风力发电机的设计Word格式.docx
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35KE
Abstract
Naturalwindspeedanddirectionofchangeisrandom,windcharacteristicsofuncertainty,howtomakewindturbineoutputpowerstability,windpowertechnologyisanimportantsubject.Sofar,haveraisedavarietyofwaystoimprovethequalityofthewind,suchastheuseofvariablespeedcontroltechnology,canmakeuseofwindroundthemomentofinertiasmoothpoweroutput.Becausevariablespeedwindpowergroupusingapowerelectronicdevices,whenitwilltransfertotheoutputofelectricpowergrids,willchangeinthewave'
spower,andpowerfactordeterioration.
UseofwindenergyinthedevelopmentofkeytechnicalissuesinvoIvedinwindenergytechnologyisoneofanumberofintegratedtechnicaldisciplines.Moreover,thewindturbineisusuallydifferentfromthemechanicalsystemcharacteristics:
astrongpowersourceisnotrandomandcontinuityofthenaturalwind,theleavesoftenruninthestallcondition,thepowertransmissionsystemveryirregularimportation,fatigueloadthanRotatingMachineryusuallyseveraltimes.
Basedonthewindturbinedesign,leaves,thewheeldesign,levelofrotatingthedesign,gearboxsystemdesign,useofwindpowertoachievetheobjectiveofeffectiveuseofwindenergyresources,reducenon-renewableresourcesConsumption,reducetheenvironmentalpollution.
Keywords:
windpower;
windpowergeneratorsblade；
wheel;
Gearbox
F录
前言1
1概述2
1.1风力发电机的发展简史2
1.2我国现阶段风电技术发展状况2
1.3风力的等级选择3
1.4风能利用发展中的关键技术问题4
2风轮的结构设计6
2.1风轮设计中的关键技术一迎风技术6
2.2风轮桨叶的结构设计7
2.2.1桨叶材料的选择7
2.2.2风轮扫掠半径参数计算7
2.2.3风轮的半径分配问题8
2.3理想风能的利用8
2.4桨叶轴的结构设计计算11
2.4.1桨叶轴危险截面轴颈的计算11
2.4.2桨叶轴各轴段轴颈的结构设计计算13
2.5风力发电机组的功率调节问题13
2.6风轮桨叶的复位弹簧参数计算15
2.7风轮的桨叶轴轴承座的螺栓强度校核计算18
2.7.1轴承座上螺栓组的布置问题18
2.7.2螺栓的受力分析和参数计算19
2.7.3轴承座上螺栓直径的计算20
2.7.4轴承座上螺栓疲劳强度校核20
3风力发电机的主轴结构设计22
3.1主轴的相关参数的选择和计算22
3.2轴段的设计与校核22
4风力发电机的增速器和发动机的选取25
4.1主轴与增速器之间的联轴器25
4.1.1联轴器的特点25
4.2.2联轴器的型号及主要参数25
4.2风力发电机增速器的选择25
4.2.1使用范围和特点25
4.2.2型号的选择26
4.3发电机的选取26
4.3.1选择发电机应综合考虑的问题26
4.3.2型号的选择26
5风力发电机的回转体结构设计和参数计算27
5.1初步估计回转体危险轴颈的大小27
5.2结构设计28
6风力发电机的其他元件的设计29
6.1刹车装置的设计29
6.2选择滑环29
6.3托架的基本结构30
32
7结论31
致谢
参考文献33
附录A译文34
附录B夕卜文文献46
刖言
自然界的风是可以利用的资源，然而，我们现在还没有很好的对它进行开发。
这就向我们提出了一个课题：
我们如何开发利用风能？
因此，为了满足在变速控制过程中良好的动态特性，并使发电机向电网提供高品质的电能，发电机和电网之间的电力电子接口应实现以下功能：
一，在发电机和电网上产生尽可能低的协波电波；
二，具有单位功率因素或可控的功率因素；
三，使发电机输出电压适应电网电压的变化；
四，向电网输出稳定的功率；
五，发电机磁转距可控。
此外，当电网中并入的风力电量达到一定程度，会引起电压不稳定。
特别是电网发生短时故障时，电压突降，风力发电机组就无法向电网输送能量，最终由于保护动作而从电网解列。
在风能占较大比例的电网中，风力发电机组的突然解列，会导致电网的不稳定。
因此，用合理的方法使风力发电机组电功率平稳具有非常重要的意义。
本论文在王慧老师的悉心教导之下，通过研读各著作期刊，经过多次的修改。
由于作者水平有限，论文中难免出现点差错，恳请读者指正。
1概述
1.1风力发电机的发展史简介
我国是最早使用风帆船和风车的国家之一，至少在3000年前的商代就出现了帆船，至惦
代风帆船已广泛用于江河航运。
最辉煌的风帆时代是明代，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。
明代以后风车得到了广泛的应用，我国沿海沿江的风帆船和用风力提水灌溉或制盐的做法，一直延续到20世纪50年代，仅在江苏沿海利用风力提水的设备增达20万台。
随着蒸汽机的出现，以及煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，各种曾经被广泛使用的风力机械，由于成本高、效率低、使用不方便等，无法与蒸汽机、内燃机和电动机等相竞争，渐渐被淘汰。
欧洲到中世纪才广泛利用风能，荷兰人发展了水平轴风车。
18
世纪荷兰曾用近万座风车排水，在低洼的海滩上造出良田，成为著名的风车之国。
德国、丹麦、西班牙、英国、荷兰、瑞典、印度加拿大等国在风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人力及资金，充分综合利用空气动力学、新材料、新型电机、电力电子技术、计算机、自动控制及通信技术等方面的最新成果，开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展了变浆距控制及失速控制的风力机设计理论，采用了新型风力机设计理论，采用了新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出了变极、变滑差、变速、恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。
到了19世纪末，开始利用风力发电，这在解决农村电气化方面显示了重要的作用，特别是20世纪70年代以后，利用风力发电更进入了一个蓬勃发展的阶段。
1.2我国现阶段风电技术发展状况
中国现代风力发电机技术的开发利用起源于20世纪70年代初。
经过初期发展、单机分散研制、系列化和标准化几个阶段的发展，无论在科学研究、设计制造，还是试验、示范、应用推广等方面均有了长足的进步和很大的提高，并取得了明显的经济效益和社会效益。
我国对风电已有部分优惠政策，包括一下几个方面。
1）风电配额制定出常规火电污染排放量分配比例，由全国所有省区共同分摊的政策。
2）风电上网电价落实风电高于火电的价差摊到全省的平均销售电价中。
制定出按常规水电污染排放量分配比例，由全国所有省区共同分摊的政策。
按地区具体情况定出风电最高上网电价的限制，并保持10年不变，促使业主充分利用资源，降低成本。
3）售电增值税发电增加了新的税源，建议参照小水电，核定风电销售环节增值税率为
4）银行贷款为降低风电电价，减轻还贷压力，建议适当延长风电还贷期限，还贷期增
至15年；
为风电项目提供贴息贷款。
5）鼓励采用国产化风电机为采用国产化风电机的业主提供补贴和贴息贷款，补偿开发
商的风险，帮助初期国产化机组进入市场，得到批量生产和改进产品的机会，以利降低成本。
表1-1中国风电场装机容量发展情况（单位：
万kw）
Table1-1China'
sinstalledcapacityofwindpowerdevelopment（unit:
10，000KW）
装机容量
1999
2000
2001
2002
2003
2004
当年新增
4.47
7.65
5.72
6.69
9.98
19.8
累计容量
26.83
34.48
40.20
46.62
56.6
76.4
1.3风力的等级选择
风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计
风力的大小，国际上采用的是英国人蒲福（FrancisBeaufort，1774~1859）于1805年所拟定
的等级，故又称蒲福风级，他把静风到飓风分为13级。
见表2-2。
表1-2蒲福风力等级表
Table1-2Bofuwindscale
风相当于平地10m
名称
力高处的风速（m/s）
陆上地物征象
等
范围
中数
级
中文
英文
静风
Calm
0.0~0.2
静、烟直上
1
软风
Lightair
0.3~1.5
烟能表示风向，树叶
略有摇动
人面感觉有风，树叶
2
轻风
Lightbreeze
1.6~3.3
有微响，旗子开始飘
动，咼的草开始摇动
树叶及小枝摇动不
3
微风
Gentlebreeze
3.4~5.4
4
息，旗子展开，高的
草摇动不息
能吹起地面灰尘和
Moderate
和风
breeze
5.5~7.9
7
纸张，树枝动摇，高的草呈波浪起伏
有叶的小树摇摆，内
5
清劲风
Freshbreeze
8.0~10.7
9
陆的水面有小波，咼
的草波浪起伏明显
大树枝摇动，电线呼
呼有声，撑伞困难，
6
强风
Strongbreeze
10.8~13.8
12
高的草不时倾伏于
地
大树摇动，大树枝弯
疾风
Neargale
13.9~17.1
16
下来，迎风步行感觉
不变
可折毁小树枝，人迎
8
大风
Gale
17.2~20.7
20
风前行感觉阻力甚
大
草房遭受破坏，屋瓦
烈风
Stronggale
20.8~24.4
23
被掀起，大树枝可折
断
树木可被吹倒，一般
10
狂风
Storm
24.5~28.4
26
建筑物遭破坏
大树可被吹倒，一般
11
暴风
Violentstorm
28.5~32.6
31
建筑物遭严重破坏
陆上少见，其摧毁力
飓风
Hurricane
>
32.6
33
极大
1.4风能利用发展中的关键技术问题
对于这样的强随机性的综合系统，其技术发展中有下列几个关键技术问题：
1）空气动力学问题
空气动力设计是风力机设计技术的基础，它主要涉及下列问题：
一是风场湍流模型，早期风力机设计采用简化风场模型，对风力机疲劳载荷和极端载荷的确定具有重要意义；
另一是动态气动模型。
再一是新系列翼型
2）结构动力学问题
准确的结构动力学分析是风力机向更大、更柔和结构更优方向发展的关键。
3）控制技术问题
风力机组的控制系统是一个综合性的控制系统。
随着风力机组由恒速定浆距运行发展到变速变浆距运行，控制系统除了对机组进行并网、脱网和调向控制外，还要对机组进行转速和功率的控制，以保证机组安全和跟踪最佳运行功率。
2风轮的结构设计
2.1风轮设计中的关键技术-迎风技术
风速的大小、方向随时间总是在不断变化，为保证风轮机稳定工作，必须有一个装置跟踪风向变化，使风轮随风向变化自动相应转动，保持风轮与风向始终垂直。
这种装置就是风轮机迎风装置。
123
PrvwCp
（2-1）
30Vw
（2-2）
n—
11—
?
i.■r
式中P—
风轮机输出功率，
KW;
空气密度，
kg/m3;
r
—风轮半径，
m；
Cp
——风能利用系数
Vw
风速，
m/s；
n
风轮转速，
r/min；
由式（2-1）和（2-2）可知风轮机的输出功率与风速立方成正比，转速与风速一次方成正比。
因此，风速变化将引起出力和转速的变化。
风轮迎风装置有三种方法：
尾舵法、舵轮法和偏心法。
风向变化时，机身上受三个扭力矩作用，机头转动的摩擦力矩Mf，斜向风作用于主轴
上的扭力矩Mw，尾舵轮扭力矩Mt。
Mf与机头质量、支持轴承有关，Mw决定于风斜角「•、距离L,尾舵力矩由下式近似计算
Pu22
Mt:
CRAtK2L（2-3）
式中Cr——尾舵升力、阻力合力系数C^...Cl2Cd2由实验曲线查得；
A——尾舵面积，m2;
u风轮的圆周速率，m/s；
K——风速损失系数约0.75;
L尾舵距离，m。
机头转动条件
（2-4）
Mt二MfMW
尾舵面积
（2-5）
A2MfMw二CRm2K2L
式中Mt——尾舵轮扭力矩，N・m；
Mf——机头转动的摩擦力矩，N；
Mw——斜向风作用于主轴上的扭力矩，N・m；
按上式设计的尾舵面积就可以保证风轮机桨叶永远对准风向。
舵轮法是用自动测风装置测定风向，按风向偏差信号控制同步电动机转动风轮，此方法也可保证风轮机桨叶永远对准风向。
在本设计中把尾舵取消增加桨叶轴与圆盘角度到7°
角这样可以加大与斜向风的接触面
积增大斜向风对主轴的转矩当斜向风的转矩为零时风轮机桨叶对准风向。
2.2风轮桨叶的结构设计
2.2.1桨叶材料的选择
水平轴风力机的风轮一般由1〜3个叶片组成（本设计中取6片桨叶），它是风力机从风中吸收能量的部件。
叶片采用实心木质叶片。
这种叶片是用优质木材精心加工而成，其表面可以蒙上一层玻璃钢。
在本设计中桨叶材料选用落叶松作为内部骨架，木材物理力学性能见下表。
表2-1木材物理力学性能
Table2-1Physicalandmechanicalpropertiesofwood
顺纹抗压强度
/MPa
顺纹抗拉强
/Mpa
强度极限/MPa
弹性模数/MPa
顺纹抗剪强度
52.2
122.6
99.3
126X102
径向
弦向
8.8
7.0
222风轮扫掠半径的参数计算
任何种类风力机产生的功率可用下式表示:
风轮机功率
风轮半径
P=rVwCP
P220000,”
r一「~Vw3Cp=1.253.141030.45"
山
取r=5.0m
叶尖速比
u_2：
：
叮rnVW一60Vw
23.14
60
□6=25491
风轮机转速
n=30Vw'
（2-6）
（2-7）
（2-8）
（2-9）
式中
P――输出功率（指额定工况下输出的电功率）
（W）；
P=20KW（给定值）
「一一空气密度（一般取大气标准状态）（kg/m3）；
21.25kg/m3（给定值）
Vw――设计的风速（风轮中心高度处）（m/s）;
Vw=10m/s（给定值）
A风轮扫掠面积A—r2；
r风轮半径（m）（m2）;
Cp――风能利用系数；
Cp=0.45（给定值）
n风轮机转速；
n=100r/min（给定值）
r风轮半径（m）;
-――叶尖速比；
n风轮机转速（m/s）；
2.2.3风轮的半径分配问题
根据需要，圆盘轮毂半径取a=0.45m,圆盘轮毂与桨叶间距取0.05m。
则桨叶长度
I二r十-0.1=2.5-0.45-0.0.05二2m（2-10）
2.3理想风能的利用
经风轮做功后的风也有一定流速和动能，因此风的能量只能被部分转化为机械能。
风轮前后流场如图2-2。
Vw轮前风速
VWA
VWB
轮后风速/wc
Pa轮前压力-「丿
轮后压加
图2-2风轮前后流场
Figure2-2Windflowaround
由伯努利方程
作用在风轮上的轴向力
1=22
（Vw-Vwc）二Pa-Pb
122
F=A（Pa-Pb）=—「A（Vw-Vwc）
A=~r2
（2-11）
（2-12）
（2-13）
（2-14）
式中A——桨叶扫过的面积，m2;
:
——空气密度，kg/m3；
P——风轮机功率，KW;
Vwt——平均风速，m/s；
Vw轮前风速，m/s；
Vwc轮后风速，m/s；
巳
轮前压力，
pa；
Pb
——轮后压力，
F—
轴向力，
N;
m;
质量流量
qm=：
'
AVwt
桨叶中的平均风速等于轮前、轮后风速的平均值
Vwt（VwVwc）
从风能中可能提取的能量E•是进出口风的动能差
已知输入风轮的能量为
.I22
E—（qmVw-qmVwc）
AVwt（Vw-Vwc）
二?
A（VwVwc）（Vw-Vwc）
Ein=EAAV3w
风能利用系数
可能提取的风能
输入的风能
可能提取的能量
代入各值得
-?
AV3w
0.25?
0.5「AV3w
将式2-12代入下式得风能利用系数
（1a）（1-a）
二f（Vw,Vwc）
（2-15）
（2-16）
（2-17）
（2-18）
（2-19）
（2-20）
（2-21）
（2-22）
（2-23）
可由式2-13求得风轮机风能利用系数Cp的极值。
进口风速V是已知的，对Vwc求导，并令为零，一=0，求得风能利用系数Cp为极大dVwc
值时的轮后风速
V1
Vwc（2-24）
33
通过式2-13求得风能利用系数Cp的极大值为
（2-25）
（2-26）
Pma=0.593
由式2-10得出最大理想可能利用的风能为
12E"
max=0.593Ein=0.593AV2w
理想风轮机的能量密度
Emax=0.593
V3w
（2-27）
2.4桨叶轴的结构设计计算
2.4.1桨叶轴危险截面轴颈的计算
当风垂直吹过桨叶时风对
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