小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1、小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案第一章緒論國(guó)外風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)隨著能源緊缺及化石燃料對(duì)環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，開(kāi)發(fā)新型能源成為各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵，目前可再生能源有太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿取ｏL(fēng)能發(fā)電是目前為止技術(shù)最為成熟，歷史最為悠久的發(fā)電方式，是具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉?，有可能成為重要的替代能源。?3世紀(jì)起，水平軸風(fēng)車產(chǎn)業(yè)就成為了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的主要部分，而利用風(fēng)力發(fā)電的歷史可以追溯到19世紀(jì)晚期，美國(guó)的Brush研制了第一臺(tái)12kW的直流風(fēng)力機(jī)Golding（1955）、Shepherd和Divone（1994）記錄了早期的風(fēng)力機(jī)發(fā)展史。1931年，聯(lián)制造了一臺(tái)100KW、直徑30m的

2、Balaclava（巴拉克拉法帽）風(fēng)力機(jī)；19世紀(jì)50年代早期，英國(guó)制造了一臺(tái)100KW、直徑24m的AndreaEnfield（安德魯-恩菲）風(fēng)力機(jī)。1956年，丹麥建造了一臺(tái)200KW、直徑24m的Gedser（蓋瑟）風(fēng)力機(jī)，1963年法國(guó)電力工業(yè)試驗(yàn)了一臺(tái)功率1.1MW、直徑35m的風(fēng)力機(jī)。在德國(guó)，Hutter（胡特）于19世紀(jì)50年代和60年代建立了一些新型的風(fēng)力機(jī)。由于石油價(jià)格突然上漲，美國(guó)開(kāi)始建造一系列示風(fēng)力機(jī)組，如1975年的功率100KW、直徑38m的Mod-0風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和1987年的功率2.5MW、直徑97.5m的Mod-5B風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。目前世界上最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是德國(guó)制

3、造的E-126，高達(dá)120m，風(fēng)輪直徑126m，每個(gè)葉片長(zhǎng)達(dá)61.4m，每片重18t,裝機(jī)功率達(dá)到5MW1如圖1-1所示。圖1-1Enercon的E-126型風(fēng)力發(fā)電機(jī)我國(guó)風(fēng)能資源豐富，根據(jù)第三次風(fēng)能普查結(jié)果，我國(guó)技術(shù)可開(kāi)發(fā)的陸地面積約為24X104km2。考慮到風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際布置能力，按照5MW/km2計(jì)算，陸上技術(shù)可開(kāi)發(fā)量為120X104MW。目前我國(guó)風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)利用的重點(diǎn)區(qū)域有自治區(qū)、省、省、省、省、新疆維吾爾自治區(qū)、省等，其中自治區(qū)技術(shù)可開(kāi)發(fā)量約為50X104MW,居全國(guó)之首2如圖1-2所示。圖1-2全年平均風(fēng)能密度分布在國(guó)家可再生能源發(fā)展規(guī)劃和風(fēng)電裝備國(guó)產(chǎn)化等相關(guān)政策的支

4、持下，我過(guò)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，2009年中國(guó)（不含省）新增風(fēng)電裝機(jī)10129臺(tái)，容量13803.2MW，年同比增長(zhǎng)124%；累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)21581臺(tái)，容量25805.3MW，年同比增長(zhǎng)114%。省當(dāng)年新增風(fēng)電裝機(jī)37臺(tái)，容量77.9MW；累計(jì)裝機(jī)227臺(tái)，容量436.05MWU，如圖1-3所示。圖1-3歷年我國(guó)裝機(jī)儲(chǔ)量小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展概況垂直軸風(fēng)力機(jī)(VerticalAxisWindTurbine或VAWT)的風(fēng)輪軸與風(fēng)向垂直，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)與風(fēng)向無(wú)關(guān)，但是由于其啟動(dòng)風(fēng)速較高且功率不穩(wěn)定，其發(fā)展并不像水平軸風(fēng)力機(jī)那么迅速。隨著計(jì)算科學(xué)的飛速發(fā)展，垂直軸風(fēng)力機(jī)的優(yōu)異空氣動(dòng)力性能(尤其是達(dá)

5、里厄風(fēng)力機(jī))漸漸為世人所認(rèn)識(shí)，近年來(lái)廣泛受到各國(guó)研究人員的關(guān)注。國(guó)外較大的風(fēng)力發(fā)電公司有加拿大的CleanfiledEnergy公司，其主導(dǎo)產(chǎn)品是一種額定功率為3.5kW的升力型葉輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)，整套系統(tǒng)由玻璃鋼纖維和鋼材組成，約重181.4kg,葉輪高3m，輪輻直徑2.5m。2006年，中國(guó)垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)基地在化德縣啟動(dòng)運(yùn)行，目前50kW小樣機(jī)組已投入運(yùn)行開(kāi)始發(fā)電，如圖1-4所示。2007年，西峽瑞發(fā)水電設(shè)備公司和發(fā)電設(shè)備研究中心聯(lián)合開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的1.5MW垂直軸永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)研制成功，并在風(fēng)電場(chǎng)安裝運(yùn)行。圖1-4德化縣50kW垂直軸風(fēng)力機(jī)第二章風(fēng)力發(fā)電基本原理風(fēng)特性風(fēng)能量空氣的流動(dòng)現(xiàn)象稱為風(fēng)

6、，風(fēng)是由于不同地方的空氣受熱不均勻，從一個(gè)地方向另一個(gè)地風(fēng)功率計(jì)算公式為P二W/1m=pVV=SxL聯(lián)立以上各式得P=IpSv32(2.1)從式(2.1)容易看出風(fēng)速對(duì)風(fēng)能的影響是最大的，因此在沿海地區(qū)設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)時(shí)必須要考慮強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對(duì)設(shè)備的影響。湍流特性湍流指的是短時(shí)間的風(fēng)速波動(dòng)，隨著海拔、氣候、地形等變化。影響湍流的因素很多，產(chǎn)生湍流的主要原因有：1.由地形差異引起的氣流與地表的摩擦。2.由于空氣密度差異和氣溫變化的熱效應(yīng)空氣垂直運(yùn)動(dòng)。湍流往往是有這兩種原因相互作用形成的。湍流無(wú)法用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式完整的表達(dá)出來(lái)，其復(fù)雜程度超出了人類現(xiàn)有的認(rèn)識(shí)能力。雖然它的活動(dòng)遵循一定的定律，但是人類想要用這些

7、定律來(lái)描述湍流過(guò)程是相當(dāng)困難的，因此只能通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)來(lái)大致描述湍流。湍流風(fēng)速變化基本上服從高斯函數(shù)，風(fēng)速變動(dòng)相對(duì)于風(fēng)速均值服從正態(tài)分布,湍流強(qiáng)度I是用來(lái)描述湍流總體水平的，計(jì)算公式如下4：1/U(2.2)式中I為湍流強(qiáng)度；b為脈動(dòng)風(fēng)速的均方根；b2為脈動(dòng)風(fēng)速動(dòng)能；U為10min平均風(fēng)速。湍流強(qiáng)度由地表的粗糙度和高度決定，通常是在很短的一段時(shí)間計(jì)算得到的，如幾分鐘到一小時(shí)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)不需要并網(wǎng)，只要選擇合適的蓄電池就能夠提供一般家庭的生活用電，本次設(shè)計(jì)的發(fā)電系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：葉輪、發(fā)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(包括剎車)、塔架、整流、功率控制系統(tǒng)，如圖2-2所示。圖2-2

8、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第三章小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電的總體設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)的種類及選擇風(fēng)力機(jī)的分類方法很多，其中按風(fēng)力機(jī)主軸布置方向可分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)，水平軸風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸與風(fēng)向平行，如圖3-1所示。水平軸風(fēng)力機(jī)組有兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)1.實(shí)度較低，能量成本低；2.葉輪掃掠面的平均高度可以更高，有利于增加發(fā)電量。圖3-1水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)垂直軸風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸與風(fēng)向垂直，如圖3-2所示，垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，風(fēng)輪無(wú)需對(duì)風(fēng)，其優(yōu)點(diǎn)有：1.可以接受任何風(fēng)向的風(fēng)，無(wú)需對(duì)風(fēng)；2.齒輪箱和發(fā)電機(jī)可以安裝在地面，檢修維護(hù)方便。圖3-2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)按照槳葉受力方式分類可分為升力型風(fēng)力機(jī)和阻力型風(fēng)力機(jī)。升力型風(fēng)力機(jī)利用葉片

9、的升力帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而轉(zhuǎn)化風(fēng)能為電能，這種風(fēng)力機(jī)目前較為常見(jiàn)，大部分水平軸風(fēng)力機(jī)都屬于升力型風(fēng)力機(jī)。目前大中型風(fēng)電主要采用水平軸風(fēng)力機(jī)，屬升力型風(fēng)力機(jī)，具有轉(zhuǎn)速高、風(fēng)的利用率較高等優(yōu)點(diǎn)，其葉尖速比通常在4以上，最大功率系數(shù)可達(dá)50%，如圖3-3所示。阻力型風(fēng)力機(jī)利用葉片上受到的阻力來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，大部分阻力型風(fēng)力機(jī)為垂直軸，目前較少，如圖3-4所示。圖3-3升力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)圖3-4阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)垂直軸升力型風(fēng)力機(jī)既有垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，又和升力型風(fēng)力機(jī)一樣具有較高轉(zhuǎn)速，風(fēng)能利用率有所提高。由于運(yùn)行過(guò)程中受力比水平軸好得多，疲勞壽命要更長(zhǎng)。垂直軸風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)如圖3-

10、5所示建立平面坐標(biāo)系，假定風(fēng)速矢量為v,葉片端線速度矢量為u,葉片所在位置夾角為e,則葉片的平均線速度為兀DnU=1u1=60(3.1)在圖3-5中，風(fēng)速矢量v二(0,-V),葉片速度矢量u二(-Usine,Ucose),風(fēng)對(duì)葉片的相對(duì)速度w=v+u,坐標(biāo)運(yùn)算后得w二(-Usine,-V+Ucose)o圖3-5垂直風(fēng)力機(jī)動(dòng)力原理uurur相對(duì)風(fēng)速的大小就是矢量w的模|w|,以W表示w的單位矢量，U表示u的單位矢量，則可以求出此時(shí)的攻角a,攻角就是相對(duì)風(fēng)速與葉片弦長(zhǎng)所在直線的夾角，按照矢量計(jì)算可推得：TOC o 1-5 h zuurura=cos-i(W，U)(3.2)在風(fēng)力的作用下，葉片在攻角

11、a時(shí)受到的升力F和阻力F可以按以下公式計(jì)算：ldF=-pSw2C(3.3)i2iF=-pSw2C(3.4)d2d將升力和阻力投影到風(fēng)輪切方向：F=Fsina(3.5)ltlF=Fcosa(3.6)dtd其中F為F在切向的分量；F為F在切向的分量。ltldtd切向力的合力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片在位置角為。時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為M二(F+F)Rltdt風(fēng)能利用率風(fēng)能利用系數(shù)Cp是表示風(fēng)力機(jī)效率的重要參數(shù)，由于風(fēng)通過(guò)風(fēng)輪的風(fēng)能不能完全轉(zhuǎn)化為風(fēng)輪機(jī)械能，其風(fēng)能利用率Cp為7C=風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率=pp輸入風(fēng)輪的功率p(38)其中P為風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率；P為風(fēng)力機(jī)輸入的風(fēng)能。mw目前大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的

12、風(fēng)能利用率絕大部分是由葉片設(shè)計(jì)方計(jì)算得到的，一般在40%以上。由于之前一般都是利用葉素理論來(lái)計(jì)算垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率，得出的結(jié)果不如水平軸，但是根據(jù)國(guó)外最新的實(shí)驗(yàn)表明垂直軸的風(fēng)能利用率不低于40%8，再加上水平軸風(fēng)力機(jī)受到風(fēng)向變化的影響，而垂直軸風(fēng)力機(jī)可以在任何風(fēng)速角下工作，因此有理由相信垂直軸風(fēng)力機(jī)的利用率能夠超過(guò)水平軸。Cp-入功率特性曲線風(fēng)能利用系數(shù)Cp般是變化的，它隨著風(fēng)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化而變化，葉片尖端線速度與風(fēng)速之比叫做葉尖速比入(將在第3.2.4節(jié)具體說(shuō)明)，為了得到最佳的風(fēng)能利用率，一般根據(jù)Cp-入曲線來(lái)選擇合適的葉尖速比，如圖3-7所示。圖3-7Cp-入曲線圖U略聲崔田從圖

13、3-7中看出，當(dāng)葉尖速比達(dá)到7.5左右時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)最大，風(fēng)能利用率最高，Cp值有一個(gè)最大值，實(shí)際風(fēng)力機(jī)一般都達(dá)不到這么高的風(fēng)能利用率，所以我們先初定葉尖速比在入=6,風(fēng)能利用率Cp=0.4時(shí)對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體的Cp-入圖還需根據(jù)具體的風(fēng)力機(jī)葉片試驗(yàn)及攻角調(diào)整來(lái)確定。貝茨極限風(fēng)能利用系數(shù)縮短能達(dá)到的最大值就是貝茨極限，德國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)家AlbertBetz提出貝茨極限后,直到今天還沒(méi)有人能設(shè)計(jì)出超過(guò)這個(gè)極限的風(fēng)力機(jī)，該極限不是由于設(shè)計(jì)不足造成的，而是因?yàn)榱鞴懿坏貌辉谥聞?dòng)盤(pán)上游膨脹，使得自由流速比在圓盤(pán)處小，貝茨極限由一下微分方程得出9：dCp4(1-a)(1-3a)=0da(3.9)式中a為

14、氣流誘導(dǎo)因子。解微分方程可知當(dāng)a=1/3時(shí)，Cp最大，求得最大Cp=0.953。葉尖速比風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比稱為葉尖速比，阻力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為0.3至0.6，升力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為3至8。在升力型風(fēng)力機(jī)中，葉尖速比直接反映了相對(duì)風(fēng)速與葉片運(yùn)動(dòng)方向的夾角，即直接關(guān)系到葉片的攻角，是分析風(fēng)力機(jī)性能的重要參數(shù)。葉尖速比計(jì)算公式為學(xué)=醤（3.10）風(fēng)力機(jī)的功率及扭矩計(jì)算由省情資料庫(kù)中的圖像資料可以看出地區(qū)地面平均風(fēng)速在4m/s6m/s左右，如圖3-8所示。IIIL圖3-8省風(fēng)速分布從氣象( x0.75x=14.2mm4.9)40031-0.64按照主軸扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算直徑：d=BxPx1

15、n3Ia44.10)其中B為系數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承及其連接表5-1-20選取，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)d=91.5x1410.64=19.7mm4.11)手冊(cè)單行-本軸承及其連接表5-1-20得一般傳動(dòng)時(shí)B值取91.5,已知功率為0.75kW，主軸額定轉(zhuǎn)速n為400轉(zhuǎn)/min，代入式(4.10)后得到如果截面上有鍵槽時(shí)，應(yīng)將求得的軸徑增大，其增大值見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-22，增大值應(yīng)選7%，最后得出的最小外徑d=21.1mm。為了安全，我們選擇的軸外徑為d=30mm，徑d=18mm，采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，主軸如圖4-2所示。圖4-2主軸示意圖校核主軸安全系數(shù)，主軸轉(zhuǎn)矩為T=0

16、.5兀pCR3p九4.12)=0.5x3.14x1.25x0.4x0.83竺=60.3Nm6只考慮扭拒作用時(shí)的安全系數(shù)為4.13)其中t為對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限，Mpa,見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連-1接表5-1-1，T1=115；K為扭轉(zhuǎn)時(shí)的有效應(yīng)力集中系數(shù)，見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-30表5-1-32，K=1.8；0為表面質(zhì)量系數(shù)，一般用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單T行本軸-承及其連接表5-1-36；軸表面強(qiáng)化處理后用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-38；有腐蝕情況時(shí)用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-35或機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-37

17、，0=0.44；e為扭轉(zhuǎn)時(shí)的尺寸影響系數(shù)，見(jiàn)機(jī)械設(shè)T計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-34，e=0.89；t、工為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，TamMpa見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-25，t=t=6.1；屮為ma2Z2x4.94屮tp材料扭轉(zhuǎn)的平均盈利折算系數(shù)，見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-33,屮=0.21。T155將各數(shù)據(jù)代入公式后得S=_=p8=彳3ThT+屮tx6.1+0.21x6.10eatm0.44x0.89T根據(jù)調(diào)質(zhì)45鋼Q/Q=0.55，要求查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（機(jī)工版）第2版第19篇第5章sb得安全系數(shù)為5.0，因此設(shè)計(jì)的主軸滿足要求。軸承的計(jì)算及選

18、型由于風(fēng)力機(jī)不僅承受風(fēng)輪的扭矩，而且要承受氣流方向的一定彎矩，角接觸球軸承不僅能夠承徑向力，同時(shí)能夠承受一定的徑向載荷，因此在主軸上安裝兩個(gè)角接觸球軸承。1角接觸球軸承1的選用計(jì)算角接觸球軸承1的安裝位置如圖4-3所示。軸徑d=30mm，額定轉(zhuǎn)矩T=4.3Nm。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-82選擇角接觸球軸承36000型新代號(hào)7000C,之所以選用接觸球軸承是考慮到主軸在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有可能產(chǎn)生徑向載荷，軸承1參數(shù)如表4.2所示。表4.2軸承1參數(shù)孔徑d外徑D軸承代號(hào)極限轉(zhuǎn)速r/min(脂潤(rùn)滑)額定動(dòng)負(fù)荷Cr額定靜負(fù)荷Cor重量30mm55mm7006C950011.65kN8.49kN0.1

19、1kg軸向載荷：F=(m+m+m+8xm)ga葉片支撐架主軸葉片支架=15kgx9.8N/kg=147N徑向載荷按照最不利狀況計(jì)算，根據(jù)伯努利方程，氣流作用在葉片上的壓力為P=0.5pv2=0.5x1.25x82=40Pa(4.14)作用在4個(gè)葉片上的總力為F=PS=40 x0.375二15N(4.15)r由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-12推薦使用壽命為100000小時(shí),軸承當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算公式為P=XF+YF(4.16)ra式中X、Y分別為徑向動(dòng)載荷系數(shù)及軸向動(dòng)載荷系數(shù)?？赏ㄟ^(guò)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表283-2得：因?yàn)镕/C=0.147/8.49=0.017aorF/F=0.102ar所以應(yīng)該

20、選擇X=0.44,Y=1.47,代入式子得到P=XF+YF=0.44x15+1.47x147=222.69Nra軸承基本額定動(dòng)載荷按如下公式計(jì)算：C=PhmdPffnT式中：C為基本額定動(dòng)載荷計(jì)算值,N；f為速度因數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-9n選取5.85；f為力矩載荷因數(shù),力矩載荷較小時(shí)取1.5,較大時(shí)取2,這里選取2；f為沖mdr擊載荷因數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-10選取1.2；f為溫度因數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-11選取1；f為壽命因數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承h表6-2-8選取0.405；P為當(dāng)量動(dòng)載荷。將各個(gè)數(shù)據(jù)代入式（4.13）得：小5.

21、85x2x1.2C=0.405x1故選用此軸承能夠滿足額定載荷的要求。XO22269=19.5NC2角接觸球軸承2的選用計(jì)算角接觸球軸承2的安裝位置如圖4-4所示。按照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-82選擇軸承型號(hào)36105（新型號(hào)7005C）,參數(shù)如表4.3所示。表4.3軸承2參數(shù)孔徑d外徑D軸承代號(hào)極限轉(zhuǎn)速r/min（脂潤(rùn)滑）額定動(dòng)負(fù)荷Cr額定靜負(fù)荷Cor重量25mm47mm7006C120009.38kN7.73kN0.074kg按照軸承1校核公式（4.15）對(duì)軸承進(jìn)行校核：F二PS二40 x0.375二15NF=（m+m+m）ga葉片支撐架主軸=15kgx9.8N/kg=147N軸

22、承當(dāng)量動(dòng)載荷按公式（4.16）得：P二XF+YFra式中X、Y分別為徑向動(dòng)載荷系數(shù)及軸向動(dòng)載荷系數(shù)。可通過(guò)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表283-2得：因?yàn)镕/C二0.147/6.53二0.0225aorF/F二0.102ar所以應(yīng)該選擇X=0.44,Y=1.40,代入公式（4.16）得到P二XF+YF二0.44x15+1.40 x147二212.4Nra由機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第五版）公式16-3計(jì)算軸承壽命：)e4.17)106(fC60nfPd式中：f為溫度因數(shù),按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-11選取1；f為沖擊載荷因Td數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-10選取1.2；C為額定動(dòng)載荷，C=9.38

23、kN；N為主軸額定轉(zhuǎn)速，n=400r/min；為壽命指數(shù)，對(duì)于球軸承取3。將各數(shù)據(jù)代入式子后得106fC1061x9380L(L)=()32.07x106hh60nfP60 x4001.2x212.4d由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-12推薦使用壽命為100000小時(shí),所以可以滿足使用要求。主軸與發(fā)電機(jī)之間用圓錐銷套筒聯(lián)軸器進(jìn)行連接，如圖4-5所示，聯(lián)軸器具體參數(shù)見(jiàn)圖紙。第五章剎車裝置及其他部件設(shè)計(jì)剎車裝置剎車裝置原理目前應(yīng)用的制動(dòng)器有外抱塊式制動(dòng)器（簡(jiǎn)稱：塊式制動(dòng)器）、蹄式制動(dòng)器（簡(jiǎn)稱：蹄式制動(dòng)器）、帶式制動(dòng)器、盤(pán)式制動(dòng)器、載荷自制制動(dòng)器等等，它們的工作原理都是利用摩擦力使致動(dòng)盤(pán)停止，從

24、而起到制動(dòng)作用。制動(dòng)器目前已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)，是標(biāo)準(zhǔn)件。市產(chǎn)華電機(jī)FDB-1-100型凸緣單板式電磁制動(dòng)器是利用電磁力產(chǎn)生壓力作用于制動(dòng)盤(pán)上，在制動(dòng)盤(pán)表面形成摩擦力，其基本結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。圖5-1制動(dòng)器受力要求在十二級(jí)風(fēng)速（約30m/s）時(shí)能夠有效制動(dòng)，下面通過(guò)計(jì)算力矩來(lái)選擇制動(dòng)器已知v=30m/sp=1.205kg/m3R=0.8mX=6C=0.4由公式(4.12)得T=0.5兀pCR3p九302T=0.5x3.14x1.25x0.4x0.83=60.3Nm6制動(dòng)器所選型號(hào)為FDB-1-100,其基本參數(shù)如表5.1所示。表5.1制動(dòng)器參數(shù)型號(hào)制動(dòng)盤(pán)直徑/mm靜摩擦轉(zhuǎn)矩N/m動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩/Nm功率

25、24VDC(W)at20C重量kgFDB-1-1001609080353.45制動(dòng)器的閉合是通過(guò)主軸上面的一個(gè)光電編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的,光電編碼器收集主軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù),主控電路中的單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某值時(shí),單片機(jī)輸出數(shù)字信號(hào),控制繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)閉合,從而制動(dòng)器電磁鐵得電,制動(dòng)器的電磁鐵由蓄電池供電,如圖5-2所示。圖5-2制動(dòng)器示意圖制動(dòng)器外形尺寸如表5.2所示(/mm)。表5.2制動(dòng)器外形數(shù)據(jù)AC1C2C3DEHJKLMPYmabt1601901758030652664423811.582-M80.3(-1)73.3剎車結(jié)構(gòu)受力計(jì)算用制動(dòng)器的額定制動(dòng)轉(zhuǎn)矩反求風(fēng)力機(jī)制動(dòng)器的最大工作風(fēng)速

26、，由公式（4.12）得T=0.5兀pCR3p九_(tái)T九_(tái)90 x6V_0.5兀pCR3_：0.5x3.14x1.25x0.4x0.83耳p_36.7m/s這個(gè)風(fēng)速相當(dāng)于13級(jí)風(fēng)，制動(dòng)器在13級(jí)風(fēng)下可以安全制動(dòng)。為了保護(hù)有效發(fā)電機(jī)和其他部件，制動(dòng)器必須在轉(zhuǎn)速超出發(fā)電機(jī)允許圍時(shí)立即動(dòng)作，完成轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)收集的任務(wù)就交給了光電編碼器，光電編碼器通過(guò)光電轉(zhuǎn)換收集轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)送往主控電路（一般為單片機(jī)）進(jìn)行分析，最后產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)使執(zhí)行件動(dòng)作。圖5-3為套軸式編碼器，軸孔直接與電機(jī)軸配合，通過(guò)螺釘鎖緊，當(dāng)電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)光電編碼器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并產(chǎn)生光電信5-3光電編碼器套軸式編碼器IHA8030孔30

27、mm光電編碼器的參數(shù)如表5.3所示。表5.3IHA8030光電編碼器數(shù)據(jù)電源電壓DC+55%最大機(jī)械轉(zhuǎn)矩4000rpm輸出電壓髙電平三85%Vcc,低電平W0.3V抗震力50m/s2,10200HZ,xyz方向各2h續(xù)上表消耗電流W180mA抗沖擊980m/s2,6ms,xyz方向各2次響應(yīng)頻率0100KHZ防護(hù)防水、防油、防塵IP54輸出波形方波工作壽命MTBF三50000h(+25C,20000rpm)載空比0.5T0.1T工作溫度-10C70C啟動(dòng)力矩5X10-2Nm儲(chǔ)存溫度-30C85C轉(zhuǎn)動(dòng)慣量4X10-5kgm2工作濕度3085%(無(wú)結(jié)霜)軸最大負(fù)荷徑向40N,軸向30N重量約0.6

28、kg用光電編碼器對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行控制不僅控制精度高，而且靈活性較大，用戶可以通過(guò)簡(jiǎn)單的修改數(shù)據(jù)就可以對(duì)制動(dòng)器的觸發(fā)轉(zhuǎn)速進(jìn)行修改，這一特點(diǎn)對(duì)于不同地方不同環(huán)境下的制動(dòng)非常有利。塔架的設(shè)計(jì)支撐件受力分析支架選用低合金碳鋼，在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)盡量減少重量，現(xiàn)選擇牌號(hào)40Cr結(jié)構(gòu)用無(wú)縫鋼管，壁厚2mm，外徑30mm，長(zhǎng)度1448mm，我們考慮最壞情況，即氣流直接作用于靜止的葉片上，這樣將四個(gè)葉片等效于一個(gè)平板，平板的面積為四個(gè)葉片投影面面積之和，如圖5-4圖5-4等效受力圖根據(jù)流體力學(xué)伯努利方程，作用于平板上的正壓力為=1.13x10-6P=丄卩v2=0.5x1.25x302=562.5Pa2作用于平板

29、的合力為F=PS=562.5x0.375=211N四個(gè)葉片所受到的力最后傳遞到中間支撐桿，支撐桿為40Cr合金鋼空心結(jié)構(gòu)，重量輕,強(qiáng)度高，如圖5-5所示。FL桿受彎矩為鋼管截面模量為T=FL/2=211x0.742=157N兀D3八、WF（i4）=3.14x0.03332(1-0.874)5.1)圖5-6支撐桿受力簡(jiǎn)圖其中D為外徑，m；a=26/30=0.87為徑與外徑比。2fcos30。cos60=F表5.5蓄電池參數(shù)由圖5-8可得到下式：受到最大彎應(yīng)力M1575二(-)二一二138.9MPa(5.2)maxW1.13X106Z查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-常用工程材料表3-1-9得40Cr合金鋼的

30、許用應(yīng)力為5二980MPa，所以能夠滿足強(qiáng)度要求。b拉索的受力計(jì)算塔架的穩(wěn)定方式有很多，有拉桿式、拉索式、桁架式等，而拉索式憑借其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)低廉的價(jià)格及安裝簡(jiǎn)易等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種塔架的固定。塔架用三條拉索固定與地面每根拉索在水平面投影的夾角為120，與塔架夾角為60，拉索布置如圖5-7所示。Z圖5-7拉索的布置圖5-8單根拉索受力分析按最不利原則，風(fēng)速方向與y軸平行，受力如圖5-8所示。r=f=-2cos30。cos60。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)起重機(jī)部分可得如表5.4所示。表5.4拉索力學(xué)性能鋼絲繩公稱直徑d/mm材料近似質(zhì)量鋼絲公稱抗拉強(qiáng)度/MPa鋼絲繩最小破斷拉力/KN2鋼芯鋼絲繩1.55kg

31、/100m14702.11鋼絲繩數(shù)據(jù)目前市場(chǎng)上能夠買得到的鋼繩成品有許多，力森鋼絲繩生產(chǎn)的6X7類鋼絲繩直徑為2mm鋼絲繩可以滿足我們?cè)O(shè)計(jì)需求，在地面準(zhǔn)確位置固定地腳螺栓鋼筋，鋼筋端部彎成環(huán)狀與鋼絲繩套環(huán)連接。蓄電池和選型蓄電池的種類及工作基本原理電化學(xué)電池是一種把氧化還原反應(yīng)所釋放出來(lái)的能量直接轉(zhuǎn)變成低電壓直流電能的裝置，蓄電池分為酸性電池和堿性電池兩大類，酸性電池也稱鉛酸電池，其電解質(zhì)為硫酸，負(fù)極為Pb，正極為PbO。2鉛酸蓄電池廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，電池價(jià)格便宜，為鎘鎳蓄電池的1/6；高倍率放電性能良好，可用于引擎啟動(dòng)，多用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)；電池電壓在使用蓄電池中最高，可達(dá)到2.2V且易

32、于浮充使用，沒(méi)有“記憶”效應(yīng)。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)我們采用鉛酸蓄電池來(lái)作為儲(chǔ)能原件13。蓄電池選型松下蓄電池生產(chǎn)的LC-P12100ST型蓄電池滿足我們的設(shè)計(jì)要求，基本參數(shù)如表5.5所示。5.4.2箱體的防銹與密封松下蓄電池100AH電池類型閥控密閉鉛酸蓄電池使用產(chǎn)品UPS容量100AH電壓12V其他特征407X173X210mm箱體的設(shè)計(jì)箱體主要用于安裝發(fā)電機(jī)等重要部件，使這些部件免受風(fēng)雨的侵蝕，要求能夠防銹密封。箱體要有一定的重量才能防止讓整個(gè)系統(tǒng)重心比較低，起到穩(wěn)定的作用。箱體的外形設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的箱體主要以圓柱形為主，上部小，下部偏大，呈階梯狀，如圖5-9所示。箱體一側(cè)開(kāi)一矩形門，方便蓄

33、電池的安裝與檢修，箱底部?jī)蓚€(gè)導(dǎo)軌起到導(dǎo)向作用，能夠讓蓄電池在裝入和取出時(shí)不偏移。為了防止箱體被大風(fēng)傾覆，在箱體底部用6個(gè)地腳螺栓與地面固定。防銹：箱體材料為鑄鐵，在戶外工作環(huán)境中難免會(huì)受到水和空氣的銹蝕，銹蝕后的箱體不僅密封性降低，而且強(qiáng)度也受到影響，因此，必須對(duì)箱體進(jìn)行防銹處理。防銹處理的最簡(jiǎn)單方法是在箱壁上噴涂防銹漆。防銹漆有油性的和水性的兩種，油性防銹漆在材料表面形成油性物質(zhì)，去除難，現(xiàn)在一般很少采用，水性防銹漆使用方便、價(jià)格低廉，但是具有一定毒性。防銹漆在市場(chǎng)上比較容易買到，在此不詳細(xì)說(shuō)明。密封：光電耦合器、發(fā)電機(jī)等都是比較容易受損的部件，如果箱體密封不嚴(yán)，一些雨水等具有銹蝕作用的物質(zhì)進(jìn)入箱體將影響到他們的正常工作。箱體的密封方法很多，有墊密封膠密封、填料密封等等。墊密封操作簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于管道、壓力容器及各種殼體結(jié)合面密封中，密封墊常用材料有橡膠、皮革、石棉、紙等等。本次設(shè)計(jì)采用異丁橡膠密封墊，其滲透泄露較小。結(jié)論本文在參照各文獻(xiàn)后做出了垂直軸風(fēng)力機(jī)的一個(gè)總體設(shè)計(jì)方案，此系統(tǒng)能夠在較小風(fēng)速下啟動(dòng)發(fā)電，能夠滿足一般家庭的供電，與傳統(tǒng)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，風(fēng)能利用率更高，起動(dòng)風(fēng)速低，噪音少，應(yīng)用前景廣闊。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程包括風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及塔架的設(shè)計(jì)等，通過(guò)三維建模直觀表現(xiàn)風(fēng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)比較后認(rèn)為