小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計

小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計［摘要］本文介紹了一種小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計方案，本系統(tǒng)主要面向沿海高層建筑或邊遠(yuǎn)地區(qū)用戶。經(jīng)過查閱大量文獻(xiàn)資料結(jié)合必要的理論計算，系統(tǒng)采用四片NACA0012型葉片構(gòu)成H型達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)，利用永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過電力電子電路對蓄電池進(jìn)行充電。文中對主要支撐件和傳動件進(jìn)行了必要的結(jié)構(gòu)校核，對所用的兩個角接觸球軸承進(jìn)行了使用壽命校核。最后以垂直軸風(fēng)輪和永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)為主要對象，用solidworks軟件建立三維模型，設(shè)計風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要零部件，并簡要介紹其控制電路、選擇蓄電池型號。［關(guān)鍵字］垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)里厄NACA0012翼型DesignoftheVerticalAxisWindTurbine[Abstract]Thisisadesignofakindofverticalaxiswindturbinewhichwasusedinremovedruralareaorhighriseinseasidecitybasedonrelatedtheories.Byconsultingreferencesourcesandnecessarymathematicaloperation,fourNACA0012air-foilbladeswereusedasthecompomentsoftheH-typeDarrieus.Thelead-acidbetterywaschargedbytheelectricalenergywhichwasgeneratedbyapermanentmagnetsynchronousmotorwiththeoperationofpowerelectroniccircuits.Inthisarticle,someconstructuressuchasthemainsuppotingpartsandtheangularcontactballbearingswerevertifiedontheintensityandlife.Byusingofthesolidworks2006software,everyimportantparthasa3Dmodel.Wealsodesignacontrolcircuitandbetterybreifly.[Keywords]VerticalaxisWindturbineDarrieusNACA0012air-foil目錄TOC\o"1-5"\h\z第一章緒論11.1國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢11.2小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展概況3第二章風(fēng)力發(fā)電基本原理42.1風(fēng)特性4風(fēng)能量4湍流特性52.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架5第三章小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電的總體設(shè)計63.1風(fēng)力機(jī)的種類及選擇63.2垂直軸風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)8風(fēng)能利用率9Cp-入功率特性曲線10貝茨極限10葉尖速比11風(fēng)力機(jī)的功率及扭矩計算113.3葉片選型12葉片實(shí)度13葉片形狀及材料14第四章電氣設(shè)備及傳動設(shè)計164.1基本原理16法拉第電磁感應(yīng)原理16相位角及功率因數(shù)164.2轉(zhuǎn)化裝置17直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)17電氣系統(tǒng)電路設(shè)計17傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算18傳動軸的設(shè)計18軸承的計算及選型20第五章剎車裝置及其他部件設(shè)計25剎車裝置25剎車裝置原理25剎車結(jié)構(gòu)受力計算27塔架的設(shè)計28支撐件受力分析28拉索的受力計算30蓄電池和選型31蓄電池的種類及工作基本原理31蓄電池選型32箱體的設(shè)計32箱體的外形設(shè)計32箱體的防銹與密封33結(jié)論34致謝語35參考文獻(xiàn)36附錄37小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計引言當(dāng)前火力發(fā)電仍然是主要的發(fā)電方式，其高污染高能耗正一步步吞噬著地球脆弱的生態(tài)環(huán)境，地球急需一種環(huán)保高效的可再生能源來替代火力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電不像火力發(fā)電那樣需要大量的煤炭、水力發(fā)電那樣需要建造巨大的水庫，也不像核電那樣需要消耗鈾，它不需要燃料就可以源源不斷地產(chǎn)生能源，建好之后除了日常的維護(hù)費(fèi)用外幾乎不需要其他費(fèi)用支持風(fēng)力發(fā)電的用法很多，既可以并網(wǎng)使用也可以離網(wǎng)使用，可以同太陽能一起使用，也可以單獨(dú)構(gòu)成大型風(fēng)力發(fā)電廠。風(fēng)力機(jī)的種類千奇百怪，設(shè)計思路五花八門，充分發(fā)揮了人類豐富的想象力和創(chuàng)造力，按軸的方向分有水平軸風(fēng)力機(jī)、垂直軸風(fēng)力機(jī)，按驅(qū)動方式分有升力型和阻力型等等。雖然目前世界各地的大部分風(fēng)場所用的風(fēng)力機(jī)為水平軸的，但由于垂直軸風(fēng)力機(jī)，尤其提到達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)，有著優(yōu)越的空氣動力性能，提高了效率，并且很大程度降低了造價，所以近年來廣泛受到各國研究人員的關(guān)注。垂直軸風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)半徑可以小至一兩米，也可以大到數(shù)十米，發(fā)電風(fēng)速范圍比較廣。小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計#第一章緒論1.1國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢隨著能源緊缺及化石燃料對環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，開發(fā)新型能源成為各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵,目前可再生能源有太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?。風(fēng)能發(fā)電是目前為止技術(shù)最為成熟，歷史最為悠久的發(fā)電方式，是具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉矗锌赡艹蔀橹匾奶娲茉础Ｗ?3世紀(jì)起，水平軸風(fēng)車產(chǎn)業(yè)就成為了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的主要部分，而利用風(fēng)力發(fā)電的歷史可以追溯到19世紀(jì)晚期，美國的Brush研制了第一臺12kW的直流風(fēng)力機(jī)°Golding（1955）>Shepherd和Divone（1994）記錄了早期的風(fēng)力機(jī)發(fā)展史。1931年，蘇聯(lián)制造了一臺100KW、直徑30m的Balaclava（巴拉克拉法帽）風(fēng)力機(jī)；19世紀(jì)50年代早期，英國制造了一臺100KW、直徑24m的AndreaEnfield（安德魯-恩菲）風(fēng)力機(jī)。1956年，丹麥建造了一臺200KW、直徑24m的Gedser（蓋瑟）風(fēng)力機(jī)，1963年法國電力工業(yè)試驗(yàn)了一臺功率1.1MW、直徑35m的風(fēng)力機(jī)。在德國，Hutter（胡特）于19世紀(jì)50年代和60年代建立了一些新型的風(fēng)力機(jī)。由于石油價格突然上漲，美國開始建造一系列示范風(fēng)力機(jī)組，如1975年的功率100KW、直徑38m的Mod-0風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和1987年的功率2.5MW、直徑97.5m的Mod-5B風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。目前世界上最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是德國制造的E-126，高達(dá)120m，風(fēng)輪直徑126m，每個葉片長達(dá)61.4m，每片重181,裝機(jī)功率達(dá)到5MW[1]如圖1-1所示。圖1-1Enercon的E-126型風(fēng)力發(fā)電機(jī)

我國風(fēng)能資源豐富，根據(jù)第三次風(fēng)能普查結(jié)果，我國技術(shù)可開發(fā)的陸地面積約為24X104km2?？紤]到風(fēng)電場中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際布置能力，按照5MW/km2計算，陸上技術(shù)可開發(fā)量為120X104MW。目前我國風(fēng)能資源開發(fā)利用的重點(diǎn)區(qū)域有內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧省、河北省、吉林省、甘肅省、新疆維吾爾自治區(qū)、江蘇省等，其中內(nèi)蒙古自治區(qū)技術(shù)可開發(fā)量約為50X104MW，居全國之首⑵如圖1-2所示。圖1-2全年平均風(fēng)能密度分布在國家可再生能源發(fā)展規(guī)劃和風(fēng)電裝備國產(chǎn)化等相關(guān)政策的支持下，我過風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，2009年中國（不含臺灣?。┬略鲲L(fēng)電裝機(jī)10129臺，容量13803.2MW，年同比增長124%；累計風(fēng)電裝機(jī)21581臺，容量25805.3MW，年同比增長114%。臺灣省當(dāng)年新增風(fēng)電裝機(jī)37臺，容量77.9MW；累計裝機(jī)227臺，容量436.05MW[3]，如圖1-3所示。圖1-3歷年我國裝機(jī)儲量1.2小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展概況垂直軸風(fēng)力機(jī)(VerticalAxisWindTurbine或VAWT)的風(fēng)輪軸與風(fēng)向垂直，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動與風(fēng)向無關(guān)，但是由于其啟動風(fēng)速較高且功率不穩(wěn)定，其發(fā)展并不像水平軸風(fēng)力機(jī)那么迅速。隨著計算科學(xué)的飛速發(fā)展，垂直軸風(fēng)力機(jī)的優(yōu)異空氣動力性能(尤其是達(dá)里厄風(fēng)力機(jī))漸漸為世人所認(rèn)識，近年來廣泛受到各國研究人員的關(guān)注。國外較大的風(fēng)力發(fā)電公司有加拿大的CleanfiledEnergy公司，其主導(dǎo)產(chǎn)品是一種額定功率為3.5kW的升力型葉輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)，整套系統(tǒng)由玻璃鋼纖維和鋼材組成，約重181.4kg,葉輪高3m,輪輻直徑2.5m。2006年,中國垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)基地在內(nèi)蒙古化德縣啟動運(yùn)行，目前50kW小樣機(jī)組已投入運(yùn)行開始發(fā)電，如圖1-4所示。2007年，西峽瑞發(fā)水電設(shè)備公司和哈爾濱發(fā)電設(shè)備研究中心聯(lián)合開發(fā)設(shè)計的1.5MW垂直軸永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)研制成功，并在張家口風(fēng)電場安裝運(yùn)行。圖1-4德化縣50kW垂直軸風(fēng)力機(jī)第二章風(fēng)力發(fā)電基本原理2.1風(fēng)特性2.1.1風(fēng)能量空氣的流動現(xiàn)象稱為風(fēng)，風(fēng)是由于不同地方的空氣受熱不均勻，從一個地方向另一個地方運(yùn)動的空氣分子產(chǎn)生的，風(fēng)的能量就是空氣分子的動能，如圖2-1所示。圖2-1圖2-1空氣流的動能風(fēng)功率計算公式為聯(lián)立以上各式得(2.1)P=丄pSv3(2.1)2從式（2.1）容易看出風(fēng)速對風(fēng)能的影響是最大的，因此在沿海地區(qū)設(shè)計風(fēng)力機(jī)時必須要考慮強(qiáng)臺風(fēng)對設(shè)備的影響。2.1.2湍流特性湍流指的是短時間內(nèi)的風(fēng)速波動，隨著海拔、氣候、地形等變化。影響湍流的因素很多,產(chǎn)生湍流的主要原因有：1.由地形差異引起的氣流與地表的摩擦。2.由于空氣密度差異和氣溫變化的熱效應(yīng)空氣垂直運(yùn)動。湍流往往是有這兩種原因相互作用形成的。湍流無法用簡單的數(shù)學(xué)公式完整的表達(dá)出來，其復(fù)雜程度超出了人類現(xiàn)有的認(rèn)識能力。雖然它的活動遵循一定的定律，但是人類想要用這些定律來描述湍流過程是相當(dāng)困難的，因此只能通過統(tǒng)計學(xué)來大致描述湍流。湍流風(fēng)速變化基本上服從高斯函數(shù)，風(fēng)速變動相對于風(fēng)速均值服從正態(tài)分布，湍流強(qiáng)度I是用來描述湍流總體水平的，計算公式如下⑷1/U（2.2）式中I為湍流強(qiáng)度；b為脈動風(fēng)速的均方根；b2為脈動風(fēng)速動能；U為10min平均風(fēng)速。湍流強(qiáng)度由地表的粗糙度和高度決定，通常是在很短的一段時間內(nèi)計算得到的，如幾分鐘到一小時。2.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)不需要并網(wǎng)，只要選擇合適的蓄電池就能夠提供一般家庭的生活用電，本次設(shè)計的發(fā)電系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：葉輪、發(fā)電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)（包括剎車）、塔架、整流、功率控制系統(tǒng)，如圖2-2所示。圖2-2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第三章小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電的總體設(shè)計3.1風(fēng)力機(jī)的種類及選擇風(fēng)力機(jī)的分類方法很多，其中按風(fēng)力機(jī)主軸布置方向可分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)，水平軸風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸與風(fēng)向平行，如圖3-1所示。水平軸風(fēng)力機(jī)組有兩個主要優(yōu)勢:1?實(shí)度較低，能量成本低；2?葉輪掃掠面的平均高度可以更高，有利于增加發(fā)電量。圖3-1水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)垂直軸風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸與風(fēng)向垂直，如圖3-2所示，垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計簡單，風(fēng)輪無需對風(fēng)，其優(yōu)點(diǎn)有：1.可以接受任何風(fēng)向的風(fēng)，無需對風(fēng)；2?齒輪箱和發(fā)電機(jī)可以安裝在地面，檢修維護(hù)方便。

圖3-2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)按照槳葉受力方式分類可分為升力型風(fēng)力機(jī)和阻力型風(fēng)力機(jī)。升力型風(fēng)力機(jī)利用葉片的升力帶動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而轉(zhuǎn)化風(fēng)能為電能，這種風(fēng)力機(jī)目前較為常見，大部分水平軸風(fēng)力機(jī)都屬于升力型風(fēng)力機(jī)。目前大中型風(fēng)電主要采用水平軸風(fēng)力機(jī)，屬升力型風(fēng)力機(jī)，具有轉(zhuǎn)速高、風(fēng)的利用率較高等優(yōu)點(diǎn)，其葉尖速比通常在4以上，最大功率系數(shù)可達(dá)50%,如圖3-3所示。阻力型風(fēng)力機(jī)利用葉片上受到的阻力來驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，大部分阻力型風(fēng)力機(jī)為垂直軸，目前較少，如圖3-4所示。圖3-3升力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)圖3-4阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)

垂直軸升力型風(fēng)力機(jī)既有垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，又和升力型風(fēng)力機(jī)一樣具有較高轉(zhuǎn)速，風(fēng)能利用率有所提高。由于運(yùn)行過程中受力比水平軸好得多，疲勞壽命要更長。3.2垂直軸風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)如圖3-5所示建立平面坐標(biāo)系，假定風(fēng)速矢量為v，葉片端線速度矢量為u,葉片所在位置夾角為e,則葉片的平均線速度為⑸U=1U=1u1=兀Dn"60-(3.1)在圖3-5中，風(fēng)速矢量v二(0,-V),葉片速度矢量u二(-Usine,Ucose),風(fēng)對葉片的相對速度w=v+u,坐標(biāo)運(yùn)算后得w二(-Usine,-V+Ucose)。圖3-5垂直風(fēng)力機(jī)動力原理圖3-5垂直風(fēng)力機(jī)動力原理>->■相對風(fēng)速的大小就是矢量w的模|w|，以W表示w的單位矢量，U表示u的單位矢量,(3.2)則可以求出此時的攻角a,攻角就是相對風(fēng)速與葉片弦長所在直線的夾角，按照矢量計算可推得：(3.2)=cos-1(W，—U)在風(fēng)力的作用下，葉片在攻角a時受到的升力F和阻力F可以按以下公式計算：TOC\o"1-5"\h\zldF=-pSw2C(3.3)i2iF=-pSw2C(3.4)d2d

將升力和阻力投影到風(fēng)輪切方向:F=FsinaitiF=Fcosadtd其中F為F在切向的分量；F為F在切向的分量。ltldtd(3.5)(3.6)圖3-6垂直風(fēng)力機(jī)的葉素力學(xué)模型葉片受力分解如圖(3.5)(3.6)圖3-6垂直風(fēng)力機(jī)的葉素力學(xué)模型切向力的合力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動，葉片在位置角為。時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為(3.7)M=(F+F)R(3.7)itdt3.2.1風(fēng)能利用率風(fēng)能利用系數(shù)Cp是表示風(fēng)力機(jī)效率的重要參數(shù)，由于風(fēng)通過風(fēng)輪的風(fēng)能不能完全轉(zhuǎn)化為風(fēng)輪機(jī)械能，其風(fēng)能利用率Cp為[7]C=風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率=Pp輸入風(fēng)輪的功率p（3.8）其中Pm為風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率；Pw為風(fēng)力機(jī)輸入的風(fēng)能。mw目前大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率絕大部分是由葉片設(shè)計方計算得到的，一般在40%以上。由于之前一般都是利用葉素理論來計算垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率，得出的結(jié)果不如水平軸，但是根據(jù)國外最新的實(shí)驗(yàn)表明垂直軸的風(fēng)能利用率不低于40%[8]，再加上水平軸風(fēng)力機(jī)受到風(fēng)向變化的影響，而垂直軸風(fēng)力機(jī)可以在任何風(fēng)速角下工作，因此有理由相信垂直軸風(fēng)力機(jī)的利用率能夠超過水平軸。

Cp-入功率特性曲線風(fēng)能利用系數(shù)Cp—般是變化的，它隨著風(fēng)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化而變化，葉片尖端線速度與風(fēng)速之比叫做葉尖速比入（將在第3.2.4節(jié)具體說明），為了得到最佳的風(fēng)能利用率，一般根據(jù)Cp-入曲線來選擇合適的葉尖速比，如圖3-7所示。圖3-7Cp-圖3-7Cp-入曲線圖從圖3-7中看出，當(dāng)葉尖速比達(dá)到7.5左右時風(fēng)能利用系數(shù)最大，風(fēng)能利用率最高，Cp值有一個最大值，實(shí)際風(fēng)力機(jī)一般都達(dá)不到這么高的風(fēng)能利用率，所以我們先初定葉尖速比在入=6，風(fēng)能利用率Cp=0.4時對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行設(shè)計，具體的Cp-入圖還需根據(jù)具體的風(fēng)力機(jī)葉片試驗(yàn)及攻角調(diào)整來確定。3.2.3貝茨極限風(fēng)能利用系數(shù)縮短能達(dá)到的最大值就是貝茨極限，德國空氣動力學(xué)家AlbertBetz提出貝茨極限后，直到今天還沒有人能設(shè)計出超過這個極限的風(fēng)力機(jī)，該極限不是由于設(shè)計不足造成的，而是因?yàn)榱鞴懿坏貌辉谥聞颖P上游膨脹，使得自由流速比在圓盤處小，貝茨極限由一下微分方程得出⑼(3.9)dCp4(1-a)(1-3a)=0

da(3.9)式中a為氣流誘導(dǎo)因子。解微分方程可知當(dāng)a=1/3時，Cp最大，求得最大Cp=0.953。

3.2.4葉尖速比風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比稱為葉尖速比，阻力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為0.3至0.6,升力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為3至8。在升力型風(fēng)力機(jī)中，葉尖速比直接反映了相對風(fēng)速與葉片運(yùn)動方向的夾角，即直接關(guān)系到葉片的攻角，是分析風(fēng)力機(jī)性能的重要參數(shù)。葉尖速比計算公式為"罟=需（3.10）3.2.5風(fēng)力機(jī)的功率及扭矩計算由福建省情資料庫中的圖像資料可以看出廈門地區(qū)地面平均風(fēng)速在4m/s?6m/s左右，如圖3-8所示。圖3-8圖3-8福建省風(fēng)速分布從福建氣象網(wǎng)站(/)24小時監(jiān)測的結(jié)果可以看出，廈門地區(qū)一天內(nèi)4級風(fēng)(約8m/s)出現(xiàn)的頻率最高，如圖3-9所示。軽天乜實(shí)況7?-■■■7PSIflIi-'r..：'.-：+x.：'.-Ii：'.：■3T_hr卡it*I]$:書￥K15*.：it訶L9￡[>il2$■-￡亠4■T3亠10嬉中國無吒?■士卑側(cè)才戲-厲:應(yīng)＜殊的煒1臥是"用方商cElfl)...甌童盼］圖3-9廈門某日24小時風(fēng)速監(jiān)測圖

風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速按照國家標(biāo)準(zhǔn)《GBT13981-2009小型風(fēng)力機(jī)設(shè)計通用要求》風(fēng)輪掃掠面積小于等于40m2的風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速Vn在6m/s?10m/s,我們將風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速暫定為8m/s。風(fēng)力機(jī)設(shè)計發(fā)電功率為300W,現(xiàn)在我們來計算通過該風(fēng)力機(jī)的總功率，按風(fēng)力機(jī)效率Cp=40%,則風(fēng)力機(jī)的輸入功率為30040%二750W30040%二750W3.11)根據(jù)公式（2.1）得掃風(fēng)面積為=2.34m23.12)「2P2=2.34m23.12)pv31.25x83式中P為風(fēng)力機(jī)實(shí)際獲得總功率，W；P為空氣密度，kg/m3；取標(biāo)準(zhǔn)值1.25kg/m3；S為風(fēng)輪的掃風(fēng)面積，m2；v為上游風(fēng)速，m/s。以上結(jié)果表明：通過風(fēng)功率為750W的風(fēng)力機(jī)組，掃掠面積為2.34m2，在風(fēng)速為8m/s的情況下發(fā)電功率為300W。風(fēng)輪高度與直徑的比值為風(fēng)輪的高徑比，應(yīng)該在輸出相同功率時葉片制造費(fèi)用最低的條件下，選擇高徑比，研究表明，高徑比為1附近時相同的材料掃風(fēng)面積最大，其中H為風(fēng)輪高度，D為風(fēng)輪直徑。HxD=2.34H［1D得到H=1.5m，D=1.6m，產(chǎn)生的掃掠面積基本上能符合要求。風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩［10］：T=-=0.5兀pCR3V=0.5x3.14x1.25x0.4x0.83x—=4.3Nm(3.13)①p九63.3葉片選型葉片是利用氣流通過時產(chǎn)生的壓力差使葉輪轉(zhuǎn)動的部件，具有空氣動力學(xué)特性，其設(shè)計質(zhì)量對整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其他零部件有這直接影響，因此葉片是風(fēng)力機(jī)的重要部件。葉片的設(shè)計目標(biāo)主要有：良好的空氣動力外形可靠地結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；合理的葉片剛度；良好的結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性和啟動穩(wěn)定性；耐腐蝕、方便維修；6?滿足以上目標(biāo)前提下，盡可能減輕葉片重量，降低成本。風(fēng)力機(jī)的翼型多種多樣，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用較多的有NACA翼型系列、SERI翼型系列、NREL翼型系列、RIS①翼型系列和FFA-W翼型系列等，其中NACA翼型是美國國家宇航局(NASA)的前身國家航空咨詢委員會(NACA)提出設(shè)計的翼型系列，具有低阻力系數(shù)的特點(diǎn),適合低速運(yùn)行［11。3.3.1葉片實(shí)度風(fēng)力機(jī)葉片的總面積與風(fēng)通過風(fēng)輪的面積(風(fēng)輪掃掠面積)之比稱為實(shí)度比(容積比)，是風(fēng)力機(jī)的一個參考數(shù)據(jù)。垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片實(shí)度計算公式為：b二NCL/2RL二NC/2R(3.12)升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪，C為葉片弦長，N為葉片個數(shù)，R為風(fēng)輪半徑，L為葉片長度,。為實(shí)度比。合理選取實(shí)度比的原則是在保證風(fēng)輪氣動特性的條件下，力求使制造葉片的費(fèi)用最低。為了最大限度提高動效率，翼型特性應(yīng)具有下列要求：升力系數(shù)斜度大；阻力系數(shù)??；阻力系數(shù)與零升角對稱。如圖3-10所示三種翼型的阻力系數(shù)，可以看出，NACA0012的阻力系數(shù)較小，適用于大雷諾數(shù)的情況，具有上述特性，故選用較低阻力系數(shù)NACA0012對稱翼型。XWEdXWEd就礁卞國噲舉由于NACA0012是對稱翼型，在圖3-11左側(cè)數(shù)據(jù)表中僅列出了單邊的數(shù)據(jù)，表中c是弦長（弦長為1.00）；x是弦長坐標(biāo)（單位是x/c）；y是對應(yīng)x位置的翼面與弦的距離（單位是y/c）。Y04[a.aitiiLiY04[a.aitiiLift.HlJCkl燈pt442^-i0(MO|j]Q<K>3K>[*4葉'a任ojOS吐]Cl工餐O?8小?0flOQMffl￡>脅睿汁七0X"4.di:卄歷詞a:mo>a?*s■斗0fl-■*Ct山2■生4-Q0*H>d?0^rai+iO;-■&-JjwJ0奮4F-JII3-fl叩斗r?gO32：9■>!<￡>-：■1.」6WlJj圖3-11NACA0012翼型參數(shù)實(shí)度比選擇在0.5?0.6范圍內(nèi)較好。為此可以得出風(fēng)輪葉片的弦長：C=2RL=2%0?8X0.6=0如N4（3.13）本次設(shè)計采用的葉片弦長0.24m，數(shù)據(jù)只需將表中各數(shù)字適當(dāng)縮放即可⑸3.3.2葉片形狀及材料葉片截面結(jié)構(gòu)為主梁蒙皮式，表面材料為鋁合金，主梁采用單向承載能力強(qiáng)的硬鋁材料,O型主梁結(jié)構(gòu)制造簡單，各向受力均衡。葉片空心處用聚氨酯泡沫材料填充，剖面形式如圖3-12所示。圖3-12葉片剖面主梁可直接焊接與鋁合金蒙皮上，待主梁與蒙皮連接完成后，在空腹結(jié)構(gòu)內(nèi)填入聚氨酯直接發(fā)泡填充成型。由此，風(fēng)力機(jī)的基本參數(shù)可以確定，如表3.1所示。表3.1風(fēng)力機(jī)參數(shù)額定風(fēng)速平均效率葉尖速比設(shè)計功率8m/s40%6300W第四章電氣設(shè)備及傳動設(shè)計4.1基本原理4.1.1法拉第電磁感應(yīng)原理磁通量的變化將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，閉合電路的一部分導(dǎo)線切割磁感線將產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng)，1820年H.C?奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)，之后許多科學(xué)家試圖解釋這一現(xiàn)象，1831年8月，法拉第認(rèn)為感應(yīng)電流是由與導(dǎo)體性質(zhì)無關(guān)的感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的，即使沒有回路沒有感應(yīng)電流，感應(yīng)電動勢依然存在。法拉第電磁感應(yīng)定律可用以下公式表示：d4.1基本原理4.1.1法拉第電磁感應(yīng)原理磁通量的變化將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，閉合電路的一部分導(dǎo)線切割磁感線將產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng)，1820年H.C?奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)，之后許多科學(xué)家試圖解釋這一現(xiàn)象，1831年8月，法拉第認(rèn)為感應(yīng)電流是由與導(dǎo)體性質(zhì)無關(guān)的感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的，即使沒有回路沒有感應(yīng)電流，感應(yīng)電動勢依然存在。法拉第電磁感應(yīng)定律可用以下公式表示：d?dt4.1)其中：e為感應(yīng)電動勢，N為線圈匝數(shù)，d?為磁通量變化量。導(dǎo)線切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢可用以下公式表示：p=Usin@t)Isin@t+?)mm其中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，L為導(dǎo)線長度,v為導(dǎo)線切割速度。4.2)4.1.2相位角及功率因數(shù)瞬時電壓及瞬時電流由以下公式得到：u=Usin(wt)mi=Isin(①t+?)m4.3)4.4)其中U為電壓最大值，I為電流最大值，?是瞬時電壓與瞬時電流的夾角。mm瞬時功率為：p=Usin@t)Isin@t+?)mm4.5)在一個周期內(nèi)對瞬時功率積分獲得平均功率：UIcos0P=—p-pavg2（4.6）對于三相電流，每相電流等于i；'3的線圈電流，實(shí)際產(chǎn)生的功率為：P二UIcos0avg（4.7）式中cos0即為功率因數(shù)。轉(zhuǎn)化裝置4.2.1直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)永磁同步發(fā)電機(jī)適合離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接由風(fēng)輪驅(qū)動，因此不需要安裝升速齒輪箱，這樣避免了齒輪箱產(chǎn)生的損耗、噪聲以及材料的磨損等問題。目前普遍使用的永磁同步發(fā)電機(jī)主要有FD系列和YF系列，按照功率和轉(zhuǎn)速選擇發(fā)電機(jī)，經(jīng)過查閱《中國電器工程大典第九卷-電機(jī)工程》P617表5.5-2，現(xiàn)選擇發(fā)電機(jī)型號為FD-300，其基本參數(shù)如表4.1所示。表4.1發(fā)電機(jī)參數(shù)型號額定功率/W發(fā)電機(jī)額定電壓/V重量/kg啟動力矩/Nm額定電流/A發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速FD-3003002817<0.3510.7400r/min電氣系統(tǒng)電路設(shè)計由于本人對電力控制方面不是很了解，因此只能對現(xiàn)有前人的論文進(jìn)行一些改動［12。］功率控制部分設(shè)計限于知識水平本人無法所有完成，只能大概敘述基本工作原理，如圖4-1所示。

1體對尖驅(qū)武逐蛙軸血屯1體對尖驅(qū)武逐蛙軸血屯系統(tǒng)結(jié)樹極圏PI丨圖4-1系統(tǒng)電力控制圖永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出三相交流電經(jīng)過不控整流電路整流后對蓄電池進(jìn)行充電，電子調(diào)壓電路的功能除了對蓄電池充電的控制外，還負(fù)責(zé)多余電能的卸荷。12V蓄電池接boost電路進(jìn)行升壓，升壓后電壓為24V，整個系統(tǒng)對外供電電壓也為24V。光電編碼器的額定電壓是5V,因此在電路中加入R1與R2進(jìn)行分壓限流。4.3傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算4.3.1傳動軸的設(shè)計主傳動軸只承受扭矩，不受彎矩，按空心主軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算主軸最小直徑:其中A為系數(shù)，按《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-19》選?。籨為軸端直徑，mm；n為軸的工作轉(zhuǎn)速，r/min；P為軸傳遞的功率，kW；a為空心軸的內(nèi)徑d與外徑d的比值，1a=d/do1查閱《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-19》得45鋼的A值取110，已知功率為750W，主軸額定轉(zhuǎn)速n為400轉(zhuǎn)/min。代入式(4.8)后得到13；'113；'1—0.64=14.2mm(4.9)按照主軸扭轉(zhuǎn)剛度計算直徑:=19.7mm=19.7mm(4.10)其中B為系數(shù)，按《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-20》選取，查閱《機(jī)械設(shè)計手冊單行-本軸承及其連接表5-1-20》得一般傳動時B值取91.5，已知功率為0.75kW，主軸額定轉(zhuǎn)速n為400轉(zhuǎn)/min，代入式(4.10)后得到(4.11)如果截面上有鍵槽時，應(yīng)將求得的軸徑增大，其增大值見《機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸■承及其連接》表5-1-22，增大值應(yīng)選7%,最后得出的最小外徑d=21.1mm。為了安全，我們選擇的軸外徑為d=30mm，內(nèi)徑d1=18mm，采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，主軸如圖4-2所示。圖4-2主軸示意圖校核主軸安全系數(shù)，主軸轉(zhuǎn)矩為T=0.5兀pCR3—

p九(4.12)=0.5x3.14x1.25x0.4x0.83竺=60.3Nm(4.12)6只考慮扭拒作用時的安全系數(shù)為(4.13)其中t為對稱循環(huán)應(yīng)力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限，Mpa,見《機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連-1接表5-1-1》，T_1=115；K丫為扭轉(zhuǎn)時的有效應(yīng)力集中系數(shù)，見《機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-30?表5-1-32》，K=1.8；0為表面質(zhì)量系數(shù)，一般用《機(jī)械設(shè)計手冊單T行本軸-承及其連接表5-1-36》；軸表面強(qiáng)化處理后用《機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接

表5-1-38》；有腐蝕情況時用《機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-35》或《機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-37》，0=0.44；8為扭轉(zhuǎn)時的尺寸影響系數(shù)，見《機(jī)械設(shè)T計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-34》，8=0.89；t、工為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，TamMpa見《機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-25》，t=t==6.1；屮為ma2Z2x4.94屮tp材料扭轉(zhuǎn)的平均盈利折算系數(shù)，見《機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-33》,屮=0.21。T155將各數(shù)據(jù)代入公式后得155S=_=p8—=彳3ThT+屮tx6.1+0.21x6.108aTm0.44x0.89T根據(jù)調(diào)質(zhì)45鋼Q/Q=0.55，要求查《機(jī)械設(shè)計手冊》（機(jī)工版）第2版第19篇第5章sb得安全系數(shù)為5.0，因此設(shè)計的主軸滿足要求。4.3.2軸承的計算及選型由于風(fēng)力機(jī)不僅承受風(fēng)輪的扭矩，而且要承受氣流方向的一定彎矩，角接觸球軸承不僅能夠承徑向力，同時能夠承受一定的徑向載荷，因此在主軸上安裝兩個角接觸球軸承。1.角接觸球軸承1的選用計算角接觸球軸承1的安裝位置如圖4-3所示。0角接觸球軸承0角接觸球軸承圖4-3軸承1的安裝位置軸徑d=30mm，額定轉(zhuǎn)矩T=4.3Nm。由《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-82》選擇角接觸球軸承36000型新代號7000C,之所以選用接觸球軸承是考慮到主軸在轉(zhuǎn)動時有可能產(chǎn)生徑向載荷，軸承1參數(shù)如表4.2所示。孔徑d外徑D軸承代號極限轉(zhuǎn)速r/min（脂潤滑）額定動負(fù)荷Cr額定靜負(fù)荷Cor重量30mm55mm7006C950011.65kN&49kN0.11kg表4.2軸承1參數(shù)軸向載荷：F=(m+m+m+8xm)ga葉片支撐架主軸葉片支架=15kgx9.8N/kg=147N徑向載荷按照最不利狀況計算，根據(jù)伯努利方程，氣流作用在葉片上的壓力為：P=0.5pv2=0.5x1.25x82=40Pa4.14)作用在4個葉片上的總力為F二PS二40x0.375二15Nr4.15)由《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-12》推薦使用壽命為100000小時,軸承當(dāng)量動載荷的計算公式為P二XF+YFra4.16)式中X、Y分別為徑向動載荷系數(shù)及軸向動載荷系數(shù)?？赏ㄟ^查《機(jī)械設(shè)計手冊表28?3-2》得：因?yàn)镕/C—0.147/8.49—0.017aorF/F—0.102ar所以應(yīng)該選擇X=0.44,Y=1.47，代入式子得到P二XF+YF二0.44x15+1.47x147二222.69Nra軸承基本額定動載荷按如下公式計算：C—fffP—hmdP

ff

nT式中：C為基本額定動載荷計算值,N；f為速度因數(shù)，按《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-9》n選取5.85；f為力矩載荷因數(shù)，力矩載荷較小時取1.5,較大時取2,這里選取2；f為沖md擊載荷因數(shù)，按《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-10》選取1.2；f為溫度因數(shù)，按《機(jī)T械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-11》選取1；f為壽命因數(shù)，按《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承h表6-2-8》選取0.405；P為當(dāng)量動載荷。將各個數(shù)據(jù)代入式（4.13）得：C=5.85x"L2%0.22269=19.5N<C0.405x1r故選用此軸承能夠滿足額定載荷的要求。2?角接觸球軸承2的選用計算角接觸球軸承2的安裝位置如圖4-4所示。按照《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-82》選擇軸承型號36105（新型號7005C），參數(shù)如表4.3所示。表4.3軸承2參數(shù)孔徑d外徑D軸承代號極限轉(zhuǎn)速r/min（月旨潤滑）額定動負(fù)荷Cr額定靜負(fù)荷Cor重量25mm47mm7006C120009.38kN7.73kN0.074kg按照軸承1校核公式（4.15）對軸承進(jìn)行校核：F二PS=40x0.375二15NF=(m+m+m)ga葉片支撐架主軸=15kgx9.8N/kg=147N軸承當(dāng)量動載荷按公式(4.16)得：P二XF+YFra式中X、Y分別為徑向動載荷系數(shù)及軸向動載荷系數(shù)?？赏ㄟ^查《機(jī)械設(shè)計手冊表28?3-2》得：因?yàn)镕/C二0.147/6.53二0.0225aorF/F二0.102ar所以應(yīng)該選擇X=0.44,Y=1.40，代入公式(4.16)得到P二XF+YF二0.44x15+1.40x147二212.4Nra由《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)(第五版)公式16-3》計算軸承壽命：)e4.17)106(fC)e4.17)60nfPd式中：f為溫度因數(shù)，按《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-11》選取1；f為沖擊載荷因Td數(shù)，按《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-10》選取1.2；C為額定動載荷，C=9.38kN；N為主軸額定轉(zhuǎn)速，n=400r/min；e為壽命指數(shù)，對于球軸承取3。將各數(shù)據(jù)代入式子后得106fC1061x9380L—(L)￡—()3—2.07x106hh60nfP60x4001.2x212.4d由《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-12》推薦使用壽命為100000小時,所以可以滿足使用要求。主軸與發(fā)電機(jī)之間用圓錐銷套筒聯(lián)軸器進(jìn)行連接，如圖4-5所示，聯(lián)軸器具體參數(shù)見圖紙。圖4-5圓錐銷套筒聯(lián)軸器第五章剎車裝置及其他部件設(shè)計5.1剎車裝置5.1.1剎車裝置原理目前應(yīng)用的制動器有外抱塊式制動器（簡稱：塊式制動器）、內(nèi)張?zhí)闶街苿悠鳎ê喎Q：蹄式制動器）、帶式制動器、盤式制動器、載荷自制制動器等等，它們的工作原理都是利用摩擦力使致動盤停止，從而起到制動作用。制動器目前已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)，是標(biāo)準(zhǔn)件。東莞市產(chǎn)華電機(jī)有限公司FDB-1-100型凸緣單板式電磁制動器是利用電磁力產(chǎn)生壓力作用于制動盤上，在制動盤表面形成摩擦力，其基本結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。圖5-1制動器受力要求在十二級風(fēng)速（約30m/s）時能夠有效制動，下面通過計算力矩來選擇制動器已知v=30m/sp=1.205kg/m3R=0.8mX=6C=0.4p

由公式由公式(4.12)得T=0.5兀pCR3—

p九302T=0.5x3.14x1.25x0.4x0.83=60.3Nm6制動器所選型號為FDB-1-100,其基本參數(shù)如表5.1所示。表5.1制動器參數(shù)型號制動盤直徑靜摩擦轉(zhuǎn)矩動摩擦轉(zhuǎn)矩功率[24VDC](W)at20°C重量kg/mmN/m/N?mFDB-1-1001609080353.45制動器的閉合是通過轉(zhuǎn)載主軸上面的一個光電編碼器來實(shí)現(xiàn)控制的，光電編碼器收集主軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，主控電路中的單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某值時，單片機(jī)輸出數(shù)字信號，控制繼電器常開觸點(diǎn)閉合，從而制動器電磁鐵得電，制動器的電磁鐵由蓄電池供電，如圖5-2所示。itI11*1-90'圖5-2itI11*1-90'圖5-2制動器示意圖制動器外形尺寸如表5.2所示(/mm)。表5.2制動器外形數(shù)據(jù)AC1C2C3DEHJKLMPYmabt1601901758030652664423811.582-M80.3(-1)剎車結(jié)構(gòu)受力計算用制動器的額定制動轉(zhuǎn)矩反求風(fēng)力機(jī)制動器的最大工作風(fēng)速，由公式（4.12）得T=0.5兀pCR3—

p九_~/90X6—V_0.5兀pCR3_0.5x3.14x1.25x0.4x0.83vp=36.7m/s這個風(fēng)速相當(dāng)于13級風(fēng)，制動器在13級風(fēng)下可以安全制動。為了保護(hù)有效發(fā)電機(jī)和其他部件，制動器必須在轉(zhuǎn)速超出發(fā)電機(jī)允許范圍時立即動作，完成轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)收集的任務(wù)就交給了光電編碼器，光電編碼器通過光電轉(zhuǎn)換收集轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)送往主控電路（一般為單片機(jī)）進(jìn)行分析，最后產(chǎn)生一個控制信號使執(zhí)行件動作。圖5-3為套軸式編碼器，軸孔直接與電機(jī)軸配合，通過螺釘鎖緊，當(dāng)電機(jī)軸轉(zhuǎn)動時帶動光電編碼器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并產(chǎn)生光電信號。5-3光電編碼器套軸式編碼器IHA8030內(nèi)孔30mm光電編碼器的參數(shù)如表5.3所示。表5.3IHA8030光電編碼器數(shù)據(jù)電源電壓DC+5±5%最大機(jī)械轉(zhuǎn)矩4000rpm輸出電壓高電平285%Vcc,低電平W0.3V抗震力50m/s210?200HZ,xyz方向各2h

續(xù)上表消耗電流W180mA抗沖擊980m/s2,6ms,xyz方向各2次響應(yīng)頻率0?100KHZ防護(hù)防水、防油、防塵IP54輸出波形方波工作壽命MTBF三50000h(+25°C,20000rpm)載空比0.5T±0.1T工作溫度-10C?70C啟動力矩5X10-2Nm儲存溫度-30C?85C轉(zhuǎn)動慣量4X10-5kgm2工作濕度30~85%（無結(jié)霜）軸最大負(fù)荷徑向40N,軸向30N重量約0.6kg用光電編碼器對制動器進(jìn)行控制不僅控制精度高，而且靈活性較大，用戶可以通過簡單的修改數(shù)據(jù)就可以對制動器的觸發(fā)轉(zhuǎn)速進(jìn)行修改，這一特點(diǎn)對于不同地方不同環(huán)境下的制動非常有利。5.2塔架的設(shè)計5.2.1支撐件受力分析支架選用低合金碳鋼，在滿足強(qiáng)度要求的同時盡量減少重量，現(xiàn)選擇牌號40Cr結(jié)構(gòu)用無縫鋼管，壁厚2mm，外徑30mm，長度1448mm，我們考慮最壞情況，即氣流直接作用于靜止的葉片上，這樣將四個葉片等效于一個平板，平板的面積為四個葉片投影面面積之和，如圖5-4所示。圖5-4等效受力圖

根據(jù)流體力學(xué)伯努利方程，作用于平板上的正壓力為：P=丄卩v2=0.5x1.25x302=562.5Pa2作用于平板的合力為F=PS=562.5x0.375=211N四個葉片所受到的力最后傳遞到中間支撐桿，支撐桿為40Cr合金鋼空心結(jié)構(gòu)，重量輕,強(qiáng)度高，如圖5-5所示。圖5-5中間支撐桿圖5-5中間支撐桿中間支撐桿L桿受彎矩為鋼管截面模量為T=FL桿受彎矩為鋼管截面模量為T=FL/2=211x0.742=157N

w兀D3、3.14X0.033/W=(1—a4)=(1—0.874)3232(5.1)二1.13X10-6其中D為外徑，m；a=26/30=0.87為內(nèi)徑與外徑比。受到最大彎應(yīng)力M1575=(——)==138.9MPa(5.2)maxW1.13X1O-6Z查《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-常用工程材料表3-1-9》得40Cr合金鋼的許用應(yīng)力為[5]二980MPa，所以能夠滿足強(qiáng)度要求。b5.2.2拉索的受力計算塔架的穩(wěn)定方式有很多，有拉桿式、拉索式、桁架式等，而拉索式憑借其簡單的結(jié)構(gòu)、低廉的價格及安裝簡易等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種塔架的固定。塔架用三條拉索固定與地面,每根拉索在水平面投影的夾角為120°，與塔架夾角為60°，拉索布置如圖5-7所示。圖5-7拉索的布置按最不利原則，風(fēng)速方向與y軸平行，受力如圖5-8所示。由圖5-8可得到下式:由圖5-8可得到下式:r2fcos30。cos60°=F=f=-2cos30。cos60。渲z=243.6N22查《機(jī)械設(shè)計手冊》起重機(jī)部分可得如表5.4所示。表5.4拉索力學(xué)性能鋼絲繩公稱直徑d/mm材料近似質(zhì)量鋼絲公稱抗拉強(qiáng)度/MPa鋼絲繩最小破斷拉力/KN2鋼芯鋼絲繩1.55kg/100m14702.11鋼絲繩數(shù)據(jù)目前市場上能夠買得到的鋼繩成品有許多，南通力森鋼絲繩有限公司生產(chǎn)的6X7類鋼絲繩直徑為2mm鋼絲繩可以滿足我們設(shè)計需求，在地面準(zhǔn)確位置固定地腳螺栓鋼筋，鋼筋端部彎成環(huán)狀與鋼絲繩套環(huán)連接。5.3蓄電池和選型5.3.1蓄電池的種類及工作基本原理電化學(xué)電池是一種把氧化還原反應(yīng)所釋放出來的能量直接轉(zhuǎn)變成低電壓直流電能的裝置，蓄電池分為酸性電池和堿性電池兩大類，酸性電池也稱鉛酸電池，其電解質(zhì)為硫酸，負(fù)極為Pb，正極為PbO2。鉛酸蓄電池廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，電池價格便宜，為鎘鎳蓄電池的1/6；高倍率放電性能良好，可用于引擎啟動，多用于汽車發(fā)動機(jī)的啟動；電池電壓在使用蓄電池中最高，可達(dá)到2.2V且易于浮充使用，沒有“記憶”效應(yīng)。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計我們采用鉛酸蓄電池來作為儲能原件［13。］蓄電池選型沈陽松下蓄電池有限公司生產(chǎn)的LC-P12100ST型蓄電池滿足我們的設(shè)計要求，基本參數(shù)如表5.5所示。表5.5蓄電池參數(shù)松下蓄電池100AH電池類型閥控密閉鉛酸蓄電池使用產(chǎn)品UPS容量100AH電壓12V其他特征407X173X210mm5.4箱體的設(shè)計箱體主要用于安裝發(fā)電機(jī)等重要部件，使這些部件免受風(fēng)雨的侵蝕，要求能夠防銹密封箱體要有一定的重量才能防止讓整個系統(tǒng)重心比較低，起到穩(wěn)定的作用。5.4.1箱體的外形設(shè)計本系統(tǒng)的箱體主要以圓柱形為主，上部小，下部偏大，呈階梯狀，如圖5-9所示。導(dǎo)軌圖5-9箱體外形導(dǎo)軌圖5-9箱體外形箱體地腳螺栓箱體一側(cè)開一矩形門，方便蓄電池的安裝與檢修，箱底內(nèi)部兩個導(dǎo)軌起到導(dǎo)向作用，能夠讓蓄電池在裝入和