风力发电机毕业设计

冶:人季天目学院TIANMUCOLLEGEOFZHEJIANGA&FUNIVERSITY本科生毕业设计（论文）（2011届）工程技术系题目：林内小型风力发电机风叶的设计学生姓名：周杰学号：200708310313专业班级:机械设计制造及其自动化071班指导教师：职称：职称：林内小型风力发电机风叶的设计机械设计制造及其自动化071班周杰指导老师徐云杰摘要：能源是人类社会发展进步的动力和保障，也是社会和经济发展的基础。随着全球经济的高速发展，煤炭、石油、天然气等常规能源快速、大量的消耗，让人类不但面对资源日趋枯竭的压力，而且受到环境不断恶劣的威险［1］。能源和环保已成为人类生存和发展所需解决的紧迫问题。因此，改善能源结构、利用可再生能源、减轻环境污染、提高人民生活质量，已成为全球能源工业关注的一个热点［2］。风能是一种情结的可再生能源，储量丰富、取之不尽、用之不竭。目前在风力发电机组的主要技术上，我国尚处于较低的水平，尤其是对于垂直轴风力发电机而言，由于缺乏足够的工程可供借鉴，也没有成熟的规范可供参考，其设计仍然停留在传统的结构形式。本文分别对升力型叶片和阻力型叶片进一步的分析，通过组合创新结合两者的优点，设计出适合在林内使用的小型垂直轴风力发电机，有效利用自然资源，为人类创造更大财富。关键词：垂直型风力发电机，风叶Abstract:Windisrenewableandcleanenergy,sowindpowergenerationisanimportantmeanstoeaseenergyshortagesandenvironmentalpressures.Atpresent,aboutthemaindesigntechnologyofwindturbine,Chinaisstillatarelativelylowlevel,especiallyforverticalaxiswindturbine.Sincethereisnoadequateengineeringpracticetodrawonandnomaturestandardforreference,itsdesignisstillstuckinthetraditionalstructure.Keyboard:目录绪论错误!未定义书签。1.1风力发电机发展的历史背景错误!未定义书签。1.2国内外研究现状和发展方向错误!未定义书签。1.3产品特点及应用范围错误!未定义书签。1.4课题的研究内容及目的错误!未定义书签。2设计方案拟定错误!未定义书签。2.1设计的思路和目的112.2总体方案的构思和拟定错误!未定义书签。2.3下料机构系统方案的拟定错误!未定义书签。大倾角皮带输送机下料机构的设计133.1输送机的工作机理错误!未定义书签。3.2改向压轮错误!未定义书签。3.3托辊错误!未定义书签。3.4机架的结构设计错误!未定义书签。3.4.1机头架错误!未定义书签。3.4.2中间架错误!未定义书签。3.5清扫装置的设计错误!未定义书签。3.6头部漏斗设计错误!未定义书签。4关键部位零件的计算错误!未定义书签。

4.1电动滚筒的选择4.1电动滚筒的选择4.2轴的选择计算错误!未定义书签。错误!未定义书签。5设计总结错误!未定义书签。致谢错误!未定义书签。参考文献错误!未定义书签。附录错误!未定义书签。AUTO-CAD绘图工程图错误!未定义书签。1绪论1.1风力发电机发展的历史背景：面对日益严峻的能源形势一化石燃料日益枯竭、不可再生资源的持续无节制消耗、环境污染的加剧，节能环保已成为当今世界最重要且永恒的主题。大力发展清洁能源（可再生能源）是人类社会文明进步的表现和保护环境的需要。风能等可再生能源的开发已经越发引起了世界各国的重视，风能发电在各种可再生能源利用技术中也比较成熟。风能利用，已有数千年的历史。最早的利用方式是“风帆行舟”。埃及尼罗河上的风帆船、中国的木帆船，都有两三千年的历史记载。唐代有“乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海”诗句，可见那时风帆船已广泛用于江河航运。最辉煌的风帆时代是中国的明代，14世纪初叶中国航海家郑和七下西洋，庞大的风帆船队功不可没。在蒸汽机应用之前，风力发电机组械一直是动力机械的重要组成部分。之后随着煤炭、石油、天然气等能源的大规模开发利用，风力发电机组械由于成本高、效率低、使用不便等缺点被淘汰。第一个现代型的风力发电装置于1890年在丹麦建成。1973年石油危机爆发以后，世界上许多发达国家和发展中国家开始寻求化石能源的替代能源，投入了大量经费研制风力发电机组，风能的开发利用又重新被重视起来，风能的开发利用进入了一个崭新的时代［2、3］。世界上风能储备丰富。尽管到达地球的太阳能仅有2%转化为风能，但其总量十分可观。全球可实际利用的风能约2X107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大十倍，而且我国幅员辽阔，海岸线长，风力资源丰富，居世界第三位，据有关专家测算，我国风力理论可开发总量为32.26亿KW，实际可供开发量为2.53亿KW，居世界首位［4］。中国风能资源丰富，可开发利用的风能资源总量约为2.53亿千瓦。国内最著名的风电场，是新疆乌鲁木齐附近的达坂城风电场，总装机容量1.68万千瓦。世纪之交，中国制定了风力发电的长远发展计划，提出2000年风电装机40兆瓦以上的目标，为21世纪大规模开发风电打下了良好的基础。风能是一种洁净的可再生能源，开发风电，不会产生辐射或环境污染，不会引起温室效应，不会像日本地震福岛发生核泄漏一样对人类产生危险，这个世界各国努力开发风电的主要原因。1.2国外研究现状和发展方向早在两千年前，人类就开始利用风能做功，发明了风帆、风磨和风车。历史上风能利用的胜衰同能源供应状况紧密相依。欧洲工业初兴时期，风力机在工农业动力中占相当大的比例。19世纪丹麦用于工业的风力机占当时工业总动力的25%；用于农业的风力机是工业的两倍［3］。第二次世界大战后，工农业生产复苏，能源短缺，欧美各国对风能的利用又有了较大发展，出现了百千瓦级和兆瓦级大型风力发电机。但是，由于技术不成熟，使用寿命都不长。后来，由于机电动力在工农业中的广泛应用，以及在20世纪50年代中东油田的大量开发，使风能的发展基本上停顿下来。20世纪70年代初期出现了“能源危机”，寻求洁净的可再生能源又成了一些的战略措施，风能再次受到重视。一些经济发达的国家，如美国、德国、英国、丹麦、瑞典、日本等在70年代末期，先后制定了风能发展规划，每年有大量投资用于风能开发，并采用相应的鼓励政策，从而促进了风能产业的发展。近年来，风力发电在世界能元年总量中所占的比例逐渐提高。国际风电将界长期致力于提高风力发电机系统安全性、可靠性、发电效率和开发更大型风力发电机及超大型近海专用风力发电机、采用新型机组结构和控制方式及材料、改善风电场选址和设计技术，以不断降低风力发电成本和扩大可经济利用风能资源量。特别是由于现代科学技术的发展，使风能技术也有了心的进步，大型风力发电机已列为机械产品一个重要项目。目前，兆瓦级大型风力发电机已完全商品化。另外，风电场的建设已列为电力工业发展的一项重要任务。根据全球风能理事会（GWEC）公布的统计数据[6],截至2008年底，世界装机容量已达120791MW，2008年新增装机容量为27056MW。世界各国累计装机容量最多的前五位国家分别是美国、德国、西班牙、中国、印度。中国由2007年的第5位上升为第4位（如图1、图2）。闺1总蔻机容屋莉十位国家^2瞒年全味总泰机容重1.3国内研究现状和发展方向近年来，新兴市场的风力发电机市场发展迅速。在国家政策支持和能源供应紧张的背景下，中国的风电特别是风电设备制造业也迅速崛起，已经成为全球风电最为活跃的场所。风力发电机市场分析研究报告提到，中国巨大的风力发电机市场以及廉价的劳动力成本，吸引了大量国外风电巨头纷纷在中国设厂，或采取与国内企业合资的方式，生产的产品都被贴上了中国制造的标签。中国制造的风电设备产品占据越来越大的市场份额，风机产品正在经历一个由全球制造向中国制造的转变。研究报告指出，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机，而这是不正确的。目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。在内地，小的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台200W风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获得500W甚至1000W乃至更大的功率出。市场调查分析可知，使用风力发电机，就是源源不断地把风能变成我们家庭使用的标准市电，其节约的程度是明显的，一个家庭一年的用电只需20元电瓶液的代价。而现在的风力发电机比几年前的性能有很大改进，以前只是在少数边远地区使用，风力发电机接一个15W的灯泡直接用电，一明一暗并会经常损坏灯泡。而现在由于技术进步，采用先进的充电器、逆变器，风力发电成为有一定科技含量的小系统，并能在一定条件下代替正常的市电。山区可以借此系统做一个常年不花钱的路灯;高速公路可用它做夜晚的路标灯;山区的孩子可以在日光灯下晚自习;城市小高层楼顶也可用风力电机，这不但节约而且是真正绿色电源。家庭用风力发电机，不但可以防止停电，而且还能增加生活情趣。在旅游景区、边防、学校、部队乃至落后的山区，风力发电机正在成为人们的采购热点。1.3产品特点及应用范围我们准备选择垂直轴风机作为该设计的核心，其优点是在风向改变的时候无需对风。这不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力，而且传动机构和控制机构等装置在地面或低空，便于维修。水平轴风机机仓放置在高高的塔顶，而且是一个可旋转360度的活动联接机构，自身重达十几吨或几十吨，叶片上随机风荷载达几十吨，重心高、结构不稳定。垂直轴风力发电机的齿轮箱在底部，重心低、噪音小、运行稳定、寿命长、抗台风能力较强、发电曲线饱满（启动风速低、在中低风速运行时发电量较大）；另一方面就是其外观精美，可做成多型式的外形，体积轻巧、外观独特精美，适应各地使用；应用范围：由于垂直轴风机的特性，因此风力发电机的应用方式、应用领域发生了改变。水平轴风机由于噪声、对风向等问题，风机要么用于风电场，要么用于边远地区解决无电问题，这些应用场合都远离城市中心区域,但垂直轴风机将扩展新的应用领域。比如，除了风电场应用以外，还可以充分利用大型建筑物的集风作用和大型建筑物顶层的空间、高度建造风电大楼和零能耗大楼。在这方面上海由于拥有H型垂直轴风机技术这一得天独厚的优势，应该有条件和能力走在前列，其次，城市公共照明和高速公路亦可以通过风/光互补方式大量应用风力发电机。另外,具有风资源条件的企事业单位也可以大量应用日型垂直风机,比如靠海边的海水淡化装置、油田采油机和海上钻井平台等1.4课题的研究内容及目的本课题的主要研究内容包括：1）总体设计方案、设计思路的提出和论证；2）设计方案的比较和确定；3）详细设计方案的提出及设计；4）具体结构的确定，零部件的尺寸设计、校核计算；5）工程图纸的绘制；6）设计总结及展望。课题研究的目的：随着国民经济的持续发展，能源危机的阴影正日益困扰着人类的生产和生活，因此人们开始把目光风能这个取之不尽、用之不竭的清洁能源，若风力发电机跟森林中的监测传感器配合，则能有效利用自然资源，实现可持续发展。2设计方案拟定2.1设计的思路和目的在研究林内小型风机发电机工作原理和工作特性的基础上，针对小型发电机现有风页部分结构复杂，难以维修，效率低、制造安装困难等的问题，提出较为完整的解决方案，为林内传感器及测量装置提供所需电能提供一种有效的方法，为林内信号发射及检修提供基础，并完成相关工程图纸的绘制。2.2总体方案的构思和拟定图2.7Darrieus中型风轮典型结构2.3风叶参数的拟定额定功率pn，由于检测系统属于电子元件，其消耗的电能极其有限，又考虑到在原始森林或大面积森林中，研究人员可能需要短时间的驻扎以对林区进行研究和采样，因此我们拟采用50W的风力发电机，在保证检测系统供电的前提下，又能为研究人员提供短期的电力，以保证正常的工作。N额定转速nN:由于电机的额定转速是600r/min，减速箱的传动比是4:1，则风叶主轴的额定转速设为150r/min。

参数单位参考值功率(Power)W30-70翼型(Airfoilperformance)-NACA18风轮密实比(RotorSolidity)%15风轮直径(RotorDiameter)mm200风轮中心高度(RotorDiameter)mm150高径比(H/D)-1.5控制模式(OperatingRange)-变速控制叶片支撑类型(Struts)-Minirigid结构可靠度(Reliability)%0.999主轴直径(TowerDiameter)mm20主轴壁厚(Towerwallthickness)mm23风力机的叶片的设计叶片是风力机吸收风能的重要元件，叶片的形状设计，叶片变形及叶片的动力学参数性质一直受到人们的关注。本论文主要针对小型发电机现有风页部分结构复杂，难以维修，效率低、制造安装困难等的问题，提出较为完整的解决方案，为林内传感器及测量装置提供所需电能提供一种有效的方法，为林内信号发射及检修提供基础。2建立达里厄风轮的气动模型从上述可知，要对风轮气动性能进行分析，必须了解风轮处的流场，才能进而分析产生的气动力、转矩和功率。为此一定要建立达里厄风轮的气动模型，可采用旋涡理论和动量理论两种方法。2.1旋涡理论“旋涡理论”是本世纪七十年代末、八十年代初发展起来的。和水平轴风轮一样，先建立达里厄竖轴风轮的尾涡系统，然后用比奥-沙伐（Biot-Savat）定理计算尾涡系产生的诱导速度。将诱导速度叠加到来流风速上，便建立了风轮附近各处的速度流场。假设一个具有细长升力叶片的竖轴风轮，其叶片并不绕轴作圆形路线运动，而是被约束着沿一个正方形路线以恒定速度运动，叶片相对于路线攻角为零，当一个叶片在背风测向向前运动时，根据凯尔文定理，为保持环量守恒，它要脱出一个启动涡和一对尾涡。当叶片运动到前部时，假设升力为零，而脱出附着涡。继续到迎风侧部，情况相似。当尖速比和叶片数目增加时，尾涡的流向涡向涡量分量消失，形成环状涡系。当叶片绕着一固定转轴旋转时，其攻角连续变化，即绕叶片的环量不变化，所以涡量要连续到脱落至风轮的尾流中。对于D叶轮尾流旋涡系统的研究，最成功的事1979年Strickland等人的理论。它是三维的旋涡模型，除考虑环量随时间变化引起旋涡脱落到尾流中外，还考虑环量随展向变产（即叶尖损失）所引起的旋涡脱落。用涡流模拟叶片，沿展向分段，每段且有均匀环量，用线涡丝格网模拟尾流，包括每一叶片脱落的涡面。先假设未产生尾流，风轮以确定的速度转动，当转过某一等角度后，尾流状态改变，从而确定了每一叶素上的诱导速度，并由翼型数据的升力系数求出叶片环量。然后再旋转一个等角度，重复以上过程，直到大量旋转后，使得叶片上的诱导速度在相邻两圈中不变为止，既可以为计算过程收敛了。由于达里厄风轮的旋涡系统很复杂，这里只对其思路简要介绍。2.2动量定理“单流管方法”是最简单的动量理论，它假设风轮被包含在一个流管中，当流管通过风轮时，风轮上风速处处相等，即风轮扫掠的整个体积上，诱导速度均匀不变，根据动量定理，风轮上的阻力等于通过风轮气流的动量变化率，然而将流管中风轮处风速表示为未扰动风速的函数。在估算小载荷叶片的总体性能时，运用单流管方法效果较佳，但如果要计及通过风轮的风速变化以及来流剪切的影响时，就不行了。为此需采用“多流管方法”，它是将通过风轮的流动分成无数的平行管（从上游到下游），每个流管看成一个单流管，即每一流管中诱导速度不变（见图2-17），而整个风轮上诱导速度的分布，与来流方向垂直的两个空间坐标成函数关系。它比较真实的反映了叶片上气动力的分布，还考虑了来流剪切的影响，对估算总体性能效果较好。这种“多流管方法”是1975年到1976年，由Wilson-Lissaman等人提出的。

图2-17多流管分析示意图1980年由Read和Sharper等人研究提出，进一步考虑了多流管通过风轮时出现的扩张现象，即不仅考虑了诱导速度在横流方向的变化，还考虑了顺流方向的变化。在总体性能估算上虽然改进不多，但却精确估算了叶片各处的诱导速度，这样可以详细了解叶片受力变化。以下用多流管理论对达里厄竖轴风轮气动性能进行计算，称之为线性理论。2.3线性理论为简化分析，故作线性假设，亦即将叶片翼型的升力系数视为简单的平板特性。现将分析所作假设列于下：叶片无安装角，B=0无粘性流，CD=0线性气动力Cl=0小实度，大展弦比，C<<R风轮为圆柱形直叶片(叶素法线与旋转平面夹角Y=0)，见图2-18(b)(a)(b)图2-18直叶片风轮线性分析示意图取一叶素，单位高度dz=1，由库塔一可夫斯基升力定理从升力系数定义可知，叶素产生的升力，二,1、一一dF=p・W•「=(—p•w2)C•C(2-8)2L一C…一则环量r=—W•C^(2-9)由假设CL=2兀sina贝g「=兀•C•W•sina•K(2-10)由图2-18(b)知W=-V•sin0/-(V—V•cosO)j(2-11)W•sina=V•sin0(2-12)r=KCVsinOk(2-13)由式(2-11)和(2-13)写出库塔一儒可夫斯基定理的矢量形式dF=p•k•C[-VVt(a)(b)图2-18直叶片风轮线性分析示意图取一叶素，单位高度dz=1，由库塔一可夫斯基升力定理从升力系数定义可知，叶素产生的升力，二,1、一一dF=p・W•「=(—p•w2)C•C(2-8)上式中的Va与Vt和水平轴风轮分析一样匕二匕(1-a)(2-15)匕=RQ(2-16)AV=-2aV(2-17)3用动量定理对流向力(d「=dF•j)分析，导出诱导因子a。由图2-15，流管宽dx，叶素从角度位置0转到0+d0

(2-18)dx=7?<iO|sinO|这种运动每周重复一次，即周期为2ji/Q,在2Ji/Q时间内，叶素在流管前位置时间2。/Q,后位置时间也是戏/Q,从式(2-14)可看出角对于流向力(即j分量)作用相等。(2-18)时间内，由(2-14)得叶片受流向力为=-2^^CRVV时间内，由(2-14)得叶片受流向力为=-2^^CRVVsiuO理叶片tClO将式(2-1公16)、弋入上式F•/=-2^p•CRQ.V(1-a).sin20叶片Q(2-19)得:(2-20)根据动量定理，并将AV=~2aV^和办=化旧将11。|代入后得到流管中力为F=p•(dx•1•VV•—叶片。Q=p•7?•<70|sin0|G-«V-2Va—(2—21)COCOQ因式(2-20)和(2-21)相等，得到单个叶片的诱导因子CRQ.危a-——•sm9(2-22)2RV对于B个叶片a=IsinOl=crXIsinOI(2—23)2Roo1R.Q上式中，尖速比人。VBC实度©="2R上面我们已经求出了诱导速度，下面将通过对转矩的计算，求出风轮的风能利用系数。由式(2-14)看出，在2丸(Q)时间内流管中B个叶片的Fx和Fy对转矩贡献及其合转矩分别为dQ--dF•7?•sin0Fxx=p7iC2sin0+VVsin0cos0Lsin0'艘dQ=+dFy•AdQ=+dFy•A•sin0Fy=-p•KctVsin20at2^9Vsin20at•cos-QdQ=dQ+dQ=2叩52sin0的FxFyOa

2・p•兀•C•2・p•兀•C•R•V2、^Q一°•人|sin9|2•sin92•dJ另外考虑到前后位置的相互干扰，B个叶片的时间平均转矩可按下式计算=p•兀•B•C•R•V2—-一eX+—。2人2则对应的风能利用系数为Q。c.(18.==2•兀・。■•人2—§—ek2PV^R^用微分求极值方法得出，当ek0=amax=0.401时，最大风能利用系数为0.554用微分求极值方法得出，当ek0=amax=0.401时，最大风能利用系数为0.554,由图2-16知，最大攻角大约在9=y时出现tana=-X2亚=匕=1—eV+Vcos9V孔假如是平板翼型最大攻角amax=14°，则起动尖速比为"起动~1+4e由上式可得设计的翼型剖面弦长5mm，半径100mm的三叶片达里厄风轮的启动尖速比在3左右。在实际使用中，必须考虑阻力的影响。即要将原先的无粘流假设改为阻力系数CD：由于该种风轮不能再低尖速比下工作，所以假设相对风速W^Vt=RQ来近似估算阻力损失，那末阻力力矩为(1一\一如一CD-P•R2・。2B•C•R如一CDk2J它对风能利用系数的增量为=—Cek3ACp=—Cek3于是，考虑阻力的风能利用系数为CpFCpF。-13--016e2k2+e3k3竺——对于直叶片要承受很大的弯曲载荷。对于直叶片要承受很大的弯曲载荷。（希腊文转绳的意思）形状。采用这种D叶轮惯性载荷大，故一般要求在高转下工作。大都数中型弯叶片采用“转绳形”即“troposkien”形状的中型叶片，弯曲应力可减小到最小，当然，由于叶片靠近转轴，减小了当地旋转线速度和有用的升力分量，因而使效率有所损失。在实际风力机设计时，还经常用悬链线，正弦曲线或抛物线来近似转绳线，有的大型风力机还采用分段叶片，即中部采用圆弧形，与转轴连结的两端用直叶片过渡。国外有人称这种甲型弯叶片达里厄风力机为“捣蛋机”形容达里厄风力机，十分形象。对弯叶片风轮的分析与直叶片风轮相同，只是在假设中去除圆柱形直叶片（叶素法线与旋转平面夹角Y=0）这一条，而作一些修改，由于叶素法线偏转Y角，所以W在叶素法线上的分量变为Vsin0cosy或者说实际影响叶片受力的相对速度W大小应为W2=(yO+Vcos。)2+V2sin20cos2y叶片攻角为tVsin0cosyyO+Vcos0前式（2-23）为单位高度风轮的诱导因子a=b.人cos"sin0|它和旋转半径Y无关，因为%=号"H仿照式（2-27），式（2-28），可得到沿转轴微段dz风轮产生转矩为dQ=dQ=p•兀•B•C•y•V2cosydz-(18.3.、2—3~成cosy+-b2X2cos2y对应的风能利用系数增量为dC_dQOKFE0•y•cosy———bkcosy+—g2X2cos2y123兀o8o)上式中，A是整个风轮的扫掠面积，y是高度z函数Y=Y（z）上述分析是以假设翼型具有线性气动力这个条件，即C1=2nsina。表示环量「与垂直于叶片的相对风分量呈现线性关系。而阻力影响可参照式（2-31）的方法包括进去。通过式（2-28’），可以对任何形状的达里厄风轮进行积分，而叶片可以认为是塔的特殊情况，最简单的事圆形叶片，经计算可得到bk0=amax=°-461时，最大风能利用系数为0.5363.1风轮的设计风轮是风力发电机重要的组成部分之一，风电转换过程首先从风轮开始，风轮性能直接影响风力发电机的性能。国际上风力发电机运行实践表明，风轮是最容易出现故障的部位。因此，在设计和制造风力发电机时，都把风轮的设计和制造放在优先的位置，给予重视［38］。风轮的设计包括：确定风轮的直径D，叶片数B，各个叶片剖面的弦长C和扭转角B，以及选取叶片剖面的翼型，以保证风轮有效高的功率系数。3.11风轮设计的初始参数发电机额定功率：P=50W；发电机额定转速：n=600r/min发电机效率：n=0.8空气密度：P=1.225kg/m3风能利用系数