機(jī)電一體化畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

1、山山 東東 英英 才才 學(xué)學(xué) 院院 畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) 題題 目目 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 專專 業(yè)業(yè) 機(jī)電一體化機(jī)電一體化 姓姓 名名 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 二 o 一 o 年一月十日 摘 要 在我們的日常生活中，風(fēng)機(jī)設(shè)備應(yīng)用廣泛，諸如鍋爐燃燒系統(tǒng)和烘干系統(tǒng)等。傳統(tǒng) 的風(fēng)機(jī)控制是全速運(yùn)轉(zhuǎn)，即不論生產(chǎn)工藝的需求大小，風(fēng)機(jī)都提供數(shù)值的風(fēng)量，而生產(chǎn) 工藝往往需要對爐膛壓力。風(fēng)速、風(fēng)量及溫度等指標(biāo)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，最常用的方法是 調(diào)節(jié)風(fēng)門或檔板開度的大小來調(diào)整受控對象，這樣就是能量從風(fēng)門、檔板的節(jié)流中損失 掉了。統(tǒng)計(jì)資料顯示，在工業(yè)生產(chǎn)中，風(fēng)機(jī)的風(fēng)門，擋板及其相關(guān)設(shè)備的節(jié)流損失以及 維

2、護(hù)，維修費(fèi)用占到生產(chǎn)的 725.這不僅造成大量的能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗，而且控制精度 也受到限制，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此有必要對風(fēng)機(jī)進(jìn)行合理的改造。 變頻調(diào)速是上世紀(jì) 80 年代初發(fā)展起來的新技術(shù)，具有易操作，免維護(hù)，控制精度高 等優(yōu)點(diǎn)。普通電動機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)后，在其拖動負(fù)載無須任何改動的情況下，就可 以按照生產(chǎn)工藝要求調(diào)整轉(zhuǎn)速。因此，風(fēng)機(jī)設(shè)備完全可以用變頻驅(qū)動方案取代風(fēng)門，擋 板控制方案，從而降低電機(jī)功耗，達(dá)到系統(tǒng)高效運(yùn)行的目的。因此，正確掌握風(fēng)機(jī)的設(shè) 計(jì)，對保證風(fēng)機(jī)的正常經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是很重要的。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)性能；風(fēng)機(jī)控制；風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)；變頻調(diào)整；變頻器等。 abstract in

3、 our daily lives, fan equipment, widely used, such as the boiler combustion system. ventilation systems and drying systems. traditional fan control is at full speed, that is, regardless of the size of the production process needs, fans provide a fixed value of air flow, while the production process

4、is often the need for furnace pressure, wind speed, air volume and temperature control and adjustment indicators, the most commonly used method is regulating damper or baffle opening to adjust the size of the controlled object, so that the energy from the throttle, the throttle on duty lost out. sta

5、tistics show that in industrial production, fan damper, baffle and its associated equipment, throttle loss and maintenance, maintenance costs, accounting for production 7 to 25. this is not only caused a great deal of energy waste and equipment wear and tear, and the control accuracy also limited di

6、rect impact on product quality and production efficiency. it is essential to the transformation of rational fans. frequency is the early 80s of last century developed a new technology, with easy to operate, maintenance-free, control and high precision. ordinary motor using frequency control technolo

7、gy, in its drag the load without any changes to the case, you can adjust the speed of the production process requirements. therefore, the fan device can use the program to replace the inverter-driven throttle, baffles control program, thereby reducing electrical power consumption, efficient operatio

8、n to achieve the purpose of the system. therefore, the correct grasp the fan design, ensuring the normal fan is very important to the economy. key words: fan performance; fan control; fan design; frequency conversion; converter and so on 目 錄 第一章 概述 .1 1.1 風(fēng)機(jī)簡述.1 1.2 風(fēng)機(jī)的分類 .1 1.3 風(fēng)機(jī)的用途 .3 1.4 風(fēng)機(jī)的主要性能

9、參數(shù) .3 1.5 風(fēng)機(jī)機(jī)械部分的組成 .4 1.6 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展及方案論證 .4 1.6.1 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展 .4 1.6.2 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的方案論證 .6 第二章 風(fēng)機(jī)的機(jī)械部分的設(shè)計(jì).8 2.1 電動機(jī)的選擇方法 .8 2.2 風(fēng)機(jī)測試傳感器的設(shè)計(jì)選用 .9 2.3 壓差測量 .9 2.4 風(fēng)機(jī)靜壓測量與傳感器 .12 2.5 風(fēng)機(jī)工作輪的設(shè)計(jì)計(jì)算與選型 .12 2.6 風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)與選型 .15 2.7 風(fēng)機(jī)進(jìn)出氣機(jī)殼的設(shè)計(jì)計(jì)算與選型 .17 2.8 風(fēng)機(jī)軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算及選型 .18 2.9 連軸器的選型與計(jì)算 .20 2.10 風(fēng)機(jī)傳動組的設(shè)計(jì)計(jì)算 .20 第三章 風(fēng)機(jī)控

10、制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .27 3.1 風(fēng)機(jī)變頻器的選擇與設(shè)計(jì) .27 3.2 總體設(shè)計(jì) .30 致 謝 .32 參考文獻(xiàn) .33 第一章 概述 1.1 風(fēng)機(jī)簡述風(fēng)機(jī)簡述 風(fēng)機(jī)已有悠久的歷史。中國在公元前許多年就已制造出簡單的木制礱谷風(fēng)車，它的 作用原理與現(xiàn)代離心風(fēng)機(jī)基本相同。1862 年，英國的 varber 發(fā)明離心風(fēng)機(jī)，其葉輪、機(jī) 殼為同心圓型，機(jī)殼用磚制，木制葉輪采用后向直葉片，效率僅為 40左右，主要用于 礦山通風(fēng)。1880 年，人們設(shè)計(jì)出用于礦井排送風(fēng)的蝸形機(jī)殼，和后向彎曲葉片的離心風(fēng) 機(jī)，結(jié)構(gòu)已比較完善了。 1892 年法國研制成橫流風(fēng)機(jī)；1898 年，愛爾蘭人設(shè)計(jì)出前向葉片的西羅柯式離心

11、風(fēng) 機(jī)，并為各國所廣泛采用；19 世紀(jì)，軸流風(fēng)機(jī)已應(yīng)用于礦井通風(fēng)和冶金工業(yè)的鼓風(fēng)，但 其壓力僅為 100300 帕，效率僅為 1525，直到二十世紀(jì) 40 年代以后才得到較快的 發(fā)展。 1935 年，德國首先采用軸流等壓風(fēng)機(jī)為鍋爐通風(fēng)和引風(fēng)；1948 年,丹麥制成運(yùn)行中動 葉可調(diào)的軸流風(fēng)機(jī)；旋軸流風(fēng)機(jī)、子午加速軸流風(fēng)機(jī)、斜流風(fēng)機(jī)和橫流風(fēng)機(jī)也都獲得了 發(fā)展。 風(fēng)機(jī)是依靠輸入的機(jī)械能，提高氣體壓力并排送氣體的機(jī)械，它是一種從動的流體 機(jī)械。 風(fēng)機(jī)廣泛用于工廠、礦井、隧道、冷卻塔、車輛、船舶和建筑物的通風(fēng)、排塵和冷 卻；鍋爐和工業(yè)爐窯的通風(fēng)和引風(fēng)；空氣調(diào)節(jié)設(shè)備和家用電器設(shè)備中的冷卻和通風(fēng)；谷 物的烘

12、干和選送；風(fēng)洞風(fēng)源和氣墊船的充氣和推進(jìn)等。 風(fēng)機(jī)的工作原理與透平壓縮機(jī)基本相同，只是由于氣體流速較低，壓力變化不大， 一般不需要考慮氣體比容的變化，即把氣體作為不可壓縮流體處理。 1.2 風(fēng)機(jī)的分類風(fēng)機(jī)的分類 1.風(fēng)機(jī)按使用材質(zhì)分類可分為多種，如鐵殼風(fēng)機(jī)（普通風(fēng)機(jī)） 、玻璃鋼風(fēng)機(jī)、塑料風(fēng) 機(jī)、鋁風(fēng)機(jī)、不銹鋼風(fēng)機(jī)等等。 2.按出口壓力（升壓）分為：通風(fēng)機(jī)（1.5 萬 pa） ，鼓風(fēng)機(jī)（1.535 萬 pa） ，壓縮 機(jī)（35 萬 pa） 。其中，通風(fēng)機(jī)多為民用，其他兩類多用于工業(yè)、礦業(yè)場合。 3.按工作原理分為：透平式（離心式、軸流式、混流式、橫流式）和容積式（如羅茨 風(fēng)機(jī)等） 。 離心式風(fēng)機(jī)（

13、氣流軸向流入旋轉(zhuǎn)葉道，在離心力作用下被拋向葉輪外緣，具有較 高的壓力系數(shù)、相對低的流量流量系數(shù)） 根據(jù)壓力高低分為高壓（150003000pa） 、中壓（30001000pa） 、低壓 （1000pa） 。 根據(jù)葉片出口安裝角不同離心風(fēng)機(jī)分為前向、徑向、后向離心風(fēng)機(jī)，其中前向風(fēng)機(jī) 又分為一般前向和前向多翼風(fēng)機(jī)兩種。 離心風(fēng)機(jī)一般由葉輪、機(jī)殼、集流器、電機(jī)和傳動件（如主軸、帶輪、軸承、三角 帶等）組成。葉輪由輪盤、葉片、輪蓋、軸盤組成。機(jī)殼由蝸板、側(cè)板和支腿組成。 柜式離心風(fēng)機(jī)屬于前向多翼風(fēng)機(jī)是前向風(fēng)機(jī)中的一種，他具有高壓力系數(shù)和大流量 系數(shù)及低噪聲特點(diǎn)，其葉片數(shù)很多（一般為 4080） ，葉片

14、很窄，前向多翼風(fēng)機(jī)特別適于 在空調(diào)系統(tǒng)中使用。 市場上一般離心風(fēng)機(jī)多由聯(lián)合設(shè)計(jì)組設(shè)計(jì)的“三化”風(fēng)機(jī)，如 4-72、4-73、5-47、5- 48、9-19、9-26 等系列產(chǎn)品。前向多翼風(fēng)機(jī)系列模板主要是國外機(jī)型為主，如科祿格（新 加坡） 、lau 牌（美國）和尼科達(dá)（意大利） ；國內(nèi)機(jī)型為 11-62 和 ydw-11/12 等系列以 及眾多上述進(jìn)口機(jī)型的仿制品。 軸流風(fēng)機(jī)（氣體軸向進(jìn)入旋轉(zhuǎn)葉道被加壓后再軸向排出，具有低壓、大流量、高 效特點(diǎn)） 。 軸流風(fēng)機(jī)按壓力高低分為高壓（5005000pa） 、低壓（500pa） 。低壓主要用于一 般場所的通風(fēng)換氣用。 軸流風(fēng)機(jī)一般由葉輪、機(jī)殼、集流器

15、和電機(jī)組成，葉輪由葉片和輪轂組成，機(jī)殼由 風(fēng)筒、機(jī)架板和支架組成。 市場品種主要有 t30、t35、t40（工排） 、cdz、sf、dz、降溫風(fēng)機(jī)（apb 系列） 等。 混流風(fēng)機(jī)（氣體以與主軸成一定角度進(jìn)入旋轉(zhuǎn)葉道，具有高壓大流量的特點(diǎn)） 混流風(fēng)機(jī)介于軸流和離心之間，其結(jié)構(gòu)與軸流相似，一般由葉輪、機(jī)殼、集流器和 電機(jī)組成。其機(jī)殼由風(fēng)筒、導(dǎo)流內(nèi)筒、導(dǎo)葉等組成。 市場上主流的混流風(fēng)機(jī)產(chǎn)品系列主要有：swf（hwf-） ，sjg（hwf-） 、hl3- 2a、 （hwf-v） 。 橫流（貫流）風(fēng)機(jī)（氣體橫貫旋轉(zhuǎn)葉道進(jìn)入再橫貫流出，出口氣流扁平，風(fēng)速高） 風(fēng)幕機(jī)（空氣幕）是橫流風(fēng)機(jī)中的代表產(chǎn)品，它可有

16、效阻隔室內(nèi)外空氣的對流，因 而風(fēng)幕機(jī)在有空調(diào)或有異味的公共場所應(yīng)用廣泛。 1.3 風(fēng)機(jī)的用途風(fēng)機(jī)的用途 風(fēng)機(jī)一般用于鍛冶爐及高壓強(qiáng)制通風(fēng)，亦可廣泛用于輸送物料、空氣及無腐蝕性、 不自然、不含粘性物質(zhì)之氣體。介質(zhì)溫度一般不超過 50（最高不超過 80） ，介質(zhì)中 塵土及硬質(zhì)顆粒物含量不大于 150mg/m3。 1.4 風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù) 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)是以測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制風(fēng)機(jī)性能曲線為主，所以正確理解風(fēng)機(jī)主要 性能參數(shù)和性能曲線尤為重要。風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)有流量、全壓、功率、轉(zhuǎn)速及效率。 (1)軸功率:原動機(jī)傳遞給風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的功率，即為輸入功率，又稱為軸功率，以 p 表 示單位

17、為 kw。 (2)效率:風(fēng)機(jī)輸入功率不可能全部傳給被輸送氣體，其中必有一部分能量損失，被輸 送的氣體實(shí)際所得到的功率比原動機(jī)傳遞至風(fēng)機(jī)軸端的功率要小，他們的比值稱為風(fēng)機(jī) 的效率，以幾表示。風(fēng)機(jī)效率越高，則氣體從風(fēng)機(jī)中得到的能量有效部分就越大，經(jīng)濟(jì) 性就越高。 (3)流量:單位時間內(nèi)風(fēng)機(jī)所輸送的流體量稱為流量。常用體積流量 q 表示，其單位為 “耐/s”或“m3/h” 。嚴(yán)格地講，風(fēng)機(jī)的流量，特指風(fēng)機(jī)進(jìn)口處容積流量。 (4)有效功率:單位時間內(nèi)通過風(fēng)機(jī)的氣體所獲得的總能量稱為有效功率，單位為 kw。 (5)全壓:單位體積的氣體在風(fēng)機(jī)內(nèi)所獲得的能量稱為全壓或風(fēng)壓，以 p 表示，單位為 pa。 (6

18、)轉(zhuǎn)速:風(fēng)機(jī)軸每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)稱為轉(zhuǎn)速，以 n 表示，單位為 r/min。風(fēng)機(jī)的各性能參數(shù) 一般都不是在試驗(yàn)臺上直接測量的，而是通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算而得到。得到風(fēng)機(jī)性 能參數(shù)后，繪制風(fēng)機(jī)的性能曲線為風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)的最終結(jié)果，風(fēng)機(jī)的性能曲線有兩種， 包括有因次性能曲線和無因次性能曲線。 (7)有因次性能曲線:將風(fēng)機(jī)在各工況下的性能參數(shù)值用曲線連接起來，繪制在直角坐 標(biāo)系中，用以表示風(fēng)機(jī)流量、功率、效率、全壓與靜壓之間的關(guān)系曲線。 (8)無因次性能曲線:為了選擇、比較和設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)，經(jīng)常采用一系列無因次參數(shù)。風(fēng)機(jī) 的無因次性能曲線是去掉各種計(jì)量單位的物理性質(zhì)而表示的風(fēng)機(jī)流量、功率、效率、全 壓與靜壓之間的

19、關(guān)系曲線。因?yàn)檫@些性能參數(shù)去除了計(jì)量單位的影響，所以對每一種型 式的風(fēng)機(jī)，僅有一組無因次性能曲線。無因次性能曲線與計(jì)量單位、幾何尺寸、轉(zhuǎn)速、 氣體密度等因素?zé)o關(guān)，所以使用起來十分方便。無因次性能曲線在風(fēng)機(jī)的選型設(shè)計(jì)計(jì)算 的應(yīng)用中尤為廣泛。 1.5 風(fēng)機(jī)機(jī)械部分的組成風(fēng)機(jī)機(jī)械部分的組成 n07.116 主要由葉輪、機(jī)殼、進(jìn)風(fēng)口、傳動組等組成。 葉輪：9-19 型風(fēng)機(jī)葉片為 12 片，19-26 型風(fēng)機(jī)葉片為 16 片。均屬前向彎曲型。葉輪 擴(kuò)壓器外緣最高圓周線速度不得超過 140m/s。葉輪成型后經(jīng)靜、動平衡校正和超速運(yùn)轉(zhuǎn) 實(shí)驗(yàn)，故運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。 機(jī)殼：用普通鋼板焊接成蝸殼形整體。 進(jìn)風(fēng)口：做成收斂

20、式流線型整體結(jié)構(gòu)，用螺栓固定于前蓋板上。 傳動組：由主軸、軸承箱、聯(lián)軸器等組成。主軸由優(yōu)質(zhì)鋼制成，軸承箱整體結(jié)構(gòu)， 采用滾動軸承，用軸承潤滑脂潤滑。 1.6 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展及方案論證風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展及方案論證 1.6.1 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展 風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)的重要組成部分，它承擔(dān)著風(fēng)機(jī)監(jiān)控、自動調(diào)節(jié)、實(shí)現(xiàn)最大 風(fēng)能捕獲以及保證良好的電網(wǎng)兼容性等重要任務(wù)，它主要由監(jiān)控系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、變槳 控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)（變頻器）幾部分組成。各部分的主要功能如下： 監(jiān)控系統(tǒng)（scada）：監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對全風(fēng)場風(fēng)機(jī)狀況的監(jiān)視與啟、停操作，它包 括大型監(jiān)控軟件及完善的通訊網(wǎng)絡(luò)。 主控

21、系統(tǒng)：主控系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的主體，它實(shí)現(xiàn)自動啟動、自動調(diào)向、自動調(diào) 速、自動并網(wǎng)、自動解列、故障自動停機(jī)、自動電纜解繞及自動記錄與監(jiān)控等重要控制、 保護(hù)功能。它對外的三個主要接口系統(tǒng)就是監(jiān)控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)（變 頻器） ，它與監(jiān)控系統(tǒng)接口完成風(fēng)機(jī)實(shí)時數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的交換，與變槳控制系統(tǒng)接口完 成對葉片的控制，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運(yùn)行，與變頻系統(tǒng)（變頻器）接口實(shí)現(xiàn)對 有功功率以及無功功率的自動調(diào)節(jié)。 變槳控制系統(tǒng)：與主控系統(tǒng)配合，通過對葉片節(jié)距角的控制，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以 及恒速運(yùn)行，提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行靈活性。目前來看，變槳控制系統(tǒng)的葉片驅(qū)動 有液壓和電氣兩種方式，電氣

22、驅(qū)動方式中又有采用交流電機(jī)和直流電機(jī)兩種不同方案。 究竟采用何種方式主要取決于制造廠家多年來形成的技術(shù)路線及傳統(tǒng)。 變頻系統(tǒng)（變頻）器：與主控制系統(tǒng)接口，和發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)連接，直接承擔(dān)著保證 供電品質(zhì)、提高功率因素，滿足電網(wǎng)兼容性標(biāo)準(zhǔn)等重要作用。 從我國目前的情況來看，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的上述各個組成部分的自主配套規(guī)模還相當(dāng) 不如人意，到目前為止對國外品牌的依賴仍然較大，仍是風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)中最薄弱的環(huán) 節(jié)。而風(fēng)機(jī)其它部件，包括葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、軸承等核心部件已基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化 配套（盡管質(zhì)量水平及運(yùn)行狀況還不能令人滿意） ，之所以如此，原因主要有： (1)我國在這一技術(shù)領(lǐng)域的起步較晚，尤其是對兆瓦級

23、以上大功率機(jī)組變速恒頻控制 技術(shù)的研究，更是最近幾年的事情，這比風(fēng)機(jī)技術(shù)先進(jìn)國家要落后二十年時間。前已述 及，我國風(fēng)電制造產(chǎn)業(yè)是從 2005 年開始的最近四年才得到快速發(fā)展的，國內(nèi)主要風(fēng)機(jī)制 造廠家為了快速搶占市場，都致力于擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，無力對控制系統(tǒng)這樣的技術(shù)含量較 高的產(chǎn)品進(jìn)行自主開發(fā)，因此多直接從 mita、windtec 等國外公司采購產(chǎn)品或引進(jìn)技術(shù)。 (2)就風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)本身的要求來看，確有它的特殊性和復(fù)雜性。從硬件來講，風(fēng)機(jī) 控制系統(tǒng)隨風(fēng)機(jī)一起安裝在接近自然的環(huán)境中，工作有較大振動、大范圍的溫度變化、 強(qiáng)電磁干擾這樣的復(fù)雜條件下，因此其硬件要求比一般系統(tǒng)要高得多。從軟件來講，風(fēng) 機(jī)

24、要實(shí)現(xiàn)完全的自動控制，必須有一套與之相適應(yīng)的完善的控制軟件。主控系統(tǒng)、變槳 系統(tǒng)和變頻器需要協(xié)同工作才能實(shí)現(xiàn)在較低風(fēng)速下的最大風(fēng)能捕獲、在中等風(fēng)速下的定 轉(zhuǎn)速以及在較大風(fēng)速下的恒頻、恒功運(yùn)行，這需要在這幾大部件中有一套先進(jìn)、復(fù)雜的 控制算法。國內(nèi)企業(yè)要完全自主掌握確實(shí)需要一定時間。 (3)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)是與風(fēng)機(jī)特性高度結(jié)合的系統(tǒng)，包括主控、變槳和變頻器在內(nèi)的控 制軟件不僅算法復(fù)雜，而且其各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定與風(fēng)機(jī)本身聯(lián)系緊密，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的任 務(wù)不僅僅是實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的高度自動化監(jiān)控以及向電網(wǎng)供電，而且還必須通過合適的控制 實(shí)現(xiàn)風(fēng)能捕獲的最大化和載荷的最小化，一般的自動化企業(yè)即使能研制出樣機(jī)，也很難 得到

25、驗(yàn)證，推廣就更加困難。而中小規(guī)模的風(fēng)機(jī)制造商又無力進(jìn)行這樣的開發(fā)。 即便如此，國內(nèi)企業(yè)通過這幾年的努力，已經(jīng)在控制系統(tǒng)主要部件的開發(fā)上取得了 積極進(jìn)展，已基本形成了自主的技術(shù)開發(fā)能力，所欠缺的主要是產(chǎn)品的大規(guī)模投運(yùn)業(yè)績 以及技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累。比如，作為風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中技術(shù)含量最高的主控系統(tǒng)和變頻器， 國內(nèi)企業(yè)在自主開發(fā)上已取得重要進(jìn)展。東方自控經(jīng)過幾年的努力，已成功開發(fā)出 dws5000 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，并已完成各種測試及風(fēng)機(jī)運(yùn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，基本 形成了自主開發(fā)能力?？浦Z偉業(yè)也研制出了兆瓦級機(jī)組的控制系統(tǒng)。在變頻器方面，東 方自控、合肥陽光、清能華福、科諾偉業(yè)等一批企業(yè)也異軍突起，開發(fā)出

26、了大功率雙饋 及直驅(qū)機(jī)型的變頻器，產(chǎn)品已有小批量在風(fēng)場投運(yùn)，呈獻(xiàn)出可喜的發(fā)展勢頭。 1.6.2 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的方案論證風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的方案論證 隨著國內(nèi)企業(yè)所開發(fā)風(fēng)機(jī)容量越來越大，風(fēng)機(jī)控制技術(shù)必須不斷發(fā)展才能滿足這一 要求，如葉片的驅(qū)動和控制技術(shù)、如更大容量的變頻器開發(fā)，都是必須不斷解決的新的 課題，這里不進(jìn)行詳細(xì)闡述。當(dāng)前，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在我國電網(wǎng)中所占比例越來越大， 風(fēng)力發(fā)電方式的電網(wǎng)兼容性較差的問題也逐漸暴露出來，同時用戶對不同風(fēng)場、不同型 號風(fēng)機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng)要求也越來越高，這也對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)提出了新的任務(wù)。 (1)采用統(tǒng)一和開放的協(xié)議以實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)場、不同廠家和型號的風(fēng)機(jī)之間的方便互聯(lián)。

27、目前，風(fēng)機(jī)投資用戶和電網(wǎng)調(diào)度中心對廣布于不同地域的風(fēng)場之間的聯(lián)網(wǎng)要求越來越迫 切，雖然各個風(fēng)機(jī)制造廠家都提供了一定的手段實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)互連，但是由于采用的方案不 同，不同廠家的風(fēng)機(jī)進(jìn)行互聯(lián)時還是會有很多問題存在，實(shí)施起來難度較大。因此，實(shí) 現(xiàn)不同風(fēng)機(jī)之間的方便互聯(lián)是一個亟待解決的重要課題。 (2)需要進(jìn)一步提高低電壓穿越運(yùn)行能力（lvrt） 。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，尤其是雙饋型風(fēng) 機(jī)，抵抗電網(wǎng)電壓跌落的能力本身較差。當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時，從前的做法是讓風(fēng)機(jī) 從電網(wǎng)切出。當(dāng)風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)中所占比例較小時，這種做法對電網(wǎng)的影響還可以忽略不計(jì)。 但是，隨著在網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)機(jī)的數(shù)量越來越大，尤其是在風(fēng)力發(fā)電集中的地區(qū)，如國家

28、規(guī)劃 建設(shè)的六個千萬千瓦風(fēng)電基地，這種做法會對電網(wǎng)造成嚴(yán)重影響，甚至可能進(jìn)一步擴(kuò)大 事故。歐洲很多國家，如德國、西班牙、丹麥等國家，早就出臺了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求在這 種情況下風(fēng)機(jī)能保持在網(wǎng)運(yùn)行以支撐電網(wǎng)。風(fēng)機(jī)具有的這種能力稱為低電壓穿越運(yùn)行能 力（lvrt） ，有的國家甚至要求當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至零時還能保持在網(wǎng)運(yùn)行。我國也于今 年 8 月由國家電網(wǎng)公司出臺了風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定 ，其中規(guī)定了我國自己的低電 壓穿越技術(shù)要求，明確要求風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至 20%額定電壓時能夠保持并網(wǎng) 運(yùn)行 625ms、當(dāng)?shù)浒l(fā)生 3s 內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的 90%時，風(fēng)電機(jī)組保持并網(wǎng)運(yùn)行的 低電壓穿越運(yùn)行要求

29、。應(yīng)該說，這還只是一個初步的、相對較低的運(yùn)行要求。在今后可 能還會出臺更為嚴(yán)格的上網(wǎng)限制措施。這些要求的實(shí)現(xiàn)，主要靠控制系統(tǒng)中變頻器算法 及結(jié)構(gòu)的改善，當(dāng)然和主控和變槳系統(tǒng)也有密切聯(lián)系。 (3)實(shí)現(xiàn)在功率預(yù)估條件下的風(fēng)電場有功及無功功率自動控制。目前，風(fēng)電機(jī)組都是 運(yùn)行在不調(diào)節(jié)的方式，也就是說，有多少風(fēng)、發(fā)多少電，這在風(fēng)電所占比例較小的情況 下也沒有多大問題。但是，隨著風(fēng)電上網(wǎng)電量的大幅度增加，在用電低谷段往往是風(fēng)機(jī) 出力最大的時段，造成電網(wǎng)調(diào)峰異常困難，電網(wǎng)頻率、電壓均易出現(xiàn)較大波動。當(dāng)前， 電網(wǎng)對這一問題已相當(dāng)重視，要求開展建設(shè)風(fēng)電場功率預(yù)測系統(tǒng)和風(fēng)電出力自動控制系 統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在功率預(yù)測基礎(chǔ)

30、上的有功功率和無功功率控制能力。事際上，這個系統(tǒng)的建設(shè) 不是一件容易的事情，涉及到很多方面的技術(shù)問題。但是，無論如何說，序幕已經(jīng)拉開。 第二章 風(fēng)機(jī)的機(jī)械部分的設(shè)計(jì) 2.1 電動機(jī)的選擇方法電動機(jī)的選擇方法 在現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，各種生產(chǎn)機(jī)械都廣泛應(yīng)用電動機(jī)來驅(qū)動，正確地選用與機(jī) 械負(fù)載配套的電動機(jī)，可以使電動機(jī)在最經(jīng)濟(jì)、最合理的方式下運(yùn)行，從而達(dá)到降低能 耗、提高效率的目的。 選擇電動機(jī)有以下幾種方法: 根據(jù)電源電壓、使用條件、拖動對象選擇電動機(jī)。要求電源電壓與電動機(jī)額定電 壓相符。 根據(jù)安裝地點(diǎn)和工作環(huán)境選擇不同型式的電動機(jī)。 根據(jù)容量、效率、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù)選擇電動機(jī)。 如果容量選擇過小,

31、就會發(fā)生長期過載現(xiàn)象,影響電動機(jī)壽命甚至燒毀。 如果容量選擇過大,電動機(jī)的輸出機(jī)械功率不能充分利用,功率因數(shù)也不高。因?yàn)殡妱?機(jī)的功率因數(shù)和效率是隨著負(fù)載變化的。 電動機(jī)在恒定負(fù)載運(yùn)行下,功率計(jì)算公式如下： 1 1 p p 式中：電動機(jī)的功率（kw） ； p 生產(chǎn)機(jī)械功率（kw） ； 1 p 生產(chǎn)機(jī)械本身效率； 1 電動機(jī)效率 上式計(jì)算出的功率不一定與產(chǎn)品規(guī)格相同,所以選擇電動機(jī)的額定功率(p1)應(yīng)等于或稍 大于計(jì)算所得的功率。 當(dāng)改變大氣壓力 pb、溫度 t 時的換算式： p pp p tp p pp smqqv a b b tftf v 0 0 0 3 0 )( 273 20273 )/(

32、 0 0 0 )( 273 20273 kw tp p pp b b 按該公式換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的參數(shù)。注腳“0”表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下或性能表中的參數(shù)， 無“0”表示風(fēng)機(jī)實(shí)際工作條件下的參數(shù)，所選電動機(jī)不低于所需功率。 在所選系列風(fēng)機(jī)性能曲線上，可以根據(jù)流量對應(yīng)的壓力，選出風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在標(biāo)準(zhǔn) 狀態(tài)下的軸功率加上電動機(jī)儲備系數(shù)得出電動機(jī)功率。 計(jì)算比轉(zhuǎn)數(shù)大小，在已有系列產(chǎn)品中查找比轉(zhuǎn)數(shù)相等或相近的通風(fēng)機(jī)。 2.2 風(fēng)機(jī)測試傳感器的設(shè)計(jì)選用風(fēng)機(jī)測試傳感器的設(shè)計(jì)選用 本系統(tǒng)采用的傳感器包括壓差傳感器、壓力傳感器和扭矩傳感器。壓差傳感器主要 用于檢測流量，壓力傳感器主要用于檢測靜壓，扭矩傳感器主要用于檢測功率

33、信號。 2.3 壓差測量壓差測量 差壓式流量計(jì)(以下簡稱 dpf 或流量計(jì))是根據(jù)安裝于管道中流量檢測件產(chǎn)生的差壓、 已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來測量流量的儀表。dpf 由一次裝置(檢測件) 和二次裝置(差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測件的型式對 dpf 分類，如孔扳 流量計(jì)、文丘里管流量計(jì)及均速管流量計(jì)等。二次裝置為各種機(jī)械、電子、機(jī)電一體式 差壓計(jì)，差壓變送器和流量顯示及計(jì)算儀表，它已發(fā)展為三化(系列化、通用化及標(biāo)準(zhǔn)化) 程度很高的種類規(guī)格龐雜的一大類儀表。差壓計(jì)既可用于測量流量參數(shù)，也可測量其他 參數(shù)(如壓力、物位、密度等)。 壓差測量工作原理 充滿管道的流體，當(dāng)它流

34、經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時，如圖 2-1 示，流速將在節(jié)流件處形成 局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了壓差。流體流量愈 大，產(chǎn)生的壓差愈大，這樣可依據(jù)壓差來衡量流量的大小。這種測量方法是以流動連續(xù) 性方程(質(zhì)量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)為基礎(chǔ)的。壓差的大小不僅與流量還 與其他許多因素有關(guān)，例如當(dāng)節(jié)流裝置形式或管道內(nèi)流體的物理性質(zhì)(密度、粘度)不同時， 在同樣大小的流量下產(chǎn)生的壓差也是不同的。 圖2-1壓差測量工作原理 1 2 4 2 4 1 pd c qm / mv qq 式中 qm-質(zhì)量流量，kg/s; qv-體積流量，m3/s; c-流出系數(shù)； -可膨脹性系數(shù)

35、； -直徑比，=d/d; d-工作條件下節(jié)流件的孔徑，m； d-工作條件下上游管道內(nèi)徑，m； p-差壓，pa； 1-上游流體密度，kg/m3。 由上式可見，流量為 c、d、p、 6 個參數(shù)的函數(shù)，此 6 個參數(shù)可分為實(shí)測 量d，p，(d)和統(tǒng)計(jì)量(c、)兩類。 風(fēng)機(jī)壓差測量方式 此測試系統(tǒng)采用法蘭取壓的標(biāo)準(zhǔn)板孔如圖 2-2。 圖2-2標(biāo)準(zhǔn)板孔的法蘭取壓 壓差測量傳感器 由以上論述看出，通過孔板的流體的流量與孔板兩端的壓力差的平方根成正比。本 試驗(yàn)裝置中，此壓差信號由壓差式變送器測量。壓差式流量傳感器是目前工業(yè)上技術(shù)最 成熟、使用最多的一種，其使用量約占全部流量測量儀表的 70-80%。他不僅可

36、以用來顯 示，而且可以經(jīng)壓差變送器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號為 20ma(或 l-5v)以便送到單元組合儀 表及計(jì)算機(jī)進(jìn)行上業(yè)過程控制。差壓式節(jié)流裝置的特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，適應(yīng) 能力強(qiáng)，幾乎能測量各種工作狀態(tài)(包括高溫、高壓)下。 本測試裝置采用氣壓傳感器 c268、range:+/-1000pa。 2.4 風(fēng)機(jī)靜壓測量與傳感器風(fēng)機(jī)靜壓測量與傳感器 壓力傳感器用來測量管道的靜壓。壓力傳感器的種類繁多，本系統(tǒng)采用電容式微壓 傳感器不，其特點(diǎn)如下: (1)測量范圍大。金屬應(yīng)變絲的極限一般為 l%，而半導(dǎo)體應(yīng)變片可達(dá) 20%，電容傳感 器相對變化量大于 100%。 (2)靈敏度高。如用比率變壓器

37、電橋可測出電容值，其相對變化量可達(dá) ie-7 (3)動態(tài)響應(yīng)時間短。由于電容式傳感器可動部分質(zhì)量小，因此其固有頻率很高，可 月 j 幾動態(tài)信號的測量。 (4)機(jī)械損失小。電容式傳感器極間相互吸引力非常微小，又不存在摩擦，故其自熱 墳應(yīng)極微，可保證電齊式傳感器具有較高的精度。結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)。電容式傳感器 一般使用金屬材料做電極，以無機(jī)材料做絕緣支撐，故能承受很大的溫度變化和各種形 式的強(qiáng)輻射作用，適合在惡劣環(huán)境中工作。電容式傳感器一般可分為三種形式:變截面型、 變介質(zhì)介電常數(shù)型、變極板間距型。本系統(tǒng)選用變截面接口靜壓傳感器，其型號為: c268、range:0-50pa，技術(shù)指標(biāo)如下: 作溫

38、度:-18-+65 測量介質(zhì):空氣或類似的非導(dǎo)電性氣體 輸入電源:9-3v dc 輸出電流:4-20ma 量程:0-5opa 接線方式為兩線式，傳感器采用 24v 直流電源供電，數(shù)據(jù)采集卜的模擬輸入通道采 集 25o 精密電阻兩端的電壓信號，此電壓信號進(jìn)入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行計(jì)算。 2.5 風(fēng)機(jī)工作輪的設(shè)計(jì)計(jì)算與選型風(fēng)機(jī)工作輪的設(shè)計(jì)計(jì)算與選型 初選葉輪大徑 d2=0.405m 作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。葉輪如圖 2-3。 風(fēng)機(jī)葉輪周速： sm nd u/32.30 60 2 2 風(fēng)機(jī)全壓系數(shù)： 3 2 2 49 10 82.45 11 1.29330.32 22 tf p u 圖2-3風(fēng)機(jī)葉輪示意圖 風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)

39、數(shù)： 334 4 88.93 5.545.54 143022.68 49000 v s tf q nn p 風(fēng)機(jī)進(jìn)口軸向速度： 0.270.27 0 8.9268.926 88.9329.98/ v vqm s 風(fēng)機(jī)進(jìn)口當(dāng)量直徑： . 0 44 88.93 0.251 606029.98 3.14 v o e q dm v 風(fēng)機(jī)流量系數(shù)： 22 2 2 88.93 4 22.78 0.40530.32 4 v q d u 內(nèi)孔直徑： . 0.11(1) 0.70.11 9 0.7 0.2510.174 aho e dndm 其中nah =8。 風(fēng)機(jī)葉輪輪轂外徑： 0 1.21.20.1740.

40、209ddm 風(fēng)機(jī)工作輪進(jìn)口直徑： 2222 0.0 0.2510.2090.326 o e dddm 風(fēng)機(jī)工作輪密封處外徑： 0 1.11.1 0.3260.359ddm 風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)口直徑： 10 1.0851.085 0.3260.354ddm 風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)口線速度： 1 1 0.354 1430 26.50/ 6060 dn um s 風(fēng)機(jī)葉輪葉片數(shù)： 5 3 2 1212 1.44 100.3835 2 sin() sinsin8.89 2.8 10 10101012 1/1/1 0.354/0.405 s a k n z dddd 風(fēng)機(jī)葉片厚度： 0.2340.234 2/10002

41、88.93/10000.003 v qm 根據(jù)以上計(jì)算可以通過風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊選型為 s1064.25 葉輪，并且確定為 型軸盤。 2.6 風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)與選型風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)與選型 以最小的葉片重量獲得最大的葉片面積，使得葉片具有更高的捕風(fēng)能力，葉片的優(yōu) 化設(shè)計(jì)顯得十分重要，尤其是符合空氣動力學(xué)要求的大型復(fù)合材料葉片的最佳外形設(shè)計(jì) 和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性尤為突出，它是實(shí)現(xiàn)葉片的材料工藝有效結(jié)合的軟件支撐。另 外，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用也使得葉片的結(jié)構(gòu)與層合板設(shè)計(jì)更加細(xì)化，有力的支持了最 佳工藝參數(shù)的確定。 早在 1920 年，德國的物理學(xué)家 albert betz 就對風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行過詳細(xì)的計(jì)算。

42、基 于當(dāng)時的計(jì)算條件和對風(fēng)力發(fā)電葉片的認(rèn)識，betz 在葉片計(jì)算時采用了一些假設(shè)條件。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，計(jì)算手段的顯著提高，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，人們對風(fēng)力發(fā) 電葉片的認(rèn)識和理解也在逐漸深入。尤其是近十年來，經(jīng)過研究人員對風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn) 行的多次現(xiàn)場載荷、聲音和動力測量以后，發(fā)現(xiàn)葉片的理論預(yù)測值與實(shí)際記錄值有較大 的偏離。這可能是由于過多的相信了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，而對葉片服役期間可能遇到的較強(qiáng)動態(tài) 環(huán)境和湍流條件考慮不足造成的。因此，一些相關(guān)人員對當(dāng)時的葉片計(jì)算采用假設(shè)條件 提出了質(zhì)疑。 流體動力學(xué)計(jì)算和軟件的改進(jìn)使得研究人員能夠更精確的模擬葉片實(shí)際的受力狀態(tài)。 在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善葉片的空氣

43、動力學(xué)特征，即使葉片在旋轉(zhuǎn)速度降低 5的情況下， 捕風(fēng)能力仍可以提高 5；隨著葉片旋轉(zhuǎn)速度的降低，葉片運(yùn)行的噪音大約可以降低 3db。同時，較低的葉片旋轉(zhuǎn)速度要求的運(yùn)行載荷也較低，旋轉(zhuǎn)直徑可以相應(yīng)的增加。在 此項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，德國的 enercon 公司將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)直徑由 30 米增加到 33 米， 復(fù)合材料葉片也隨著相應(yīng)的增加。由于葉片長度的增加，葉片轉(zhuǎn)動時掃過的面積增大， 捕風(fēng)能力大約提高 25。 enercon 公司還對 33 米葉片進(jìn)行了空氣動力實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過精確的測定，葉片的實(shí)際氣 動效率為 56，比按照 betz 計(jì)算的最大氣動效率低約 34 個百分點(diǎn)。為此，該公司對 大型葉片外

44、形型面和結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了必要的改進(jìn)：包括為了抑制生成擾流和旋渦，在葉片 端部安裝“小翼” ；為改善和提高渦輪發(fā)電機(jī)主艙附近的捕風(fēng)能力，對葉片根莖進(jìn)行重新 改進(jìn)，縮小葉片的外形截面，增加葉徑長度；對葉片頂部和根部之間的型面進(jìn)行優(yōu)化設(shè) 計(jì)。在此基礎(chǔ)上，enercon 公司開發(fā)出旋轉(zhuǎn)直徑 71 米的 2mw 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，改進(jìn)后葉 片根部的捕風(fēng)能力得異提高。 enercon 公司在 4.5mw 風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中繼續(xù)采用此項(xiàng)技術(shù)，旋轉(zhuǎn)直徑為 112 米的 葉片端部仍安裝的傾斜“小翼” ，使得葉片單片的運(yùn)行噪音小于 3 個葉片(旋轉(zhuǎn)直徑為 66 米)運(yùn)行使產(chǎn)生的噪音。 丹麥的 lm 公司在 61.5 米復(fù)合

45、材料葉片樣機(jī)的設(shè)計(jì)中對其葉片根部固定進(jìn)行了改進(jìn)， 尤其是固定螺栓與螺栓空周圍區(qū)域。這樣，在保持現(xiàn)有根部直徑的情況下，能夠支撐的 葉片長度可比改進(jìn)前增加 20。另外，lm 公司的葉片預(yù)彎曲專有技術(shù)也可以進(jìn)一步降 低葉片重量和提高產(chǎn)能。 風(fēng)機(jī)葉片強(qiáng)度計(jì)算 因?yàn)樵诖嗽O(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)葉片與葉輪前后盤的連接為焊接，所以葉片的最大彎矩應(yīng)產(chǎn)生 在梁的兩端。葉片受力如圖 2-4。 當(dāng)葉輪以角速度 旋轉(zhuǎn)時單個葉片因本身質(zhì)量產(chǎn)生的離心力 f 為： 2 fbl rcbl r 其中 =7.85103 kg/m3 為葉輪角速度 b 為葉片長=141mm l 為葉片寬度 =82mm 為葉片厚度=3mm r 為葉片重心到葉輪中心

46、的距離=296mm。c=2 鋼 的 c=86.08n2 。 rblnf 2 08.86 nn25.1807296 . 0 003 . 0 082 . 0 141 . 0 143008.86 2 圖2-4風(fēng)機(jī)葉片受力示意圖 如圖葉片的重心假定在葉片工作面的 o 點(diǎn)，將 f 分解成沿葉片的法向力 f1 和切向力 f2。 葉片在 f1 和 f2 的作用下，在相應(yīng)的方向彎曲。由 f2 產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，因葉片的抗 彎截面模量大，故可忽略。只計(jì)算 f1 產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。葉片彎矩如圖 2-5。 1 sin1807.25 sin451277.92ffn 葉片的抗彎截面模量為： 22 3 141 3 211.5

47、 66 b wmm 葉片的最大彎矩： 1 max 1277.92 0.082 8.73 1212 fl mn m a 圖2-5葉片受力及彎矩圖 葉片的最大彎曲應(yīng)力： mpa5545 1 鋼的許多彎曲應(yīng)力 mpampampa w m 55 3 . 41 10 5 . 211 73 . 8 1 9 max max 2.7 風(fēng)機(jī)進(jìn)出氣機(jī)殼的設(shè)計(jì)計(jì)算與選型風(fēng)機(jī)進(jìn)出氣機(jī)殼的設(shè)計(jì)計(jì)算與選型 蝸室橫截面積當(dāng)量直徑的計(jì)算： . 0.95 360 c o ed ddn . 1 441.4 o e dmm . 2 525 o e dmm . 3 620.4 o e dmm . 4 735.6 o e dmm 風(fēng)機(jī)

48、進(jìn)風(fēng)管直徑： 長度：l=3500mm。375mm 風(fēng)機(jī)近風(fēng)口的選型： 根據(jù)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊選擇 st070104 2.8 風(fēng)機(jī)軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算及選型風(fēng)機(jī)軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算及選型 風(fēng)機(jī)軸承：主要包括偏航軸承總成（660pme047） 、風(fēng)葉主軸軸承（24044cc） 、變速 器軸承、發(fā)電機(jī)軸承等，軸承的結(jié)構(gòu)形式主要有四點(diǎn)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。其中大型偏航軸承總成和風(fēng)葉主軸軸承技術(shù) 難度較大，現(xiàn)在基本依靠進(jìn)口，是風(fēng)機(jī)國產(chǎn)化的難點(diǎn)之一。風(fēng)機(jī)軸承國產(chǎn)化可提高國內(nèi) 軸承工業(yè)的設(shè)計(jì)應(yīng)用水平，縮小與國外先進(jìn)水平的差距，促進(jìn)國內(nèi)軸承工業(yè)的發(fā)展和技 術(shù)進(jìn)步，另外方面，可以降

49、低風(fēng)電成本，加快我國新資源和可再生資源的發(fā)展。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)速最高可達(dá) 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(jī)在 2-3 級風(fēng)時就要啟動，并能跟隨風(fēng)向變化，所以軸承結(jié)構(gòu)需 要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、 材料、制造、潤滑及密封都要進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。 風(fēng)機(jī)軸承技術(shù)要點(diǎn)分析 (1)偏航軸承總成(660pme047) 偏航軸承總成是風(fēng)機(jī)及時追蹤風(fēng)向變化的保證。風(fēng)機(jī)開始偏轉(zhuǎn)時，偏航加速度 將 產(chǎn)生沖擊力矩 m=i（i 為機(jī)艙慣量） 。

50、偏航轉(zhuǎn)速 越高，產(chǎn)生的加速度 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(fēng)機(jī)如果在運(yùn)動過程中偏轉(zhuǎn)， 偏航齒輪上將承受相當(dāng)大的陀螺力矩，容易造成偏航軸承的疲勞失效。 根據(jù)風(fēng)機(jī)軸承的受力特點(diǎn)，偏航軸承采用“零游隙”設(shè)計(jì)的四點(diǎn)接觸球軸承，溝道 進(jìn)行特別設(shè)計(jì)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(qiáng)度，使軸承具有良好的耐磨性和耐沖擊性。 風(fēng)機(jī)暴露在野外，因此對該軸承的密封性能有著嚴(yán)格的要求，必須對軸承的密封形 式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對軸承的密封性能進(jìn)行模擬試

51、驗(yàn)研究，保證軸承壽命和風(fēng)機(jī)壽命相同。 風(fēng)機(jī)裝在 40m 的高空，裝拆費(fèi)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在裝機(jī)試驗(yàn)之前必須進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)，以確保軸承設(shè) 計(jì)參數(shù)無誤。 (2)風(fēng)葉主軸軸承（24044cc） 風(fēng)葉主軸由兩個調(diào)心滾子軸承支承。由于風(fēng)葉主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(jié)構(gòu)參數(shù)和保持架的 結(jié)構(gòu)形式，使軸承具有良好性能和長壽命。 (3)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，

52、使?jié)L道表面存在壓應(yīng)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(jié) 構(gòu)進(jìn)行再優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)軸承加工工藝方法，進(jìn)一步提高軸承的性能指標(biāo)。 (4)發(fā)電機(jī)軸承 發(fā)電機(jī)軸承采用圓柱滾子軸承和深溝球軸承。通過對這兩種軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工 工藝方法改進(jìn)、生產(chǎn)過程清潔度控制及相關(guān)組件的優(yōu)選來降軸承振動的噪聲，使軸承具 有良好的低噪聲性能。 (5)軸承裝機(jī)試驗(yàn)技術(shù)研究 軸承安裝后的實(shí)際性能不僅與軸承自身性能有關(guān)，而且還與軸承的具體安裝使用條 件密切相關(guān)，因此，要對軸承安裝時的配合形式、安裝中心的對中性進(jìn)行研究，使軸承 在實(shí)際使用中能夠得到較好的工作性能。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)配套軸承主

53、要用于偏航系統(tǒng)、變漿系統(tǒng)、變速器和發(fā)動機(jī)等部位，其中 每個機(jī)組主要包括偏航軸承 1 套，風(fēng)葉主軸軸承 2 套，變速箱軸承 15 套左右，發(fā)電機(jī)軸 承 2 套左右，軸承結(jié)構(gòu)形式眾多。 2.9 連軸器的選型連軸器的選型與計(jì)算與計(jì)算 由于風(fēng)機(jī)的工作環(huán)境為載荷較小、沖擊較小，因此可以選擇剛性土緣聯(lián)軸器。 風(fēng)機(jī)電機(jī)的輸出的功率為：3kw 風(fēng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為：t=20.04n m。 1、聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 ka為風(fēng)機(jī)的工作工況系數(shù) caa tk t 鼓風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)矩變化小，即為透平空氣壓縮機(jī)械。并且原動機(jī)為電動機(jī)，因此可選 ka 為 1.5。 1.5 20.0430.06 caa tk tn mn m 2、風(fēng)機(jī)聯(lián)

54、軸器型號的確定與校核 從 gb/t4323-84 中查得 gy5 型剛性凸緣聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩為 400nm。許用最大轉(zhuǎn)速 為 8000r/min。適合軸徑為 32mm。故合用。 2.10 風(fēng)機(jī)傳動組的設(shè)計(jì)計(jì)算風(fēng)機(jī)傳動組的設(shè)計(jì)計(jì)算 1. 風(fēng)機(jī)主軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)以上已經(jīng)選擇的風(fēng)機(jī)葉輪與軸盤，選擇軸的最小直徑為 d=32mm. 軸的強(qiáng)度計(jì)算： 葉輪的質(zhì)量 mmmmm 葉片葉輪前盤后盤軸盤 3 2 ()0.104 12 7.85 10(0.1 0.064)0.0032.41 22 bb l mzkg 葉片葉片 2) 22 () 2 ()( 020 1 2022 2 ddddd bbm前盤 2) 4

55、26 . 0 405 . 0 2 26 . 0 (003 . 0 ) 2 26 . 0 405 . 0 ()064 . 0 104 . 0 (1085 . 7 223 kg036 . 2 (將前盤曲面略看作直面計(jì)算) 22 22 2 322 ()() 22 0.4050.13 7.85 10 ()() 0.00454.08 22 d m kg 后盤 kg08 . 4 0045 . 0 ) 2 13 . 0 () 2 405 . 0 (1085 . 7 223 葉輪軸盤因?yàn)檫x用的為4c型 型軸盤 查風(fēng)機(jī)手冊可知： 4mkg 軸盤 因此可以計(jì)算葉輪總質(zhì)量為： 2.412.044.08412.53

56、mmmmm kgkg 葉片葉輪前盤后盤軸盤 kg53.12408 . 4 04 . 2 41 . 2 風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速 n=1430r/min 風(fēng)機(jī)主軸的最大彎矩以及最大轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 主軸的最大彎矩的計(jì)算，主軸受力如圖 2-6。 作用在風(fēng)機(jī)主軸上的主要作用力是葉輪重力與其不平衡力，葉輪經(jīng)過平衡后，仍有 允許的殘余不平衡重力。該重力可以造成風(fēng)機(jī)葉輪重心與主軸旋轉(zhuǎn)中心線有一定的偏移 距離。此距離一般為：。為安全起見，計(jì)算時取：，因此， 55 1.0 101.5 10 m 5 2.0 10 m 由于葉輪重心與主軸旋轉(zhuǎn)中心線不一致產(chǎn)生的不平衡力 f1 為： 522 1 2.0 10 2135 n fmm 葉

57、輪葉輪 （） 圖2-6風(fēng)機(jī)主軸受力示意圖 葉輪重力與其不平衡力之和： 2 111 2 () 2135 1430 10() 1253130.92 2135 n gm gfgm n 葉輪 n95.1301253) 2135 1430 (10 2 軸端與聯(lián)軸器重力之和： 2 3633 ()12.62gggggrlmgn 軸端聯(lián)軸器聯(lián)軸器 軸承之間軸的重力： 223 4 0.052 ()0.2 7.85 101033.325 2 grl gnn 主軸與葉輪連接處軸的重力： 223 51 0.032 ()0.1 7.85 10106.3 2 grlgnn 圖 2-7 風(fēng)機(jī)主軸受力彎矩圖 主軸支撐座反力計(jì)

58、算： l lgglgllgg fa 36344131 )()()()( 15144363 ()()()() (130.926.3)(0.20.1)33.3250.1 12.620.1 0.2 216.18 a ggllglggl f l n 13456 130.9212.6233.3256.3216.1833 ba fgggggf nn n3318.2163 . 6325.3362.1292.130 主軸彎矩計(jì)算： 151 ()(130.926.3)0.113.72 a mgg ln mn maa 363 ()12.620.11.26 b mggln mn m aa max 13.72 a m

59、mn 主軸彎矩如圖 2-7 風(fēng)機(jī)主軸的轉(zhuǎn)矩計(jì)算 3 9551955120.04 1430 n p mn mn m n aa 風(fēng)機(jī)主軸的復(fù)合應(yīng)力 風(fēng)機(jī)主軸的材料選用 45 鋼 查得其許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力-1=155mpa 許用彎曲 應(yīng)力-1=275mpa。 主軸扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為 1 33 3 1 20.04 3.06155 0.20.2 0.032 16 nnn mmm mpampa wd d 主軸的最大彎曲應(yīng)力為： maxmaxmax 1 3 3 1 4.19275 0.1 32 mmm mpampa wd d 按照第三強(qiáng)度理論計(jì)算風(fēng)機(jī)主軸的最大復(fù)合應(yīng)力： 2222 max 1 44.1943.06 7

60、.4260 mpa mpampa mpampa6042 . 7 1 風(fēng)機(jī)主軸剛度校核計(jì)算 風(fēng)機(jī)主軸的彎曲剛度校核計(jì)算 主軸的當(dāng)量直徑： 44 4 444444 4 1 300 42 65352006535200 324052324052 vz i i i lklk dmm l d 圖2-8主軸撓度示意圖 彎曲撓度： 主軸撓度如圖 2-8 3 6 13 max 94 1.35 10 3 3210 100.042 64 gkpl ymy ei 偏轉(zhuǎn)角： 94 (2 )20.040.4 0.000033 80 100.042 32 p t lk gi 風(fēng)機(jī)主軸的扭轉(zhuǎn)剛度的校核計(jì)算 4 5.7310