垂直轴风力发电机研究报告

1、垂直轴风力发电机研究报告1.垂直轴与水平轴对比垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机相比，有其特有的优点：水平轴风力发电机组的机舱放置在高高的塔顶，而且是一个可旋转 360 低了成本。风力发电机的客户越来越需要使用寿命长、可靠性高、维修方便的产品。风力发电机由于高度限制和周围地貌引发的乱流，常常处于风向和风强变化剧烈的情况，垂直轴风力发电机有克服“对风损失”和“疲劳损耗”上有水平轴风力发电机不可比的优点，且理论风能利用率可达 40以上因此在考虑了较小的启动风速和对风力机影响较大的“对风损失”之后，从而提高垂直轴风轮的风能实际利用率。36036057好处是显而易见的，以前因为噪音问题不能应用风力发电

2、机的场合(城市公共设页脚施、民宅等)，现在可以应用垂直轴风力发电机，因此，垂直轴风力发电机比水平轴有更广阔的应用领域。垂直轴风机风轮设计风能风功率计算公式为图 1 空气流的动能P W / tm VV SL1联立以上各式得W 2 mv212 mv2SLv21P Sv3t2Cp风能利用系数 Cp是表示风力机效率的重要参数，由于风通过风轮的风能不能完全转化为风轮机械能，其风能利用率 C 为p风力机输出的机械功率 PC=mp输入风轮的功率Pw其中 Pm为风力机输出的机械功率；Pw为风力机输入的风能。页脚0.40.41000W，则风能为1000 / 0.4 。Sv3 2500 2 / 5000 /1.2

3、5 4000 ，若满载额定风速为 20m/s 的话，S=0.5m2，显然设定的额定风速越低，S 将越大。S 2r L ，SrL片的高。1000W0.5m2r的话，L1m。可以采用目前工厂顶部风机形状。风力机转矩：T R3 v2p20.53.141.250.40.253 2026 0.82N m2.3 叶尖速比叶尖速比衡量。 2Rn vv式中：nr / s rad / s ；R风轮半径，m。在这种情况下，输出功率（同风速的立方成正比）根据叶尖转速比与 Cp的关系及 Cp与输出功率之间关系，我们可以知道在风速固定时，不同的转速即对应不同的叶尖转速比，也即对应不同的 Cp值，也速下输出功率与转速的关

4、系，如下图所示：页脚图 2 风轮转速与输出功率及风速曲线图486，功率也比较难做大。H一般超过 500W 的垂直轴风机，都采用 H 型翼片或型翼片。图 3 H 型垂直轴风机图 4 型垂直轴页脚翼片选型力机的重要部件。翼片的设计目标主要有：良好的空气动力外形；可靠地结构强度；合理的翼片刚度；良好的结构动力学特性和启动稳定性；耐腐蚀、方便维修；满足以上目标前提下，尽可能减轻翼片重量，降低成本。NACANRELRISFFA-WNACA 翼型是美国国家宇航局的前身国家航空咨询委员会翼型系列，具有低阻力系数的特点，适合低速运行。翼片实度（风轮扫掠面积之比称为实度比（容积比），是风力机的一个参考数据。垂直

5、轴风力机的翼片实度计算公式为： NCL / 2RL NC / 2R列要求：升力系数斜度大；阻力系数小；阻力系数与零升角对称。NACA0012对称翼型。NACA0012c（1.00）；x（x/c）；yx页脚翼面与弦的距离（单位是 y/c）。图 5 NACA0012 翼型参数实度比选择在 0.50.6 围较好。为此可以得出风轮翼片的弦长：C 2R2*1*0.6 0.4mN30.4m，数据只需将表中各数字适当缩放即可翼片形状及材料材料填充,剖面形式如图所示。图 6 翼片剖面入聚氨酯直接发泡填充成型。由此，风力机的基本参数可以确定，如表所示。表 风力机参数额定风速平均效率叶尖速比设计功率页脚10m/s

6、40%61000W电气设备及传动设计硅整流交流发电机硅整流交流发电机的结构硅整流交流发电机由一台三相同步交流发电机和 风扇叶轮等组成。图 7 硅整流交流发电机转子用来在发电机工作时建立磁场。它由压装在转子轴上的两块爪形磁极、两块磁极之间的励磁绕组和压装在转子轴上的两个滑环组成。两个滑环彼此绝缘并与轴绝缘。励磁绕组的两端分别焊接在两个滑环上。63页脚机的负极，其引线为负极，称为负极二极管。流器总成也安装在驱动端盖上，以有利于检修。在工作过程中，发电机转速是不断变化的，要使发电机端电压保持不变，可电气系统电路设计如图所示，励磁调节器由电压继电器V1、电流继电器I1、逆流继电器I2V1、I1I2R2

7、图 8 发电机励磁图页脚（即励磁磁通来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机端电压的影响。V1V1V1R2，励磁电流及磁通随之减小，发V1图 9 发电机端电压与发电机转速的关系风力发电机组运行时，当用户投入的负载过多时，可能出现负载电流过大超I1I1I1I1R2发电机负载电流与发电机转速的关系如图所示。图 10 发电机负载电流与发电机转速的关系页脚为了防止无风或风速太低时，储能电池组向发电机励磁绕组送电，及储能电I2。发电机正常工作时，逆流继电器的电压线圈及电流线圈流过的电流产生的吸力是动合触点 I2 而电压线圈流过的电流由于发电机电压下降也减小了，由其产生的磁场也减弱 了，故由电压线圈

8、及电流线圈电流所产生的总磁场的吸力减弱，是的动合触点 I2（可采用电子开关进行传动系统结构设计及计算传动轴的设计径：p3p3n3 14d 3 14A5-1-19dr/min；PkW； 为空心轴的径 d1d，=d/d。1按照主轴扭转刚度计算直径：p4p4n3 14d 3 14页脚B5-1-20选取。行本轴-承及其连接表 5-1-22。校核主轴安全系数。图 11 主轴示意图主轴最大转矩为最大风速下承受转矩：2T R3 mp2只考虑扭拒作用时的安全系数为KSK1 am为对称循环应力下的材料扭转疲劳极限，Mpa，见机械设计手册单-1行本轴-承及其连接表5-1-1 1 115 ；K为扭转时的有效应力集中

9、系数机械设计手册单行本轴-承及其连接表5-1-30表5-1-32，K 1.8 为表面质量系数，一般用机械设计手册单行本-承及其连接表5-1-36；轴表5-1-385-1-355-1-37 0.44为扭转时的尺寸影响系数，见机械5-1-34 0.89 为扭转应力的应am力幅和平均应力， Mpa 见机械设计手册单行本轴-承及其连接表 5-1-25，Tma2Zp60.3 2 6.1为材料扭转的平均盈利折算系数，见机械设计手册单行本轴-承及其连接表 5-1-33， 0.21 。代入上式，可求得安全系页脚数S5.5，然后根据钢材的材质标号，查表看安全系数是否满足，不满足就再增加主轴直径。轴承的计算及选型

10、个角接触球轴承。1角接触球轴承 1 的安装位置如图所示。角接触 球轴承图 12 轴承 1 的安装位置d=30mm,T=4.3Nm6-2-82可选择角接触球轴承。轴向载荷：Fmmng ?kg10N /kg ?Na为：P 0.5 v2 0.51.25102 62.5Pa作用在叶片上的总力为Fr PS 62.540.6 150N6-2-12100000承当量动载荷的计算公式为P XFrYFa式中 X、Y 分别为径向动载荷系数及轴向动载荷系数。可通过查机械设计页脚手册表 283-2得到，然后计算载荷 P。轴承基本额定动载荷按如下公式计算：C fh ffnm fd fTC fn 为速度因数，按机械设计手册6-2-9fm 为力矩载荷因数，力矩载荷较小时取 1.5，较2，fd 为冲击载荷因数，按机械设计手册单行本-轴承表6-2-10fT 6-2-11选取1；fh 6-2-80.405；P 为CCr比较，小于 Cr即可。2角接触球轴承 2 的安装位置如图所示。轴承图 13 轴承 2 安装位置6-2-821公式对轴承进行校核。由机械设计基础（第五版）公式 16-3计算轴承寿命：60n TL 1060n ThdC PP式中： fT为温度因数，按机械设计手册单行本-轴承表