小型风力发电机组动力结构设计概要

哈尔滨理工大学专科生毕业设计小型风力发电机组动力结构设计摘要当前，全球都面临着能源枯竭、环境恶化、气温升高等问题，日益增长的能源需求、能源安全问题受到世界各国广泛关注。风能是一种可再生能源，它资源丰富，是一种永久性的本地资源，可为人类提供长期稳定的能源供应；她安全、清洁，没有燃料风险，更不会在使用中破坏环境。为此，世界各国都在加快风力发电技术的研究，以缓解越来越重的能源与环境压力，中国也不例外。本文对小型风力发电机动力结构的设计主要研究如下：(1)进行小型风力发电机的总体功能需求分析，进行整体方案设计，力求实现机与电的结合。(2)进行机器的机械装配图设计，功能完备后，然后进行机械零件的详尽设计。(3)根据风力发电机叶片设计理论及实际风能情况，设计出合适的风力发电机叶片，并利用CAD软件建立叶片的模型。关键词：小型风力发电机；叶片；变向器哈尔滨理工大学专科生毕业论文目录摘要 ………….ⅠTOC\o"1-3"\h\u第1章绪论 11.1课题背景 11.2国内外风力发电的发展现状及其趋势 21.3小型垂直轴风力发电机发展概况 31.4本课题的研究内容 4第2章垂直风力发电机组部分零部件的设计 62.1风力机的基本原理 62.2小型风力发电机部分零部件的设计 82.2.1叶片 82.2.2轴毂 112.2.3架子 112.2.4支撑架 122.2.5风力机设计中标准零部件的选型 122.2.6变向器 132.3本章小结 14第3章垂直轴风力发电机正常工作的条件 153.1小型风力发电机安装地点选择 153.2垂直轴风力发电机制动器的设计 153.3蓄电池和选型 153.3.1蓄电池的种类及工作基本原理 153.3.2蓄电池选型 163.4本章小结 16结论 17参考文献 18致谢 19绪论课题背景随着环保的呼声日益高涨和不可再生能源的过度消耗，风能、生物能等多种可再生资源被日益重视。风力发电是目前利用风能的重要形式，在多种可再生能源利用技术中比较成熟。风力发电有其自身独特的优越性，越来越多的国家和地区都投入到风力发电的研究和风电产业的建设中来。主要体现在以下六个方面：(1)风能储量丰富。据世界气象组织统计分析表明，地球上近地层的风能总量约为13000亿千瓦。如有1%被有效利用，就可满足人类对能源的要求。(2)风能是一种洁净的可再生自然能源。不存在燃煤、燃油的环境污染问题，不会引起温室效应，不存在核电放射性废料对人类的威胁。(3)风力发电场装机规模灵活，建设周期短。既可单台安装，又可多台安装，互不干扰；建设一般规模的风力发电场，从基础建设、安装到投产，只需半年至一年时间，而火电、油电、核电约需3~10年的时吲[1]。(4)风力发电的经济性日益提高。和火电相比，不存在建厂房、运输、除灰等问题；和水电相比，不存在筑坝、淹地、移民等问题。发电后除折旧费和维护费外，不消耗燃料，无三废处理问题。其成本接近火电，低于油电、核电，从综合经济效益看，具有较强的竞争力。(5)风力发电在新能源发电中技术最为成熟。商品化机组单机容量达2000千瓦，故障率己下降至5%以内[2]，是一种安全、可靠的能源利用形式。预计在本世纪，兆瓦级风力发电机将占主导地位。(6)风力发电机分散安装，占地面积少。监控系统与塔架合为一体，加上上海大学硕士学位论文箱式变压器其建筑面积约为风电场总面积的1%[3]，其余广大土地仍可供农、林、牧使用。我国有丰富的风能资源，仅次于俄罗斯和美国，居世界第三位，其中西部地区的风能资源占全国的50%以上。在陆上，离地面10米高度层的风能资源可开发量为2.53亿千瓦；近海区域，离海面10米高度层的风能储量约为7.5亿千瓦[4]。从宏观上看，我国具备大规模发展风力发电的自然条件。到2004年底，我国风力发电累计装机总容量达到76.4万千瓦，而到2006年底累计装机总容量达到260.4万千瓦。2004年至2006年每年新增装机容量增速均超过100%。国家发改委规划2010年并网风电装机将达到400万千瓦，2020年达到3000万千瓦[5]图1-1。图1-1我国风力发电机的容量可见我国风力发电作为电力行业一个新的方面军，是具有很大潜力和很强的生命力的，必将成为未来能源结构中一个举足轻重的重要组成部分。特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期电网还难以到达的农村、边疆，作为解决生长和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。国内外风力发电的发展现状及其趋势随着能源紧缺及化石燃料对环境污染日趋严重，开发新型能源成为各国经济发展的关键，目前可再生能源有太阳能、风能、地热能等。风能发电是目前为止技术最为成熟，历史最为悠久的发电方式，是具有大规模发展潜力的可再生能源，有可能成为重要的替代能源。自13世纪起，水平轴风车产业就成为了农村经济结构的主要部分，而利用风力发电的历史可以追溯到19世纪晚期，美国的Brush研制了第一台12kW的直流风力机。Golding(1955)、Shepherd和Dionne(1994)记录了早期的风力机发展史。1931年，苏联制造了一台100KW、直径30m的Balaclava(巴拉克拉法帽)风力机；19世纪50年代早期，英国制造了一台100KW、直径24m的AndreaEnfield(安德鲁-恩菲)风力机。1956年，丹麦建造了一台200KW、直径24m的Geyser(盖瑟)风力机，1963年法国电力工业试验了一台功率1.1MW、直径35m的风力机。在德国，Hutch(胡特)于19世纪50年代和60年代建立了一些新型的风力机。由于石油价格突然上涨，美国开始建造一系列示范风力机组，如1975年的功率100KW、直径38m的Mod-0风力发电机组和1987年的功率2.5MW、直径97.5m的Mod-5B风力发电机组。目前世界上最大的风力发电机是德国制造的E-126，高达120m，风轮直径126m，每个叶片长达61.4m，每片重18t，装机功率达到5MW[6]，如图1-2所示。图1-2Emerson的E-126型风力发电机我国风能资源丰富，根据第三次风能普查结果，我国技术可开发的陆地面积约为24×104km2。考虑到风电场中风力发电机组的实际布置能力，按照5MW/km2计算，陆上技术可开发量为120×104MW。目前我国风能资源开发利用的重点区域有内蒙古自治区、辽宁省、河北省、吉林省、甘肃省、新疆维吾尔自治区、江苏省等，其中内蒙古自治区技术可开发量约为50×104MW，居全国之首[7]如图1-3所示。图1-3全年平均风能密度分布小型垂直轴风力发电机发展概况垂直轴风力机(VerticalAxisWindTurbine或VAWT)的风轮轴与风向垂直，风轮的转动与风向无关，但是由于其启动风速较高且功率不稳定，其发展并不像水平轴风力机那么迅速。随着计算科学的飞速发展，垂直轴风力机的优异空气动力性能(尤其是达里厄风力机)渐渐为世人所认识，近年来广泛受到各国研究人员的关注。国外较大的风力发电公司有加拿大的CleanfiledEnergy公司，其主导产品是一种额定功率为3.5kW的升力型叶轮风力发电机，整套系统由玻璃钢纤维和钢材组成，约重181.4kg，叶轮高3m，轮辐直径2.5m。2006年，中国垂直风力发电机实验基地在内蒙古化德县启动运行，目前50kW小样机组已投入运行开始发电，如图1-4所示。[8]2007年，西峡瑞发水电设备公司和哈尔滨发电设备研究中心联合开发设计的1.5MW垂直轴永磁风力发电机研制成功，并在张家口风电场安装运行。图1-450kW垂直轴风力机本课题的研究内容本课题研制的小型风力发电机主要定位于它可为用户的照明、彩色电视机、音响设备、洗衣机、电冰箱、组合收录机、航标灯等电器提供稳定可靠的电源。总体要求是在满足功能要求的前提下，使用简单，外型明快，可靠性强，低成本。从能量转换的角度看，风力发电机组由两大部分组成。其一是风力机，它的功能是将风能转换为机械能；其二是发电机，它的功能是将机械能转换为电能。大型风力发电机组发出的电能直接并到电网上，向电网馈电，小型风力发电机一般将风力发电机组发出的电能用储能设备储存起来，需要时再提供给负载其简要的系统图如图1-5。本课题的研究内容包括：(1)进行小型风力发电机的总体功能需求分析，进行整体方案设计，力求实现机与电的结合；(2)进行机器的机械装配图设计，功能完备后，然后进行机械零件的详尽设计；(3)根据风力发电机叶片设计理论及实际风能情况，设计出合适的风力发电机叶片，并利用CAD软件建立叶片的模型。风力机风力机发电机风储能设备（个体）负载图1-5风力发电机系统方框图垂直风力发电机组部分零部件的设计通过资料显示水平轴风力发电机的研究远远多于垂直轴风力发电机的研究，水平轴风力发电机已有大量资料可用来进行设计计算，而垂直轴风力发电机的研究却没有较大进展，虽然垂直轴风力发电机有很多缺点，但其优点是水平轴风力发电机所不能替代的，该技术采用空气洞力学原理，针对垂直轴旋转的风洞模拟，叶片选用了飞机翼形形状，在风轮旋转时，它不会受到因变形而改变效率等；它用垂直直线4-5个叶片组成，由4角形或5角形形状的轮毂固定、连接叶片的连杆组成的风轮，由风轮带动稀土永磁发电机发电送往控制器进行控制，输配负载所用的电能。所以在本章将介绍本课题研究的内容，垂直轴风力发电机组的部分零部件的设计。该小型垂直轴风力发电机的发电原理为：在风的吹动下，风轮转动起来，使空气动力能转变成了机械能。从而使永磁三相发电机发出三相交流电。风速的不断变化、忽大忽小，发电机发出的电流和电压也随着变化。发出的电经过控制器的整流，由交流电变成了具有一定电压的直流电，并向蓄电池进行充电。从蓄电池组输出的直流电，通过逆变器后变成了220伏的交流电，供给个体农业用户的家用电器。应用范围：体农业用户的电视机；收音机；电风扇；洗衣机。该新型垂直轴风力发电机的优点为：结构简单；易维护；运行平稳安全；抗强风能力强；操作简单；价格低廉。风力机的基本原理空气的流动就是风。风是由于地球自转及纬度温差等原因致使空气流动形成的。风能在这里指的是风的动能。关于风力机的理论有几种。如贝茨理论，萨比宁理论，葛劳渥理论，斯特法尼亚克理论，许特尔理论等。本节主要介绍贝茨理论。世界上第一个关于风力机风轮叶片接受风能的完整的理论是1919年由A·贝茨(Betz)建立的。贝获理论的建立，是假定风轮是“理想”的，全部接受风能(没有轮鼓)，叶片无限多，对空气流没有阻力。空气流是连续的，不可压缩的，叶片扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的(或称平行风轮轴线的)，这时的风轮称“理想风轮”。分析一个放置在移动的空气中的“理想风轮”叶片上所受到的力及移动空气对风轮叶片所做的功。设风轮前方的风速为v1，v是实际通过风轮的风速，v2是叶片扫掠后的风速，通过风轮叶片前风速面积s1，叶片扫掠面的风速面积s及扫掠后风速面积s2。风吹到叶片上所做的功是将风的动能转化为叶片转动的机械能，则必v2＜v1，s2＞s1。如图2-l所示。图2-1贝茨(Betz)理论计算简图于是：风作用在叶片上的力由欧拉定理求得(2-1)式中ρ--空气当时的密度。风轮所接受的功率为(2-2)经过风轮叶片的风的动能转化(2-3)式中ρ--空气质量。风作用在风轮叶片上的力F和风轮输出的功率N分别为(2-4)(2-5)风速v1是给定的，N的大小取决于v2，N是v2的函数，对N微分求最大值，得另其等于0，求解方程，得求得令16/27=0.593为CP，称为贝茨功率系数，有而正是风速为v1的风能T，故(2-6)CP=0.593说明风吹在叶片上，叶片上所能获得的最大功率为风吹过叶片扫掠面积s的风能的59.3％。贝茨理论说明，理想的风能对风轮叶片做功的最高效率是59.3％。通常风力机风轮叶片接受风能的效率达不到59.3％，一般设计时根据叶片的数量、叶片翼型、功率等情况，取0.25—0.45。小型风力发电机部分零部件的设计在贝茨(Betz)基本理论的基础上，通过实践设计小型风力发电机的部分零部件[10]。垂直轴风力发电机不受风向限制，不用调向，发电机、增速器、联轴器、离合器、制动器等可直接安装在地面上，具有结构简单，维修方便等优点，致使一些国家不遗余力地研究。下面介绍本课题中垂直轴小型风力发电机的部分零部件的设计。叶片(1)风轮功率的确定风轮输出功率的最大值(2-7)式中Ne--最大输出功率，w或；S--叶片扫掠面积，m2；v--风速，。(2)叶片扫掠面积S(2-8)还可以表达为(2-9)式中R--叶片扫掠的最大半径，mH--风轮高度之半，m。(3)风轮半径R的确定(2-10)(4)尖速比λ的确定(2-11)(5)叶片各处的尖速比(2-12)式中--距转动中心不同半径的尖速比；--叶片至转动中心不同位置的半径，m；R--叶片最大转动半径，m。(6)叶片弦长L根据加拿大涅太华的J．Templin(J·腾普林)试验结果叶片弦长可由下式给出(2-13)式中L--叶片弦长，m；K--叶片数。(7)叶片距转动中心不同位置的半径的弦长L1(2-14)式中L1--叶片距转动中心不同半径的弦长，m；ri--叶片距转动中心不同位置的半径，m；k--叶片数。(8)增速比的确定(2-15)式中--发电机额定转速，；n--风轮额定转速数，。(9)叶片设计计算本课题所设计的叶片如图2-2a)叶片左视图b)叶片的主视图所示。其总长为1000，总宽为355，最大使用风速为20由此得叶片扫掠面积S=1000×355=0.355风轮输出功率的最大值符合设计要求。图2-2a)叶片左视图图2-2b)叶片的主视图(10)叶片的材料 叶片材料采用的是铸造铝合金(ZL104)。Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，密度小，重量轻，具有良好的耐蚀性，耐热性和焊接性能，可通过热处理来强化，最后表面抛光处理。所以选铝合金材料轴毂轮毂是风力发电机中连接主轴和叶片的关键部件，承担抵抗风载、传递转矩的作用，对轮毂进行精确的强度分析尤为重要。垂直轴风力发电机的叶片一般有5叶片对称安装在轮毂上构成，两叶片的夹角为72°。下面是对风力发电机轮毂的设计根据经验和所查资料设计出垂直轴小型风力发电机的轴毂部分，如图(2-3)所示，数据如图所示。图2-3轴毂架子由于本设计中叶片和轴毂之间需要连接为了将轴毂和叶片连接起来，设计了其连接件--架子，其材料为Q235，加工方法是铸造后加工孔。设计方案和数据如图(2-4)所示。图2-4架子支撑架出于安全和稳定考虑为了支撑风力机，设计了支撑架，有效地分散了风力机的重量，承担了部分轴向力，支撑架的低端与地面接触，用地脚螺栓连接，起支撑作用。如图2-5所示。图2-5支撑架风力机设计中标准零部件的选型(1)风力机轴承的选型垂直轴小型风力发电机安装的是推力调心滚子轴承。设计时，必须合理选择轴承的润滑方式和润滑路径。加工支撑架上的油路时，往往要打若干工艺孔才行，最后用密封堵头封闭这些工艺孔，防止漏油。对于双列轴承，箱体的油孔应对准双列轴承中间的入油孔，使油液能够准确流入轴承的内部。有入油孔就必然对应有出油孔，入油孔开设在方便安装的地方。润滑方式有：油液循环润滑、脂润滑、油雾润滑、喷射润滑等。其中油脂润滑(如高级锂基脂)是目前最常用的方式。油脂封入量通常为轴承空间容积的10％，如果填得太满会加剧轴承发热。对于油液循环润滑，一般用于中等转速的主轴上，多用于后支承上，设计时注意油路布局合理，既畅通、方便，又不影响其它结构件的刚度。设计时，选择合理的密封方式。(2)风力机主轴上键的选型根据结构需求主轴与轴毂的之间通过键来传递扭矩，在这里采用的是楔键连接，其尺寸为28*16*180。(3)风力机轴毂上销的选型根据结构需求用销来固定轴毂与轴的相对位置，采用的是开尾锥销，其尺寸为16*200。变向器由于本课题所设计的垂直轴小型风力发电机的风力机随风转动后，其扭矩是竖直传递的，所以需设计一装置使其转化成水平传递的才能满足设计要求，所以设计了一变向器来改变其方向。结构如图2-6所示。图2-6变向器的主视图锥齿轮的设计变向器的作用只是将垂直的输出量转化成水平输出，无需变速，所以其锥齿轮的齿数比为1：1，在以下的计算中只列出其中一个锥齿轮的数据，另一个锥齿轮数据与其相同。其数据如下表2-1表2-1锥齿轮齿轮比u=1大端分度圆直径de1=200mm齿数Z1=Z2=30大端模数me1=de1/Z1=6.67分锥角δ1=45°外锥距Re=de1/2sinδ1=141.4齿宽b1=φRRe=42.42齿宽系数φR=b/Re=0.3平均分度圆直径dm1=de1(1-0.5φR)=170中锥距Rm=Re((1-0.5φR)=120.19平均模数Mm=me1(1-0.5φR)=5.6695切向变位系数Xt=0径向变位系数Xε=0.46（1-cosδ2/ucosδ1）=0齿顶高ha1=me（1+x1）=6-67齿根高hf1=me（1+c＊-x1）=8.004齿根角θf1=arctan(hf1/Re)=3.24°齿距角θa1=θf2=θf1顶锥角δa1=δ1+δf2=48.24°根锥角δf1=δ1-θf1=41.76°齿顶圆直径da1=de1+2ha1cosδ1=209.43冠顶距Ak1=de2/2-ha1sinaδ1=95.285大端分度圆齿厚S1=me（π/2+2x1tanα+xt1）端面当量齿数Zv1=z1/cosδ1=42.43为了防止变向器周围环境中的灰尘、水气、酸气、和其他杂质浸入轴承内，同时防止箱内润滑油外漏，在轴伸出端盖的部分，应设置密封装置。在多数情况下，应使用橡胶密封圈。本章小结本章主要对风力发电机零部件的设计及风力机设计中标准零部件的选型。(1)分析了个体农业户对对电的利用，确定了风力发电机的功率；(2)通过对风力发电机的了解，设计出了叶片；轴毂；变向器；架子以及支撑架；(3)通过对叶片的设计，确定了键的大小。垂直轴风力发电机正常工作的条件小型风力发电机安装地点选择小型风力发电机装机地点对于发电量以及安全运行是非常重要的，以下介绍供参考：风机的塔架尽可能的高，因为离地面越高，风速越大，气流更平稳。在平坦的地区，小型风力发电机机的推荐安装高度不低于8m。树木及各类建筑对气流会形成障碍，气流在这些障碍的前方与后方均会形成一个滞缓而紊乱的紊流区域，应该避免将风机装在这类区域内。塔架高度至少要比100m内的最高障碍物高出2m。垂直轴风力发电机制动器的设计一般微型和小型风力发电机不设制动器，中大型风力发电机大部分的制功器采用液压或电磁制动器，也有备用手制动器的。为了使风力发电机结构简单、重量轻，一般将联轴器与制动器设计在一起，并且置于增速器与发电机之间的高速轴部位，很少有布置在低速轴位置的，因为低速轴的制动力矩大。我国制功器已有标准并且有商品可供应。但我国制定制动器标准时没有考虑风力发电机，主要适合于通用机械、起重机械等制动用，制动器通常既大又重。风力发电机用制动器应具有重量轻、制动力矩大、经久耐用、制动可靠等特点。蓄电池和选型蓄电池的种类及工作基本原理电化学电池是一种把氧化还原反应所释放出来的能量直接转变成低电压直流电能的装置，蓄电池分为酸性电池和碱性电池两大类，酸性电池也称铅酸电池，其电解质为硫酸，负极为，正极为。铅酸蓄电池广泛应用于各个行业，电池价格便宜，为镉镍蓄电池的1/6；高倍率放电性能良好，可用于引擎启动，多用于汽车发动机的启动；电池电压在使用蓄电池中最高，可达到2.2V且易于浮充使用，没有“记忆”效应。鉴于以上优点，本次设计我们采用铅酸蓄电池来作为储能原件[11]。蓄电池选型沈阳松下蓄电池有限公司生产的LC-P12100ST型蓄电池满足我们的设计要求，基本参数如表5-1所示。表2-1蓄电池参数松下蓄电池100AH电池类型阀控密闭铅酸蓄电池使用产品UPS容量100AH电压12V其他特征407×173×210本章小结本章主要介绍风力发电机的安装地点和蓄电池的选择及发电机的工作原理。(1)确定了风力发电机的安装地点；(2)分析了蓄电池的工作原理，确定了蓄电池的型号。哈尔滨理工大学专科生毕业论文结论本文对小型风力发电机部分零部件的设计进行了研究和探讨，针对垂直轴小型风力发电机的叶片；轴毂；变向器支撑架、等重要部件的结构进行了研究。其主要内容如下：(1)分析了