風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)機(jī)械CAD圖紙

1、學(xué)科門類： 單位代碼 ： 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）中文題目：20千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì) 外文題目：20 KILOWATT WIND-DRIVEN GENERATOR DESIGN學(xué)生姓名所學(xué)專業(yè) 班 級 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 XXXXXXXXX系二*年XX月摘 要自然風(fēng)的速度和方向是隨機(jī)變化的，風(fēng)能具有不確定特點(diǎn)，如何使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率穩(wěn)定，是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的一個(gè)重要課題。迄今為止，已提出了多種改善風(fēng)力品質(zhì)的方法，例如采用變轉(zhuǎn)速控制技術(shù)，可以利用風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平滑輸出功率。由于變轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電組采用的是電力電子裝置，當(dāng)它將電能輸出輸送給電網(wǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變化的電力協(xié)波，并使功率因素惡化。風(fēng)能利用發(fā)展中的關(guān)鍵

2、技術(shù)問題風(fēng)能技術(shù)是一項(xiàng)涉及多個(gè)學(xué)科的綜合技術(shù)。而且，風(fēng)力機(jī)具有不同于通常機(jī)械系統(tǒng)的特性：動(dòng)力源是具有很強(qiáng)隨機(jī)性和不連續(xù)性的自然風(fēng)，葉片經(jīng)常運(yùn)行在失速工況，傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力輸入異常不規(guī)則，疲勞負(fù)載高于通常旋轉(zhuǎn)機(jī)械幾十倍。本文通過對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體設(shè)計(jì)，葉片、輪轂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，齒輪箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以達(dá)到利用風(fēng)能發(fā)電的目的，有效利用風(fēng)能資源，減少對不可再生資源的消耗，降低對環(huán)境的污染。關(guān)鍵詞：風(fēng)能；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；葉片；輪轂；齒輪箱Abstract目 錄前言11概述 21.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展簡史 21.2我國現(xiàn)階段風(fēng)電技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r 21.3風(fēng)力的等級選擇 31.4風(fēng)能利用發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)問

3、題 42風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 62.1風(fēng)輪設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)迎風(fēng)技術(shù) 62.2風(fēng)輪槳葉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7槳葉材料的選擇 7風(fēng)輪掃掠半徑參數(shù)計(jì)算 7風(fēng)輪的半徑分配問題 82.3理想風(fēng)能的利用 82.4槳葉軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算11槳葉軸危險(xiǎn)截面軸頸的計(jì)算11槳葉軸各軸段軸頸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算132.5風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)問題132.6風(fēng)輪槳葉的復(fù)位彈簧參數(shù)計(jì)算152.7風(fēng)輪的槳葉軸軸承座的螺栓強(qiáng)度校核計(jì)算18軸承座上螺栓組的布置問題18螺栓的受力分析和參數(shù)計(jì)算19軸承座上螺栓直徑的計(jì)算20軸承座上螺栓疲勞強(qiáng)度校核203風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)223.1主軸的相關(guān)參數(shù)的選擇和計(jì)算223.2軸段的設(shè)計(jì)與校核224風(fēng)力發(fā)

4、電機(jī)的增速器和發(fā)動(dòng)機(jī)的選取254.1主軸與增速器之間的聯(lián)軸器25聯(lián)軸器的特點(diǎn)25聯(lián)軸器的型號及主要參數(shù)254.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器的選擇25使用范圍和特點(diǎn)25型號的選擇264.3發(fā)電機(jī)的選取26選擇發(fā)電機(jī)應(yīng)綜合考慮的問題26型號的選擇265風(fēng)力發(fā)電機(jī)的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算275.1初步估計(jì)回轉(zhuǎn)體危險(xiǎn)軸頸的大小275.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)286風(fēng)力發(fā)電機(jī)的其他元件的設(shè)計(jì)296.1剎車裝置的設(shè)計(jì)296.2選擇滑環(huán)296.3托架的基本結(jié)構(gòu)307結(jié)論31致謝 32參考文獻(xiàn) 33附錄A譯文 34附錄B外文文獻(xiàn) 46前言自然界的風(fēng)是可以利用的資源，然而，我們現(xiàn)在還沒有很好的對它進(jìn)行開發(fā)。這就向我們提出了一個(gè)課題：

5、我們?nèi)绾伍_發(fā)利用風(fēng)能？自然風(fēng)的速度和方向是隨機(jī)變化的，風(fēng)能具有不確定特點(diǎn)，如何使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率穩(wěn)定，是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的一個(gè)重要課題。迄今為止，已提出了多種改善風(fēng)力品質(zhì)的方法，例如采用變轉(zhuǎn)速控制技術(shù)，可以利用風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平滑輸出功率。由于變轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電組采用的是電力電子裝置，當(dāng)它將電能輸出輸送給電網(wǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變化的電力協(xié)波，并使功率因素惡化。因此，為了滿足在變速控制過程中良好的動(dòng)態(tài)特性，并使發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)提供高品質(zhì)的電能，發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間的電力電子接口應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：一，在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)上產(chǎn)生盡可能低的協(xié)波電波；二，具有單位功率因素或可控的功率因素；三，使發(fā)電機(jī)輸出電壓適應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化；四，

6、向電網(wǎng)輸出穩(wěn)定的功率；五，發(fā)電機(jī)磁轉(zhuǎn)距可控。此外，當(dāng)電網(wǎng)中并入的風(fēng)力電量達(dá)到一定程度，會(huì)引起電壓不穩(wěn)定。特別是電網(wǎng)發(fā)生短時(shí)故障時(shí)，電壓突降，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就無法向電網(wǎng)輸送能量，最終由于保護(hù)動(dòng)作而從電網(wǎng)解列。在風(fēng)能占較大比例的電網(wǎng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的突然解列，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的不穩(wěn)定。因此，用合理的方法使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電功率平穩(wěn)具有非常重要的意義。本文通過對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體設(shè)計(jì)，葉片、輪轂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，齒輪箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以達(dá)到利用風(fēng)能發(fā)電的目的，有效利用風(fēng)能資源，減少對不可再生資源的消耗，降低對環(huán)境的污染。本論文在王慧老師的悉心教導(dǎo)之下，通過研讀各著作期刊，經(jīng)過多次的修改。由于作者水平有限

7、，論文中難免出現(xiàn)點(diǎn)差錯(cuò)，懇請讀者指正。1概述1.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展史簡介我國是最早使用風(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。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。歐

8、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。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)控制的單臺及多臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的機(jī)群的自動(dòng)控制技

9、術(shù)，從而大大提高了風(fēng)力發(fā)電的效率及可靠性。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。1.2我國現(xiàn)階段風(fēng)電技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r中國現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的開發(fā)利用起源于20世紀(jì)70年代初。經(jīng)過初期發(fā)展、單機(jī)分散研制、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化幾個(gè)階段的發(fā)展，無論在科學(xué)研究、設(shè)計(jì)制造，還是試驗(yàn)、示范、應(yīng)用推廣等方面均有了長足的進(jìn)步和很大的提高，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 表1-1 中國風(fēng)電場裝機(jī)容量發(fā)展情況（單位：萬KW）Table 1-1 China's installed capacity of win

10、d power development (unit : 10，000 KW)裝機(jī)容量199920002001200220032004當(dāng)年新增4.477.655.726.699.9819.8累計(jì)容量26.8334.4840.2046.6256.676.41.3 風(fēng)力的等級選擇風(fēng)力等級是根據(jù)風(fēng)對地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象，按風(fēng)力的強(qiáng)度等級來估計(jì)風(fēng)力的大小，國際上采用的是英國人蒲福（Francis Beaufort，17741859）于1805年所擬定的等級，故又稱蒲福風(fēng)級，他把靜風(fēng)到颶風(fēng)分為13級。見表2-2。表1-2 蒲福風(fēng)力等級表Table 1 -2 Bofu wind scale風(fēng)力

11、等級名稱相當(dāng)于平地10m高處的風(fēng)速（m/s）陸上地物征象中文英文范圍中數(shù)0靜風(fēng)Calm0.00.20靜、煙直上1軟風(fēng)Light air0.31.51煙能表示風(fēng)向，樹葉略有搖動(dòng)2輕風(fēng)Light breeze1.63.32人面感覺有風(fēng)，樹葉有微響，旗子開始飄動(dòng)，高的草開始搖動(dòng)3微風(fēng)Gentle breeze3.45.44樹葉及小枝搖動(dòng)不息，旗子展開，高的草搖動(dòng)不息4和風(fēng)Moderate breeze5.57.97能吹起地面灰塵和紙張，樹枝動(dòng)搖，高的草呈波浪起伏5清勁風(fēng)Fresh breeze8.010.79有葉的小樹搖擺，內(nèi)陸的水面有小波，高的草波浪起伏明顯6強(qiáng)風(fēng)Strong breeze10.8

12、13.812大樹枝搖動(dòng)，電線呼呼有聲，撐傘困難，高的草不時(shí)傾伏于地7疾風(fēng)Near gale13.917.116大樹搖動(dòng)，大樹枝彎下來，迎風(fēng)步行感覺不變8大風(fēng)Gale17.220.720可折毀小樹枝，人迎風(fēng)前行感覺阻力甚大9烈風(fēng)Strong gale20.824.423草房遭受破壞，屋瓦被掀起，大樹枝可折斷10狂風(fēng)Storm24.528.426樹木可被吹倒，一般建筑物遭破壞11暴風(fēng)Violent storm28.532.631大樹可被吹倒，一般建筑物遭嚴(yán)重破壞12颶風(fēng)Hurricane>32.6>33陸上少見，其摧毀力極大1.4 風(fēng)能利用發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)問題風(fēng)能利用發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)問

13、題風(fēng)能技術(shù)是一項(xiàng)涉及多個(gè)學(xué)科的綜合技術(shù)。而且，風(fēng)力機(jī)具有不同于通常機(jī)械系統(tǒng)的特性：動(dòng)力源是具有很強(qiáng)隨機(jī)性和不連續(xù)性的自然風(fēng)，葉片經(jīng)常運(yùn)行在失速工況，傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力輸入異常不規(guī)則，疲勞負(fù)載高于通常旋轉(zhuǎn)機(jī)械幾十倍。對于這樣的強(qiáng)隨機(jī)性的綜合系統(tǒng)，其技術(shù)發(fā)展中有下列幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題：1）空氣動(dòng)力學(xué)問題空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)，它主要涉及下列問題:一是風(fēng)場湍流模型，早期風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)采用簡化風(fēng)場模型，對風(fēng)力機(jī)疲勞載荷和極端載荷的確定具有重要意義；另一是動(dòng)態(tài)氣動(dòng)模型。再一是新系列翼型。2）結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析是風(fēng)力機(jī)向更大、更柔和結(jié)構(gòu)更優(yōu)方向發(fā)展的關(guān)鍵。3）控制技術(shù)問題風(fēng)力機(jī)組的控制系

14、統(tǒng)是一個(gè)綜合性的控制系統(tǒng)。隨著風(fēng)力機(jī)組由恒速定漿距運(yùn)行發(fā)展到變速變漿距運(yùn)行，控制系統(tǒng)除了對機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)、脫網(wǎng)和調(diào)向控制外，還要對機(jī)組進(jìn)行轉(zhuǎn)速和功率的控制，以保證機(jī)組安全和跟蹤最佳運(yùn)行功率。2 風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1風(fēng)輪設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)-迎風(fēng)技術(shù)風(fēng)速的大小、方向隨時(shí)間總是在不斷變化，為保證風(fēng)輪機(jī)穩(wěn)定工作，必須有一個(gè)裝置跟蹤風(fēng)向變化，使風(fēng)輪隨風(fēng)向變化自動(dòng)相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，保持風(fēng)輪與風(fēng)向始終垂直。這種裝置就是風(fēng)輪機(jī)迎風(fēng)裝置。 (2-1) (2-2)式中 P風(fēng)輪機(jī)輸出功率， KW；空氣密度， kg/；r 風(fēng)輪半徑， m；風(fēng)能利用系數(shù) ；風(fēng)速， m/s；n 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速， r/min；由式（2-1）和（2-2）可知風(fēng)

15、輪機(jī)的輸出功率與風(fēng)速立方成正比，轉(zhuǎn)速與風(fēng)速一次方成正比。因此，風(fēng)速變化將引起出力和轉(zhuǎn)速的變化。風(fēng)輪迎風(fēng)裝置有三種方法：尾舵法、舵輪法和偏心法。風(fēng)向變化時(shí)，機(jī)身上受三個(gè)扭力矩作用，機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力矩，斜向風(fēng)作用于主軸上的扭力矩，尾舵輪扭力矩。與機(jī)頭質(zhì)量、支持軸承有關(guān)，決定于風(fēng)斜角、距離L，尾舵力矩由下式近似計(jì)算 （2-3）式中 尾舵升力、阻力合力系數(shù)由實(shí)驗(yàn)曲線查得；尾舵面積，；風(fēng)輪的圓周速率，m/s；K風(fēng)速損失系數(shù)約0.75；L尾舵距離，m。機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)條件 （2-4）尾舵面積 （2-5）式中 尾舵輪扭力矩， ； 機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力矩， ； 斜向風(fēng)作用于主軸上的扭力矩， ；按上式設(shè)計(jì)的尾舵面積就可以保

16、證風(fēng)輪機(jī)槳葉永遠(yuǎn)對準(zhǔn)風(fēng)向。舵輪法是用自動(dòng)測風(fēng)裝置測定風(fēng)向，按風(fēng)向偏差信號控制同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)輪，此方法也可保證風(fēng)輪機(jī)槳葉永遠(yuǎn)對準(zhǔn)風(fēng)向。在本設(shè)計(jì)中把尾舵取消增加槳葉軸與圓盤角度到7°角這樣可以加大與斜向風(fēng)的接觸面積增大斜向風(fēng)對主軸的轉(zhuǎn)矩當(dāng)斜向風(fēng)的轉(zhuǎn)矩為零時(shí)風(fēng)輪機(jī)槳葉對準(zhǔn)風(fēng)向。2.2 風(fēng)輪槳葉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 槳葉材料的選擇水平軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪一般由13個(gè)葉片組成（本設(shè)計(jì)中取6片槳葉），它是風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中吸收能量的部件。葉片采用實(shí)心木質(zhì)葉片。這種葉片是用優(yōu)質(zhì)木材精心加工而成，其表面可以蒙上一層玻璃鋼。在本設(shè)計(jì)中槳葉材料選用落葉松作為內(nèi)部骨架，木材物理力學(xué)性能見下表。 表2-1 木材物理力學(xué)性能Ta

17、ble 2-1 Physical and mechanical properties of wood 順紋抗壓強(qiáng)度/MPa順紋抗拉強(qiáng)/Mpa強(qiáng)度極限/MPa 彈性模數(shù)/MPa順紋抗剪強(qiáng)度/Mpa52.2122.699.3126×徑向 弦向 8.8 7.0 風(fēng)輪掃掠半徑的參數(shù)計(jì)算任何種類風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的功率可用下式表示：風(fēng)輪機(jī)功率 P= （2-6）風(fēng)輪半徑 取 （2-7）葉尖速比 （2-8）風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速 n= （2-9）式中 P輸出功率（指額定工況下輸出的電功率）（W）；P=20KW（給定值）空氣密度（一般取大氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）（kg/）； =1.25 kg/（給定值） 設(shè)計(jì)的風(fēng)速（風(fēng)輪中心高度處

18、）（m/s）； =10m/s（給定值） A風(fēng)輪掃掠面積 ；風(fēng)能利用系數(shù)；0.45 （給定值）n風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速；n=100r/min （給定值）r風(fēng)輪半徑(m)； 葉尖速比；n風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速(m/s)； 風(fēng)輪的半徑分配問題根據(jù)需要，圓盤輪轂半徑取0.45m，圓盤輪轂與槳葉間距取0.05m。則槳葉長度 （2-10）2.3理想風(fēng)能的利用經(jīng)風(fēng)輪做功后的風(fēng)也有一定流速和動(dòng)能，因此風(fēng)的能量只能被部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。風(fēng)輪前后流場如圖2-2。圖2-2風(fēng)輪前后流場Figure 2 -2 Wind flow around 設(shè) ， ， (2-11)由伯努利方程 (2-12)作用在風(fēng)輪上的軸向力F=A()= (2-13)A=

19、(2-14)式中 A 槳葉掃過的面積， ； 空氣密度， ； P 風(fēng)輪機(jī)功率， KW； 平均風(fēng)速， m/s； 輪前風(fēng)速， m/s； 輪后風(fēng)速， m/s； 輪前壓力， pa； 輪后壓力， pa；F 軸向力， N；r 風(fēng)輪半徑， m；質(zhì)量流量 （2-15）槳葉中的平均風(fēng)速等于輪前、輪后風(fēng)速的平均值 （2-16）從風(fēng)能中可能提取的能量是進(jìn)出口風(fēng)的動(dòng)能差 （2-17）已知輸入風(fēng)輪的能量為 （2-18）風(fēng)能利用系數(shù) (2-19)可能提取的能量 (2-20)代入各值得 (2-21)令 (2-22)將式2-12代入下式得風(fēng)能利用系數(shù) (2-23)可由式2-13求得風(fēng)輪機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)的極值。進(jìn)口風(fēng)速是已知的，對

20、求導(dǎo)，并令為零，求得風(fēng)能利用系數(shù)為極大值時(shí)的輪后風(fēng)速 (2-24)通過式2-13求得風(fēng)能利用系數(shù)的極大值為 =0.593 (2-25)由式2-10得出最大理想可能利用的風(fēng)能為 (2-26)理想風(fēng)輪機(jī)的能量密度 (2-27)2.4槳葉軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 槳葉軸危險(xiǎn)截面軸頸的計(jì)算當(dāng)風(fēng)垂直吹過槳葉時(shí)風(fēng)對槳葉軸的彎矩M由下式算得： （2-28）式中 F風(fēng)對槳葉施加的力，N風(fēng)的密度，風(fēng)速，m/s槳葉面積， （2-29）式中 H槳葉的一半到槳葉軸危險(xiǎn)截面的距離，m；M槳葉軸危險(xiǎn)截面處所受彎矩，；圖2-4槳葉受力簡圖Figure 2-4 Blade force schematic槳葉軸所受扭矩如下式： （2-

21、30）式中 F槳葉偏心面積所受風(fēng)的吹力，N；h槳葉軸中心到槳葉偏心面積中心線的距離，m；T槳葉軸所受轉(zhuǎn)矩，；槳葉軸的危險(xiǎn)截面按彎扭合成強(qiáng)度條件校核見下式：危險(xiǎn)截面軸頸d取60mm式中 許用抗拉強(qiáng)度極限， ； 彎扭合成強(qiáng)度， ；M 主軸彎矩， N；T 主軸扭矩， N； 當(dāng)剪應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)變力時(shí)為0.6；W 危險(xiǎn)截面處的抗扭截面模量， ；許用彎曲應(yīng)力， ；d 危險(xiǎn)截面軸頸， mm； 槳葉軸各軸段軸頸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算槳葉軸從左至右安裝零部件分別為：槳葉軸復(fù)位斜板、槳葉軸支撐軸承座、軸套、光軸、軸向固定螺母、墊片、槳葉軸支撐軸承座、光軸、加強(qiáng)鈑金、槳葉夾槽。所以軸頸分布如下： 圖2-5 槳葉軸軸頸分布

22、Figure 2-5 Paddle axle parts map2.5風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)問題功率調(diào)節(jié)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在超過額定風(fēng)速（一般為1216m/s；）以后，由于機(jī)械強(qiáng)度和發(fā)電機(jī)、電力電子容量等物理性能的限制，必須降低風(fēng)輪的能量捕獲，使功率輸出仍保持在額定值的附近。這樣也同時(shí)限制了槳葉承受的負(fù)荷和整個(gè)風(fēng)力機(jī)受到的沖擊，從而保證風(fēng)力機(jī)安全不受損害。功率調(diào)節(jié)方式主要有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距角調(diào)節(jié)和混合調(diào)節(jié)三種方式。1）定槳距失速調(diào)節(jié) 定槳距是指風(fēng)輪的槳葉與輪轂是剛性連接，葉片的槳距角不變。當(dāng)空氣流流經(jīng)上下翼面形狀不同的葉片時(shí)，葉片彎曲面的氣流加速，壓力降低，凹面的

23、氣流減速，壓力升高，壓差在葉片上產(chǎn)生由凹面指向彎曲面的升力。如果槳距角不變，隨著風(fēng)速增加，攻角相應(yīng)增大，開始升力會(huì)增大，到一定攻角后，尾緣氣流分離區(qū)增大，形成大的渦流，上下翼面壓力差減小，升力迅速減少，造成葉片失速（與飛機(jī)的機(jī)翼失速機(jī)理一樣），自動(dòng)限制了功率的增加。圖2-6槳葉失速前的狀態(tài)圖Figure 2 -6 因此，定槳距失速控制沒有功率反饋系統(tǒng)和變槳距角伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、部件少、造價(jià)低，并具有較高的安全系數(shù)。缺點(diǎn)是這種失速控制方式依賴育葉片獨(dú)特的翼型結(jié)構(gòu)，葉片本身結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成型工藝難度也較大。隨著功率增大，葉片加長，所承受的氣動(dòng)推力大，使得葉片的剛度減弱，失速動(dòng)態(tài)特性不易控制

24、，所以很少應(yīng)用在兆瓦級以上的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制上。2）變槳距角調(diào)節(jié) 變槳距角型風(fēng)力發(fā)電機(jī)能使風(fēng)輪葉片的安裝角隨風(fēng)速而變化，風(fēng)速增大時(shí)，槳距角向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，相當(dāng)于增大槳距角，從而減小攻角，風(fēng)力機(jī)功率相應(yīng)增大。變槳距角機(jī)組啟動(dòng)時(shí)可對轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，并網(wǎng)后可對功率進(jìn)行控制，使風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)性能和功率輸出特性都有顯著改善。變槳距角調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在陣風(fēng)時(shí)，塔架、葉片、基礎(chǔ)受到的沖擊，較之失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要小得多，可減少材料，降低整機(jī)質(zhì)量。它的缺點(diǎn)是需要有一套比較復(fù)雜的變槳距角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，要求風(fēng)力機(jī)的變槳距角系統(tǒng)對陣風(fēng)的響應(yīng)速度足夠快，才能減輕由于風(fēng)的波動(dòng)引起的功率脈動(dòng)。3）

25、混合調(diào)節(jié) 這種調(diào)節(jié)方式是前兩種功率調(diào)節(jié)方式的組合。在低風(fēng)速時(shí)，采用變槳距角調(diào)節(jié)，可達(dá)到更高的氣動(dòng)效率；當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到額定功率后，使槳距角向減小的方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，相應(yīng)的攻角增大，使葉片的失速效應(yīng)加深，從而限制風(fēng)能的捕獲。這種方式變槳距調(diào)節(jié)不需要很靈敏的調(diào)節(jié)速度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率相對可以較小。2.6 風(fēng)輪槳葉的復(fù)位彈簧參數(shù)計(jì)算1）當(dāng)6級風(fēng)時(shí)V12m/s；此時(shí)槳葉所受力 （2-31） 式中 V風(fēng)速 m/s (給定值) ；A槳葉的迎風(fēng)面積 ；H槳葉軸作用點(diǎn)到槳葉受力中點(diǎn)的距離 m；T槳葉受到的轉(zhuǎn)矩 。取L=20mm時(shí) （2-32）式中 彈簧最小工作載荷N2）當(dāng)V16m/s時(shí)，此時(shí)槳葉所受力 （2-33）

26、（2-34） （2-35）F總= （2-36）式中 彈簧最大工作載荷 N3） 工作行程 （2-37） h= （2-38）=34.641=35mm圖 2-7 槳葉復(fù)位彈簧工作示意圖Fig.2-7 The working sketch map of the replacement spring of blade彈簧類別圓柱螺旋壓縮彈簧端部結(jié)構(gòu)端部并緊、磨平，支承圈為1圈彈簧材料碳素彈簧鋼絲C級4）初算彈簧剛度 （2-39）5）工作極限載荷因是類載荷；故2444.4N 查表選2626.2N表2-2 彈簧有關(guān)參數(shù)Tab.2-2 Table of the parameter of springDD840

27、2626.24.1566326）有效圈數(shù)n ，按表取標(biāo)準(zhǔn)值n22 （2-40）總?cè)?shù)22+2=247）彈簧剛度 N/mm （2-41）8）工作極限載荷下的變形量 mm （2-42）9）節(jié)距t mm （2-43）10）自由高度 nt+1.5d=2212.156+1.58=279.432 mm （2-44）11）彈簧外徑 D+d=40+8=48mm （2-45）12）彈簧內(nèi)徑D-d40-832 mm （2-46）13）螺旋角arctan （2-47）14）展開長度L mm （2-48）15）最小載荷時(shí)高度 mm （2-49）14）最大載荷時(shí)的高度 mm （2-50）15）極限載荷時(shí)的高度 = mm

28、 （2-51）16）實(shí)際工作行程h h=-=35±1 （2-52）17）工作區(qū)范圍 （2-53）18）高徑比b b （2-54） 該彈簧的技術(shù)要求：1.總?cè)?shù)242.旋向?yàn)橛倚?.展開長度L3028.5mm4.硬度HRC45502.7風(fēng)輪的槳葉軸軸承座上的螺栓強(qiáng)度校核計(jì)算2.7.1軸承座上螺栓組的布置問題螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用如圖所示的結(jié)構(gòu)，螺栓數(shù)z=4，對稱布置。圖2-8螺栓布置圖Figure 2-8 bolts layout2.7.2螺栓的受力分析和參數(shù)計(jì)算1）考慮在極限風(fēng)速20m/s時(shí)，螺栓組承受以下各力和翻轉(zhuǎn)力矩的作用：軸向力 F=A=1.2540.25=433N （2-55）橫

29、向力 R=F離心+G槳葉+G槳葉軸 （2-56） G槳葉=V槳葉g=N （2-57）式中 槳葉材料選用東北落葉松，氣干密度為594kg （2-58） =462.3N （2-59） 式中 槳葉中心到主軸中心線的距離 m；槳葉軸中心到主軸中心線的距離 m； R=462.3N+99.8N+54.5N=616.6N翻轉(zhuǎn)力矩 M=FL=1.2540.25×1.325= 573.725 （2-60）式中 L槳葉中心到第一個(gè)軸承座中心的距離 m；2）在軸向力F的作用下，各螺栓所受的工作拉力為= （2-61）3）在翻轉(zhuǎn)力矩的作用下，前面兩螺栓受加載作用，而后面兩螺栓受到減載作用，故前面兩個(gè)螺栓受力較

30、大，所受的載荷為 （2-62）式中受力最大的螺栓到中心的距離 m；單個(gè)螺栓到中心的距離； 螺栓數(shù)目的初始值。 根據(jù)以上分析可見前面的螺栓所受的軸向工作拉力為 （2-63）4）在橫向力R的作用下，底板鏈接接合面可能產(chǎn)生滑移，根據(jù)底板接合面不滑移條件，并考慮軸向力F對預(yù)緊力的影響，則各螺栓所需要的預(yù)緊力為 （2-64）式中 螺栓所需要的預(yù)緊力 N；地的相對連接剛度系數(shù)；查得聯(lián)結(jié)接合面間的摩擦系數(shù)f=0.35，查得螺栓的相對連接剛度系數(shù)=0.2，取可靠性系數(shù)=1.2，則各螺栓所需要的預(yù)緊力為 （2-65）=833.655N5）螺栓所受的總拉力Q （2-66）2.7.3軸承座上螺栓直徑的計(jì)算螺栓的性能

31、等級為6.6級，查得，S=5螺栓的許用應(yīng)力螺栓危險(xiǎn)剖面的直徑為 （2-67） 軸承座上螺栓疲勞強(qiáng)度校核螺栓尺寸系數(shù) 查得 螺材料的疲勞極限 應(yīng)力幅安全系數(shù) 查得 應(yīng)力集中系數(shù) 查得 螺栓許用應(yīng)力幅 (2-68)螺栓應(yīng)力幅 (2-69)所以選用M8的螺栓，強(qiáng)度以及安全性足夠。3風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1主軸的相關(guān)參數(shù)的選擇和計(jì)算1）主軸的軸頸估算如下式：mm （3-1） 估取主軸d100mm 式中 d主軸軸頸，mm；P風(fēng)輪機(jī)輸入功率，kw；n風(fēng)輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min；A主軸參數(shù)，查表得A=110。主軸所受轉(zhuǎn)矩如下式T9.55 （3-2）2）主軸鍵的選擇 主軸鍵的擠壓應(yīng)力校核如下式： ??；

32、（3-3）；t=10mm， k=h/2=16/2=8mm，L=50mm，d=100mm； 所以該鍵合理。 （3-4）式中 許用擠壓應(yīng)力，；k 鍵與輪轂槽（或軸槽）的接觸高度，mm，k=h/2；h 鍵高，mm；l 鍵的工作長度，mm，A型：l=L-b，B型：l=L，C型：l=L-b/2，b 鍵寬，mm。3.2軸段設(shè)計(jì)與校核主軸從左至右裝配的零部件分別為：1）彈簧擋板調(diào)節(jié)螺母2）彈簧上擋板3）壓縮彈簧4）彈簧下?lián)醢?）圓盤定位螺母6）帶輪轂圓盤7）支撐軸承座。圖3-1 主軸裝配圖Figure 3-1 Spindle assembly 圓盤作用在主軸上的力由下式計(jì)算得出 （3-5） （3-6）式中

33、V 圓盤體積，； 圓盤質(zhì)量，kg；F 圓盤自重施加在主軸上的力，N；槳葉軸、槳葉作用在主軸上的力 （3-7）式中 六片槳葉、槳葉軸與圓盤整體自重，kg；六片槳葉、槳葉軸與圓盤整體自重作用在主軸上的力，N；圓盤、槳葉、槳葉軸整體對主軸的彎矩強(qiáng)度校核如下：M=1424.8×h=1424.8×0.0775=110400 （3-8） （3-9） 即54.18d 所以 選取d=100mm主軸軸頸校核強(qiáng)度滿足要求。式中 V 圓盤體積，；B 圓盤厚度， m；r 圓盤半徑， m； 圓盤質(zhì)量， kg；槳葉軸質(zhì)量，kg； 槳葉質(zhì)量，kg；圖 3-2 主軸 Fig.3-2 The spindle

34、4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的增速器和電動(dòng)機(jī)的選取4.1 主軸與增速器之間的聯(lián)軸器 聯(lián)軸器的特點(diǎn) 由于風(fēng)力液動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，主軸會(huì)產(chǎn)生偏移，因此采用彈性連軸器。 彈性柱銷聯(lián)軸器制造容易，耐久性好，安裝維護(hù)方便，傳遞轉(zhuǎn)矩大。為防止脫銷，柱銷兩端用螺栓固定了擋板。適用于軸向位移大，正、反轉(zhuǎn)或啟動(dòng)頻繁傳動(dòng)，因此選用彈性柱銷聯(lián)軸器。 聯(lián)軸器的型號及主要參數(shù) 主軸末端軸頸為100mm，選擇HL7型彈性柱銷聯(lián)軸器，其主要參數(shù)為表4-1 聯(lián)軸器參數(shù)Tab.4-1 Table of the parameter of coupling公稱轉(zhuǎn)矩許用轉(zhuǎn)速（鋼）質(zhì)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量630022405841.14.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器的選擇

35、由于槳葉輪的轉(zhuǎn)速較小，因此需要借助增速器來帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)，增速器的原理與減速器相同，只是將其的輸出與輸入調(diào)換，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和具體需要本設(shè)計(jì)采用NGW型行星齒輪減速器。 使用范圍和特點(diǎn) 1）適用范圍 NGW型行星齒輪減速器主要用于冶金、礦山、起重運(yùn)輸?shù)葯C(jī)械設(shè)備減速。其工作條件為：工作環(huán)境溫度為；高速軸最高轉(zhuǎn)速不超過1500；齒輪圓周速度不超過10；可正反兩方向運(yùn)轉(zhuǎn)。2）主要特點(diǎn)a.體積小、重量輕。相同條件下，比普通漸開線圓柱齒輪的重量輕1/2以上，1/2到1/3。b.傳動(dòng)效率高。c.適應(yīng)性強(qiáng)，傳動(dòng)功率范圍大。 d.運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲小。使用壽命達(dá)10年以上。 型號的選擇根據(jù)主軸軸頸、選用的聯(lián)軸器、傳動(dòng)比

36、及輸入功率等選取NGW62型行星齒輪減速器，其主要參數(shù)為 表4-2 減速器主要參數(shù)Tab.4-2 The main parameter of retarded公稱傳動(dòng)比i轉(zhuǎn)速主動(dòng)軸允許輸入功率重量3 發(fā)電機(jī)的選取 選擇發(fā)電機(jī)應(yīng)綜合考慮的問題（1）根據(jù)機(jī)械的 負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇發(fā)電機(jī)的類型。（2）根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、速度變化范圍和啟動(dòng)頻繁程度的要求，考慮發(fā)電機(jī)的溫升限制、過載能力和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，選擇發(fā)電機(jī)的功率，并確定冷卻通風(fēng)方式、所選電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取0.80.9。（3）根據(jù)使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨

37、水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護(hù)方式，選擇發(fā)電的結(jié)構(gòu)形式。（4）根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)對功率因數(shù)的要求，確定發(fā)電的電壓等級和類型。（5）根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)行的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程性能的要求，以及進(jìn)行減速機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇發(fā)電機(jī)的額定功率。 型號選擇根據(jù)實(shí)際需要，以及選擇電動(dòng)機(jī)應(yīng)綜合考慮的問題，選擇Y系列三相異步發(fā)電機(jī)。其主要性能及機(jī)構(gòu)特點(diǎn)：效率高，性能好，噪聲低，振動(dòng)小，體積小，重量輕，運(yùn)行可靠，維修方便等。5風(fēng)力發(fā)電機(jī)的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算5.1初步估計(jì)回轉(zhuǎn)體危險(xiǎn)軸頸的大小1）為回轉(zhuǎn)體， 由于回轉(zhuǎn)體位于整體裝置的重心偏后200mm處，所以槳葉、槳葉軸、圓盤、增速

38、器和托架對回轉(zhuǎn)體會(huì)產(chǎn)生正向彎矩，發(fā)電機(jī)對回轉(zhuǎn)體產(chǎn)生負(fù)向彎矩。圖5-1回轉(zhuǎn)體受力簡圖=900mm； ；350mm； 300kg； 200mm； 150kg； 425mm； 200kg； 1.25； （5-1） （5-2）80.8， （5-3）本設(shè)計(jì)中d取135mm所以完全符合強(qiáng)度要求。式中 六片槳葉、槳葉軸與圓盤整體自重到回轉(zhuǎn)體中心線的距離，mm；增速箱重心到回轉(zhuǎn)體中心線的距離， mm；托架重心到回轉(zhuǎn)體中心線的距離， mm；發(fā)電機(jī)重心到回轉(zhuǎn)體中心線的距離， mm；六片槳葉、槳葉軸與圓盤整體自重， kg；增速箱重量， kg；托架重量， kg；發(fā)電機(jī)重量， kg；圓盤背面受風(fēng)施加給回轉(zhuǎn)體的彎矩， N

39、；合成彎矩， ；圖5-2回轉(zhuǎn)體裝配圖5.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)體由：回轉(zhuǎn)軸底盤、加強(qiáng)鈑金、回轉(zhuǎn)軸軸承軸肩、回轉(zhuǎn)軸推力軸承軸段、回轉(zhuǎn)軸危險(xiǎn)軸段、滑動(dòng)軸承注油口、回轉(zhuǎn)軸軸向定位段、安裝滑環(huán)軸段、軸向定位螺母、軸向定位擋板、回轉(zhuǎn)體上聯(lián)接板、銅套、無縫鋼管、推力軸承等部分組成。其中回轉(zhuǎn)軸的左右擺動(dòng)問題通過滑動(dòng)軸承來解決它能很好的解決由于頂部重心偏向前而引起對軸的彎矩，加強(qiáng)了回轉(zhuǎn)軸的抗彎強(qiáng)度?；剞D(zhuǎn)軸擋板可以在安裝過程中防止回轉(zhuǎn)軸脫落下滑，回轉(zhuǎn)軸中心鉆出的通孔此處為發(fā)電機(jī)輸電線路。因回轉(zhuǎn)軸固定在塔架上當(dāng)風(fēng)向改變對風(fēng)時(shí)套筒上方連接的所有部件隨著套筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)銅套與套筒為過盈配合，銅套與回轉(zhuǎn)軸之間用潤滑油潤滑所以輸電

40、線路不會(huì)纏到一起。6風(fēng)力發(fā)電機(jī)的其他元件的設(shè)計(jì)6.1剎車裝置的設(shè)計(jì)由于機(jī)械維修以及意外情況的發(fā)生需要對風(fēng)輪機(jī)進(jìn)行剎車，所我們在增速器高速軸側(cè)加裝一輪轂并在輪轂外安置剎車裝置通過拉拽鋼絲繩帶動(dòng)剎車帶使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降低直至停止。剎車帶的復(fù)位由彈簧套筒內(nèi)的彈簧來保證停止剎車后剎車皮與輪轂不在接觸。圖6-1剎車裝置裝配圖Figure 6-1 brake assembly剎車機(jī)構(gòu)常用于安全系統(tǒng)，用在靜止或正常運(yùn)行時(shí)，剎車裝置一般有三種剎車方式：1）、電磁剎車（電動(dòng)式）；2）、機(jī)械剎車；3）、混合式剎車。形式不同，必須有很高的可靠性，使風(fēng)輪快速回到靜止位置。本設(shè)計(jì)中的剎車裝置主要由：1）彈簧筒聯(lián)接頭、2）彈簧筒聯(lián)接板、3）彈簧筒、4）復(fù)位彈簧、5）彈簧套筒蓋等零件組成。6.2選擇滑環(huán)風(fēng)輪機(jī)在工作中由于風(fēng)向的隨機(jī)性導(dǎo)致其會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)此時(shí)由于發(fā)電機(jī)的輸出電能要通過電線電纜傳輸?shù)降孛鏋榱朔乐癸L(fēng)輪機(jī)機(jī)頭部在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中把電線電纜與內(nèi)部裝置纏在一起，就需要滑環(huán)?；h(huán)是在一絕緣圓筒外壁鑲嵌三到四個(gè)圓環(huán)并相應(yīng)放置電刷電刷的另一端連接發(fā)電機(jī)的輸出電線電纜