垂直轴风机风力提水系统说明书需电力带动水泵综述.docx

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垂直轴风机风力提水系统说明书需电力带动水泵综述

项目开发说明书

——基于垂直轴风力提水机开发

目录

第一章绪论--------------------------------------------------------2

§1.1我国的风能资源及利用----------------------------------2

§1.2国内外风能利用现状------------------------------------4

§1.3我国风力提水现状--------------------------------------5

§1.4风力提水机的应用前景----------------------------------6

§1.5关于风力提水机----------------------------------------7

第二章总体设计-------------------------------------------------17

§2.1风力提水机简图---------------------------------------17

§2.2总体方案---------------------------------------------19

第三章设计计算--------------------------------------------------20

§3.1水泵------------------------------------------------20

§3.2风轮-------------------------------------------------21

§3.3齿轮变速箱-------------------------------------------28

§3.4轴---------------------------------------------------35

§3.4系统的尺寸--------------------------------------------37

第一章绪论

第一节我国的风能资源及利用

1、风能资源

太阳光照在地球上，由于辐射能量不均，地球表面吸收热量不同，便产生了各处气温的差异，冷热空气形成对流，这就是风。

风能作为太阳能的一种，只要太阳不灭，它取之不尽，用之不竭。

估计风能全世界储备约10亿千瓦。

能源是现代社会和经济发展的基础，远期能源面临工业矿物资源枯竭的问题，近期能源面临环境污染的压力。

我国电力部门统计2002年电力缺口将过5千万度电。

而中国现有九亿人口生活在农区和边远山区，其中，约有6.5千万人口没有用上电，并面临饮水困难，因此改善能源结构，利用可再生能源，减少环境污染，提高人民生活质量，成为本世纪联合国全球能源与发展中的核心问题。

风能是目前最有开发利用前景和技术最成熟的一种新的可再生能源。

风能利用的主要方式是风力发电，风力提水及风力帆助航等。

我国有丰富的风能资源，风能总储量约32.26亿千瓦，实际可开发风能储量2.53亿千瓦，风能利用有很大的潜力。

虽然相对常规能源来说，风能的能量密度较低，但从人类的发展战略及技术逐步成熟的角度看，风能对中国经济、社会、环境将起重大作用。

2、我国风能分区

我国适宜风能提水的区域辽阔，发展风力提水是弥补当前农村、牧区能源不足的有效途径。

就北方而言，内蒙、青海、甘肃、新疆北部河谷地带，风能资源丰富，地下水也丰富，是我国的抽取地下水为主的较佳风力区。

按照中国能源部门的技术测试，我国风力可分部为以下三个区域：

1、风能区：

一年内风速超过3m/s的以上超过半年；6m/s以上超过节2200小时。

如内蒙的二连地区，锡盟北部等。

2、风能较佳区：

一年以内风速超过3m/s以上在4000小时；6m/s以上多于是1500小时。

如乌盟北部，锡盟，赤峰北部，乌兰浩特等。

3、能可用区：

一年内风速超过3m/s″的时间为3000小时；6m/s″以上为3000小时的地区。

以上三类地区占到全国的总面积1/3。

可见，内蒙西部的大部分地区，年平均风速都能超过4—6m/s″，3—20m/s″的风速累计4000~5000小时，这里正是内蒙的干旱草原，这里人口分散，难通电网，利用风力提水机组为牧民或牲畜提供饮水用水或小范围内的草场灌溉，高产饲草料基地灌溉不失为可行办法。

3、风能的利用

风能的应用越来越广泛，在我国主要有以下几个用途：

（1）风力发电

（2）风力提水

（3）风力发热

第二节国内外风能利用概况

近代，在国内，长期以来，人们以风电电价高于一般电价为由，一直忽略风电作为清洁能源对能源短缺和保护环境的意义，忽视了风电作为一项高新技术的巨大产业前景，更忽视了对促进边远地区经济发展所能带来的巨大作用。

在政策上，一是缺乏风电发展目标和可实行的战略规划；二是缺乏有效的经济激励政策和强有力的体制保障；三是缺乏鼓励风机国产化的政策措施；四是缺乏有效的投资体制；五是中国电网公司垄断性很强，缺乏政府指导下的风电采购政策，民营企业投资的“风电上网”还存在体制性障碍；六是缺乏强有力的宣传，公众对可再生资源的认识不足。

其次，在技术上，一是目前还没有中国风力资源的全面监测分析报告，大规模商业化风力发电缺乏科学性风场评估的可行性论证支持；二是风力资源发电时段比较集中，存在风电的不稳定性对电网的冲击，解决电力峰谷巨大落差还是难题；三是中国风力资源主要集中在内蒙古、西北地区，以及沿海等地区，存在风电和电网的连接以及储能问题，大量风电输送到电力需求企业面临困难；四是季风气候对风力发电上存在影响：

五是我国风机设备制造水平较低，已经成为国际主流机型的兆瓦级机组在我国尚处于研制阶段，大型风力机只能依赖进口或与外商合作生产。

第三节我国风力提水现状

风力提水是风能开发利用的一项主要而基本的内容,无论过去、现在还是将来,风力提水在农业灌溉和人畜饮水等方面都不失为一项简单、可靠、实用而有效的应用技术。

随着科学技术的不断发展,风力提水技术也必将得到不断的发展完善。

低扬程大流量提水机因扬程太低（一般小于3m）,其使用范围受到限制。

中扬程大流量风力提水机主要是用于中西部的农业灌溉,因当地的经济条件所限,进展步履艰难,有待国家的进一步扶持。

高扬程小流量低速风轮拉杆泵型,在成本及可靠性方面几乎一直是不可替代的。

目前我国生产运行中的风力提水机约3000余台,主要分布在东南沿海制盐,江苏、河北农田灌排,陕北人畜饮水及小型草场灌溉等。

1、在我国许多区域由于能源短缺和架设电网难以实现等原因,成了限制灌溉面积扩大的一个重要因素。

利用我国丰富的风能资源,广泛利用风力提水灌溉是我国中低产田改造的一条重要捷径

2、风力提水在牧区水利建设中的重要性和必要性。

牧区幅员辽阔,且居住分散,电网覆盖的区域有限,灌溉动力只能靠内燃机,这就加大了提水成本,这种提水方式经济效益低,难以在牧区推广应用。

利用这些地区丰富的风能资源（80%地区年平均有效风能密度为400～2480kW·h/m2·a）进行提水灌溉,是发展农牧业经济和改善生态环境的一条重要途径。

3、利用风能进行沙漠绿化工程建设。

采用经济实用的风力提水机来进行灌溉保障能源的稳定供给,满足沙漠治理生物工程建设、牧业生产、人畜供水条件。

第六节风力提水机的应用前景

1、人畜饮水

我国内蒙、甘肃、新疆等边远牧区，由于干旱缺雨，人畜饮水是个十分困难的问题。

用风力提水机组抽取地下水在解决人畜饮水方面取得了成功。

80年代末在锡盟进行的示范试验表明，用风力提水一年四季可以有水供应，与用柴油机组为动力提水相比，每头牲畜的年均饮水费用可降低一半。

由于饮水用提水机流量扬程较低，故风车造价也不高，结合国家项目，在牧民普及推广将会很容易。

适用机型SCI系列，FT－500系列，FD4等机型。

2、节水灌溉

中扬程中流量的风力提水机可配套微滴灌系统，为天然草场灌溉可实现无成本运行。

适用为SAⅡ系列、FT－300、FT－500、FDG系列及SSA－1型等机型。

3、风力提水治沙种草

内蒙万象集团针对多伦县地下水和地表水资源不足，风力资源丰富的特点，采用风力提水技术大力开发风力资源，有效地促进沙区生态环境的建设。

该技术与燃料相比，有节能环保的优势，与电力提水相比，具有投资小，机动性灵活性强，覆盖面广的特点。

通过机械可向沙地、荒漠腹地实施植被建设，接力式引水滴灌。

凡是地上地下可利用的水，纵向几百米，横向几十公里的生态建设区都可以实现工业化供水。

国家退耕还林连续补助八年，每年折合1280元，而风力提水只需500－800元。

在西部109万平方公里的沙地、荒漠边缘的绿洲边缘区，国家主要对策是划定围封保护区，并在绿洲外建立综合防护林。

为防止沙漠对绿洲的吞噬，对沙地荒漠腹地运用风力提水提供拉力式的开发，对生态建设及开发是可行的。

4.风力排水

水分是作物生活必须的物质条件。

但土壤中水分太多就会与作物生长的另一个重要因素——土壤透气性发生矛盾。

同时对土壤本身的性质也带来不良影响。

利用风力提水机就可以及时不断的排除土壤中多余有害的水，使地下水位降低到一定的深度，并使一定深度土层的土壤水分达到作物适宜生长的状况。

风力排水将有效得解决土壤除涝防滞灾害，大面积的盐碱地将有望得以改良。

第七节关于风力提水机

1、风力提水机的组成

风力提水机一般由风力机和配套水泵两大部分组成。

水泵可以根据实际需要选择合适的泵，也可以自行设计。

因此风力机和水泵的设计是本次设计的两个主要部分。

（2）水泵提水原理

当风轮在风力的作用下转动起来后，动力经过传动箱带动风力机拉杆向上运动，与拉杆相连的泵杆和上活塞也随之向上移动。

此时上活塞的阀门被关闭，上下活塞之间形成具有一定真空度的空腔。

由于压力差的作用，下活寒的阀门被打开，井水通过护网进入空腔。

当风轮继续转动，带动风力机拉杆向下运动时，泵杆和上活塞也随着进入下行程，上下活塞之间的空腔容积减少。

这时存水的压力下，下活塞闭门被关闭，上酒塞的阀门被打开，空腔里的水就通过上活塞的阀门进入泵管。

如此循环不息，泵管里的水越来越多，最后充满泵管并从泵管出口流入储水箱供人们使用。

第二章总体设计

第一节风力提水机图

这次设计的风力提水机主要由风轮、齿轮箱和水泵构成。

风轮为垂直轴H型风机，主要作用是接受风能；齿轮箱的作用是调节风轮轴输出的转速及转向实现水泵的工作。

第二节总体方案

1、风力机

风力机有水平轴和垂直轴之分，现对两者进行如下对比：

水平轴风力机

垂直轴风力机

风向控制

小型用风向舵;大型需专用机械方式来控制

任何风向均可运行，无需对风装置

叶片控制

需要控制叶片

不需要旋翼控制

传动装置及发电机

在塔架上

在地面上不受重量及体积的限制

塔影效应

有

无

起动方式

无需另加起动器

达里厄型需另设电力或风力装置,其它型号不需要

由以上对比可以看出，垂直轴还是有明显的优点，所以本次风力机设计选用垂直轴。

2、齿轮箱

（1）、传动方案：

方案：

风力机直接通过联轴器接在圆锥齿轮变速器上，通过曲轴机构带动活塞拉杆泵。

该方案的优点是设计、加工制造简单容易；

（2）、减速器内部工作方式：

同轴式直尺啮合。

（3）、减速器的总传动比为0.75；

（4）、轴承类型：

圆锥滚子轴承。

（5）、联轴器类型：

YL6系列

3、水泵

本次设计的风力提水机为解决草原用水问题设计的高扬程小流量型，根据给定的扬程、流量等条件计算出所需水泵的尺寸进行自行设计即可。

第三章设计计算

第一节水泵

水泵的种类很多，有离心泵、射流泵、活塞泵、轴流泵以及混流泵等等。

考虑到活塞泵的设计结构比较简单，而且在水泵设计最主要的流量和扬程两个参数中，只有流量与泵本身的尺寸有关系，不论水泵的扬程是多少，水泵每次排出的水都是一定的；扬程与水泵本身没有关系，只要原动机能提供足够的功率，而活塞又有足够的强度，活塞就可以把水排出。

第二节风轮

第三节齿轮变速箱

一、总体设计

变速箱的输入转速为30r/min，输出转速为40r/min，i=

=1.33，故可采用一级变速，结构简图如图所示：

二、齿轮的设计计算

1.选择齿轮材料，热处理

因为是闭式齿轮传动，选用软齿面齿轮，参考《机械设计》表9－1，选用45号钢。

小齿轮调质，齿面硬度220～230HBS;大齿轮正火，齿面硬度190～200HBS。

大齿轮

小齿轮

2.选择齿轮精度等级，齿数，齿宽系数

因为一般传动，可选用7级精度。

第四节轴

轴的设计要根据所要传动的功率来设计，在水泵的基本尺寸定了以后，即可算出水泵所需的功率，也就是曲轴所传动的功率。