風(fēng)力機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)

第三章風(fēng)力機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)葉輪塔架傳動(dòng)安裝附屬部件偏航安裝轉(zhuǎn)速調(diào)理§3.1、葉輪由輪轂和相銜接的葉片組成。討論要點(diǎn)：——輪轂與槳葉的銜接型式——輪轂資料與檢驗(yàn)——槳葉的強(qiáng)度計(jì)算一、輪轂與槳葉的銜接型式1、固定銜接〔剛性銜接〕三葉片葉輪大多用此銜接方式。制造本錢(qián)低，較少維護(hù)，無(wú)磨損。但要接受一切來(lái)自葉片的載荷。銜接用螺栓的材質(zhì)要好，外加防松安裝。2、鉸鏈?zhǔn)姐暯印踩嵝糟暯印吵Ｓ糜趦扇~片葉輪。鉸鏈軸分別垂直于葉片軸和葉輪轉(zhuǎn)軸——揮舞運(yùn)動(dòng)不受約束。假設(shè)兩個(gè)葉片固連成一體，特稱為蹺蹺板鉸鏈，可使槳葉在旋轉(zhuǎn)平面前后幾度〔如5度〕的范圍內(nèi)自在擺動(dòng)，以便更利于錐角效應(yīng)。變槳距葉輪中的槳葉轉(zhuǎn)軸另行引見(jiàn)。但改動(dòng)力矩變化較大，葉輪躁聲大，構(gòu)造復(fù)雜。二、輪轂資料與檢驗(yàn)輪轂可用鑄鋼鑄造或由鋼板焊接而成。——鑄件不能有鑄造缺陷〔夾渣、縮孔、砂眼、裂紋等〕，否那么重新澆鑄。——對(duì)焊接件的焊縫要進(jìn)展超聲波檢查。大型風(fēng)力機(jī)葉輪的輪轂可用加延伸節(jié)的方式，簡(jiǎn)化輪轂的制造，減少出現(xiàn)各種缺陷的能夠。對(duì)輪轂〔和延伸節(jié)〕要進(jìn)展靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析。三、槳葉的強(qiáng)度計(jì)算槳葉的危險(xiǎn)剖面：槳葉根部。思索槳葉處于程度和垂直兩個(gè)特殊方位時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算。1、槳葉處于程度位置葉根載荷：——重力矩〔最大〕；——?dú)鈩?dòng)推力產(chǎn)生的彎矩；彎曲應(yīng)力——改動(dòng)力矩產(chǎn)生的彎矩；——離心力：拉應(yīng)力

2、槳葉處于垂直位置偏航時(shí)的陀螺力矩為：M=2Jsint——當(dāng)t為0〔即處于程度位置〕時(shí)，M為0；——當(dāng)t為±90時(shí)，M最大。外加其它正常作用的載荷，槳葉根部應(yīng)力最大。

§3.2齒輪箱與剎車大型風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速大多在30~50rpm之間，也有更低的〔思索槳葉離心力與葉尖線速度〕，與發(fā)電機(jī)之間存在較大的轉(zhuǎn)速差。故設(shè)置傳動(dòng)安裝——齒輪箱。傳動(dòng)安裝包括：增速器、聯(lián)軸器等。一、齒輪箱根本要求：分量輕、效率高〔尤其對(duì)大型風(fēng)力機(jī)〕、承載才干大、躁聲小、起動(dòng)力矩小。類別：定軸齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)混合輪系傳動(dòng)

600kw風(fēng)力機(jī)用的齒輪箱二、機(jī)械剎車普通有兩種剎車安裝：——運(yùn)轉(zhuǎn)剎車：正常情況下反復(fù)運(yùn)用?！o急剎車：出現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)缺點(diǎn)時(shí)運(yùn)用。安頓位置：低速端或高速端。三、空氣動(dòng)力剎車用途：常用于失速型風(fēng)力機(jī)的超速維護(hù)，作為機(jī)械剎車的補(bǔ)充。原理：經(jīng)過(guò)改動(dòng)槳葉的升阻比。實(shí)現(xiàn)：常經(jīng)過(guò)超速時(shí)的離心作用?！?.3對(duì)風(fēng)安裝為了使風(fēng)力機(jī)有效地捕捉風(fēng)能，應(yīng)保證葉輪一直根本上處于迎風(fēng)形狀。這里簡(jiǎn)單引見(jiàn)電動(dòng)對(duì)風(fēng)安裝。大中型風(fēng)力機(jī)中普遍運(yùn)用電動(dòng)對(duì)風(fēng)安裝。一、系統(tǒng)組成風(fēng)向標(biāo)，控制電路，偏航齒輪，伺服電機(jī)，剎車等。二、對(duì)風(fēng)原理三、其它問(wèn)題偏航角速度：0.026~0.035rad/s(1/4r/m~1/3r/m)回轉(zhuǎn)制動(dòng)器的運(yùn)用：保證對(duì)風(fēng)可靠。§3.4塔架型式有拉索式無(wú)拉索式桁架式圓筒式塔架高度§3.5調(diào)速〔限速〕方式在一定的風(fēng)速變化范圍內(nèi)自動(dòng)限制轉(zhuǎn)速和功率。調(diào)速原理：葉輪輸出功率：P=1/2CpSV13——改動(dòng)S：葉輪側(cè)偏——改動(dòng)Cp：變槳距、失速。一、變槳距調(diào)理1、調(diào)理原理——佳與CL及Cp關(guān)系；——利用=-〔槳距角〕2、實(shí)現(xiàn)方式全槳葉變槳距，葉尖部分變槳距。全槳葉變槳距方式1〕離心式2〕風(fēng)壓式利用風(fēng)壓中心與轉(zhuǎn)軸中心不重合的特點(diǎn)。3〕伺服機(jī)構(gòu)式二、失速調(diào)理1、失速景象當(dāng)槳葉上的攻角增大到一定數(shù)值時(shí)，在翼型上翼面流動(dòng)的氣流產(chǎn)生偏離而不能附著在上面〔稱為零落或分別〕的景象。WV≤額定風(fēng)速V正常氣流-U

WV>額定風(fēng)速V——失速

-U幾點(diǎn)闡明：正常流動(dòng)時(shí)，流線平滑且流過(guò)上翼面。這種流動(dòng)從翼型前緣臨近到剖面的最大壓力點(diǎn)處是加速進(jìn)展的，然后沿著上翼面的其他部分到后緣緩慢減速。對(duì)于堅(jiān)持附著在上翼面的流動(dòng)來(lái)說(shuō)，這種減速必定是非常緩慢的。當(dāng)攻角足夠大〔大于失速攻角〕時(shí)，上述的“減速〞加大而使附面層無(wú)法堅(jiān)持，使氣流從翼型外表分別——失速。普通來(lái)說(shuō)，失速攻角在12°左右〔大致相當(dāng)于升力系數(shù)為1.2〕。同時(shí)，它在很大程度上還取決于翼型外形和雷諾〔Reynolds〕數(shù)。未失速的翼型具有低阻力且升力系數(shù)隨攻角線性添加的特性。而失速的翼型阻力加大，升力大大降低。2、失速調(diào)理根據(jù)翼型上升力L、阻力D與驅(qū)動(dòng)力矩T、推力F之間的關(guān)系以及葉輪輸出功率P=T，失速時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩不再添加，使葉輪的轉(zhuǎn)速維持近似的恒定，而功率也不再添加。由于葉尖處的安裝角較小，其攻角較大而接近失速形狀。一旦風(fēng)速超越額定值，葉尖首先進(jìn)入失速形狀。葉輪輸出的最大功率對(duì)葉片的安裝角的變化很敏感，大體上是安裝角越大，開(kāi)場(chǎng)失速時(shí)的風(fēng)速越大，而最大功率也越高。采用失速調(diào)理時(shí)的安裝角應(yīng)該相當(dāng)準(zhǔn)確，以免不用要的空氣動(dòng)力損失而影響出力。3、失速調(diào)理的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)——無(wú)變槳距調(diào)理時(shí)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，輪轂構(gòu)造簡(jiǎn)化，消費(fèi)本錢(qián)降低，維護(hù)費(fèi)用減少。——失速后，陣風(fēng)對(duì)葉輪的輸出功率影響不大，即該功率不會(huì)隨陣風(fēng)出現(xiàn)太大的動(dòng)搖。因此風(fēng)力機(jī)無(wú)需進(jìn)展功率調(diào)理，進(jìn)而省去功率調(diào)理系統(tǒng)的費(fèi)用。缺陷——需可靠的剎車以免在風(fēng)速過(guò)大失速消逝后出現(xiàn)飛車，這導(dǎo)致了額外的費(fèi)用?！捎陔S風(fēng)速的添加，氣動(dòng)推力加大，即使功率恒定或稍有下降。此時(shí)葉片、機(jī)艙和塔架上將接受較高的動(dòng)態(tài)載荷?！陬l繁的剎車過(guò)程中，使葉片與傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的動(dòng)載荷。——起動(dòng)風(fēng)速較高，使起動(dòng)性較差。——在低空氣密度地域難以到達(dá)額定功率?！?.6槳葉設(shè)計(jì)中的假設(shè)干問(wèn)題3.6.1葉輪的總體參數(shù)一臺(tái)設(shè)計(jì)良好的風(fēng)力機(jī)必需具有良好的空氣動(dòng)力性能。風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)能主要表現(xiàn)為葉輪的空氣動(dòng)力性能。葉輪的空氣動(dòng)力性能主要取決于它的氣動(dòng)設(shè)計(jì)。氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，必需先確定總體參數(shù)。這也是進(jìn)展方案設(shè)計(jì)所必需的。一、尖速比0葉輪的葉尖線速度與額定風(fēng)速之比。是一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)。與葉片數(shù)及實(shí)度有關(guān)。用于風(fēng)力發(fā)電的高速風(fēng)力機(jī)，常取較大的尖速比。尖速比在5-15時(shí)，具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)。通?？扇?-8?！咚亠L(fēng)力機(jī)在制造本錢(qián)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性等方面均優(yōu)于低速風(fēng)力機(jī)。但啟動(dòng)風(fēng)速較高。尖速比的最終值：在初定的根底上，需根據(jù)額定風(fēng)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速選擇齒輪箱傳動(dòng)比，再計(jì)算尖速比，作為設(shè)計(jì)參數(shù)。二、葉片數(shù)取決于葉輪的尖速比，詳細(xì)對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表。由于葉片數(shù)少的風(fēng)力機(jī)在高尖速比運(yùn)轉(zhuǎn)的具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)，適宜于發(fā)電。三葉片的風(fēng)力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和功率輸出較平穩(wěn)，兩葉片的可降低本錢(qián)。三、風(fēng)輪直徑D風(fēng)輪直徑D主要取決于兩個(gè)要素：——風(fēng)力機(jī)輸出功率P——額定風(fēng)速V1計(jì)算公式的推導(dǎo)：——葉輪輸出功率：P1=1/2CpSV13=P/(12)于是：P=1/2CpV1312D2/4——直徑D的簡(jiǎn)化計(jì)算公式：D2=8P/(Cp12V13)5.6P/V13其中，取Cp0.45，1.25，120.81四、額定風(fēng)速〔設(shè)計(jì)風(fēng)速〕V1額定風(fēng)速的影響：直接影響著葉輪乃至風(fēng)力機(jī)尺寸及本錢(qián)，是一個(gè)非常重要的參數(shù)。額定風(fēng)速確實(shí)定：取決于運(yùn)用地域的風(fēng)能資源分布，包括：——平均風(fēng)速的大?。弧L(fēng)速的頻率分布。技術(shù)人員應(yīng)該具備相關(guān)的背景知識(shí)五、實(shí)度定義：葉輪的葉片面積之和與風(fēng)輪掃面積之比。它是和尖速比親密相關(guān)的一個(gè)重要參數(shù)。取值：對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，由于尖速比較高，要求有較高的轉(zhuǎn)速，起動(dòng)風(fēng)速高，因此，可取較小的實(shí)度。通常大致在5~20%之間?？蓞⒖糎utter的研討結(jié)果〔圖略〕。作用：——決議葉輪的力矩特性，尤其是起動(dòng)力矩；——決議葉輪的分量與資料本錢(qián)。六、翼型的升阻比翼型決議著風(fēng)力機(jī)的效率，詳細(xì)表達(dá)在翼型的升阻比〔L/D〕上。升阻比愈高：——風(fēng)能利用系數(shù)愈大，那么風(fēng)力機(jī)的效率愈高。——性能曲線中風(fēng)能利用系數(shù)Cp受葉片數(shù)或尖速比的影響愈小七、其它參數(shù)1、葉輪中心離地面高度H取決于安裝地點(diǎn)〔山谷、丘陵等〕，垂直風(fēng)梯度，安裝條件，單機(jī)容量等要素。2、葉輪錐角——葉片和旋轉(zhuǎn)平面的夾角。——減少氣動(dòng)力引起的葉根彎曲應(yīng)力〔對(duì)下風(fēng)式風(fēng)力機(jī)〕；——防止葉片梢部與塔架碰撞〔對(duì)上風(fēng)式〕。3、葉輪傾角——葉輪轉(zhuǎn)軸與程度面的夾角。減少葉片梢部與塔架碰撞的時(shí)機(jī)3.6.2葉片的載荷分析對(duì)葉片運(yùn)轉(zhuǎn)載荷分析與計(jì)算，不僅是葉片的構(gòu)造設(shè)計(jì)所必需的，而且更為重要的是分析整個(gè)風(fēng)力機(jī)各部件受載的根底。風(fēng)力機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，作用在其上的載荷就比較復(fù)雜，主要有氣動(dòng)載荷，重力和慣性載荷。它們都隨時(shí)間而變化，特別是氣動(dòng)載荷受陣風(fēng)和風(fēng)向變化的影響是隨機(jī)的，要準(zhǔn)確計(jì)算是困難的。除了正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況外，還有其它工況，如啟動(dòng)—停機(jī)，忽然停機(jī)等，都將導(dǎo)致額外的載荷。本節(jié)僅討論正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的載荷問(wèn)題。一、葉片的受力分析作用在葉片上的力簡(jiǎn)化為三種力：空氣動(dòng)力、離心力和重力。各作用力的影響二、陣風(fēng)效應(yīng)陣風(fēng)期間，風(fēng)速在一秒內(nèi)可變化15~20m/s甚至更多，風(fēng)向在一秒內(nèi)可改動(dòng)幾十度。此時(shí)，葉片處在不利的攻角下，導(dǎo)致所受彎矩的添加——陣風(fēng)效應(yīng)。-U

βWV1 三、錐角效應(yīng)對(duì)下風(fēng)式風(fēng)力機(jī)，葉片與轉(zhuǎn)軸的夾角小于90度，將使正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)葉片遭到的彎曲應(yīng)力大大減小，甚至可為零——錐角效應(yīng)。問(wèn)題?四、陀螺效應(yīng)葉輪偏航時(shí)，槳葉除遭到氣動(dòng)力的作用外，還受有離心力和旋轉(zhuǎn)慣性力，在槳葉中產(chǎn)生附加力矩——陀螺效應(yīng)，附加力矩的大小為：M=2I1第四章風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用的發(fā)電機(jī)種類葉輪與發(fā)電機(jī)的匹配發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)§4.1常用的發(fā)電機(jī)種類一、同步發(fā)電機(jī)1、根本構(gòu)成定子定子鐵心定子繞組〔定子線圈〕

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子鐵心〔磁極〕勵(lì)磁繞組〔轉(zhuǎn)子繞組〕由于轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子相對(duì)于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)，而該感應(yīng)電流又產(chǎn)生轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的電磁力。因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不能等于同步轉(zhuǎn)速n1——異步電動(dòng)機(jī)

3、轉(zhuǎn)差率定義n1-n為轉(zhuǎn)速差；s=(n1-n)/n1×100%為轉(zhuǎn)差率異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率普通為1.5~6%。用作發(fā)電機(jī)時(shí)，必需使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n大于同步轉(zhuǎn)速n1，此時(shí)，葉輪與發(fā)電機(jī)的匹配由于缺乏風(fēng)力發(fā)電公用的發(fā)電機(jī)系列產(chǎn)品，設(shè)計(jì)者需選用適宜的發(fā)電機(jī)。選用時(shí)必需思索葉輪與發(fā)電機(jī)之間的匹配問(wèn)題，主要包括功率匹配、轉(zhuǎn)速匹配及轉(zhuǎn)矩匹配。一、功率匹配葉輪功率曲線——葉輪輸出功率與風(fēng)速或葉輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線。發(fā)電機(jī)功率特性曲線——輸出功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線。問(wèn)題：在同一額定功率下，葉輪所對(duì)應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)所對(duì)應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速相差幾倍到幾十倍。處理途徑：利用增速機(jī)構(gòu)，使發(fā)電機(jī)在葉輪的額定轉(zhuǎn)速下發(fā)出額定功率。