垂直軸風力發(fā)電機設計,垂直,風力發(fā)電機,設計
湖州師范學院本科畢業(yè)論文
畢 業(yè) 設 計（說明書）
2012 屆
題 目 垂直軸風力發(fā)電機設計
專 業(yè) 機械設計制造及其自動化
學生姓名 ╳╳╳
學 號
指導教師 ╳╳╳
論文字數(shù) 14274
完成日期 2012年12月
湖 州 師 范 學 院 教 務 處 印 制
VI
原 創(chuàng) 性 聲 明
本人鄭重聲明：本人所呈交的畢業(yè)論文，是在指導老師的指導下獨立進行研究所取得的成果。畢業(yè)論文中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點等，均已明確注明出處。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究成果做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。
本聲明的法律責任由本人承擔。
論文作者簽名： 日 期：
關于畢業(yè)論文使用授權的聲明
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垂直軸風力發(fā)電機設計
摘要：本次畢業(yè)設計主要是完成垂直軸風力發(fā)電機設計。風力發(fā)電現(xiàn)今發(fā)展飛速，其中小型發(fā)電機組以其設備簡單、成本較低、風能利用率高、啟動、制動性能好等優(yōu)點，得到越來越多青睞。本論文主要介紹了小型風力發(fā)電機的機械結構部分，從獨立型風力發(fā)電機組的構成特點、運行特點、保護措施等各方面，介紹了實現(xiàn)機組無人值守全自動運行的設計思想和實施辦法。
本設計利用機電一體化設計使整個系統(tǒng)組成簡單，結構精巧，控制方便，性能可靠，應用前景廣闊。
關鍵詞：垂直軸，風力發(fā)電機，設計
Vertical axis wind turbine design
Abstract: The graduation project is mainly to complete the vertical axis wind turbine design. Wind power in rapid development, in which small generation units with its simple equipment, low cost, high wind energy utilization rate, starting, braking performance is good wait for an advantage, get more and more popular. This paper mainly introduces the small-scale wind turbine mechanical structure part, from the independent type of wind turbine characteristics, operation characteristics, protection measures and other aspects, introduced the implementation of unmanned automatic operation unit of the design idea and implementation method.
This design is the use of mechanical and electrical integration design of the whole system with simple structure, compact structure, easy control, reliable performance, wide application prospect.
Key words: Vertical axis，wind turbine， design
目錄
第1章 緒論 8
第2章 風力發(fā)電機部件結構設計 11
2.1風力發(fā)電機介紹 11
2.2 垂直軸風力機空氣動力學 14
2.2.1 風能利用率 15
2.2.2 Cp-λ功率特性曲線 15
2.2.3 貝茨極限 16
2.2.4 葉尖速比 16
2.2.5 風力機的功率及扭矩計算 17
2.3傳動機構 17
2.3.1低速軸 18
2.3.2聯(lián)軸器 19
2.3.3增速箱 20
2.3.4制動器 21
2.4塔架 21
第3章 風力發(fā)電機組總體性能 24
3.1機組的構成及主要技術參數(shù) 24
3.1.1基本技術參數(shù) 24
3.1.2機艙傳動總成 25
3.2工作條件及運行參數(shù) 26
3.2.1運行參數(shù) 26
3.2.2無人值守的運行過程 26
3.2.3待風狀態(tài) 26
3.2.4開機與并網(wǎng) 28
3.2.5停機與保護 28
第4章 各附加裝置的設計選取過程 30
4.1 風機軸承技術要點分析 30
4.2 制動器的設計與選取 32
4.3 高效永磁風力發(fā)電機的設計 33
4.4 聯(lián)軸器的設計與選取 33
4.5 風力發(fā)電機的尾舵調(diào)向裝置設計 34
結論 36
參 考 文 獻 37
致謝 39
本科生畢業(yè)設計（論文）
第1章 緒論
自80年代以來，風能利用的主要趨勢是風力發(fā)電，最早在邊遠山區(qū)應用，主要有三種應用方式：（1）單獨使用小型風力發(fā)電機供家庭住宅使用。（2）風力發(fā)電機與其他電源聯(lián)用，為海上導航系統(tǒng)和遠距離通訊系統(tǒng)供電。（3）并入地方孤立小電網(wǎng)為鄉(xiāng)村供電。
隨著現(xiàn)代科學技術的迅猛發(fā)展，風力發(fā)電技術也飛速前進。以機組大型化、集中安裝和控制為特點的風力場成為風力發(fā)電主要的發(fā)展方向。近20年，世界各地近30個國家開發(fā)建設了風電場，且在未來投資計劃上有增無減。國外風力發(fā)電裝機容量正以每年30％的速度增長。同時大幅降低了風機的故障率，實現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)絡的中央控制和跨地區(qū)、跨國界的遠程控制。世界一些著名廠商，如NORDEX，VESTAS，DEWIND等，則把目光投向小型風力發(fā)電機組，并且逐步實現(xiàn)了商業(yè)化運行。
我國作為風力資源極其豐富的國家，風力發(fā)電潛能巨大，風能資源的利用也歷史悠久，古代甲骨文中的“帆”字存在，以及東漢劉熙著作里“隨風張慢曰帆”的敘述，都說明我國是利用風能最早的國家之一，而我國對于現(xiàn)代風力發(fā)電機的研究始于80年代，
從“六五”開始，國家將風能的開發(fā)利用列入科技攻關計劃,國家計委和國家科委分別組織了綜合性風能科技攻關，內(nèi)容涉及風力資源、風力機空氣動力學、結構動力學、電機、控制和材料等。國務院總理溫家寶在2012年5月30日主持召開的國務院常務會議，又討論通過《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》。會議指出新能源產(chǎn)業(yè)要發(fā)展技術成熟的風電、核能、太陽能光伏和熱利用、生物質(zhì)發(fā)電、沼氣等，積極推進可再生能源技術產(chǎn)業(yè)化。我國風電技術將會借此時機繼續(xù)創(chuàng)造出更多的輝煌。
為了促進風電建設，有關部門出臺了不少優(yōu)惠政策，中國原電力部就頒布了關于風力發(fā)電場建設和管理的若干意見,要求各地電網(wǎng)應收購各地風電場發(fā)出的上網(wǎng)電力，風電上網(wǎng)電價按照還本付息加合理利潤的原則確定。雖然后來隨著電力部門的演變和國家管理體制的改革,這一政策現(xiàn)已無從實施,但它的出臺為我國風力發(fā)電的起步奠定了重要的基礎。中國政府又頒布了“關于促進可再生能源發(fā)展有關問題的通知”，提出了促進可再生能源發(fā)電項目尤其是風電的優(yōu)惠政策,包括由銀行安排基建貸款、銀行貸款的項目給予的財政補貼、采用國產(chǎn)設備的風電項目給予的投資利潤率優(yōu)惠等。此外，風力發(fā)電的增值稅率按照減半為征收，風力發(fā)電零部件和整機的進口關稅也暫時按照和征收。在國務院公布的新一輪電力體制改革方案中，明確提出將制定發(fā)電排放的環(huán)保折價標準,形成激勵清潔電源發(fā)展的新機制，這就為風電等來自可再生能源的電力提供了公平競爭的機會，從而會大大促進風電等清潔的可再生能源發(fā)電的發(fā)展。在電價改革方案中也特別提到，“風電、地熱等新能源和可再生能源企業(yè)暫不參與市場競爭，電量由電網(wǎng)企業(yè)按政府定價或招標價格優(yōu)先購買，電力市場成熟時由政府規(guī)定供電企業(yè)售電量中新能源和可再生能源電量的比例，建立專門的競爭性新能源和可再生能源市場”。這些規(guī)定對于尚處于初期發(fā)展階段的我國風電產(chǎn)業(yè)成長將會起到重要的扶持作用。
?根據(jù)全國900多個氣象站陸地上離地10m高度資料進行估算，全國平均風功率密度為100W/m2，風能資源總儲量約32.26億kW，可開發(fā)和利用的陸地上風能儲量有2.53億kW。另外，近?？砷_發(fā)和利用的風能儲量有7.5億kW，共計約10億kW。如果陸上風電年上網(wǎng)電量按等效滿負荷2000小時計，每年可提供5000億千瓦時電量，海上風電年上網(wǎng)電量按等效滿負荷2500小時計，每年可提供1.8萬億千瓦時電量，合計2.3萬億千瓦時電量，大約相當于我國目前一年的電力需求量。
???? ?(1)北部地區(qū)風能分布帶。北部(東北、華北、西北)地區(qū)風能豐富帶包括東北三省、河北、內(nèi)蒙古、甘肅、青海、西藏和等省/自治區(qū)近200km寬的地帶。三北地區(qū)風能資源豐富，風電場地形平坦，交通方便，沒有破壞性風速，是我國連成一片的最大風能資源區(qū)，有利于大規(guī)模的開發(fā)風電場，但是當?shù)仉娋W(wǎng)容量較小，限制了風電的規(guī)模，而且距離負荷中心遠，需要長距離輸電。
????? (2)沿海及其島嶼地區(qū)風能分布帶。沿海及其島嶼地區(qū)包括山東、江蘇、上海、浙江、福建、廣東、廣西和海南等省/市沿海近10km寬的地帶，冬春季的冷空氣、夏秋的臺風，都能影響到沿海及其島嶼，加上臺灣海峽狹管效應的影響，東南沿海及其島嶼是我國風能最佳豐富區(qū)。沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，沿海及其島嶼地區(qū)風能資源豐富，風電場接入系統(tǒng)方便，與水電具有較好的季節(jié)互補性。然而沿海岸的土地大部份已開發(fā)成水產(chǎn)養(yǎng)殖場或建成防護林帶，可以安裝風電機組的土地面積有限。
????? (3)內(nèi)陸風能分布帶。在內(nèi)陸一些地區(qū)由于湖泊和特殊地形的影響，形成一些風能豐富點，如鄱陽湖附近地區(qū)和湖北的九宮山和利川等地區(qū)。
????? (4)海上風能分布帶。我國海上風能資源豐富，東部沿海水深2m到15m的海域面積遼闊，按照與陸上風能資源同樣的方法估測，10m高度可利用的風能資源約是陸上的3倍，即7億多kW，而且距離電力負荷中心很近。隨著海上風電場技術的發(fā)展成熟，經(jīng)濟上可行，將來必然會成為重要的可持續(xù)能源。
我國較大規(guī)模地開發(fā)和應用風力發(fā)電機，特別是小型風力發(fā)電機，始于70年代，當時研制的風力提水機用于提水灌溉和沿海地區(qū)的鹽場，研制的較大功率的風力發(fā)電機應用于浙江和福建沿海，特別是在內(nèi)蒙古地區(qū)由于得到了政府的支持和適應了當?shù)刈匀毁Y源和當?shù)厝罕姷男枨?，小型風力發(fā)電機的研究和推廣得到了長足的發(fā)展。對于解決邊遠地區(qū)居住分散的農(nóng)牧民群眾的生活用電和部分生產(chǎn)用電起了很大作用[2]。掌握具有自主知識產(chǎn)權的小型風力發(fā)電機組的關鍵技術，降低風電成本，從可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求入手，完全符合我國現(xiàn)狀，走這條路勢在必行。
近年來，我國的風電機產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，但在風機整機及關鍵部件的設計與制造技術上與世界先進水平仍然存在一定的差距，在小型風力發(fā)電機組方面，我國從事小型風力發(fā)電機組及其配件開發(fā)研制生產(chǎn)的單位多達78家，年產(chǎn)量、總產(chǎn)量、生產(chǎn)能力、出口均位列世界之首。由于汽油、柴油、煤油價格飛漲，且供應渠道不暢通，使得小型風力發(fā)電機組用戶量繼續(xù)增加，根據(jù)我國風能資源開發(fā)利用的現(xiàn)狀，以及風力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展進步及水平來看，我國的小型風力發(fā)電，已從單純的風力發(fā)電向多能互補方向；從單臺供電向群組機組集中供電發(fā)展；從師范、試驗性向高效實用性發(fā)展。
事實證明，?小型風力發(fā)電機的未來的發(fā)展方向掌握在我們的手中。小型風力發(fā)電機的技術進步是促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本保證。把小型風力機與太陽能電池結合作為最合理的獨立電源可開發(fā)更多的應用領域，包括風光互補便攜式電源、風光互補泵水系統(tǒng)、風光互補增氧系統(tǒng)、風光互補供暖系統(tǒng)等等。隨著小型風力發(fā)電機產(chǎn)品的多樣化，風光互補獨立供電系統(tǒng)在市政項目、在邊防哨所、在偏遠地區(qū)都有著極廣的應用前景。?目前，國內(nèi)的小風機產(chǎn)品開始走向國外。英國、美國等國家已立法鼓勵家庭安裝小型風力發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，為小型風力發(fā)電機并網(wǎng)應用提供很大的發(fā)展空間。但小型風力發(fā)電機在家庭的推廣對產(chǎn)品提出了更高的要求，低風速發(fā)電、低噪音、高可靠性、美觀性、安全性等都有了更高的要求。
由以上分析可見，小型風力發(fā)電機組有很多優(yōu)越性與潛能性。本課題研究的就是小型垂直軸風力發(fā)電機組的結構設計。
第2章 風力發(fā)電機部件結構設計
3垂直軸風力機的結構與設計
3.1 垂直風力機的結構
風力發(fā)電機是將風能轉換為機械功的動力機械。廣義地說，它是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質(zhì)的熱能利用發(fā)動機。風力發(fā)電利用的是自然能源，相對柴油發(fā)電要好的多。風力發(fā)電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。依據(jù)目前的風車技術，大約是每秒三公尺的微風速度（微風的程度），便可以開始發(fā)電垂直軸風力機，風輪軸是垂直布置的，葉片帶動風輪軸轉動再驅(qū)動所要驅(qū)動的機械。如圖2-2。
本課題研究的是垂直軸風力發(fā)電機。
風力機從功率大小上分類，可以分為微型風力發(fā)電機、小型風力發(fā)電及、中型風力發(fā)電機和大型風力發(fā)電機四類。如下表。
微型風力發(fā)電機
額定功率50-1000W
小型風力發(fā)電及
額定功率1-50KW
中型風力發(fā)電機
額定功率50-100KW
大型風力發(fā)電機
額定功率大于100KW
本課題研究的20KW的風力發(fā)電機屬于小型風力發(fā)電機。
垂直軸風力機的旋轉低速軸與風向垂直，如圖3-2所示，垂直軸風力機設計簡單，風輪無需對風，其優(yōu)點有：1.可以接受任何風向的風，無需對風；2.齒輪箱和發(fā)電機可以安裝在地面，檢修維護方便。
圖3-2 垂直軸風力發(fā)電機
按照槳葉受力方式分類可分為升力型風力機和阻力型風力機。升力型風力機利用葉片的升力帶動旋轉軸轉動，從而轉化風能為電能，這種風力機目前較為常見，大部分水平軸風力機都屬于升力型風力機。目前大中型風電主要采用水平軸風力機，屬升力型風力機，具有轉速高、風的利用率較高等優(yōu)點，其葉尖速比通常在4以上，最大功率系數(shù)可達50%，如圖3-3所示。阻力型風力機利用葉片上受到的阻力來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，大部分阻力型風力機為垂直軸，目前較少，如圖3-4所示。
圖3-3 升力型風力發(fā)電機
圖3-4 阻力型風力發(fā)電機
垂直軸升力型風力機既有垂直軸風力機結構簡單、維修方便等優(yōu)點，又和升力型風力機一樣具有較高轉速，風能利用率有所提高。由于運行過程中受力比水平軸好得多，疲勞壽命要更長。
2.2設計思路
垂直軸風力發(fā)電機利用的是空氣動力學
如圖3-5所示建立平面坐標系，假定風速矢量為v，葉片端線速度矢量為u，葉片所在位置夾角為θ，則葉片的平均線速度為[5]
（3.1）
在圖3-5中，風速矢量v=（0，-V），葉片速度矢量u=（-Usinθ,Ucosθ），風對葉片的相對速度w=v+u，坐標運算后得w=（-Usinθ，-V+Ucosθ）。
圖3-5 垂直風力機動力原理
相對風速的大小就是矢量w的模|w|，以表示w的單位矢量，表示u的單位矢量，則可以求出此時的攻角α，攻角就是相對風速與葉片弦長所在直線的夾角，按照矢量計算可推得：
（3.2）
在風力的作用下，葉片在攻角α時受到的升力和阻力可以按以下公式計算：
（3.3）
（3.4）
將升力和阻力投影到風輪切方向：
（3.5）
（3.6）
其中Flt為Fl在切向的分量；Fdt為Fd在切向的分量。
葉片受力分解如圖3-6所示[6]。
圖3-6 垂直風力機的葉素力學模型
切向力的合力產(chǎn)生轉矩使風輪轉動，葉片在位置角為θ時產(chǎn)生的轉矩為
（2.7）
2.2.1 風能利用率
風能利用系數(shù)Cp是表示風力機效率的重要參數(shù)，由于風通過風輪的風能不能完全轉化為風輪機械能，其風能利用率Cp為[7]
（3.8）
其中Pm為風力機輸出的機械功率；Pw為風力機輸入的風能。
目前大型水平軸風力發(fā)電機的風能利用率絕大部分是由葉片設計方計算得到的，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力機的風能利用率，得出的結果不如水平軸，但是根據(jù)國外最新的實驗表明垂直軸的風能利用率不低于40%[8]，再加上水平軸風力機受到風向變化的影響，而垂直軸風力機可以在任何風速角下工作，因此有理由相信垂直軸風力機的利用率能夠超過水平軸。
2.2.2 Cp-λ功率特性曲線
風能利用系數(shù)Cp一般是變化的，它隨著風速與風輪轉速變化而變化，葉片尖端線速度與風速之比叫做葉尖速比λ（將在第3.2.4節(jié)具體說明），為了得到最佳的風能利用率，一般根據(jù)Cp-λ曲線來選擇合適的葉尖速比，如圖3-7所示。
圖3-7 Cp-λ曲線圖
從圖3-7中看出，當葉尖速比達到7.5左右時風能利用系數(shù)最大，風能利用率最高，Cp值有一個最大值，實際風力機一般都達不到這么高的風能利用率，所以我們先初定葉尖速比在λ=6，風能利用率Cp=0.4時對風力機進行設計，具體的Cp-λ圖還需根據(jù)具體的風力機葉片試驗及攻角調(diào)整來確定。
2.2.3 貝茨極限
風能利用系數(shù)縮短能達到的最大值就是貝茨極限，德國空氣動力學家Albert Betz提出貝茨極限后,直到今天還沒有人能設計出超過這個極限的風力機，該極限不是由于設計不足造成的，而是因為流管不得不在致動盤上游膨脹，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[9]：
（3.9）
式中a為氣流誘導因子。
解微分方程可知當a=1/3時，Cp最大，求得最大Cp=0.953。
2.2.4 葉尖速比
風輪葉片尖端線速度與風速之比稱為葉尖速比，阻力型風力機葉尖速比一般為0.3至0.6，升力型風力機葉尖速比一般為3至8。在升力型風力機中，葉尖速比直接反映了相對風速與葉片運動方向的夾角，即直接關系到葉片的攻角，是分析風力機性能的重要參數(shù)。葉尖速比計算公式為
（3.10）
2.2.5 風力機的功率及扭矩計算
由福建省情資料庫中的圖像資料可以看出廈門地區(qū)地面平均風速在4m/s～6m/s左右，如圖3-8所示。
圖3-8福建省風速分布
從福建氣象網(wǎng)站（http://fj.weather.com.cn/）24小時監(jiān)測的結果可以看出，廈門地區(qū)一天內(nèi)4級風（約8m/s）出現(xiàn)的頻率最高，如圖3-9所示。
圖3-9 廈門某日24小時風速監(jiān)測圖
2.3 設計過程
（總設計圖和分設計圖，分別進行設計要求、相關參數(shù)說明）
風力機的傳動機構一般包括低速軸、高速軸、齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)和制動器等(圖2-6)。但不是每一種風力機都必須具備所有這些環(huán)節(jié)。有些風力機的輪殼直接連接到齒輪箱上,不需要低速傳動軸。也有一些風力機(特別是小型風力機)設計成無齒輪箱的,風輪直接連接到發(fā)電機。在整個傳動系中除了齒輪箱其它部件基本上一目了然[8]。
圖 2-6 機艙傳動總成圖
2.3.1低速軸
風輪通過鍵把轉矩傳到低速軸上。小型風力機一般采用單鍵。小、微型風力機多采用45號鋼，經(jīng)過調(diào)制處理使鋼材獲得強度。塑性、韌性三方面都較好的綜合機械性能，所以設計時，在低速軸加工圖上也要注明這一技術要求。低速軸的材料實踐證明低速軸與輪轂的連接部分最好要有1：10的錐度，亦即軸端最好呈圓錐形。這種結構不僅裝配牢固、拆卸方便，而且還避免了圓柱形軸端應力集中的影響。鎖定風輪用的軸端螺母究竟采用右旋還是左旋要視風輪的轉向而定。如果順風看風輪是順時針旋轉，則螺母要用左旋螺紋，反之要用優(yōu)選螺母，因為只有這樣才能保證風力機在旋轉中螺母越來越緊而不至于松脫，為了安全起見，螺母上最好還要有止動墊圈。低速軸零件圖如圖2-7所示。
圖 2-7 低速軸零件圖
根據(jù)國內(nèi)外的實踐經(jīng)驗，低速軸的直徑通常取風輪直徑的1%，亦即d=0.01D。若按這一標準設計，其強度一般是有保證的。作用在低速軸上的主要負載有：工作轉矩M，風輪的陀螺力矩M，以及風輪所受到的重力G。軸端所承受的合成應力為（N/cm）
（2-1）
式中：M為風輪的陀螺力矩（Nm）；
G為風輪所受重力（N）；
W為軸端抗彎截面模數(shù)(cm)；
A為軸端截面積（cm）。
M的大小與槳葉數(shù)B有關，當B=3時，
（2-2）
式中，——風輪繞低速軸的轉轉動慣量（）
如用單鍵，
（2-3）
式中：b為鍵槽寬度（cm）；
T為鍵槽深度（cm）。
倘若軸端呈圓錐形，其d為平均值。
為了簡化計算，可以將本設計中的軸近似看成為大徑，小徑的光滑軸。本設計中的彎矩。
將已知條件帶入上述公式，可以算出。
所以，本設計中的低速軸滿足條件，可以正常使用[9-11]。
2.3.2聯(lián)軸器
在風力發(fā)電機中，常采用剛性聯(lián)軸器、彈性聯(lián)軸器（或萬向聯(lián)軸器）兩種方式。剛性聯(lián)軸器常用在對中性好的二軸連接，而彈性聯(lián)軸器則可以為二軸對中性較差時提供二軸的聯(lián)接，更重要的是彈性聯(lián)軸器可以提供一個彈性環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)可以吸收軸系因外部負載的波動而產(chǎn)生的額外能量。在風力發(fā)電機組中通常在高速軸選用彈性/萬向聯(lián)軸器，一般用十字聯(lián)軸器或者輪胎聯(lián)軸器，低速軸用剛性聯(lián)軸器。一般用漲套式或者柱銷式聯(lián)軸器。
本課題在設計時在高速軸使用胎式聯(lián)軸器，在低速軸使用柱銷式聯(lián)軸器。如下所示，是聯(lián)軸器的示意圖。
柱銷式聯(lián)軸器
2.3.3增速箱
與風力機匹配的增速器不僅要體積小、重量輕、效率高、噪音小、而且還應該承載能力大，啟動轉矩小。鑒于這些要求，所以分力發(fā)電機的選擇至關重要。實現(xiàn)增速的方法也很多，最常用的有齒輪、皮帶輪、鏈輪傳動三種，其中齒輪傳動運用最為廣泛，能夠滿足增速器以上要求。其中NW型與NGW型行星齒輪增速器用在風力發(fā)電機上比較合適的。齒輪增速器的傳動比可以根據(jù)風輪與發(fā)電機的轉速之比確定，而功率則要按照風力發(fā)電機的輸出功率的1.2-1.5倍考慮。在使用齒輪增速器時，要注意輸入軸與輸出軸的方向是一致還是相反，否則將會造成被動，甚至不能使用。本風力機所采用的齒輪箱為同軸行星增速齒輪箱，傳動比為1：22.4，額定功率為55kW。
2.3.4制動器
機械剎車是一種制動式的減慢旋轉負載的裝置。通常機械剎車按照作用方式可以分為液壓、氣動、電磁、電液、手動等形式。按照工作狀態(tài)分為常閉式和常開式兩種。在風力發(fā)電中，為了減少制動轉矩，縮小制動尺寸，通常機械剎車裝在高速軸上。
本課題選用電磁盤式剎車，其結構如下圖所示。
2.4塔架
風力機的塔架除了要支撐風力機的重量, 還要承受吹向風力機和塔架的風壓, 以及風力機運行中的動載荷。它的剛度和風力機的振動有密切關系, 如果說塔架對小型風力機影響還不太大的話,對大、中型風力機的影響就不容忽視了[12]。一般要求塔架要有足夠的強度，足以承受設計要求的動靜載荷。同時基礎不應該發(fā)生顯著的、尤其是不均勻的下沉，因為基礎一旦下沉將導致整個塔架傾斜，因此為了保證他家不發(fā)生歪斜，塔架各基礎的重量合力必須與風力機重心垂線重合。基礎則用混凝土砌筑，水泥、沙子和碎石的體積比約取1:2.5:5。基礎的砌筑要與接地網(wǎng)、地腳螺栓以及地錨的預埋同時進行。
塔架的高度為
水平軸風力發(fā)電機的塔架主要可分為管柱型和桁架型兩類,管柱型塔架可從最簡單的木桿,一直到大型鋼管和混凝土管柱。小型風力機塔桿為了增加抗彎矩的能力,可以用拉線來加強。中、大型塔桿為了運輸方便,可以將鋼管分成幾段。一般圓柱形塔架對風的阻力較小,特別是對于下風向風力機,產(chǎn)生紊流的影響要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型風力機上,其優(yōu)點是。價不高,運輸也方便。但這種塔架會使下風向風力機的葉片產(chǎn)生很大的紊流。其計算方法如下：
本風力機所采用的塔架為柔性鋼管加拉索，重2.5t，智能化微機控制系統(tǒng)全自動化無人值守故障檢測、報警狀態(tài)及參數(shù)記錄、顯示。
第4章 各附加裝置的設計選取過程
4.1 風機軸承技術要點分析
風力發(fā)電機用軸承主要包括:偏航軸承總成、風葉低速軸軸承、變速器軸承、發(fā)電機軸承等,軸承的結構形成主要有四點接觸球軸承、交叉滾子軸承、圓柱滾子軸承、調(diào)心滾子軸承、深溝球軸承等。
風力發(fā)電機常年在野外工作,工況條件比較惡劣,溫度、濕度和軸承載荷變化很大,風速最高可達23m/ s ,有沖擊載荷,因此要求軸承有良好的密封性能和潤滑性能、耐沖擊、長壽命和高可靠性,發(fā)電機在2～3 級風時就要啟動,并能跟蹤風向變化,所以軸承結構需要進行特殊設計以保證低摩擦、高靈敏度,大型偏航軸承要求外圈帶齒,因此軸承設計、材料、制造、潤滑及密封都要進行專門設計。
偏航軸承總成：偏航軸承總成是風機及時追蹤風向變化的保證。風機開始偏轉時,偏航加速度ε將產(chǎn)生沖擊力矩M = I ε( I 為機艙慣量) 。偏航轉速à 越高,產(chǎn)生的加速度ε也越大。由于I 非常大,這樣使本來就很大的沖擊力成倍增加。另外,風機如果在運轉過程中偏轉,偏航齒輪上將承受相當大的陀螺力矩,容易造成偏航軸承的疲勞失效。根據(jù)風機軸承的受力特點,偏航軸承采用“零游隙”設計采用推力球軸承和深溝球軸承。通過對這兩種軸承的結構設計、加工工藝方法改進、生產(chǎn)過程清潔度控制及相關組件的優(yōu)選來降低軸承振動的噪聲,使軸承具有良好的低噪聲性能。溝道進行特別設計及加工,可以承受大的軸向載荷和力矩載荷。偏航齒輪要選擇合適的材料、模數(shù)、齒面輪廓和硬度,以保證和主動齒輪之間壽命的匹配。同時,要采取有針對性的熱處理措施,提高齒面強度,使軸承具有良好的耐磨性和耐沖擊性。風機暴露在野外,因此對該軸承的密封性能有著嚴格的要求,必須對軸承的密封型式進行優(yōu)化設計,對軸承的密封性能進行模擬試驗研究,保證軸承壽命和風機壽命相同。風機裝在10m 的高空,裝拆費用昂貴,因此必須有非常高的可靠性,一般要求20 年壽命,再加上該軸承結構復雜,因此在裝機試驗之前必須進行計算機模擬試驗,以確保軸承設計參數(shù)無誤。
風葉低速軸軸承：風葉低速軸由兩個調(diào)心滾子軸承支承。由于風葉低速軸承受的載荷非常大,而且軸很長,容易變形,因此,要求軸承必須有良好的調(diào)心性能。確定軸承內(nèi)部結構參數(shù)和保持架的結構形式,使軸承具有良好的性能和長壽命。
圖 4－1 調(diào)心滾子軸承(圓錐孔)
名稱＝調(diào)心滾子軸承(圓錐孔)
標準=摘自GB/T 288-1994 參照ISO15-1981
單位=(mm)
-----------------------------------------------------------
軸承代號(圓錐孔)=22206CK
尺寸\d=30 尺寸\D=62
尺寸\B=20 尺寸\d1=40
尺寸\D1=52.7 尺寸\B0=-
尺寸\rs(min)=1 重量(kg)≈=0.3
軸承類型：調(diào)心滾子軸承
軸承代號： 22206C 軸承內(nèi)徑：30
軸承外徑：62 軸承寬度：20
額定動載荷：46000 額定靜載荷：33500
極限轉速：8000 潤滑方式：脂潤滑
工作參數(shù)：
徑向載荷：18.8N 軸向載荷：400N
使用壽命：3600h 工作轉速：25m/s
接 觸 角：-2.620 載荷系數(shù)：1.5
工作參數(shù)： 徑向載荷：18.8
軸向載荷：400 使用壽命：3600
工作轉速：25 接 觸 角：
載荷系數(shù)：1.5
變速器軸承：變速器中的軸承種類很多,主要是靠變速箱中的齒輪油潤滑。潤滑油中金屬顆粒比較多,使軸承壽命大大縮短,因此需采用特殊的熱處理工藝,使?jié)L道表面存在壓應力,降低滾道對顆粒雜質(zhì)的敏感程度,提高軸承壽命。同時根據(jù)軸承的工況條件,對軸承結構進行再優(yōu)化設計,改進軸承加工工藝方法,進一步提高軸承的性能指標。
圖 4-2 60000型軸承
發(fā)電機軸承：發(fā)電機軸承采用圓錐軸承。通過對這兩種軸承的結構設計、加工工藝方法改進、生產(chǎn)過程清潔度控制及相關組件的優(yōu)選
來降低軸承振動的噪聲,使軸承具有良好的低噪聲性能。
圖 4-3 發(fā)動機軸承
4.2 制動器的設計與選取
圖 4-4 YWZ液電力液壓單推桿制動器
YWZ液電力液壓單推桿制動器，基本規(guī)格為：400-1250，額定退距為1.25，額定制動轉距1800/N.m，基本尺寸為500mm. 制動器 動作平穩(wěn)，無噪音，壽命長；尺寸小，重量輕；動作快，每小時可接電2000次；補償型單推桿具有補償由于制動瓦磨損退距增大的功能，不需經(jīng)常調(diào)整；可調(diào)型單推桿，上升、下降時間可調(diào)，其范圍為0.5～10s，安全可靠，適用于工作要求高的場合；起升、運行、旋轉及變幅機構。
4.3 高效永磁風力發(fā)電機的設計
人們曾使用過直流發(fā)電機、電磁式交流發(fā)電機、爪極式發(fā)電機、磁阻式發(fā)電機以及感應子式發(fā)電機等用于小型風能發(fā)電裝置。隨著永磁材料的技術發(fā)展，永磁材料磁能積大大提高，目前主要使用永磁發(fā)電機。該類電機不論從電氣性能上，還是在安全可靠性上講，都優(yōu)于前幾類發(fā)電機。由于該類發(fā)電機的應用場所與一般發(fā)電機不同，其技術要求有其特殊性，在性能上又必須與風力機有良好的匹配[12]。
永磁發(fā)電機的優(yōu)點 ：（1） 結構簡單、可靠性高（2）體積小、重量輕、比功率大（3） 中、低速發(fā)電性能好（4） 效率高 （5） 采用自啟動式穩(wěn)壓器 （6） 特別適合于在潮濕或灰塵多的惡劣環(huán)境下工作（7） 無無線電干擾
4.4 聯(lián)軸器的設計與選取
圖 4-5 HLL型帶制動輪彈性柱銷聯(lián)軸器
名稱＝HLL型帶制動輪彈性柱銷聯(lián)軸器
標準=摘自GB/T 5014-1985
單位=(mm)
-----------------------------------------------------------
型號=HLL11
額定轉矩Tn(N.m)=6300
許用轉速[n](r/min)=960
軸孔直徑d1、d2、dz=100;110
軸孔長度\L\Y型=212
軸孔長度\L1\J、J1、Z型=167
軸孔長度\L\J、J1、Z型=212
D0=630
D=320
B=265
d3=40
l=112
轉動慣量(kg.m^2)=314
重量(kg)=187
4.5 風力發(fā)電機的尾舵調(diào)向裝置設計
風力機的保護系統(tǒng). 該風力機采用斜置鉸鏈尾舵?zhèn)绕L輪保護,其基本原理是當風速增大時,風輪側偏,使風輪的旋轉平面背對風向,減少風輪的迎風面積,從而使風輪的吸收功率下降. 當風輪的迎風面被側偏到與風向一致時(或平行) ,風輪會自動停止轉動,達到保護整機的目的.
調(diào)向裝置就是在風輪正常運轉時一直使風輪對準風向的裝置。風力發(fā)電機的調(diào)向裝置有好多種，但微小型風力發(fā)電機常用尾舵調(diào)向。因為尾舵調(diào)向結構簡單，調(diào)向可靠，制造容易，成本低等優(yōu)點。設計尾舵時應保證尾舵在風向偏離風輪300角之內(nèi)調(diào)向，使風輪對準風向。風向是變化的，尾舵調(diào)向應有迎合而不應使風輪頻繁擺頭。
尾舵設計計算如下：
當風向偏離風輪葉片角時，風對尾舵面積A的推力對轉盤中心O的力矩應大于風對風輪葉片的推力對轉盤中心O的力矩，尾舵開始調(diào)向。設計時建議調(diào)向角
（4-1）
其中。
式中 A——尾舵面積；
P——單位面積風壓；
——裝盤轉動中心O至尾舵面積受力中心距離；
——風對葉輪的推力；
——輪中心至轉盤轉動中心O距離。
用葉片風輪葉片掃掠的面積S來表示時，高速風輪發(fā)電機尾舵計算按下面的經(jīng)驗公式：，所以：
(1) 尾舵的面積（調(diào)向角時，角尾舵與尾舵中心成150，角尾舵長占尾舵總長的25%35%，如下圖4-6所示）
(2)尾舵的中心到轉向軸的距離L
L=0.6D=0.6x6=3.6m,轉角r=15
(3)轉向軸與風輪旋轉平面間的距離E
E=1/4L=1/4x3.6=0.9m
4 垂直軸風力發(fā)電機組性能測試
3.1機組的構成及主要技術參數(shù)
獨立型20kW風力發(fā)電機組采用了3葉片、水平軸、上風向旋轉風輪、定槳距失速調(diào)節(jié)，異步發(fā)電機發(fā)電、蓄能器儲能、高速軸抱閘雙重主動機構，機艙支撐為柔性鋼管拉索塔架，控制系統(tǒng)采用日本三菱公司F1-60MR可編程控制器（PLC）為控制核心，配以集成化、智能化I/O接口電路和先進的傳感技術，可以實現(xiàn)全自動無人值守運行[13]。
3.1.1基本技術參數(shù)
總體性能參數(shù)如表3-1所示：
表3-1 總體性能參數(shù)
類型
水平軸、下風向
額定功率
20kW
額定風速
11m/s
切入風速
4m/s
切出風速
20m/s
抗最大風速
50m/s
風輪性能參數(shù)如表3-2所示：
表 3-2 風輪性能參數(shù)
葉片數(shù)目
3
直徑
11m
額定轉速
180r/min
槳葉材料
增強型玻璃鋼
翼型
NACA44 X X
功率調(diào)節(jié)
定槳距失速調(diào)節(jié)
傳動系統(tǒng)性能參數(shù)如表3-3所示：
表 3-3 傳動系統(tǒng)性能參數(shù)
類型
NG型行星齒輪增速箱
額定功率
11.2m
額定轉速
55kW
傳動比
1：22.4
發(fā)電機性能參數(shù)如表3-4所示：
表 3-4 發(fā)電機性能參數(shù)
類型
三相交流高滑差異步電機
額定功率
45Kw
同步轉速
1500r/min
電壓
380V，Y接
頻率
50Hz
塔架性能參數(shù)如表3-5所示：
表 3-5 塔架性能參數(shù)
類型
柔性鋼管加拉索
重量
2.5t
控制系統(tǒng)
智能化微機控制系統(tǒng)全自動化無人值守故障檢 測、報警狀態(tài)及參數(shù)記錄、顯示。
3.1.2機艙傳動總成
20kW風力發(fā)電機傳動軸總成設計采用同心軸連接，在機艙里面把葉輪、低速軸支承、剎車盤、增速機、發(fā)電機等安裝在機艙平臺的同一軸心上，此種設計結構緊密、外型美觀、工藝優(yōu)化、機械效率高，比多軸心傳動軸結構的設計，易于安裝，檢修，特別適用于定槳距、失速葉片風力機的機艙布局[14]。
圖 3-1 機艙機構圖
3.2風力機的工作條件穩(wěn)定度和壽命等角度
3.2.1運行參數(shù)
機組在環(huán)境溫度-25——75℃，空氣濕度不大于95%，電網(wǎng)電壓在95%——105%額定電壓下，頻率為±1°范圍內(nèi)，風力發(fā)電機組可以正常發(fā)電。
運行參數(shù)如表3-6所示：
表 3-6 運行參數(shù)
運行風速范圍
4.0m/s
4.5，V<15m/s
故障辨別
停機處理
開槳松閘
N>1480r/min
延20分鐘
機器狀態(tài)差報警
等待開機
并網(wǎng)運行
N>1470r/min
V>4.5r/min
逆功率報警停機
N>1580r/min
N<100r/min
超速報警停機
超速傳感失靈
報警停機
V>4.5m/s
V>21m/s
手動操作
小風逆功停機
小風連續(xù)5分停機
大風報警停機
圖 3-2 20kW風力發(fā)電機運行過程流程圖
3.2.4開機與并網(wǎng)
由風速和轉速傳感作為主激勵信號，輔以對傳動、偏航、剎車系統(tǒng)的即時監(jiān)控，在風速達到啟動風速時，機組自動開機，進入工作狀態(tài)。
①當風速連續(xù)60秒不小于4.5m/s，低速軸盤式剎車釋放，傳動系統(tǒng)開始工作。
②由液壓系統(tǒng)驅(qū)動變矩機構，將葉片由順風的保護位置拉至迎風的工作位置，進入定槳距失速調(diào)節(jié)工作狀態(tài)，完成這一過程的時間可調(diào)，其長短以有助于加速完成啟動過程為宜，我們選在50秒左右。
③在運行①、②的同時，三葉片風輪通過增速機構帶動發(fā)電機1500r/min
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