)電機，發(fā)電機在傳遞給回轉體。所以，回轉體承受水平軸向推力即是風壓對葉片產(chǎn)生的壓力。先從風壓的概念了解入手。風壓就是垂直于氣流方向的平面所受到的風的壓力，風壓以單位面積上的風的動壓來表示：W=1/2V2 =0.6V2 公式（4）根據(jù)公式4，可以得出風力發(fā)電機在軸向上受到的動壓W：單位平方米的動壓W=38.4N/m²(在第三章，3.1節(jié)中確定了風速的大小)結合掃掠面積S=13.02（在第三章，3.2.2節(jié)中確定掃掠面積）軸向壓力公式F=W.S得到軸向壓力F=W.S=38.4X13.02=500N另外，根據(jù)國家標準，把風力發(fā)電機組的風速分為5級，按年平均風速10 m/s、8.5 m/s、7.5 m/s、6 m/s四種風速和特殊設計風速一個（本處設為8m/s），我們再增加停機風速20 m/s和起動風速3 m/s共七個風速來計算單位面積（每平方米）的風功率與風壓，計算所得數(shù)據(jù)填于下表。此表可以對風壓力進行大致的估算，在今后設計工作中，能夠大幅提高設計工作效率。表4 風速、風功率、風壓對照表風速（m/s）2013108.57.563風壓力（W/）240110604334225.4風功率（N/）4800131860036925312916.23.2.5 發(fā)電機的選擇確定風力發(fā)電機的發(fā)電功率計算有如下公式P=0.5*A*Cp*V³ 公式（5）A-扇葉掃掠面積，前面計算得知A=13.02-空氣密度，前面取定=1.2kg/m3V-風速，前面取定V=8m/s Cp-風能利用率。前面取定Cp=0.5P發(fā)電機為輸出功率 風能轉換電能效率，根據(jù)表5，取=35% 得知發(fā)電機最大功率P1=5.7KW表5 風力發(fā)電機的效率表風輪形式全效率阻力型垂直軸風力機（平板式）不超過12%阻力型垂直軸風力機（風杯式）不超過7%阻力型垂直軸風力機（S型）不超過25%升力型垂直軸風力機15%-30%多葉片風輪水平軸風力機10%-30%扭曲葉片風輪水平軸風力機1-10kw15%-35%扭曲葉片風輪水平軸風力機10-100kw30%-45%扭曲葉片風輪水平軸風力機100kw以上35%-50%根據(jù)以上計算數(shù)據(jù)，現(xiàn)選擇山東寧津晟成風電設備公司的3KW發(fā)電機可以滿足該設計使用要求。該風力發(fā)電機主體結構為150Kg。該參數(shù)表中標定了風力發(fā)電機的運輸毛重為199 Kg，考慮安全系數(shù)1.2，即對支撐塔架的正壓力為2400N.表6 山東寧津晟成風電設備公司3kw發(fā)電機各參數(shù)表型號FD4.0-3.0葉片數(shù)量3額定功率3kw葉片材質增強玻璃鋼最大功率4.5kw發(fā)電機型號三相交流永磁工作電壓DC38v/AC220v碳鋼型號釹鐵硼N35SH額定電壓DC/v48,96,120,240額定電流A62.5,31,25,12.5啟動風速m/s3發(fā)電機殼體鑄鐵額定風速m/s10控制器系統(tǒng)電磁+偏航安全風速m/s40工作溫度零下40零下60度主體凈重Kg150設計壽命20年額定轉速r/min300包裝尺寸m2.0*0.70*0.43風輪直徑m4運輸毛重Kg1994 水平軸風力發(fā)電機回轉體的設計與計算4.1回轉體結構設定（1）根據(jù)第二章內(nèi)容，發(fā)電機組的基本功能構成及工作原理中，對回轉體的理論介紹。（第二章，第2.2.2節(jié)，第四條）現(xiàn)對回轉體結構做如下設定。a.取定風輪的仰角為5°，決定了回轉體電機回轉軸與水平面呈+5°夾角。b.取定風輪軸與回轉體中心偏心距100mm。c.取定尾翼后傾角為4°d.取定尾翼側偏角為8°（2）經(jīng)過前面的設計和計算中，已知如下基本條件；(3.2.4節(jié)和3.2.5節(jié)內(nèi)容)1）回轉體受到的水平軸向力，即是葉片受到風力作用產(chǎn)生的正壓力.F1=500N2）根據(jù)發(fā)電機及配套部件，再加上安全系數(shù)，估算塔架承受重力為2400N.即是軸承需要承受的軸向力F2為2400N。4.2 軸承的計算與選用4.2.1軸承的功能與作用1）支承軸及其軸上的零件，并保持軸的旋轉精度。2）減少轉軸與支承件間的摩擦和磨損。3) 潤滑油的作用：降低摩擦損耗、減少磨損、冷卻、吸振、防銹等。4.2.2 軸承的查表選用 根據(jù)機械設計手冊可知，軸承壽命的計算公式如下，單位小時h公式（6） 其中C額定動載荷P當量動載荷考慮各種環(huán)境因素，增加了軸承計算的設計系數(shù)，得到下方的公式。表7 軸承計算各設計系數(shù)表工作中沖擊振動c引進載荷系數(shù)f進行修正載荷性質無沖擊或輕微沖擊中等沖擊強烈沖擊p1.01.81.21.81.83.0 修正結果：軸承壽命公式壽命指數(shù)：=3-球軸承或=10/3-滾子軸承用小時表示：Lh=106/60n（c/p）h當t100是，C引進溫度系數(shù)t進行修正。表8 溫度系數(shù)表軸承工作溫度100125150200250300溫度系數(shù)10.950.900.800.700.60根據(jù)前面分析已知，軸承主要承受正壓力F2和徑向力F1。因角接觸球軸承可同時承受徑向載荷和軸向載荷。能夠在較高的轉速下工作。接觸角越大，軸向承載能力則越高。在軸向力作用下，接觸角會增大。本設計中軸襯受到軸向力大約是徑向力的5倍。因此根據(jù)表9選用軸承類型為角接觸球軸承。表9 軸承類型表軸承類型簡圖結構形式代號標準編號深溝球軸承60000GB/T 276角接觸軸承7000C7000AC7000BGB/T 292因為現(xiàn)有F2=2400N,F1=500N.即F25F1. 軸承所承受的推力更大。根據(jù)下圖選擇公稱接觸角范圍為0<<45的軸承，以承受軸向載荷為主。（重力）a=0° 0°<a45° 45°<a<90° a=90°a.向心軸承 b.角接觸軸承 c.推力向心軸承 d.推力軸承圖7 各類軸承公稱接觸角示意圖當量動載荷的計算公式如下P=X*Fr+Y*Fa 公式（7）X-徑向動載荷系數(shù) Y-軸向動載荷系數(shù)Fa-軸向分力 Fr-徑向分力因為 Fa=F2=1500N；Fr=F1=500N；所以有Fa/Fr=4.8 根據(jù)表9可知，接觸角取定40時，e=1.14.此時X=0.35 Y=0.57表10 軸承各系數(shù)表軸承類型A/R>eA/ReeXYXY深溝球軸承0.562.31.991.71.100.190.220.26.角接觸軸承a=15度0.441.471.401.30100.380.400.23a=25度0.410.87100.68a=40度0.350.57101.14當量動載荷P= X Fr+Y Fa=0.35X500+0.57X2400=1543N此時軸承選定為B系列根據(jù)軸承的使用場合，選出軸承的使用壽命為40008000小時即可。此時選定上限為5000小時。表11 軸承預期使用壽命推薦值使用條件預期使用壽命L不經(jīng)常使用的儀器和設備300-3000短期或間斷使用的機械，如手動機械、農(nóng)業(yè)機械等3000-8000間斷使用的機械，如發(fā)電站輔助設備、流水作業(yè)傳送設備等8000-12000根據(jù)表7,選出軸承的載荷系數(shù)為fp=1.2根據(jù)表8,選出軸承的溫度系數(shù)為ft=1設計中，風力發(fā)電機不會出現(xiàn)高頻率的轉動，假定最高轉速為n=50r/min滾子軸承壽命指數(shù)取為 =10/3根據(jù)公式 公式（8）可以得出額定動載荷C=3206N=4.32KN因此，只要軸承額定載荷C計算處的理論動載荷C即可。表12 單列角接觸球軸承各尺寸及系數(shù)基本尺寸額定負荷軸承代號dDbCrCor7000型6011011011022222261.058.556.048.546.244.57212C7212AC7212B7012512512524242470.269.270.260.057.557.27214C7214AC7214B兼顧本設計中，發(fā)電機的導線需要從回轉體中穿過，這樣設計能夠保護電纜，增加其使用壽命。所以，我們選則使用中空的軸作為回轉體支撐，這樣軸襯的外形就會增大。前面已經(jīng)定義選用B系列軸承，此時按照表10中單列角接觸球軸承的7214B選型。該軸承額定動載荷C0=70.2KN ,遠遠大于我們計算的額定當量動載荷4.32KN。完全滿足使用需求。查表得知軸承的基本尺寸如下。內(nèi)徑：60mm 外徑：110mm 厚度22mm此時，可得到回轉體軸承安裝孔的尺寸。為使內(nèi)部軸向力平衡，以免軸串動，我們增加使用另一個角接觸球軸承，對稱安裝。具體選用型號為7214B，該軸承的尺寸通過查閱表得：內(nèi)徑：70mm 外徑：125mm 厚度：24mm軸承公差等級選用原則如下：a.在中等載荷、中等轉速以及旋轉精度要求不高的一般傳動裝置中可選用P0級b.在轉速較高和旋轉精度要求較高的旋轉機構中，可選用P6、P5c.在高速、高精度的旋轉機構中，可選用P4、P2級綜上所述，本例軸承選用中等精度等級即可，我們選取P6等級的精度。根據(jù)前期的各種零部件的計算以及教科書中關于公差的配合知識，最后得出公差等級進行標準，并查出其對應值。軸承組合的配合,配合類型為：(1)內(nèi)圈孔-軸-基孔制-軸公差：k6、m6(2)外圈-軸承孔座-基軸制-孔公差：H7、J7、Js7 游動支點：G7此時，回轉體的基本結構和加工尺寸就確立了。5 塔架5.1塔架高度的確定在大自然中，風其實就是大氣中空氣的流動，產(chǎn)生的原因就是大氣壓不平衡、不均勻，所以氣體會由氣壓高的地方流向氣壓低的地方，類似于水的流動。一般來說，大氣平流層以下的范圍內(nèi)，高度越高空氣流動速度越大，也就是說風速是不斷地隨著高度的增加而增大的。而塔架越高，風力發(fā)電機單位面積所能夠利用的風能就越大，但隨之的造價，技術方面上的要求以及安裝的困難程度也會隨之增加。所以，風力發(fā)電機的塔架并非越高越好，而要綜合考慮技術與經(jīng)濟這兩個因素。這樣來說，塔架的高度實際上就被限制在一定的范圍之內(nèi)。塔架的最低高度為Hmin=h+C+R （公式9）式中：h接近風力機的障礙物高度；取h=20m C由障礙物最高點到風輪掃掠面最低點的距離（常取C=1.52.0m）； R風輪半徑，R=2m由以上數(shù)據(jù)可得Hmin=20+2+2=24m， 取H=24m5.2 塔架材料的確定一般塔架大多數(shù)選擇空心結構的鐵材或鋼材，現(xiàn)選用Q345B鋼，空心結構，通過焊接的方式做成立式結構，不僅可以保證足夠的高度，而且硬度也基本滿足要求，還節(jié)約成本。5.3 整體建模效果圖圖8 整體裝配圖總 結本設計以小型水平軸風力發(fā)電機組作為研究對象，對其設計、理論進行了一系列的研究及探討。首先對國內(nèi)國外的風力發(fā)電行業(yè)的歷史及風力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展?jié)摿ψ隽嗽敿毜年U述，然后簡單介紹了風力發(fā)電機的幾個關鍵部件，對于風力發(fā)電機整機各部分進行設計了計算，對其中幾個重要零件如風輪系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)、軸承等進行了方案選擇，并進行了詳細的計算說明。最后通過計算機畫圖軟件對其各部分零件進行了分析然后畫圖，完成了最終的設計，結束本次的課題研究。參考文獻1丁元杰.風力發(fā)電機的原理與應用M.機械工業(yè)出版社.2012.2劉萬琨，張志英.風能與風力發(fā)電技術M.北京：化學工業(yè)出版社.2010. 3日牛山泉編著 劉薇.李巖譯.風能技術M.北京：科學出版社.2010. 4王小利.機械設計手冊M.第三卷,第6章 常用滾動軸承的基本尺寸與數(shù)據(jù).20115廖明夫.風力發(fā)電技術M.北京：西北工業(yè)大學出版社.2010. 6廖明夫.風力機設計、制造與運行M.北京：西北工業(yè)大學出版社.2010. 7郭克希，王建國，機械制圖M.北京：機械工業(yè)出版社.2013.8芮曉明,柳亦兵,馬志勇，風力發(fā)電機組設計M.機械工業(yè)出版社.2010.29GB/T 6391-2010滾動軸承 額定動載荷和額定壽命s.201010Keith,David W. 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