風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

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1、 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(méi)有很好的對(duì)它進(jìn)行開(kāi)發(fā)。這就向我們提出了一個(gè)課題：我們?nèi)绾伍_(kāi)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(guò)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

2、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，向電網(wǎng)輸出穩(wěn)定的功率；五，發(fā)電機(jī)磁轉(zhuǎn)距可控[8]。 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(wú)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(guò)對(duì)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)，

3、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(duì)不可再生資源的消耗，降低對(duì)環(huán)境的污染。 1　概述 1.1　風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展史簡(jiǎn)介 我國(guó)是最早使用風(fēng)帆船和風(fēng)車(chē)的國(guó)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(guó)航海家鄭和七下西洋，龐大的風(fēng)帆船隊(duì)功不可沒(méi)。明代以后風(fēng)車(chē)得到了廣泛的應(yīng)用，我國(guó)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(wàn)臺(tái)[7]。 隨著蒸汽機(jī)的出現(xiàn)，以及煤、石油、天然氣的大規(guī)模開(kāi)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

4、于成本高、效率低、使用不方便等，無(wú)法與蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)等相競(jìng)爭(zhēng)，漸漸被淘汰。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(chē)。18世紀(jì)荷蘭曾用近萬(wàn)座風(fēng)車(chē)排水，在低洼的海灘上造出良田，成為著名的風(fēng)車(chē)之國(guó)。德國(guó)、丹麥、西班牙、英國(guó)、荷蘭、瑞典、印度加拿大等國(guó)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(kāi)發(fā)建立了評(píng)估風(fēng)力資源的測(cè)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

5、及低速永磁等新型發(fā)電機(jī)，開(kāi)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。到了19世紀(jì)末，開(kāi)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[3]。 1.2　我國(guó)現(xiàn)階段風(fēng)電技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r 中國(guó)現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的開(kāi)發(fā)利用起源于20世紀(jì)70年代初。經(jīng)過(guò)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(wú)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(zhǎng)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[1]。 我國(guó)對(duì)風(fēng)電

6、已有部分優(yōu)惠政策，包括一下幾個(gè)方面。 1)風(fēng)電配額 制定出常規(guī)火電污染排放量分配比例，由全國(guó)所有省區(qū)共同分?jǐn)偟恼摺? 2)風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià) 落實(shí)風(fēng)電高于火電的價(jià)差攤到全省的平均銷(xiāo)售電價(jià)中。制定出按常規(guī)水電污染排放量分配比例，由全國(guó)所有省區(qū)共同分?jǐn)偟恼?。按地區(qū)具體情況定出風(fēng)電最高上網(wǎng)電價(jià)的限制，并保持10年不變，促使業(yè)主充分利用資源，降低成本。 3)售電增值稅 發(fā)電增加了新的稅源，建議參照小水電，核定風(fēng)電銷(xiāo)售環(huán)節(jié)增值稅率為6%。 4)銀行貸款 為降低風(fēng)電電價(jià)，減輕還貸壓力，建議適當(dāng)延長(zhǎng)風(fēng)電還貸期限，還貸期增至15年；為風(fēng)電項(xiàng)目提供貼息貸款。 5)鼓勵(lì)采用國(guó)產(chǎn)化風(fēng)

7、電機(jī) 為采用國(guó)產(chǎn)化風(fēng)電機(jī)的業(yè)主提供補(bǔ)貼和貼息貸款，補(bǔ)償開(kāi)發(fā)商的風(fēng)險(xiǎn)，幫助初期國(guó)產(chǎn)化機(jī)組進(jìn)入市場(chǎng)，得到批量生產(chǎn)和改進(jìn)產(chǎn)品的機(jī)會(huì)，以利降低成本。 表1-1 中國(guó)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量發(fā)展情況（單位：萬(wàn)KW） Table 1-1 Chinas installed capacity of wind power development (unit : 10，000 KW) 裝機(jī)容量 1999 2000 2001 2002 2003 2004 當(dāng)年新增 4.47 7.65 5.72 6.69 9.98 19.8 累計(jì)容量 26.83 34.48 40.20 46.6

8、2 56.6 76.4 1.3 風(fēng)力的等級(jí)選擇 風(fēng)力等級(jí)是根據(jù)風(fēng)對(duì)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(jí)來(lái)估計(jì)風(fēng)力的大小，國(guó)際上采用的是英國(guó)人蒲福（Francis Beaufort，1774~1859）于1805年所擬定的等級(jí)，故又稱蒲福風(fēng)級(jí)，他把靜風(fēng)到颶風(fēng)分為13級(jí)[7]。見(jiàn)表2-2。 表1-2 蒲福風(fēng)力等級(jí)表 Table 1 -2 Bofu wind scale 風(fēng) 力 等 級(jí) 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) Calm 0.0~0.2 0 靜、煙直上 1 軟風(fēng)

9、 Light air 0.3~1.5 1 煙能表示風(fēng)向，樹(shù)葉略有搖動(dòng) 2 輕風(fēng) Light breeze 1.6~3.3 2 人面感覺(jué)有風(fēng)，樹(shù)葉有微響，旗子開(kāi)始飄動(dòng)，高的草開(kāi)始搖動(dòng) 3 微風(fēng) Gentle breeze 3.4~5.4 4 樹(shù)葉及小枝搖動(dòng)不息，旗子展開(kāi)，高的草搖動(dòng)不息 4 和風(fēng) Moderate breeze 5.5~7.9 7 能吹起地面灰塵和紙張，樹(shù)枝動(dòng)搖，高的草呈波浪起伏 5 清勁風(fēng) Fresh breeze 8.0~10.7 9 有葉的小樹(shù)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 b

10、reeze 10.8~13.8 12 大樹(shù)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 gale 13.9~17.1 16 大樹(shù)搖動(dòng)，大樹(shù)枝彎下來(lái)，迎風(fēng)步行感覺(jué)不變 8 大風(fēng) Gale 17.2~20.7 20 可折毀小樹(shù)枝，人迎風(fēng)前行感覺(jué)阻力甚大 9 烈風(fēng) Strong gale 20.8~24.4 23 草房遭受破壞，屋瓦被掀起，大樹(shù)枝可折斷 10 狂風(fēng) Storm 24.5~28.4 26 樹(shù)木可被吹倒，一般建筑物遭破壞 11 暴風(fēng) Violent storm 28.5~32.6 31 大樹(shù)可被吹

11、倒，一般建筑物遭嚴(yán)重破壞 12 颶風(fēng) Hurricane >32.6 >33 陸上少見(jiàn)，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(wèn)題 風(fēng)能利用發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)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[7]。對(duì)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(wèn)題 1）空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)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(wèn)題:一是風(fēng)場(chǎng)湍流模型，早期風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)化風(fēng)場(chǎng)模型，對(duì)風(fēng)

12、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(wèn)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(wèn)題 風(fēng)力機(jī)組的控制系統(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(duì)機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)、脫網(wǎng)和調(diào)向控制外，還要對(duì)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[8]。 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

13、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)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)

14、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

15、 （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證風(fēng)輪機(jī)槳葉永遠(yuǎn)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。 舵輪法是用自動(dòng)測(cè)風(fēng)裝置測(cè)定風(fēng)向，按風(fēng)向偏差信號(hào)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(duì)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(pán)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)

16、對(duì)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(duì)準(zhǔn)風(fēng)向[7]。 2.2 風(fēng)輪槳葉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.2.1 槳葉材料的選擇 水平軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪一般由1～3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[9]。 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(jiàn)下表。 表2-1 木材物理力學(xué)性能 Table 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

17、 彈性模數(shù)/MPa 順紋抗剪強(qiáng)度 /MPa 52.2 122.6 99.3 126 徑向 弦向 8.8 7.0 2.2.2 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)

18、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=5KW（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）（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=50r/min （給定值） r——風(fēng)輪半徑(m) ——葉尖速比 n——風(fēng)輪

19、機(jī)轉(zhuǎn)速(m/s) 2.2.3 風(fēng)輪的半徑分配問(wèn)題 根據(jù)需要，圓盤(pán)輪轂半徑取0.45m，圓盤(pán)輪轂與槳葉間距取0.05m。 則槳葉長(zhǎng)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[2]。風(fēng)輪前后流場(chǎng)如圖2-2。 圖2-2風(fēng)輪前后流場(chǎng) Figure 2 -2 Wind flow around 設(shè) ， ， (2-11) 由伯努利方程

20、 (2-12) 作用在風(fēng)輪上的軸向力 F=A()= (2-13) A= (2-14) 式中 A ──槳葉掃過(guò)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，

21、 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)

22、 (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

23、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(duì)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(guò)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

24、 (2-27) 2.4　槳葉軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 2.4.1 槳葉軸危險(xiǎn)截面軸頸的計(jì)算 當(dāng)風(fēng)垂直吹過(guò)槳葉時(shí)風(fēng)對(duì)槳葉軸的彎矩M由下式算得： （2-28） 式中 F──風(fēng)對(duì)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(jiǎn)圖 Figure

25、 2-4 Blade force schematic 槳葉軸所受扭矩如下式： （2-30） 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(jiàn)下式： 危險(xiǎn)截面軸頸d取40mm 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

26、； ──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； 2.4.2 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[7]。所以軸頸分布如下： 圖2-5 槳葉軸軸頸分布 Figure 2-5 Paddle axle parts map 2.5　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)問(wèn)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。

27、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在超過(guò)額定風(fēng)速（一般為12～16m/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[8]。 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(kāi)始升力會(huì)增大，

28、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[8]。 圖2-6槳葉失速前的狀態(tài)圖 Figure 2 -6 Blade stall before the state chart 因此，定槳距失速控制沒(méi)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(jiǎn)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(zhǎng)，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，所以很少應(yīng)用在兆瓦級(jí)以上

29、的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制上[8]。 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(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，并網(wǎng)后可對(duì)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(duì)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)[8]。 3）

30、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(guò)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(duì)可以較小[7]。 2.6 風(fēng)輪槳葉的復(fù)位彈簧參數(shù)計(jì)算 1）當(dāng)6級(jí)風(fēng)時(shí)V＝12m/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)

31、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　　N 2）當(dāng)V＝16m/s時(shí)，此時(shí)槳葉所受力 （2-33） （2-34） （2-35） F總== （2-36）

32、 式中 —— 彈簧最大工作載荷　 N 3） 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　

33、　碳素彈簧鋼絲C級(jí)　 4）初算彈簧剛度　　　 （2-39） 5）工作極限載荷　　 因是Ⅲ類載荷；　 故1222.2N 查表選＝1280.3N 表2-2 彈簧有關(guān)參數(shù) Tab.2-2 Table of the parameter of spring D D 6 38 1280.3 5.489 233 6）有效圈數(shù)n ，按表取標(biāo)準(zhǔn)值n＝16 （2-40） 總?cè)?shù)　　?。絥+2=18 7）彈簧剛度　 N/mm

34、 （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=1611.489+1.56=192.8 mm （2-44） 11）彈簧外徑　 ＝D+d=38+6=44mm （2-45） 12）彈簧內(nèi)徑　 ＝D-d＝38-6＝32 mm　

35、 （2-46） 13）螺旋角 ＝arctan （2-47） 14）展開(kāi)長(zhǎng)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 （2-51） 16）實(shí)際工作行程h 　　 h=-=147.9-112.9=351

36、 （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)＝18 2.旋向?yàn)橛倚? 3.展開(kāi)長(zhǎng)度L＝2158.6mm 4.硬度HRC45~50 2.7　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(wèn)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(duì)稱布置。 圖2-8螺栓布置圖 Figure 2-8 bolts layout 2.7.2　螺栓的受

37、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=1.2520.21=181.86N （2-55） 橫向力 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

38、 （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=1.2520.211.325= 240.96

39、 （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(jiàn)前面的螺栓所受的軸向工作拉力為 （

40、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(duì)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(duì)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(duì)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） =821.1N 5）螺栓所受的總拉力Q （2-66） 2.7.3　軸承座上螺栓直徑的

41、計(jì)算 螺栓的性能等級(jí)為6.6級(jí)，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） 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d＝80mm 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

42、如下式 T＝9.55 （3-2） 2）主軸鍵的選擇　 主軸鍵的擠壓應(yīng)力校核如下式： 取 （3-3） ；t=9mm， k=14-9=5mm，L=45mm，d=85mm； 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(zhǎng)度，mm，A型：l=L-b，B型：l=L，C型：l=L-b/2，

43、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(pán)定位螺母6）帶輪轂圓盤(pán)7）支撐軸承座[7]。 圖3-1 主軸裝配圖 Figure 3-1 Spindle assembly 圓盤(pán)作用在主軸上的力由下式計(jì)算得出 （3-5） （3-6） 式中 V ── 圓盤(pán)體積，； ── 圓盤(pán)質(zhì)量，kg； F ── 圓盤(pán)自重施加在主軸上的力，N； 槳

44、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(pán)整體自重，kg； ── 六片槳葉、槳葉軸與圓盤(pán)整體自重作用在主軸上的力，N； 圓盤(pán)、槳葉、槳葉軸整體對(duì)主軸的彎矩強(qiáng)度校核如下： M=1424.8h=1424.80.0775=110400 （3-8） （3-9） 即54.18d 所以 選取d=80mm主軸軸頸校核強(qiáng)度滿足要求。 式中 V── 圓盤(pán)體積，； B── 圓盤(pán)厚度， m； r

45、 ── 圓盤(pán)半徑， m； ── 圓盤(pán)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 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 4.1.1 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(xiāo)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(xiāo)，柱銷(xiāo)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(xiāo)聯(lián)軸器[2]。 4.2.2 聯(lián)軸器的型號(hào)及主要參數(shù) 主軸末端軸

46、頸為80mm，選擇HL6型彈性柱銷(xiāo)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 3150 2100 53 15.6 4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器的選擇 由于槳葉輪的轉(zhuǎn)速較小，因此需要借助增速器來(lái)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[3]。 4.2.1 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、

47、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(guò)1500；齒輪圓周速度不超過(guò)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(kāi)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。 4.2.2 型號(hào)的選擇 根據(jù)主軸軸頸、選用的聯(lián)軸器、傳動(dòng)比及輸入功率等選取NGW41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

48、 主動(dòng)軸允許輸入功率 重量 m 4 750 62 146 4.3 發(fā)電機(jī)的選取 4.3.1 選擇發(fā)電機(jī)應(yīng)綜合考慮的問(wèn)題 （1）根據(jù)機(jī)械的 負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對(duì)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(guò)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(chǎng)所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、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(duì)功率因

49、數(shù)的要求，確定發(fā)電的電壓等級(jí)和類型。 （5）根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)行的最高轉(zhuǎn)速和對(duì)電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)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[3]。 4.3.2 型號(hào)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(wèn)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(pán)、增速器和托架對(duì)回轉(zhuǎn)體會(huì)產(chǎn)生正向彎矩，發(fā)電機(jī)對(duì)回轉(zhuǎn)體產(chǎn)生負(fù)向彎矩

50、。 圖5-1回轉(zhuǎn)體受力簡(jiǎn)圖 Figure 5-1 rotational force schematic =900mm； =142.48.kg； ＝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(pán)整體

51、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(pán)整體自重， kg； ──增速箱重量， kg； ──托架重量， kg；

52、 ──發(fā)電機(jī)重量， kg； ──圓盤(pán)背面受風(fēng)施加給回轉(zhuǎn)體的彎矩， N； ──合成彎矩， ； 圖5-2回轉(zhuǎn)體裝配圖 Figure5-2 rotating assembly 5.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 回轉(zhuǎn)體由：回轉(zhuǎn)軸底盤(pán)、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(wú)縫鋼管、推力軸承

53、等部分組成[7]。 其中回轉(zhuǎn)軸的左右擺動(dòng)問(wèn)題通過(guò)滑動(dòng)軸承來(lái)解決它能很好的解決由于頂部重心偏向前而引起對(duì)軸的彎矩，加強(qiáng)了回轉(zhuǎn)軸的抗彎強(qiáng)度。 回轉(zhuǎn)軸擋板可以在安裝過(guò)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(duì)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(guò)盈配合，銅套與回轉(zhuǎn)軸之間用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑所以輸電線路不會(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(chē)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(duì)風(fēng)輪機(jī)進(jìn)行剎車(chē)，所我們?cè)谠鏊倨鞲咚佥S側(cè)加裝一輪轂并在輪轂外安置剎車(chē)裝置通過(guò)拉拽鋼絲繩帶動(dòng)剎車(chē)帶使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降低直至停止。剎車(chē)

54、帶的復(fù)位由彈簧套筒內(nèi)的彈簧來(lái)保證停止剎車(chē)后剎車(chē)皮與輪轂不在接觸。 圖6-1剎車(chē)裝置裝配圖 Figure 6-1 brake assembly 剎車(chē)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(chē)裝置一般有三種剎車(chē)方式：1）、電磁剎車(chē)（電動(dòng)式）；2）、機(jī)械剎車(chē)；3）、混合式剎車(chē)。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[7]。 本設(shè)計(jì)中的剎車(chē)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(guò)電線電纜傳輸?shù)降孛鏋榱朔乐癸L(fēng)輪機(jī)機(jī)頭部

55、在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中把電線電纜與內(nèi)部裝置纏在一起，就需要滑環(huán)。 滑環(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，在絕緣圓筒內(nèi)引線一直通到地面的變電所。 6.3　托架的基本結(jié)構(gòu) 托架是放置輪盤(pán)、主軸、增速器、發(fā)電機(jī)以及回轉(zhuǎn)體、滑環(huán)和剎車(chē)裝置等附件的。它分兩層上層為支撐輪盤(pán)、主軸、增速器、剎車(chē)裝置和發(fā)電機(jī)。下托板與回轉(zhuǎn)體上端面聯(lián)接，中間放置滑環(huán)和滑輪組件。 滑輪組件是把剎車(chē)裝置的鋼絲繩纏繞在滑輪上改變其方向令鋼絲繩與托板不能接觸。 7 結(jié)論 我國(guó)雖然是利用風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電的最早的國(guó)家之一，但在其應(yīng)用技

56、術(shù)以及應(yīng)用范圍上的發(fā)展卻不容樂(lè)觀。從現(xiàn)在開(kāi)始，大力開(kāi)展風(fēng)力發(fā)電事業(yè)，我國(guó)未來(lái)的風(fēng)力發(fā)電的前景是很有希望的，雖然國(guó)外的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已比較成熟，但我們應(yīng)大力開(kāi)展自主研發(fā)。 本文根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電的基本理論，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪，主軸，回轉(zhuǎn)體和剎車(chē)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì).根據(jù)實(shí)際工況要求和相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中的重要元件進(jìn)行了校和.其中，風(fēng)輪是重點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的元件.風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)包括槳葉，槳葉軸，圓盤(pán)及其上面的其他元件。通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使它基本實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。這就使自然風(fēng)為我們?nèi)祟愃?本文所設(shè)計(jì)的裝置基本能保證五千瓦的功率輸出，但設(shè)計(jì)過(guò)程中也會(huì)因?yàn)榭紤]的不全面而使功率損失掉一

57、部分，這些還需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。 在槳葉軸的設(shè)計(jì)中，考慮了多種因素及極限風(fēng)速對(duì)其的影響，因此槳葉軸的設(shè)計(jì)浪費(fèi)可能較大，對(duì)主軸以及回轉(zhuǎn)體會(huì)產(chǎn)生的一定的影響，在今后的實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中應(yīng)加以注意和考慮。 在槳葉的設(shè)計(jì)中，由于無(wú)法完成對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的研究，以及生產(chǎn)的困難，槳葉整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，在條件允許的情況下，應(yīng)對(duì)槳葉進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計(jì)，進(jìn)行實(shí)際風(fēng)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，以考慮其夾角，以及與圓盤(pán)輪轂夾角等問(wèn)題。 剎車(chē)裝置的設(shè)計(jì)考慮結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單起見(jiàn)，未進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)，在實(shí)際生產(chǎn)中，考慮人工因素，應(yīng)設(shè)計(jì)成可通過(guò)電力自動(dòng)剎車(chē)。 參考文獻(xiàn) [1] 李柱國(guó).機(jī)械設(shè)計(jì)與理論 （2）

58、第2版.北京：科學(xué)出版社.2004 [2] 唐增寶.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)。第2版。華中科技大學(xué)出版社。1998 [3] 成大先 .機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 單行本.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2004，4 [4] 孟憲源．現(xiàn)代機(jī)構(gòu)手冊(cè)[M]．第1版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．1994，6 [5] 吳治堅(jiān)．新能源和可在生能源的利用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.1 [6] 王承煦，張?jiān)矗L(fēng)力發(fā)電．北京：中國(guó)電力出版社，2002，8 [7] 王承煦．風(fēng)力發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M]．北京：金盾出版社，1995 [8] 徐灝．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（1）[M] ．第2版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．2000 [9] 徐灝．機(jī)械

59、設(shè)計(jì)手冊(cè)（2）[M] ．第2版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．2000 [10] 徐灝．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（3）[M] ．第2版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．2000 [11] Chen JL， Hajela P．A rule based approach to optimization design modeling[J]．Computer and Structure．1989 [12] Akagi S， Fujitak．Building and expert system for engineering design based on the object_ Oriented re

60、presentation concept[J]．ASME Trans．J．Mech．design，1990 [13] 1 Dejan Schreiber Applied Designs Turbines And New Approaches PCIMof Variable 2002．3：202-207 附錄A 固定風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)力集成園建模系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的研究 緒論 抽象程度越來(lái)越高的風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中需要一項(xiàng)準(zhǔn)確的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定模式. 因?yàn)樵S多風(fēng)力發(fā)電機(jī)往往集合

61、在一起，其中等價(jià)建模幾個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)尤為關(guān)鍵. 本文介紹的降階動(dòng)態(tài)固定風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型適合暫態(tài)穩(wěn)定模擬. 該模型是使用一個(gè)模型還原技術(shù)所構(gòu)建的高階有限元模型. 然后， 用等價(jià)方式表明如何將幾個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)力合并成一個(gè) 單降階模型. 用模擬個(gè)案來(lái)說(shuō)明一些獨(dú)特性能的動(dòng)力系統(tǒng)，含風(fēng)力發(fā)電機(jī). 所以說(shuō)，本文著重于介紹水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)用異步電機(jī)直接連到電網(wǎng)作為 系統(tǒng)的發(fā)電機(jī). 用參數(shù)計(jì)算暫態(tài)穩(wěn)定模擬系統(tǒng)，計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建模，計(jì)算風(fēng)力渦輪機(jī)造型. 正文 一.最近，大家對(duì)風(fēng)能的發(fā)展展現(xiàn)出了濃厚的興趣. 伴隨著使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的熱潮，現(xiàn)在需要對(duì)電力動(dòng)態(tài)系統(tǒng)， 電力傳輸規(guī)劃的設(shè)計(jì)評(píng)估. 本文的第一個(gè)目

62、的是提出一個(gè)準(zhǔn)確的低階動(dòng)態(tài)模型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，它是 符合現(xiàn)代機(jī)電暫態(tài)模擬計(jì)算機(jī)程式的. 本文中，開(kāi)發(fā)的模式著重于水平軸的風(fēng)力發(fā)電機(jī)， 或風(fēng)力機(jī)直接連到同步網(wǎng)時(shí)采用異步發(fā)電機(jī). 這其中還包含許多現(xiàn)代大型發(fā)電系統(tǒng). 由于大型風(fēng)力裝置的構(gòu)建是由許多個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的， 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的建模是一個(gè)迫切的需求. 因此， 本文的第二個(gè)目的是提供一種方法，它結(jié)合數(shù)個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接到一個(gè)電網(wǎng)上，然后通過(guò)一個(gè)共同模式整合成一個(gè)單一的等效模型. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要分為定速或變速. 以最小單位，渦輪驅(qū)動(dòng)的感應(yīng)發(fā)電機(jī)為例，它是直接連接到電網(wǎng)上的. 渦輪轉(zhuǎn)速變化很小，那是由于陡坡的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的特性所制； 因此， 它被稱為

63、定速系統(tǒng). 還有變速裝置，發(fā)電機(jī)連接到電網(wǎng)利用電力電子變換的技術(shù)使渦輪速度受到控制，以最大限度地表現(xiàn)出來(lái)(例如，電力的控制) . 這兩種方法在風(fēng)力工業(yè)均非常普遍. 在本文中， 我們將目光集中在建模定速裝置和等效模擬幾個(gè)固定轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電集成園. 第一種典型的風(fēng)力機(jī)械頻率是在0至10赫茲范圍； 這也是各種機(jī)電振蕩的頻率. 因此，這涉及到機(jī)械振動(dòng)的風(fēng)力互動(dòng)學(xué)與機(jī)電動(dòng)力學(xué). 這方面的例子參見(jiàn)本文. 因此，為了構(gòu)建一個(gè)精確的模型，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可用于暫態(tài)穩(wěn)定的研究. 第一種渦輪機(jī)械動(dòng)力學(xué)必須能準(zhǔn)確的代表模型. 這里的風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型建出了導(dǎo)電模型，減少了一個(gè)詳細(xì)的650階有限元模型的一個(gè)典型的 橫向軸.

64、氣動(dòng)力和機(jī)械動(dòng)力的減少與非線性四階雙渦輪慣性模型相結(jié)合生成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電機(jī)模型. 模擬計(jì)算表明了模型的精確性.幾個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接到傳輸系統(tǒng)上通過(guò)一個(gè)單一的模型建模，因?yàn)槊總€(gè)渦輪暫態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)都過(guò)于繁瑣， 我們的目的是整和風(fēng)力發(fā)電園成為相當(dāng)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型的極小系統(tǒng). 我們對(duì)等價(jià)建模的風(fēng)園涉及到把所有渦輪以同樣的機(jī)械固有頻率整和成單一當(dāng)量的渦輪機(jī). 模擬結(jié)果表明，這種方法能夠提供準(zhǔn)確的結(jié)果. 二. 范例 關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模的代表范例是關(guān)于暫態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)的，它包括在[2] - [10] . 模擬結(jié)果表明，固定頻率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要集中在以下兩個(gè)主要方法. 第一種方式是把汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子作為一個(gè)

65、單一的慣性體從而忽略系統(tǒng)的機(jī)械固有頻率 [2] - [5] . 第二種方式是把渦輪葉片和樞紐之一的慣性體接上發(fā)電機(jī)加上一個(gè)彈簧 [6] [9] . 在所有這些論文中，彈簧剛度的計(jì)算是從系統(tǒng)的主要部分中提取的. 我們的研究顯示，較第一型機(jī)械頻率來(lái)說(shuō)第二型才是至關(guān)重要的一個(gè)精確的模型. 有限元分析表明，第一類動(dòng)力的變化主要是因?yàn)殪`活的渦輪葉片不夠精確. 根據(jù)建模方法的算法，我們得知的主要事實(shí)是，小而靈活的機(jī)械部件是渦輪上的刀片. 結(jié)果[7]集中表明了幾個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和降階風(fēng)園模型的類型和與類型相結(jié)合的方法. 但是， 作者不能解決水輪機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)相結(jié)合時(shí)采用這種方法保存的機(jī)械要求. 我們的研究結(jié)

66、果表明:這關(guān)鍵在于有一個(gè)準(zhǔn)確的風(fēng)示范園. [10]詳細(xì)討論了降階變速渦輪機(jī)載的建模. 作者稱渦輪的機(jī)械能所代表的類型是一個(gè)單一的個(gè)體， 從動(dòng)態(tài)的機(jī)電動(dòng)力學(xué)分析，那是因?yàn)闄C(jī)械的慣性使它的變速性能產(chǎn)生堵塞. 我們分析時(shí)不考慮變速情況.[2] - [10]的工作闡述著重于低階水輪機(jī)模型，從而可以容易地實(shí)現(xiàn)大型暫態(tài)穩(wěn)定代碼的測(cè)量.相當(dāng)多的研究集中在建模定額一個(gè)更深入的層次. [17]是一個(gè)很好的概況和文獻(xiàn). 從高度詳細(xì)的有限元模型角度，詳細(xì)的闡述了建模方法，還較簡(jiǎn)單的敘述了六轉(zhuǎn)五轉(zhuǎn)，三轉(zhuǎn)水輪機(jī)模型.這些模型中的大部分都采用動(dòng)量理論來(lái)計(jì)算氣動(dòng)力. 三.我們對(duì)發(fā)展渦輪動(dòng)力的一個(gè)降階模型為出發(fā)點(diǎn)，把所有機(jī)械和氣動(dòng)渦輪機(jī)動(dòng)態(tài)效果以高度詳細(xì)的用機(jī)電射程的形式表示出來(lái). 在這個(gè)還原過(guò)程中，是以消費(fèi)者的角度來(lái)分析渦輪軸驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的. 目的是為了準(zhǔn)確反映軸轉(zhuǎn)速和扭矩特性與最小模型的秩序和復(fù)雜性. 數(shù)值調(diào)查表明，機(jī)械氣動(dòng)和機(jī)械效應(yīng)的一個(gè)例子所展現(xiàn)的測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有限元建模環(huán)境. 該系統(tǒng)是一種新興的橫向風(fēng)軸機(jī)床，包括三個(gè)31.7米葉片，葉片的一套點(diǎn)俯仰角度為2.6 ， 一個(gè)82.5米的主軸，它們