十千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　前言</b></p><p>　　傳統(tǒng)燃料終將逐漸耗竭，其價(jià)格勢(shì)必日益上漲。因此，風(fēng)能業(yè)已喚起人們?cè)贆z視其能否成為未來主要可靠能源之一。</p><p>　　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。

2、</p><p>　　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。</p><p>　　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)

3、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)。</p><p>　　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。</p><p>　　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

4、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。</p><p>　　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！</p>

5、<p><b>　　1　概述</b></p><p>　　1.1　選題的目的與意義</p><p>　　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，

6、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。</p><p>　　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)

7、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。</p><p>　　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。</p><p>　　我國是最早使用風(fēng)帆船和風(fēng)車

8、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)。</p><p>　　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)

9、車排水，在低洼的海灘上造出良田，成為著名的風(fēng)車之國。</p><p>　　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(jìng)爭(zhēng)，漸漸被淘汰。</p><p>　　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

10、更進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的階段。</p><p>　　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(cè)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。</p><p>　　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

11、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kW·h/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kW·h/a，比歐盟12國目前的年用電量2萬億kW·h還大，如按年滿功率發(fā)電2 500h計(jì)劃，則裝機(jī)容量可達(dá)12億kW。</p&

12、gt;<p>　　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)

13、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（等）排放氣體的有效措施之一。</p><p>　　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

14、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。</p><p>　　1.2　目前國內(nèi)外風(fēng)電技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　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

15、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?，F(xiàn)代風(fēng)電機(jī)風(fēng)輪的效率可達(dá)到40%。風(fēng)電機(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600~750kW，機(jī)體龐大，

16、風(fēng)輪直徑和塔架高度都達(dá)到40~50m，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60 m/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(cè)量及計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，發(fā)展了變漿距控制及

17、失速</p><p>　　1）風(fēng)力機(jī)單機(jī)大型化</p><p>　　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%。

18、目前，商業(yè)化機(jī)組的單機(jī)容量已達(dá)3.6MW。</p><p>　　2）變速恒頻機(jī)組將成為主流機(jī)型</p><p>　　目前，世界各地風(fēng)電場(chǎng)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。</p><p>　　3）重量更輕、結(jié)構(gòu)

19、更具柔性</p><p>　　隨著風(fēng)力機(jī)葉片的增長，其單位功率的重量更輕、結(jié)構(gòu)更柔性。葉片材料由玻璃纖維增強(qiáng)樹脂發(fā)展為強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的碳纖維。同時(shí)，針對(duì)風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力環(huán)境，風(fēng)力機(jī)專用新翼型也得到廣泛應(yīng)用，大大改善葉片的氣動(dòng)性能。</p><p>　　4）海上風(fēng)力發(fā)電迅速發(fā)展</p><p>　　由于海上風(fēng)力資源比陸地上好，風(fēng)速比沿岸路上約高25%，且海面粗糙度小，

20、海上風(fēng)場(chǎng)湍流強(qiáng)度小，具有穩(wěn)定的主導(dǎo)風(fēng)向，減少機(jī)組疲勞載荷，延長使用壽命。</p><p>　　5）中國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展</p><p>　　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。</p>

21、;<p>　　我國開發(fā)、研制、生產(chǎn)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單位共47家，年生產(chǎn)能力超過了4萬臺(tái)。產(chǎn)品的額定功率100W-10KW。到2002年底，全國累計(jì)生產(chǎn)離網(wǎng)型小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組24萬多臺(tái)。</p><p>　　表1-1 中國風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量發(fā)展情況（單位：萬KW）</p><p>　　Tab 1-1 China's installed capacity of wind

22、power development (unit : 10,000 KW)</p><p>　　1.3 風(fēng)力發(fā)電的原理和需要解決的問題</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電依靠空氣的流動(dòng)-也就是風(fēng)-來推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片而發(fā)電，風(fēng)的形成則是源于地球本身的自轉(zhuǎn)以及區(qū)域性的太陽輻射熱吸收不均勻而引起空氣的循環(huán)流動(dòng)，小規(guī)模者如海路風(fēng)、山谷風(fēng)，大規(guī)模者如東北季風(fēng)或臺(tái)風(fēng)。</p><p&

23、gt;　　一部典型的現(xiàn)代水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括葉片、輪轂(與葉片合稱葉輪)、機(jī)艙罩、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、塔架、基座、控制系統(tǒng)、電纜線等。當(dāng)風(fēng)流過葉片時(shí)，由于空氣動(dòng)力的效應(yīng)帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，葉輪透過主軸連結(jié)齒輪箱，經(jīng)過齒輪箱加速后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。目前亦有廠商推出無齒輪箱式機(jī)組，可降低震動(dòng)、噪音，提高發(fā)電效率，但成本相對(duì)較高。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)并不能將所有流經(jīng)的風(fēng)力能源轉(zhuǎn)換成電力，理論上最高轉(zhuǎn)換效率約為59%，

24、實(shí)際上大多數(shù)的葉片轉(zhuǎn)換風(fēng)能效率約介于30~50%之間，經(jīng)過機(jī)電設(shè)備轉(zhuǎn)換成電力能后的總輸出效率則約介于20~45%。由于發(fā)電效率較高只風(fēng)力發(fā)電機(jī)其經(jīng)濟(jì)效益較佳,鑒于水平軸式擁有較高發(fā)電效率,現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)多為水平軸式。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電力輸出與風(fēng)的速度非常有關(guān)，葉片能自風(fēng)獲得之能量與風(fēng)速的三次方成正比，一般市場(chǎng)上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速約介于2.5~4m/s，于風(fēng)速12~15m/s時(shí)達(dá)到額定的輸出容量

25、，風(fēng)速更高時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制機(jī)構(gòu)將電力輸出穩(wěn)定在額定容量左右，為避免過高的風(fēng)速損壞發(fā)電機(jī)，大多于風(fēng)速達(dá)20~25m/s范圍內(nèi)停機(jī)。一般采用旋角節(jié)制或失速節(jié)制方式來調(diào)節(jié)葉片之氣動(dòng)性能及葉輪之輸出。</p><p>　　除了風(fēng)速外，葉輪直徑?jīng)Q定了可攝取風(fēng)能的多少，約與葉輪直徑平方成正比，以目前商業(yè)化的中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，容量600kW的機(jī)組其葉輪直徑約45m左右，1000kW的機(jī)組葉輪直徑約55m左右，2000k

26、W的機(jī)組葉輪直徑則約75m左右，依生產(chǎn)工藝而異。 葉片的數(shù)量亦影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出，一般而言多葉片的風(fēng)車效率較低但機(jī)械力矩較高，適用于汲水等工作；少葉片型(1~3葉片)效率較高而力矩較低，其中又以2葉及3葉效率較高。此外，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片多采用機(jī)翼翼型，以更有效的攝取風(fēng)能。</p><p>　　圖1-1葉輪直徑與風(fēng)能攝取量的關(guān)系</p><p>　　Fig 1-1 Impeller

27、 diameter intake and the number of wind energy</p><p>　　風(fēng)能利用發(fā)展中的關(guān)鍵技術(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。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)問題。

28、</p><p><b>　　1）空氣動(dòng)力學(xué)問題</b></p><p>　　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(chǎng)湍流模型，早期風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)采用簡化風(fēng)場(chǎng)模型，對(duì)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。</p><p><b>　　2）結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題</b>

29、</p><p>　　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。</p><p><b>　　3）控制技術(shù)問題</b></p><p>　　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

30、全和跟蹤最佳運(yùn)行功率。</p><p>　　1.4 我國風(fēng)能資源分布</p><p>　　風(fēng)能是空氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能，它是太陽能的一種轉(zhuǎn)化形式，是一種清潔的可再生能源。全球風(fēng)能資源極為豐富，據(jù)世界氣象組織估計(jì)，地球上近地層的風(fēng)能總量約為可利用的風(fēng)能至少為，約為地球上可利用水能總量的10倍。</p><p>　　表1-2 風(fēng)能資源比較豐富的省區(qū)</p>

31、<p>　　Tab 1-2 Wind resource rich provinces</p><p>　　1.5　風(fēng)力機(jī)的類型和分類</p><p>　　風(fēng)力機(jī)將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或其他形式的能量。按功率輸出的大小，風(fēng)力機(jī)一般分為小型（10KW以下），中型（10KW-100KW）和大型（100KW以上）。</p><p>　　風(fēng)力機(jī)的種類相當(dāng)多，依結(jié)構(gòu)

32、式樣可分類為：</p><p>　　按主軸與地面的相對(duì)位置，可分為水平軸與垂直軸式。</p><p>　　按轉(zhuǎn)子相對(duì)于風(fēng)向的位置，可分為上風(fēng)式與下風(fēng)式。</p><p>　　按轉(zhuǎn)子葉片工作原理可分為升力型與阻力型。</p><p>　　按轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量，可分為單葉型，雙葉型，三葉型，荷蘭型，美國農(nóng)村多葉型。</p><p&g

33、t;<b>　　2　風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)理論</b></p><p>　　2.1　風(fēng)速、風(fēng)能與空氣密度</p><p>　　風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速資料是設(shè)計(jì)風(fēng)輪機(jī)最基本的資料。風(fēng)場(chǎng)的實(shí)際風(fēng)速是隨時(shí)間不斷變化的量，因此風(fēng)速一般用瞬時(shí)風(fēng)速和平均風(fēng)速來描述。瞬時(shí)風(fēng)速是短時(shí)間發(fā)生的實(shí)際風(fēng)速，也稱有效風(fēng)速，平均風(fēng)速是一段較長時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)風(fēng)速的平均值。</p><p>　　某地一

34、年內(nèi)發(fā)生同一風(fēng)速的小時(shí)數(shù)與全年小時(shí)數(shù)（8760h）的比稱為該風(fēng)速的風(fēng)速頻率,它是風(fēng)能資源和風(fēng)能電站可研報(bào)告的基本數(shù)據(jù)。風(fēng)速與地形、地勢(shì)、高度、建筑物等密切相關(guān)，風(fēng)能槳葉高度處的風(fēng)速才是風(fēng)輪設(shè)計(jì)風(fēng)速，因此，設(shè)計(jì)風(fēng)輪機(jī)電站還要有風(fēng)速沿高度的變化資料。</p><p>　　風(fēng)的變化是隨機(jī)的，任一地點(diǎn)的風(fēng)向、風(fēng)速和持續(xù)的時(shí)間是變化的，為定量地衡量風(fēng)力資源，通常用風(fēng)能玫瑰圖來表示。圖2-1上射線長度是某一方向上風(fēng)速頻率和平

35、均風(fēng)速三次方的積，用以評(píng)估各方向的風(fēng)能優(yōu)勢(shì)。</p><p><b>　　圖2-1風(fēng)能玫瑰圖</b></p><p>　　Fig 2 -1 Rose wind map </p><p>　　不同海拔高度風(fēng)場(chǎng)的空氣密度也不同，它是風(fēng)力發(fā)電的一個(gè)重要計(jì)算參數(shù)，不同海拔高度空氣密度見表2-1。</p><p>　　表2-1

36、不同海拔高度風(fēng)場(chǎng)的空氣密度</p><p>　　Tab2 -1 Different altitude wind farms air density</p><p><b>　　2.2　風(fēng)力等級(jí)</b></p><p>　　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)來估計(jì)風(fēng)力的大小，國際上采用的是英國人蒲福（Franc

37、is 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)。見表2-2。</p><p>　　表2-2 蒲福風(fēng)力等級(jí)表</p><p>　　Tab2 -2 Bofu wind scale</p><p>　　2.3　理想風(fēng)能的利用</p><p>　　經(jīng)風(fēng)輪做功后的風(fēng)也有一定流速和動(dòng)能，因

38、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(chǎng)如圖2-2。</p><p>　　設(shè) </p><p>　　, , (2-1)</p><p><b>　　由伯努利方程 </b></p><p><b>　　(2-2)

39、</b></p><p>　　作用在風(fēng)輪上的軸向力</p><p>　　F=A()= (2-3)</p><p>　　A= (2-4)</p><p>　　式中 A ──槳葉掃過的面積，㎡；</p><p>

40、;<b>　　──空氣密度，；</b></p><p>　　P ──風(fēng)輪機(jī)功率，KW；</p><p>　　──平均風(fēng)速， m/s；</p><p>　　──輪前風(fēng)速， m/s；</p><p>　　──輪后風(fēng)速， m/s；</p><p>　　──輪前壓力， pa；</p><

41、;p>　　──輪后壓力， pa；</p><p>　　F ──軸向力， N；</p><p>　　r ──風(fēng)輪半徑， m；</p><p>　　圖2-2風(fēng)輪前后流場(chǎng)</p><p>　　Fig2 -2 Wind flow around </p><p><b>　　質(zhì)量流量</b></

42、p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　槳葉中的平均風(fēng)速等于輪前、輪后風(fēng)速的平均值</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　從風(fēng)能中可能提取的能量是進(jìn)出口風(fēng)的動(dòng)能差 </p><p><b>　　（2-7）</b

43、></p><p>　　已知輸入風(fēng)輪的能量為</p><p><b>　　（2-8）</b></p><p><b>　　風(fēng)能利用系數(shù) </b></p><p><b>　　(2-9)</b></p><p><b>　　可能提取的能

44、量</b></p><p><b>　　(2-10)</b></p><p><b>　　代入各值得</b></p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　令

45、 (2-12)</p><p>　　將式2-12代入下式得風(fēng)能利用系數(shù)</p><p><b>　　(2-13)</b></p><p>　　可由式（2-13）求得風(fēng)輪機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)的極值。</p><p>　　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

46、時(shí)的輪后風(fēng)速</p><p><b>　　(2-14)</b></p><p>　　通過式2-13求得風(fēng)能利用系數(shù)的極大值為</p><p>　　=0.593 (2-15)</p><p>　　由式2-10得出最大理想可能利用的風(fēng)能為</p>

47、<p><b>　　(2-16)</b></p><p>　　理想風(fēng)輪機(jī)的能量密度</p><p><b>　　(2-17)</b></p><p>　　2.4　風(fēng)輪機(jī)基本參數(shù)</p><p>　　風(fēng)能指空氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，一般用單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的能量即風(fēng)能密度來衡量風(fēng)能的大小。&l

48、t;/p><p>　　即 E= (2-18)</p><p>　　式中 A──風(fēng)輪掃掠面積， ；</p><p>　　──風(fēng)速， m/s；</p><p>　　──為空氣密度， kg/；</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中取=1.25kg/

49、。由式2-18可知風(fēng)能的大小與空氣密度和通過的面積成正比，與風(fēng)速的立方成正比。</p><p>　　葉尖速比是風(fēng)輪葉尖線速度與風(fēng)速的比值，</p><p>　　即 (2-19)</p><p>　　式中 R──為風(fēng)輪半徑， m；</p><p>　　──為風(fēng)

50、輪角速度， rad；</p><p>　　──葉尖速比 ；</p><p>　　根據(jù)動(dòng)量守恒原理，可知空氣作用在風(fēng)輪上的推力為</p><p><b>　　(2-20)</b></p><p>　　式中 A──為風(fēng)輪掃掠面積， ；</p><p>　　──為通過風(fēng)

51、輪的風(fēng)速,因此代表了單位時(shí)間內(nèi)流過風(fēng)輪的空氣質(zhì)量, kg；</p><p>　　──為風(fēng)輪前方未受風(fēng)輪影響的來流風(fēng)速，m/s；</p><p>　　──為尾流中達(dá)到壓力平衡后的風(fēng)速， m/s；</p><p>　　在風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要確定一些參數(shù)，可采用確定風(fēng)力機(jī)額定出力或選用最大能量輸出來計(jì)算設(shè)計(jì)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中占主導(dǎo)的風(fēng)速，如果在實(shí)際中這一風(fēng)速不能得到充分利用，產(chǎn)生損

52、失也就說明設(shè)計(jì)存在問題，也就是風(fēng)力機(jī)葉型設(shè)計(jì)有問題，這也是風(fēng)力機(jī)的動(dòng)力研究的本質(zhì)。在空氣動(dòng)力方面最重要的發(fā)展是，研制新的風(fēng)力機(jī)葉片葉型，以轉(zhuǎn)化更多的風(fēng)能，如美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)開發(fā)了一種新型葉片葉型，試驗(yàn)表明，新型葉片比早期的風(fēng)力機(jī)葉片轉(zhuǎn)化的風(fēng)能要大20%以上。目前設(shè)計(jì)的葉片，最大風(fēng)能利用系數(shù)約為0.47左右，而風(fēng)能利用系數(shù)的極限值是0.593，可見在葉片葉型的改進(jìn)上還有較大的發(fā)展空間。采用柔性葉片也是一個(gè)發(fā)展動(dòng)向，利用

53、新型材料（如新型工程塑料等）。進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，使其在風(fēng)況變化時(shí)能夠相應(yīng)改變它們的型面，從而改善空氣動(dòng)力響應(yīng)和葉片受力狀況，增加可靠性和對(duì)風(fēng)能的轉(zhuǎn)化量。</p><p>　　另外，還在開發(fā)新的空氣動(dòng)力控制裝置．如葉片上的副翼，它能夠簡單、有效地限制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，比機(jī)械剎車更可靠，并且費(fèi)用低。</p><p><b>　　2.5　功率調(diào)節(jié)</b></p>&

54、lt;p>　　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。</p><p>　　1）定槳距失速調(diào)節(jié)

55、 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。</p><p>

56、;　　圖2-3槳葉失速前的狀態(tài)圖</p><p>　　Fig 2 -3 Blade stall before the state chart</p><p>　　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

57、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)以上的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制上。</p><p>　　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。</p><p>　　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

58、，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)。</p><p>　　3）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)

59、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(duì)可以較小。</p><p>　　2.6　風(fēng)輪迎風(fēng)技術(shù)</p><p>　　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

60、與風(fēng)向始終垂直。這種裝置就是風(fēng)輪機(jī)迎風(fēng)裝置。</p><p><b>　　(2-21)</b></p><p><b>　　(2-22)</b></p><p>　　式中 P──風(fēng)輪機(jī)輸出功率， KW；</p><p>　　──空氣密度， kg/；</p><p>　　r

61、──風(fēng)輪半徑， m；</p><p><b>　　──風(fēng)能利用系數(shù)；</b></p><p>　　──風(fēng)速， m/s；</p><p>　　n ──風(fēng)輪轉(zhuǎn)速， r/min；</p><p>　　由式2-21和2-22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。<

62、;/p><p>　　風(fēng)輪迎風(fēng)裝置有三種方法：尾舵法、舵輪法和偏心法。</p><p>　　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</p><p><b>　?。?-23）</b></p><p>

63、　　式中 ──尾舵升力、阻力合力系數(shù)由實(shí)驗(yàn)曲線查得；</p><p><b>　　──尾舵面積；</b></p><p>　　──風(fēng)輪的圓周速率，m/s；</p><p>　　K──風(fēng)速損失系數(shù)約0.75；</p><p>　　L──尾舵距離，m。</p><p>　　機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)條件

64、 </p><p><b>　　（2-24）</b></p><p>　　尾舵面積 </p><p><b>　?。?-25）</b></p><p>　　式中 ──尾舵輪扭力矩，；</p><p>　　──機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力矩，

65、 ；</p><p>　　──斜向風(fēng)作用于主軸上的扭力矩， ；</p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中把尾舵取消增加槳葉軸與圓盤角度到7°

66、;角這樣可以加大與斜向風(fēng)的接觸面積增大斜向風(fēng)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。</p><p><b>　　2.7 風(fēng)電品質(zhì)</b></p><p>　　自然風(fēng)的速度和方向是隨機(jī)變化的，風(fēng)能具有不穩(wěn)定性特點(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)電品質(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

67、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平滑輸出功率。由于變轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用的是電力電子裝置，當(dāng)它將電能輸送給電網(wǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變化的電力諧波，并使功率因素惡化。</p><p>　　因此，為了滿足在變轉(zhuǎn)速控制過程中良好的動(dòng)態(tài)特性，并能使發(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：a.在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)上產(chǎn)生盡可能低的諧波電流；b.具有單位功率因素或可控的功率因素；c.使發(fā)電機(jī)輸出電壓適應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化；d．向電網(wǎng)輸

68、出穩(wěn)定的功率；e.發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩可控。</p><p>　　此外，當(dāng)電網(wǎng)中并人的風(fēng)力電量達(dá)到一定程度，會(huì)引起電壓不穩(wěn)定（一般建議不大于10％）。特別是當(dāng)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)組的電功率平穩(wěn)具有非常重要的意義。</p><p&

69、gt;　　風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的不利影響可以用儲(chǔ)能技術(shù)來改善。例如，用超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出電壓和頻率穩(wěn)定。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)SMES（Supercon Ducting Magnetic Energy Storage Systems）代表了柔性交流輸電的新技術(shù)方向，能吸收或者放出有功和無功功率，來快速響應(yīng)電力系統(tǒng)需要。另外，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展較為成熟，具有使用壽命長、功率密度和儲(chǔ)能密度高、基本上不受充、放電次數(shù)的限制、安裝維護(hù)方便、對(duì)環(huán)境無危

70、害等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　2.8　發(fā)電機(jī)變轉(zhuǎn)速/恒頻技術(shù)</p><p>　　并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，要求發(fā)電機(jī)的輸出頻率必須于電網(wǎng)頻率一致。保持發(fā)電機(jī)輸出頻率恒定的方法有兩種：a恒轉(zhuǎn)速恒頻系統(tǒng)，采取失速調(diào)節(jié)或者混合調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，主要采用異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)；b.變轉(zhuǎn)速/恒頻系統(tǒng)，用電力電子變頻器將發(fā)電機(jī)發(fā)出的頻率變化的電能轉(zhuǎn)化成頻率恒定的電能。</p>

71、<p>　　大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的典型配置如圖所示，箭頭為功率流動(dòng)方向。圖中頻率變換器包括各種不同類型的電力電子裝置，如軟并網(wǎng)裝置、整流器和逆變器等。</p><p>　　異步感應(yīng)發(fā)電機(jī) 通過晶閘管控制的軟并網(wǎng)裝置接入電網(wǎng)。在同步速度附近合閘并網(wǎng)，沖擊電流較大，另外需要電容無功補(bǔ)償裝置。這種機(jī)型比較普遍，各大風(fēng)力發(fā)電制造商如Vestas、NEG Micon、Nordex都有此類產(chǎn)品。</p>

72、;<p>　　繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī) 外接可變轉(zhuǎn)子電阻，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率增大至10%，通過一組電</p><p>　　圖2-4發(fā)電機(jī)恒頻技術(shù)方案圖</p><p>　　Fig 2 -4 Constant Frequency Generator technology program plan </p><p>　　力電子器件來調(diào)整轉(zhuǎn)子回路的電阻，從而調(diào)節(jié)發(fā)電

73、機(jī)的轉(zhuǎn)差率。如Vestas公司的V47機(jī)組。</p><p>　　雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)子通過雙向變頻器與電網(wǎng)連接，可實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)。根據(jù)風(fēng)速的變化，實(shí)現(xiàn)恒頻控制。流過轉(zhuǎn)子電路的功率僅為額定功率的10%-25%，只需要較小容量的變頻器，并且可以實(shí)現(xiàn)有功、無功的靈活控制。如DeWind公司的D6機(jī)組。</p><p>　　同步發(fā)電機(jī) 本配置方案的顯著特點(diǎn)是取消了增速齒輪箱，采用風(fēng)力機(jī)對(duì)同

74、步發(fā)電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)方式。齒輪傳動(dòng)不僅降低了風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)生噪聲，也是造成系統(tǒng)機(jī)械故障的主要原因，而且為了減少機(jī)械磨損還需要潤滑清洗等定期維護(hù)。如Enercon公司的E266機(jī)組。</p><p>　　3　風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體設(shè)計(jì)</p><p>　　風(fēng)力機(jī)主要是借著空氣流動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)葉片以擷取風(fēng)的動(dòng)能,進(jìn)而轉(zhuǎn)換成有用的機(jī)械能或電能.葉片轉(zhuǎn)子受風(fēng)吹而轉(zhuǎn)動(dòng),來源于氣動(dòng)力的作用( 包括升力及阻力 ),對(duì)葉

75、片產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩。</p><p>　　任何種類風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的功率可用下式表示：</p><p>　　風(fēng)輪機(jī)功率 P= （3-1）</p><p>　　風(fēng)輪半徑 A==</p><p>　　輪轂半徑為0.5m，葉片和輪轂間距0.05 m，其面積為</

76、p><p>　　其風(fēng)輪的總面積為： =35.15</p><p>　　D=6.70m （3-2）</p><p>　　葉尖速比 （3-3）</p><p>　　風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速 n=

77、（3-4）</p><p>　　式中 P──輸出功率（指額定工況下輸出的電功率）W，P=10KW（給定值）</p><p>　　──空氣密度（一般取大氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）kg/， =1.25 kg/（給定值）</p><p>　　──設(shè)計(jì)的風(fēng)速（風(fēng)輪中心高度處）m/s，=10m/s（給定值）</p><p>　　A──風(fēng)輪掃掠面積 <

78、;/p><p>　　──風(fēng)能利用系數(shù)，＝0.5（給定值）</p><p>　　n──風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速，n=50r/min（給定值）</p><p><b>　　──傳動(dòng)效率</b></p><p><b>　　──電效率</b></p><p>　　3.1 風(fēng)力機(jī)中心軸計(jì)算</

79、p><p>　　3.1.1　中心軸參數(shù)計(jì)算</p><p>　　1）中心軸的軸頸估算</p><p>　　風(fēng)輪機(jī)功率 </p><p>　　軸頸估算 (3-1)</p><p>　　由于軸段上有一個(gè)鍵槽，估取主軸d＝90</p>

80、;<p>　　T＝ (3-2)</p><p>　　額定功率P=10kw; 額定轉(zhuǎn)速n=50r/min; A=110</p><p><b>　　2）中心軸鍵的選擇</b></p><p>　　根據(jù)中心軸，查表b=25mm h=14 軸t=9.0 轂=5.4　 L=90; </p>

81、<p>　　輕微沖擊取 (3-3)</p><p><b>　　T=</b></p><p>　　該鍵合理 (3-4)</p><p>　　式中 ──許用擠壓應(yīng)力，；</p><p>　　k──鍵與輪轂槽（或軸槽）的接觸高度，mm，k=h/2，h為鍵高

82、；</p><p>　　l──鍵的工作長度，mm,A型：l=L-b，B型：l=L，C型：l=L-b/2，b為鍵寬。</p><p>　　3.1.2　中心軸軸段設(shè)計(jì)與校核</p><p>　　中心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）壓縮彈簧、3）復(fù)位彈簧下?lián)醢濉?）圓盤固定螺母、5）帶輪轂圓盤、6）支撐軸承座。</p><p&g

83、t;　　圓盤作用在中心軸上的力</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　式中 V ── 圓盤體積，；</p><p>　　── 圓盤質(zhì)量，kg；</p><p>　　F ── 圓盤自重施加在中心軸上的力，N。</p><p>　　槳葉軸、槳葉作用

84、在中心軸上的力</p><p><b>　　槳葉軸； 槳葉</b></p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　式中 ──六片槳葉、槳葉軸與圓盤整體自重作用在主軸上的力，N;</p><p>　　圓盤、槳葉、槳葉軸整體對(duì)主軸的彎矩強(qiáng)度校核如下：</p>

85、;<p>　　圖3-1 中心軸裝配圖</p><p>　　Fig 3-1 Spindle assembly </p><p>　　M=×h=2158.2×161.5=348.55×</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　10.49d

86、 所以 d=90mm主軸軸頸校核合理</p><p>　　式中 B── 圓盤厚度， m；</p><p>　　r ── 圓盤半徑， m；</p><p>　　── 槳葉軸質(zhì)量，kg；</p><p>　　── 槳葉質(zhì)量，kg .</p><p>　　3.2 風(fēng)輪機(jī)的槳葉與槳葉軸設(shè)計(jì)</p>&l

87、t;p>　　槳葉由松木作為骨架外包一層1毫米厚的鋁皮選用木制骨架目的是減輕槳葉重量。外包的鋁皮也可防止外界的腐蝕。槳葉的軸采用偏心放置，這樣可在風(fēng)力過強(qiáng)時(shí)便于調(diào)速。</p><p>　　風(fēng)力機(jī)也是一種葉片機(jī)，風(fēng)輪機(jī)的槳葉與機(jī)翼類似，可用機(jī)翼理論描述。槳葉很長，沿徑向圓周速度不同，在不同的槳葉截面上就有不同的來流相對(duì)速度，有不同的進(jìn)口沖角，作用于槳葉上的力就不同。（如下圖）</p><p&

88、gt;　　圖3-2槳葉受風(fēng)情況</p><p>　　Fig3 -2 Blades of the wind </p><p>　　風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的風(fēng)速為風(fēng)1相對(duì)速度此時(shí)槳葉與風(fēng)1夾角30度此時(shí)槳葉受到的力為最佳。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到8級(jí)風(fēng)時(shí)其夾角為0度，此時(shí)槳葉不受力風(fēng)輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　3.2.1　槳葉設(shè)計(jì)</p><p>　　水平軸風(fēng)

89、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。葉片的結(jié)構(gòu)有如下四種形式，1）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，以防雨水和塵土對(duì)木材的侵蝕。2）是用管子作為葉片的受力粱。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中槳葉材料選用落葉松作為內(nèi)部骨架，外面包一層鋁皮，木材物理力學(xué)性能見下表。</p><p>　　表3-1 木材

90、物理力學(xué)性能</p><p>　　Table 3 -1 Physical and mechanical properties of wood </p><p>　　V=2..8×0.24×0.05=0.0336</p><p><b>　　m＝</b></p><p>　　式中 V──槳葉體積，

91、；</p><p>　　m──槳葉質(zhì)量，kg。</p><p><b>　　圖3-4槳葉二視圖</b></p><p>　　Figure 3-4 Blade 2 View</p><p>　　3.2.2　槳葉軸設(shè)計(jì)</p><p>　　槳葉軸用于支撐槳葉和連接槳葉與輪轂的作用，要有足夠的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)

92、如下</p><p>　　圖3-5槳葉軸零件圖</p><p>　　Fig 3 -5 Paddle axle parts map</p><p>　　槳葉軸體積計(jì)算如下式：</p><p>　　V＝3.14 （3-7）</p><p><b>　?。?31597</b></p>

93、<p><b>　　槳葉軸質(zhì)量：</b></p><p>　　m＝V=7850×731597=5.74kg （3-8）</p><p>　　最大設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)吹過槳葉時(shí)風(fēng)對(duì)槳葉軸的彎矩M由下式算得：</p><p><b>　?。?-9）</b></p&

94、gt;<p>　　式中 F──風(fēng)對(duì)槳葉施加的力，N；</p><p><b>　　──風(fēng)的密度，；</b></p><p><b>　　──風(fēng)速，m/s；</b></p><p><b>　　──槳葉面積，.</b></p><p>　　圖3-6槳葉受力簡

95、圖</p><p>　　Fig 3 -6 Blade force schematic</p><p>　?。?(3-10)</p><p>　　式中 H──槳葉的一半到槳葉軸危險(xiǎn)截面的距離，m；</p><p>　　M──槳葉軸危險(xiǎn)截面處所受彎矩，。</p><

96、p><b>　　槳葉軸扭矩計(jì)算：</b></p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　式中 F──槳葉偏心面積所受風(fēng)的吹力，N;</p><p>　　h──槳葉軸中心到槳葉偏心面積中心線的距離，m；</p><p>　　T──槳葉軸所受轉(zhuǎn)矩，。</p&g

97、t;<p>　　槳葉軸的危險(xiǎn)截面按彎扭合成強(qiáng)度條件校核</p><p><b>　　(3-12)</b></p><p>　　危險(xiǎn)截面軸徑d取45mm</p><p>　　式中 ──許用抗拉強(qiáng)度極限， ；</p><p>　　──彎扭合成強(qiáng)度， ；</p><p>　　M──

98、主軸彎矩， N；</p><p>　　T ──主軸扭矩， N；</p><p>　　──當(dāng)剪應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)變力時(shí)為0.6；</p><p>　　W ──危險(xiǎn)截面處的抗扭截面模量， ；</p><p>　　──許用彎曲應(yīng)力， ；</p><p>　　d ──危險(xiǎn)截面軸頸， mm.</p><p&g

99、t;　　槳葉與槳葉軸離心力的計(jì)算：</p><p>　　圖3-7槳葉、槳葉軸和圓盤布置圖</p><p>　　Fig 3 -7Paddle, paddle shaft and disk layout</p><p><b>　　=0.34m</b></p><p><b>　　=1.95m</b>&

100、lt;/p><p><b>　　=5.74kg</b></p><p><b>　　=19.96kg</b></p><p><b>　　(3-13)</b></p><p>　　式中 ──槳葉軸危險(xiǎn)截面到主軸中心線距離，m；</p><p>　　─

101、─槳葉一半到主軸中心線距離，m；</p><p>　　F ──槳葉與槳葉軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的離心力，N。</p><p>　　3.2.3　槳葉復(fù)位彈簧計(jì)算</p><p>　　當(dāng)風(fēng)力為7級(jí)風(fēng)時(shí)V＝12m/s；此時(shí)槳葉軸所受轉(zhuǎn)矩</p><p><b>　　(3-14)</b></p><p><

102、b>　　(3-15)</b></p><p><b>　　(3-16)</b></p><p>　　式中 F──槳葉傾角為30度時(shí)其偏心面積承受風(fēng)的吹力，N；</p><p>　　T──風(fēng)施加給槳葉的轉(zhuǎn)矩，；</p><p>　　──六片槳葉所承受的總轉(zhuǎn)矩，。</p><p&

103、gt;　　當(dāng)滾輪中心到槳葉軸中心距離=30mm時(shí)</p><p><b>　　(3-17)</b></p><p>　　式中 ── 六片槳葉對(duì)彈簧的作用力，N；</p><p>　　── 彈簧最小工作載荷，N；</p><p>　　當(dāng)風(fēng)力為8級(jí)風(fēng)時(shí)V＝16m/s；此時(shí)槳葉軸所受轉(zhuǎn)矩如下：</p>

104、<p><b>　　(3-18)</b></p><p><b>　　(3-19)</b></p><p><b>　　(3-20)</b></p><p><b>　　(3-21)</b></p><p>　　式中 ── 彈簧最大工作載荷

105、</p><p>　　h ── 工作行程　mm h=51.961=52mm</p><p>　　圖3-8槳葉復(fù)位局部構(gòu)造圖</p><p>　　Fig3 -8 blades reduction of local structure plans</p><p>　　彈簧最大工作載荷　　 </p><p>

106、<b>　　=1489（N）</b></p><p>　　工作行程　 </p><p>　　=51.961=52mm； (3-21)</p><p>　　彈簧類別　　 圓柱螺旋壓縮彈簧</p><p>　　端部結(jié)構(gòu)　　 端部并緊、磨平，支承圈為1圈&l

107、t;/p><p>　　彈簧材料　　 碳素彈簧鋼絲C級(jí)　</p><p>　　初算彈簧剛度　　　　</p><p><b>　　(3-22)</b></p><p>　　工作極限載荷　 因是Ⅲ類載荷；　</p><p>　?。?498.84N 查表選＝1504N</p>

108、<p>　　表3-2 彈簧材料直徑d及彈簧中徑D與有關(guān)參數(shù)</p><p>　　Tab 3 -2 Spring material and diameter d spring diameter D and the parameters</p><p><b>　　有效圈數(shù)n　</b></p><p>　　，查表取標(biāo)準(zhǔn)值n＝6.5圈

109、 (3-23)</p><p><b>　　總?cè)?shù)</b></p><p>　?。絥+2=8.5圈 (3-24)</p><p><b>　　彈簧剛度</b></p><p>　　N/mm

110、 (3-25)</p><p>　　工作極限載荷下的變形量</p><p>　　mm (3-26)</p><p><b>　　節(jié)距t </b></p><p>　　mm (3-27)</p>

111、<p><b>　　自由高度</b></p><p>　?。絥t+1.5d=6.527.03+1.58=188 mm (3-28)</p><p><b>　　彈簧外徑</b></p><p>　?。紻+d=80+8=88 mm

112、 (3-29)</p><p><b>　　彈簧內(nèi)徑</b></p><p>　?。紻-d=80－8＝72 mm (3-30)</p><p><b>　　螺旋角</b></p><p>　?。絘rctan6.14

113、 (3-31)</p><p><b>　　展開長度L</b></p><p>　　mm (3-32)</p><p><b>　　最小載荷時(shí)高度</b></p><p>　　mm (

114、3-33)</p><p><b>　　最大載荷時(shí)的高度</b></p><p>　　mm (3-34)</p><p><b>　　極限載荷時(shí)的高度</b></p><p>　　= mm (3-35)</p&

115、gt;<p><b>　　實(shí)際工作行程h</b></p><p>　　h=-=122－71=51±1 mm (3-36)</p><p><b>　　工作區(qū)范圍</b></p><p><b>　　(3-37)</b><

116、/p><p><b>　　高徑比b</b></p><p>　　b＝ (3-38)</p><p>　　b≤2.6不進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算</p><p><b>　　總?cè)?shù)＝8.5</b></p><p><b

117、>　　旋向?yàn)橛倚?lt;/b></p><p>　　展開長度L＝2148mm</p><p>　　硬度HRC 45~50</p><p>　　最大心軸直徑67mm</p><p>　　3.3 槳葉軸軸承座螺栓的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1 螺栓組結(jié)構(gòu)</p><p>　　

118、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。</p><p><b>　　圖3-9螺栓布置圖</b></p><p>　　Fig 3 -9bolts layout</p><p>　　3.3.2 螺栓的受力分析</p><p>　　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：<

119、;/p><p><b>　　軸向力 </b></p><p>　　=··A·=1.252.80.24 (3-39)</p><p><b>　　=290.98N</b></p><p><b>　　徑向力 </b></

120、p><p>　　R=F離心+G槳葉+G槳葉軸 (3-38)</p><p>　　G槳葉=V槳葉g=(2..8×0.24×0.05)×594×10=199.6N (3-40)</p><p>　　式中 ──槳葉材料選用東北落葉松，氣干密度為594kg&l

121、t;/p><p>　　V槳葉軸＝3.14 (3-41)</p><p><b>　　=731597</b></p><p><b>　　＝731597</b></p><p>　　一根槳葉軸的m=·V=7850×731597=5.74㎏