十千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)（機(jī)械類）畢業(yè)論文.doc

前言傳統(tǒng)燃料終將逐漸耗竭，其價(jià)格勢必日益上漲。因此，風(fēng)能業(yè)已喚起人們再檢視其能否成為未來主要可靠能源之一。風(fēng)能是一種干凈的、儲(chǔ)量極為豐富的可再生能源，他和存在于自然界的礦物燃料能源，如煤、石油、天然氣等不同，它不會(huì)隨著其本身的轉(zhuǎn)化和利用而減少，因此也可以說是一種取之不盡、用之不竭的能源。風(fēng)能利用已有數(shù)千年的歷史，在蒸汽機(jī)發(fā)明以前，風(fēng)帆和風(fēng)車是人類生產(chǎn)和生活的重要?jiǎng)恿ρb置埃及被認(rèn)為可能是最先利用風(fēng)能的國家，約在幾千年以前，他們就開始用風(fēng)帆來幫助行船。波斯和中國也很早開始利用風(fēng)能，主要使用垂直軸風(fēng)車。我國是最早使用風(fēng)帆船和風(fēng)車的國家之一，至少在3000年前的商代就出現(xiàn)了帆船，到唐代風(fēng)帆船已廣泛用于江河航運(yùn)。明代以后風(fēng)車得到了廣泛的應(yīng)用，我國沿海沿江的風(fēng)帆船和用風(fēng)力提水灌溉或制鹽的做法，一直延續(xù)到20世紀(jì)50年代，僅在江蘇沿海利用風(fēng)力提水的設(shè)備增達(dá)20萬臺(tái)。有效利用風(fēng)能資源，減少對(duì)不可再生資源的消耗，降低對(duì)環(huán)境的污染。在設(shè)計(jì)的過程中主要解決的問題是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體設(shè)計(jì)，葉片、槳葉復(fù)位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。大自然的風(fēng)完全不用進(jìn)口，是地道的自產(chǎn)能源，多加利用可減低對(duì)進(jìn)口石油、煤炭等化石能源的依賴，促進(jìn)能源來源多元化，在國家安全上也有其戰(zhàn)略意義。另外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為防風(fēng)墻不但可以發(fā)出電能還可以為我國沙塵天氣的防治起到一定的作用，并且在偏遠(yuǎn)山區(qū)電網(wǎng)無法安裝的地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)還可以為其解決用電難的問題3,2,1。所以我選擇這個(gè)題目作為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)，希望可以在發(fā)揮出其基本功能的前提下，做出價(jià)格便宜，結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)的機(jī)械設(shè)備來填寫我在大學(xué)最后的一次答卷！21概述1.1選題的目的與意義人類追求經(jīng)濟(jì)成長及現(xiàn)代化的結(jié)果使得能源大量消耗，然而地球的化石燃料蘊(yùn)藏量有限，統(tǒng)計(jì)顯示依照目前的消耗速率，石油蘊(yùn)藏量能供人類使用不到50年，天然氣不到70年，煤炭較久超過200年，終有一日人類將沒有石油可用。然而風(fēng)力發(fā)電不一樣，由于攝取大自然的風(fēng)能，只要太陽及地球仍在運(yùn)行即無匱乏之虞，而且一部裝置在一般地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在它20年使用壽命中所生產(chǎn)的電力發(fā)電機(jī)，在卸除它能耗費(fèi)能源的80倍，是能讓人們永續(xù)使用的再生能源之一。大自然的風(fēng)完全不用進(jìn)口，是地道的自產(chǎn)能源，多加利用可減低對(duì)進(jìn)口石油、煤炭等化石能源的依賴，促進(jìn)能源來源多元化，在國家安全上也有其戰(zhàn)略意義。在經(jīng)濟(jì)社會(huì)層面，風(fēng)力發(fā)電可制造工作機(jī)會(huì)，從零組件的生產(chǎn)、運(yùn)輸、組裝、維護(hù)等，皆為設(shè)置風(fēng)力發(fā)電機(jī)當(dāng)?shù)貛硐喈?dāng)?shù)木蜆I(yè)機(jī)會(huì)與新的產(chǎn)業(yè)。有效利用風(fēng)能資源，減少對(duì)不可再生資源的消耗，降低對(duì)環(huán)境的污染1。風(fēng)能利用已有數(shù)千年的歷史，在蒸汽機(jī)發(fā)明以前，風(fēng)帆和風(fēng)車是人類生產(chǎn)和生活的重要?jiǎng)恿ρb置埃及被認(rèn)為可能是最先利用風(fēng)能的國家，約在幾千年以前，他們就開始用風(fēng)帆來幫助行船。波斯和中國也很早開始利用風(fēng)能，主要使用垂直軸風(fēng)車。我國是最早使用風(fēng)帆船和風(fēng)車的國家之一，至少在3000年前的商代就出現(xiàn)了帆船，到唐代風(fēng)帆船已廣泛用于江河航運(yùn)。最輝煌的風(fēng)帆時(shí)代是明代，14世紀(jì)初葉中國航海家鄭和七下西洋，龐大的風(fēng)帆船隊(duì)功不可沒。明代以后風(fēng)車得到了廣泛的應(yīng)用，我國沿海沿江的風(fēng)帆船和用風(fēng)力提水灌溉或制鹽的做法，一直延續(xù)到20世紀(jì)50年代，僅在江蘇沿海利用風(fēng)力提水的設(shè)備增達(dá)20萬臺(tái)。歐洲到中世紀(jì)才廣泛利用風(fēng)能，荷蘭人發(fā)展了水平軸風(fēng)車。18世紀(jì)荷蘭曾用近萬座風(fēng)車排水，在低洼的海灘上造出良田，成為著名的風(fēng)車之國。隨著蒸汽機(jī)的出現(xiàn)，以及煤、石油、天然氣的大規(guī)模開采和廉價(jià)電力的獲得，各種曾經(jīng)被廣泛使用的風(fēng)力機(jī)械，由于成本高、效率低、使用不方便等，無法與蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)等相競爭，漸漸被淘汰。到了19世紀(jì)末，開始利用風(fēng)力發(fā)電，這在解決農(nóng)村電氣化方面顯示了重要的作用，特別是20世紀(jì)70年代以后，利用風(fēng)力發(fā)電更進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的階段。太陽輻射造成地表面受熱不均引起大氣溫度、密度和壓力差別。風(fēng)能是地球表面空氣從壓力高的地方向壓力低的地方移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能，風(fēng)能資源是經(jīng)過測在量和質(zhì)上可供人類開發(fā)利用的風(fēng)能。風(fēng)能的大小用風(fēng)功率密度來度量，它與風(fēng)速的立方和空氣密度成正比。太陽輻射的能量在地球表面約有2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能。根據(jù)荷蘭和美國對(duì)風(fēng)能資源的研究，考慮城鎮(zhèn)、森林、復(fù)雜地形、交通困難的山區(qū)及社會(huì)環(huán)境的制約，如景觀和噪音影響等，取具有風(fēng)能資源土地面積的4%推算，可利用的風(fēng)能資源儲(chǔ)量估計(jì)約96億kW或18.7萬億kWh/a。另外，海岸線附近的淺海區(qū)域也有非常豐富的風(fēng)能資源，且平均風(fēng)速大、湍流小，僅歐盟國家沿岸的海上風(fēng)能資源估計(jì)約3萬億kWh/a，比歐盟12國目前的年用電量2萬億kWh還大，如按年滿功率發(fā)電2500h計(jì)劃，則裝機(jī)容量可達(dá)12億kW。風(fēng)能是一種干凈的、儲(chǔ)量極為豐富的可再生能源，他和存在于自然界的礦物燃料能源，如煤、石油、天然氣等不同，它不會(huì)隨著其本身的轉(zhuǎn)化和利用而減少，因此也可以說是一種取之不盡、用之不竭的能源；而煤、石油、天然氣等礦物燃料能源，其儲(chǔ)量將隨著利用時(shí)間的增長而日趨減少。礦物燃料在利用過程中會(huì)帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，如空氣中的CONOSOCOx、22等氣體的排放量的增長導(dǎo)致了溫室效應(yīng)、酸雨等現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此自20世紀(jì)70年代末以來，隨著世界各國對(duì)環(huán)境保護(hù)、能源短缺及節(jié)能等問題的日益關(guān)注，認(rèn)為大規(guī)模利用風(fēng)力發(fā)電是減少空氣污染、減少有害氣體（2CO等）排放氣體的有效措施之一。傳統(tǒng)火力發(fā)電燃燒化石燃料而排放大量的二氧化碳及其它污染物質(zhì)，破壞環(huán)境并造成全球暖化，嚴(yán)重影響生態(tài)系統(tǒng)病危及人類健康；核能發(fā)電雖不像火力發(fā)電般排放許多污染物質(zhì)，但溫排水可能影響海洋生態(tài)，而且目前尚無法完善處理半衰期長達(dá)數(shù)千、數(shù)萬年的高放射性核廢料，使其部分環(huán)境造成影響。相比之下風(fēng)力發(fā)電完全沒有上述問題。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)換電力過程中不排放二氧化碳及任何污染物質(zhì)，更沒有放射性物質(zhì)的困擾，是非常干凈的能源，因此廣受注重環(huán)境保護(hù)的歐美國家的歡迎，成為應(yīng)用最多的再生能源技術(shù)之一。1.2目前國內(nèi)外風(fēng)電技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(簡稱風(fēng)電機(jī))是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械。風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)最主要的部件，由漿葉和輪轂組成。槳葉具有良好的空氣動(dòng)力外形，在氣流作用下能產(chǎn)生空氣動(dòng)力使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再通過齒輪箱增速，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變成電能。在理論上，最好的風(fēng)輪只能將約60%的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)風(fēng)輪的效率可達(dá)到40%。風(fēng)電4機(jī)輸出達(dá)到額定功率前，功率與風(fēng)速的立方成正比，即風(fēng)速增加1倍，輸出功率增加8倍，所以同力發(fā)電的效益與當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速關(guān)系極大。由于風(fēng)速隨時(shí)在變化，風(fēng)電機(jī)常年在野外運(yùn)行，承受十分復(fù)雜惡劣的交變載荷。當(dāng)前生產(chǎn)的主力機(jī)型為600750kW，機(jī)體龐大，風(fēng)輪直徑和塔架高度都達(dá)到4050m，設(shè)計(jì)和制造較困難。目前風(fēng)電機(jī)的設(shè)計(jì)壽命是20a，要求經(jīng)受住60m/s的11級(jí)暴風(fēng)襲擊，代表機(jī)組可靠性的可利用率要達(dá)到95%以上。德國、丹麥、西班牙、英國、荷蘭、瑞典、印度、加拿大等國在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用上投入了相當(dāng)大的人力及資金，充分綜合利用空氣動(dòng)力學(xué)、新材料、新型電機(jī)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制及通信技術(shù)等方面的最新成果，開發(fā)建立了評(píng)估風(fēng)力資源的測量及計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，發(fā)展了變漿距控制及失速控制的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論，采用了新型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論，采用了新型風(fēng)力機(jī)葉片材料及葉片翼型，研制出了變極、變滑差、變速、恒頻及低速永磁等新型發(fā)電機(jī)，開發(fā)了由微機(jī)控制的單臺(tái)及多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的機(jī)群的自動(dòng)控制技術(shù)，從而大大提高了風(fēng)力發(fā)電的效率及可靠性。當(dāng)前，世界風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)是：1）風(fēng)力機(jī)單機(jī)大型化風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量不斷增加是風(fēng)電技術(shù)的顯著特點(diǎn)之一。商業(yè)風(fēng)力機(jī)平均單機(jī)容量從1982年為55kw到2002年約為1100kw，20年增加了近20倍。隨著技術(shù)的逐漸成熟早年多樣化的設(shè)計(jì)理念也趨向統(tǒng)一。單機(jī)容量大，有利于降低每千瓦的制造成本；而且大型機(jī)組采用更高的塔架，有利于捕獲風(fēng)能，50m高度捕獲的風(fēng)能要比30m高度處多20%。目前，商業(yè)化機(jī)組的單機(jī)容量已達(dá)3.6MW。2）變速恒頻機(jī)組將成為主流機(jī)型目前，世界各地風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，絕大多數(shù)為恒速運(yùn)行機(jī)組。隨著控制技術(shù)的發(fā)展和變速恒頻機(jī)組的應(yīng)用，風(fēng)力機(jī)開始改恒速運(yùn)行為變速運(yùn)行，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，在低于額定風(fēng)俗的相當(dāng)大范圍內(nèi)保持最佳葉尖速比已獲得最大風(fēng)能。3）重量更輕、結(jié)構(gòu)更具柔性隨