风力发电机的设计Word格式.docx

1、37 KBWord 9Mi crosoft35 KEAbstractNatural wind speed and directi on of cha nge is ran dom, wind characteristics of un certa in ty, how to make wi nd turb ine output power stability, wind power tech no logy is an importa nt subject. So far, have raised a variety of ways to improve the quality of the

2、wind, such as the use of variable speed con trol tech no logy, can make use of wind round the mome nt of in ertia smooth power output. Because variable speed wind power group using a power electronic devices, when it will transfer to the output of electric power grids, will change in the waves power

3、, and power factor deterioration.Use of wind energy in the development of key technical issues invoIved in wind energy tech no logy is one of a nu mber of in tegrated tech ni cal discipli nes. Moreover, the wi nd turbi ne is usually differe nt from the mecha ni cal system characteristics: a stro ng

4、power source is not ran dom and continuity of the natural wind, the leaves often run in the stall condition, the power transmission system very irregular importati on, fatigue load tha n Rotat ing Mach inery usually several times.Based on the wind turb ine desig n, leaves, the wheel desig n, level o

5、f rotat ing the desig n, gear box system design, use of wind power to achieve the objective of effective use of wind energy resources, reduce non-ren ewable resources Con sumpti on, reduce the en vir onmen tal polluti on.Key words: wind power; wind power generators blade； wheel; GearboxF录前言 11概述 21.

6、1风力发电机的发展简史 21.2我国现阶段风电技术发展状况 21.3风力的等级选择 31.4风能利用发展中的关键技术问题 42风轮的结构设计 62.1风轮设计中的关键技术一迎风技术 62.2风轮桨叶的结构设计 72.2.1桨叶材料的选择 72.2.2风轮扫掠半径参数计算 72.2.3风轮的半径分配问题 82.3理想风能的利用 82.4桨叶轴的结构设计计算 112.4.1桨叶轴危险截面轴颈的计算 112.4.2桨叶轴各轴段轴颈的结构设计计算 132.5风力发电机组的功率调节问题 132.6风轮桨叶的复位弹簧参数计算 152.7风轮的桨叶轴轴承座的螺栓强度校核计算 182.7.1轴承座上螺栓组的布

7、置问题 182.7.2螺栓的受力分析和参数计算 192.7.3轴承座上螺栓直径的计算 202.7.4轴承座上螺栓疲劳强度校核 203风力发电机的主轴结构设计 223.1主轴的相关参数的选择和计算 223.2轴段的设计与校核 224风力发电机的增速器和发动机的选取 254.1主轴与增速器之间的联轴器 254.1.1联轴器的特点 254.2.2联轴器的型号及主要参数 254.2风力发电机增速器的选择 254.2.1使用范围和特点 254.2.2型号的选择 264.3发电机的选取 264.3.1选择发电机应综合考虑的问题 264.3.2型号的选择 265风力发电机的回转体结构设计和参数计算 275.

8、1初步估计回转体危险轴颈的大小 275.2结构设计 286风力发电机的其他元件的设计 296.1刹车装置的设计 296.2选择滑环 296.3托架的基本结构 30327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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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）Table 1-1 Chin as in stalled capacity of wind power

14、developme nt （u nit: 10 ， 000 KW）装机容量199920002001200220032004当年新增4.477.655.726.699.9819.8累计容量26.8334.4840.2046.6256.676.41.3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（Francis Beaufort，17741859）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Table 1 -2 Bofu wi nd scale风 相当于平地

15、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Calm0.00.2静、烟直上1软风Light air0.31.5烟能表示风向，树叶略有摇动人面感觉有风，树叶2轻风Light breeze1.63.3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Gen tle breeze3.45.44息，旗子展开，高的草摇动不息能吹起地面灰尘和Moderate和风breeze5.57.97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Fresh breeze8.010.79陆的水面有小波，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Strong

16、 breeze10.813.812高的草不时倾伏于地大树摇动，大树枝弯疾风Near gale13.917.116下来，迎风步行感觉不变可折毁小树枝，人迎8大风Gale17.220.720风前行感觉阻力甚大草房遭受破坏，屋瓦烈风Strong gale20.824.423被掀起，大树枝可折断树木可被吹倒，一般10狂风Storm24.528.426建筑物遭破坏大树可被吹倒，一般11暴风Viole nt storm28.532.631建筑物遭严重破坏陆上少见，其摧毁力飓风Hurrica ne32.633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

17、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

18、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。12 3P r vw C p（2-1）30 Vw（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，

19、斜向风作用于主轴上的扭力矩Mw，尾舵轮扭力矩Mt。M f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Pu2 2Mt : CRAt K2L （2-3）式中 Cr 尾舵升力、阻力合力系数 C .Cl2 Cd2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 M f MW尾舵面积（2-5）A 2Mf Mw 二 CRm2K2L式中 Mt尾舵轮扭力矩， Nm ；M f 机头转动的摩擦力矩， N；Mw 斜向风作用于主轴上的扭力矩， Nm ；按上式设计的尾舵面积就可以保证风轮机桨叶永远对

20、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13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Table 2-1 Ph

21、ysical and mecha ni cal properties of wood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52.2122.699.3126 X 102径向弦向8.87.0222 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= r Vw CPP 2 20000 , ”r 一Vw3Cp = 1.25 3.14 1 03 0.45 山取 r =5.0m叶尖速比u _ 2 ：叮 r n VW 一 6 0Vw2 3. 1 46 06=2549 1风轮机转速n=30 Vw （2-6）（2-7）（2-8）（2-9

22、）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）； 21.25 kg/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/mi n （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

23、=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VWAVWB轮后风速/wcPa轮前压力 -丿轮后压加图2-2风轮前后流场Figure 2 -2 Wind flow around由伯努利方程作用在风轮上的轴向力1=2 2（Vw - Vwc ）二 Pa - Pb12 2F=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;

24、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 （Vw Vwc ）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. I 2 2E （qmVw -qmVwc ）AVwt （Vw -Vwc ）二?A（Vw Vwc）（Vw -Vwc ）E in =E A AV3w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-?AV 3w0.2 5?0.5AV3w将式2-12代入下式得风能利用系数（1 a）（1 -a ）二

25、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V 1Vwc （2-24）3 3通过式2-13求得风能利用系数Cp的极大值为（2-25）（2-26）P m a =0.593由式2-10得出最大理想可能利用的风能为1 2 E max = 0.593E in =0.593 AV2w理想风轮机的能量密度Em a x=0.593V3w（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