1 前言 自然界的風(fēng)是可以利用的資源，然而，我們現(xiàn)在還沒(méi)有很好的對(duì)它進(jìn)行開(kāi)發(fā)。這就向我們提出了一個(gè)課題：我們?nèi)绾伍_(kāi)發(fā)利用風(fēng)能？ 自然風(fēng)的速度和方向是隨機(jī)變化的，風(fēng)能具有不確定特點(diǎn)，如何使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率穩(wěn)定，是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的一個(gè)重要課題。迄今為止，已提出了多種改善風(fēng)力品質(zhì)的方法，例如采用變轉(zhuǎn)速控制技術(shù)，可以利用風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平滑輸出功率。由于變轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電組采用的是電力電子裝置，當(dāng)它將電能輸出輸送給電網(wǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變化的電力協(xié)波，并使功率因素惡化。 因此，為了滿足在變速控制過(guò)程中良好的動(dòng)態(tài)特性，并使發(fā)電機(jī)向電 網(wǎng)提供高品質(zhì)的電能，發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間的電力電子接口應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：一，在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)上產(chǎn)生盡可能低的協(xié)波電波；二，具有單位功率因素或可控的功率因素；三，使發(fā)電機(jī)輸出電壓適應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化；四，向電網(wǎng)輸出穩(wěn)定的功率；五，發(fā)電機(jī)磁轉(zhuǎn)距可控 8。 此外，當(dāng)電網(wǎng)中并入的風(fēng)力電量達(dá)到一定程度，會(huì)引起電壓不穩(wěn)定。特別是電網(wǎng)發(fā)生短時(shí)故障時(shí)，電壓突降，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就無(wú)法向電網(wǎng)輸送能量，最終由于保護(hù)動(dòng)作而從電網(wǎng)解列。在風(fēng)能占較大比例的電網(wǎng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的突然解列，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的不穩(wěn)定。因此，用合理的方法使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電功率 平穩(wěn)具有非常重要的意義。 本文通過(guò)對(duì) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體設(shè) 計(jì)，葉片、輪轂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，齒輪箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以達(dá)到利用風(fēng)能發(fā)電的目的， 有效利用風(fēng)能資源，減少對(duì)不可再生資源的消耗，降低對(duì)環(huán)境的污染。 2 1 概述 1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展史簡(jiǎn)介 我國(guó)是最早使用風(fēng)帆船和風(fēng)車的國(guó)家之一，至少在 3000 年前的商代就出現(xiàn)了帆船，到唐代風(fēng)帆船已廣泛用于江河航運(yùn)。最輝煌的風(fēng)帆時(shí)代是明代， 14 世紀(jì)初葉中國(guó)航海家鄭和七下西洋，龐大的風(fēng)帆船隊(duì)功不可沒(méi)。明代以后風(fēng)車得到了廣泛的應(yīng)用，我國(guó)沿海沿江的風(fēng)帆船和用風(fēng)力提水灌溉 或制鹽的做法，一直延續(xù)到 20 世紀(jì) 50 年代，僅在江蘇沿海利用風(fēng)力提水的設(shè)備增達(dá) 20 萬(wàn)臺(tái) 7。 隨著蒸汽機(jī)的出現(xiàn)，以及煤、石油、天然氣的大規(guī)模開(kāi)采和廉價(jià)電力的獲得，各種曾經(jīng)被廣泛使用的風(fēng)力機(jī)械，由于成本高、效率低、使用不方便等，無(wú)法與蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)等相競(jìng)爭(zhēng)，漸漸被淘汰。歐洲到中世紀(jì)才廣泛利用風(fēng)能，荷蘭人發(fā)展了水平軸風(fēng)車。 18 世紀(jì)荷蘭曾用近萬(wàn)座風(fēng)車排水，在低洼的海灘上造出良田，成為著名的風(fēng)車之國(guó)。德國(guó)、丹麥、西班牙、英國(guó)、荷蘭、瑞典、印度加拿大等國(guó)在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用上投入了相當(dāng)大的人力及資金，充 分綜合利用空氣動(dòng)力學(xué)、新材料、新型電機(jī)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制及通信技術(shù)等方面的最新成果，開(kāi)發(fā)建立了評(píng)估風(fēng)力資源的測(cè)量及計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，發(fā)展了變漿距控制及失速控制的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論，采用了新型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論，采用了新型風(fēng)力機(jī)葉片材料及葉片翼型，研制出了變極、變滑差、變速、恒頻及低速永磁等新型發(fā)電機(jī)，開(kāi)發(fā)了由微機(jī)控制的單臺(tái)及多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的機(jī)群的自動(dòng)控制技術(shù)，從而大大提高了風(fēng)力發(fā)電的效率及可靠性。 到了 19 世紀(jì)末，開(kāi)始利用風(fēng)力發(fā)電，這在解決農(nóng)村電氣化方面顯示了重要的作用，特別是 20 世紀(jì) 70 年代以后，利 用風(fēng)力發(fā)電更進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的階段 3。 1.2 我 國(guó)現(xiàn)階段 風(fēng)電技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r 中國(guó)現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的開(kāi)發(fā)利用起源于 20世紀(jì) 70年代初。經(jīng)過(guò)初期發(fā)展、單機(jī)分散研制、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化幾個(gè)階段的發(fā)展，無(wú)論在科學(xué)研究、設(shè)計(jì)制造，還是試驗(yàn)、示范、應(yīng)用推廣等方面均有了長(zhǎng)足的進(jìn)步和很大的提高，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益 1。 我國(guó)對(duì)風(fēng)電已有部分優(yōu)惠政策，包括一下幾個(gè)方面。 1)風(fēng)電配額 制定出常規(guī)火電污染排放量分配比例，由全國(guó)所有省區(qū)共同分?jǐn)偟恼摺?2)風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià) 落實(shí)風(fēng)電 高于火電的價(jià)差攤到全省的平均銷售電價(jià)中。制定出按常 3 規(guī)水電污染排放量分配比例，由全國(guó)所有省區(qū)共同分?jǐn)偟恼摺０吹貐^(qū)具體情況定出風(fēng)電最高上網(wǎng)電價(jià)的限制，并保持 10年不變，促使業(yè)主充分利用資源，降低成本。 3)售電增值稅 發(fā)電增加了新的稅源，建議參照小水電，核定風(fēng)電銷售環(huán)節(jié)增值稅率為 6%。 4)銀行貸款 為降低風(fēng)電電價(jià)，減輕還貸壓力，建議適當(dāng)延長(zhǎng)風(fēng)電還貸期限，還貸期增至 15年；為風(fēng)電項(xiàng)目提供貼息貸款。 5)鼓勵(lì)采用國(guó)產(chǎn)化風(fēng)電機(jī) 為采用國(guó)產(chǎn)化風(fēng)電機(jī)的業(yè)主提供補(bǔ)貼和貼息貸款，補(bǔ)償開(kāi)發(fā)商的風(fēng)險(xiǎn) ，幫助初期國(guó)產(chǎn)化機(jī)組進(jìn)入市場(chǎng)，得到批量生產(chǎn)和改進(jìn)產(chǎn)品的機(jī)會(huì)，以利降低成本。 表 1-1 中國(guó)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量發(fā)展情況（單位：萬(wàn) KW） Table 1-1 Chinas installed capacity of wind power development (unit : 10， 000 KW) 裝機(jī)容量 1999 2000 2001 2002 2003 2004 當(dāng)年新增 4.47 7.65 5.72 6.69 9.98 19.8 累計(jì)容量 26.83 34.48 40.20 46.62 56.6 76.4 1.3 風(fēng) 力 的等級(jí) 選擇 風(fēng)力等級(jí)是根據(jù)風(fēng)對(duì)地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象，按風(fēng)力的強(qiáng)度等級(jí)來(lái)估計(jì)風(fēng)力的大小，國(guó)際上采用的是英國(guó)人蒲福（ Francis Beaufort， 17741859）于 1805 年所擬定的等級(jí)，故又稱蒲福風(fēng)級(jí)，他把靜風(fēng)到颶風(fēng)分為 13 級(jí) 7。見(jiàn)表 2-2。 表 1-2 蒲福 風(fēng)力等級(jí)表 Table 1 -2 Bofu wind scale 風(fēng) 力 等 級(jí) 名稱 相當(dāng)于平地 10m 高處的風(fēng)速（ m/s） 陸上地物征象 中文 英文 范圍 中數(shù) 0 靜風(fēng) Calm 0.00.2 0 靜、煙直上 1 軟風(fēng) Light air 0.31.5 1 煙能表示風(fēng)向，樹(shù)葉略有搖動(dòng) 2 輕風(fēng) Light breeze 1.63.3 2 人面感覺(jué)有風(fēng)，樹(shù)葉有微響，旗子開(kāi)始飄 4 動(dòng)，高的草開(kāi)始搖動(dòng) 3 微風(fēng) Gentle breeze 3.45.4 4 樹(shù)葉及小枝搖動(dòng)不息，旗子展開(kāi)，高的草搖動(dòng)不息 4 和風(fēng) Moderate breeze 5.57.9 7 能吹起地面灰塵和紙張，樹(shù)枝動(dòng)搖，高的草呈波浪起伏 5 清勁風(fēng) Fresh breeze 8.010.7 9 有葉的小樹(shù)搖擺， 內(nèi)陸的水面有小波，高的草波浪起伏明顯 6 強(qiáng)風(fēng) Strong breeze 10.813.8 12 大樹(shù)枝搖動(dòng)，電線呼呼有聲，撐傘困難，高的草不時(shí)傾伏于地 7 疾風(fēng) Near gale 13.917.1 16 大樹(shù)搖動(dòng)，大樹(shù)枝彎下來(lái)，迎風(fēng)步行感覺(jué)不變 8 大風(fēng) Gale 17.220.7 20 可折毀小樹(shù)枝，人迎風(fēng)前行感覺(jué)阻力甚大 9 烈風(fēng) Strong gale 20.824.4 23 草房遭受破壞，屋瓦被掀起，大樹(shù)枝可折斷 10 狂風(fēng) Storm 24.528.4 26 樹(shù)木可被吹倒 ，一般建筑物遭破壞 11 暴風(fēng) Violent storm 28.532.6 31 大樹(shù)可被吹倒，一般建筑物遭嚴(yán)重破壞 12 颶風(fēng) Hurricane 32.6 33 陸上少見(jiàn)，其摧毀力極大 1.4 風(fēng)能利用發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題 風(fēng)能利用發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題風(fēng)能技術(shù)是一項(xiàng)涉及多個(gè)學(xué)科的綜合技術(shù)。而且，風(fēng)力機(jī)具有不同于通常機(jī)械系統(tǒng)的特性：動(dòng)力源是具有很強(qiáng)隨機(jī)性和不連續(xù)性的自然風(fēng)，葉片經(jīng)常運(yùn)行在失速工況，傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力輸入異常不規(guī)則，疲勞負(fù)載高于通常旋轉(zhuǎn)機(jī)械幾 5 十倍 7。對(duì)于這樣的強(qiáng)隨機(jī)性的綜合系 統(tǒng)，其技術(shù)發(fā)展中有下列幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題 1） 空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題 空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)，它主要涉及下列問(wèn)題 :一是風(fēng)場(chǎng)湍流模型，早期風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)化風(fēng)場(chǎng)模型，對(duì)風(fēng)力機(jī)疲勞載荷和極端載荷的確定具有重要意義；另一是動(dòng)態(tài)氣動(dòng)模型。再一是新系列翼型。 2） 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題 準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析是風(fēng)力機(jī)向更大、更柔和結(jié)構(gòu)更優(yōu)方向發(fā)展的關(guān)鍵。 3） 控制技術(shù)問(wèn)題 風(fēng)力機(jī)組的控制系統(tǒng)是一個(gè)綜合性的控制系統(tǒng)。隨著風(fēng)力機(jī)組由恒速定漿距運(yùn)行發(fā)展到變速變漿距運(yùn)行，控制系統(tǒng)除了對(duì)機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)、脫網(wǎng)和調(diào)向控制外，還要對(duì)機(jī)組進(jìn)行轉(zhuǎn) 速和功率的控制，以保證機(jī)組安全和跟蹤最佳運(yùn)行功率 8。 6 2 風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 風(fēng)輪 設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù) -迎風(fēng)技術(shù) 風(fēng)速的大小、方向隨時(shí)間總是在不斷變化，為保證風(fēng)輪機(jī)穩(wěn)定工作，必須有一個(gè)裝置跟蹤風(fēng)向變化，使風(fēng)輪隨風(fēng)向變化自動(dòng)相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，保持風(fēng)輪與風(fēng)向始終垂直。這種裝置就是風(fēng)輪機(jī)迎風(fēng)裝置。 PW CvrP 3221 (2-1) rvn W 30(2-2) 式中 P風(fēng)輪機(jī)輸出功率， KW； 空氣密度， kg/ 3m ； r 風(fēng)輪半徑， m； PC 風(fēng)能利用系數(shù) ； Wv風(fēng)速， m/s； n 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速， r/min； 由式（ 2-1）和（ 2-2）可知 風(fēng)輪機(jī)的 輸 出 功率 與風(fēng)速立方成正比 ， 轉(zhuǎn)速與風(fēng)速一次方成正比。因此，風(fēng)速變化將引起出力和轉(zhuǎn)速的變化。 風(fēng)輪迎風(fēng)裝置有 三種方法：尾舵法、 舵輪法 和偏心法。 風(fēng)向變化時(shí)，機(jī)身上受三個(gè)扭力矩作用，機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力矩fM，斜向風(fēng)作用于主軸上的扭力矩WM， 尾舵輪扭力矩tM。fM與機(jī)頭質(zhì)量、支持軸承有關(guān)，WM決定于風(fēng)斜角 、距離 L，尾舵力矩由下式近似計(jì)算 LKuACMtRt 222（ 2-3） 式中 RC 尾舵升力、阻力合力系數(shù) 22 DLR CCC由實(shí)驗(yàn)曲線查得； tA 尾舵面積 ， 2m ； u 風(fēng)輪的圓周速率， m/s； K 風(fēng)速損失系數(shù)約 0.75； L 尾舵距離， m。 7 機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)條件 Wft MMM （ 2-4） 尾舵面積 LKuCMMARWft222 （ 2-5） 式中 tM 尾舵輪扭力矩 ， mN ； fM 機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力矩 ， mN ； WM 斜向風(fēng)作用于主軸上的扭力矩 ， mN ； 按上式設(shè)計(jì)的尾舵面積就可以保證風(fēng)輪機(jī)槳葉永遠(yuǎn)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。 舵輪法是用自動(dòng)測(cè)風(fēng)裝置測(cè)定風(fēng)向，按風(fēng)向偏差信號(hào)控制同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)輪，此方法也 可保證風(fēng)輪機(jī)槳葉永遠(yuǎn)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。 在本設(shè)計(jì)中把尾舵取消增加槳葉軸與圓盤角度到 7角這樣可以加大與斜向風(fēng)的接觸面積增大斜向風(fēng)對(duì)主軸的轉(zhuǎn)矩當(dāng)斜向風(fēng)的轉(zhuǎn)矩為零時(shí)風(fēng)輪機(jī)槳葉對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向 7。 2.2 風(fēng)輪 槳葉的 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 2.2.1 槳葉材料的選擇 水平軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪一般由 1 3 個(gè)葉片組成（本設(shè)計(jì)中取 6 片槳葉 ），它是風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中吸收能量的部件。葉片采用 實(shí)心木質(zhì)葉片。這種葉片是用優(yōu)質(zhì)木材精心加 工而成，其表面可以蒙上一層玻璃鋼 9。 在本設(shè)計(jì)中 槳葉材料選用落葉松 作為內(nèi)部骨架， 木材物理力學(xué)性能見(jiàn)下表 。 表 2-1 木 材物理力學(xué)性能 Table 2-1 Physical and mechanical properties of wood 順紋抗壓強(qiáng)度 /MPa 順紋抗拉強(qiáng) /Mpa 強(qiáng)度極限 /MPa 彈性模數(shù) /MPa 順紋抗剪強(qiáng)度 /MPa 52.2 122.6 99.3 126 210 徑向 弦向 8.8 7.0 2.2.2 風(fēng)輪 掃掠半徑的 參數(shù) 計(jì)算 任何種類風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的功率可用下式表示： 8 風(fēng)輪機(jī)功率 P=Pw CVr 3221 （ 2-6） 風(fēng)輪半徑 332 2 5 0 0 0 2 . 3 81 . 2 5 3 . 1 4 1 0 0 . 4 5wpPrmVC 取 2.5rm （ 2-7） 葉尖速比 2 2 3 . 1 4 2 . 5 5 01 . 3 0 86 0 6 0 1 0wwu r nVV （ 2-8） 風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速 n=rVw 30（ 2-9） 式中 P 輸出功率（指額定工況下輸出的電功率）（ W）； P=5KW（給定值） 空氣密度（一般取大氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）（ kg/ 3m ） ； =1.25 kg/ 3m （給定值） wV 設(shè)計(jì)的風(fēng)速（風(fēng)輪中心高度處）（ m/s） ； wV=10m/s（給定值） A 風(fēng)輪掃掠面積 )()( =A 22 mmrr 風(fēng)輪半徑； ； pC 風(fēng)能利用系數(shù)；pC 0.45 （給定值） n 風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速； n=50r/min （給定值） r 風(fēng)輪半徑 (m) 葉尖速比 n 風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速 (m/s) 2.2.3 風(fēng)輪的 半徑分配 問(wèn)題 根據(jù)需要，圓盤輪轂半徑取1r0.45m，圓盤輪轂與槳葉間距取 0.05m。 則槳葉長(zhǎng)度 1 0 . 1 2 . 5 0 . 4 5 0 . 0 . 0 5 2l r r m （ 2-10） 2.3 理想風(fēng)能的利用 經(jīng)風(fēng)輪做功后的風(fēng)也有一定流速和動(dòng)能，因此風(fēng)的能量只能被部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 2。風(fēng)輪前后流場(chǎng)如圖 2-2。 9 ABV w t輪 后 風(fēng) 速 V w c風(fēng) 速 V wv W 輪 前 風(fēng) 速v W Av W BP AP a 輪 前 壓 力P B輪 后 壓 力 P A圖 2-2 風(fēng)輪前后流場(chǎng) Figure 2 -2 Wind flow around 設(shè) a ， PPc ， wtwbwa VVV (2-11) 由伯努 利 方程 bawcw PPVV )(21 22(2-12) 作用在風(fēng)輪上的軸向力 F=A(ba PP )= )(21 22 wcw VVA (2-13) A= 2r (2-14) 式中 A 槳葉掃過(guò)的面積， ； 空氣密度， 3/mkg ； P 風(fēng)輪機(jī)功率， KW； wtV平均風(fēng)速， m/s； wV輪前風(fēng)速， m/s； wcV輪后風(fēng)速， m/s； aP輪前壓力， pa； 10 bP輪后壓力， pa； F 軸向力， N； r 風(fēng)輪半徑， m； 質(zhì)量流量 wtm AVq （ 2-15） 槳葉中的平均風(fēng)速等于輪前、輪后風(fēng)速的平均值 )(21 wcwwt VVV （ 2-16） 從風(fēng)能中可能提取的能量 E 是進(jìn)出口風(fēng)的動(dòng)能差 )(41)(21)(21222222wcwwcwwcwwtwcmwmVVVVAVVAVVqVqE（ 2-17） 已 知輸入風(fēng)輪的能量為 win AVAEE 321 （ 2-18） 風(fēng)能利用系數(shù) inEEC p 輸入的風(fēng)能可能提取的風(fēng)能(2-19) 可能提取的能量 w3p 21 AVCE (2-20) 代入各 值得 wwcwwcw AV VVVVAC 322p 5.0)(25.0 (2-21) 令 aVVwwc (2-22) 將式 2-12代入 下式 得風(fēng)能利用系數(shù) ),(2 )1)(1(2wcwp VVfaaC (2-23) 11 可由 式 2-13 求得風(fēng)輪 機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)pC的極值。 進(jìn)口風(fēng)速wV是已知的，對(duì)wcV求導(dǎo)，并令為零， 0wcpdVdC ， 求得風(fēng)能利用系數(shù) pC 為極大值時(shí)的輪后風(fēng)速 31,3 aVV wwc(2-24) 通過(guò)式 2-13 求得 風(fēng)能利用系數(shù)pC的極大值為 maxPC=0.593 (2-25) 由式 2-10 得出最大理想可能利用的風(fēng)能為 win AVEE 2m a x 21593.0593.0 (2-26) 理想風(fēng)輪機(jī)的能量密度 wVE 3m a x 21593.0 (2-27) 2.4 槳葉軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 2.4.1 槳葉軸危險(xiǎn)截面軸頸的計(jì)算 當(dāng)風(fēng)垂直吹過(guò)槳葉時(shí) 風(fēng)對(duì)槳葉軸的彎矩 M 由下式算得： 2 1 . 2 5 4 0 0 2 0 . 2 1 2 1 0F V A N （ 2-28） 式中 F 風(fēng)對(duì)槳葉施加的力， N 風(fēng)的密度， 3/mkg V 風(fēng)速， m/s A 槳葉面積， 2m 1 0 . 1 5 1 . 1 52 1 0 1 . 1 5 2 4 1 . 5HmM F H N m （ 2-29） 式中 H槳葉的一半到槳葉軸危險(xiǎn)截面的距離， m； M槳葉軸危險(xiǎn)截面處所受彎矩， mN ； 12 682.4136 2.721 7.80 . 2 1 米h=0.105米426.52 米H = 1 . 1 5 米圖 2-4 槳葉受力簡(jiǎn)圖 Figure 2-4 Blade force schematic 槳葉軸所受扭矩如下式： 21 . 2 5 2 0 2 0 . 0 7 7 00 . 1 0 57 0 0 . 1 0 5 7 . 3 5FNhmT F h N m （ 2-30） 式中 F槳葉偏心面積所受風(fēng)的吹力， N； h槳葉軸中心到槳葉偏心面積中心線的距離， m； T槳葉軸所受轉(zhuǎn)矩， mN ； 槳葉軸的危險(xiǎn)截面按彎扭合成強(qiáng)度條件校核見(jiàn)下式： 2222 2 2 236 5 0 /()1 . 7 0 . 1 6 5 0 1 1 0 . 5( ) 2 4 1 . 5 ( 0 . 6 7 . 3 5 )2 4 1 . 5 4 2 4 1 5 4 02 7 . 9 6 ( 2 30 . 1Bc a bcacacaN m mMTmmwM M TN m N m mMd m m gg 1)危險(xiǎn)截面軸頸 d 取 40mm 式中 B 許用抗拉強(qiáng)度極限， 2/mmN ； ca彎扭合成強(qiáng)度， 2/mmN ； M 主軸彎矩， N； T 主軸扭矩， N； 13 當(dāng)剪應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)變力時(shí)為 0.6； W 危險(xiǎn)截面處的抗扭截面模量 ， 3mm ； b 許用彎曲應(yīng)力， 2/ mmN ； d 危險(xiǎn)截面軸頸， mm； 2.4.2 槳葉軸各軸段軸頸的 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 計(jì)算 槳葉軸從左至右安裝零部件分別為： 槳葉軸復(fù)位斜板、槳葉軸支撐軸承座、軸套、光軸、軸向固定螺母、墊片、槳葉軸支撐軸承座、光軸、加強(qiáng)鈑金、槳葉夾槽 7。所以軸頸分布如下： 圖 2-5 槳葉軸軸頸分布 Figure 2-5 Paddle axle parts map 2.5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的 功率調(diào)節(jié) 問(wèn)題 功率調(diào)節(jié)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在超過(guò)額定風(fēng)速（一般為12 16m/s；）以后，由于機(jī)械強(qiáng)度和發(fā)電機(jī)、電力電子容量等物理性能的限制，必須降低風(fēng)輪的能量捕獲，使功率輸出仍保持在額定值的附近。這樣也同時(shí)限制了槳葉承受的負(fù)荷和整個(gè)風(fēng)力機(jī)受到的沖擊，從而保證風(fēng)力機(jī)安全不受損害。功率調(diào)節(jié)方式主要有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距角調(diào)節(jié)和混合調(diào)節(jié)三種方式 8。 1） 定槳距失速調(diào)節(jié) 定槳距是指風(fēng)輪的槳葉與輪轂是剛性連接，葉片的槳距角不變。當(dāng)空氣流流經(jīng)上下翼面形狀不同的葉片時(shí)，葉片彎曲面的氣流加速，壓力降低，凹面的氣 14 流減速，壓力升高，壓差在葉片上產(chǎn)生由凹面指向彎曲面的升力。如果槳距角 不變，隨著風(fēng)速Wv增加，攻角 相應(yīng)增大，開(kāi)始升力會(huì)增大，到一定攻角后，尾緣氣流分離區(qū)增大，形成大的渦流，上下翼面壓力差減小，升力迅速減少，造成葉片失速（與飛機(jī)的機(jī)翼失速機(jī)理一 樣），自動(dòng)限制了功率的增加 8。 29.59.35風(fēng)輪回轉(zhuǎn)平面葉 型 弦 線F dFF 1風(fēng) 向攻 角 風(fēng)入口相對(duì)速度風(fēng) 速 V w槳 距 角 轉(zhuǎn) 速轉(zhuǎn) 向圖 2-6 槳葉失速前的狀態(tài)圖 Figure 2 -6 Blade stall before the state chart 因此，定槳距失速控制沒(méi)有功率反饋系統(tǒng)和變槳距角伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、部件少、造價(jià)低，并具有較高的安全系數(shù)。缺點(diǎn)是這種失速控制方式依賴育葉片獨(dú)特的翼型結(jié)構(gòu)，葉片本身結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成型工藝難度也較大。隨著功率增大，葉片加長(zhǎng)，所承受的氣動(dòng)推力大，使得葉片的剛度減弱，失速動(dòng)態(tài)特性不易控制，所以很少應(yīng)用在兆 瓦級(jí)以上的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制上 8。 2） 變槳距角調(diào)節(jié) 變槳距角型風(fēng)力發(fā)電機(jī)能使風(fēng)輪葉片的安裝角隨風(fēng)速而變化，風(fēng)速增大時(shí)，槳距角向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，相當(dāng)于增大槳距角 ，從而減小攻角 ，風(fēng)力機(jī)功率相應(yīng)增大。 變槳距角機(jī)組啟動(dòng)時(shí)可對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，并網(wǎng)后可對(duì)功率進(jìn)行控制，使風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)性能和功率輸出特性都有顯著改善。變槳距角調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在陣風(fēng)時(shí)，塔架、葉片、基礎(chǔ)受到的沖擊，較之失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組要小得多，可減少材料，降低整機(jī)質(zhì)量。它的缺點(diǎn)是需要有一套比較復(fù)雜的變槳距角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，要求風(fēng)力機(jī)的變槳距角系統(tǒng)對(duì)陣風(fēng)的響應(yīng)速度足夠快，才能減輕由于風(fēng)的波動(dòng)引起的功率脈動(dòng) 8。 15 3） 混合調(diào)節(jié) 這種調(diào)節(jié)方式是前兩種功率調(diào)節(jié)方式的組合。在低風(fēng)速時(shí)，采用變槳距角調(diào)節(jié)，可達(dá)到更高的氣動(dòng)效率；當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到額定功率后，使槳距角 向減小的方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，相應(yīng)的攻角 增大，使葉片的失速效應(yīng)加深，從而限制風(fēng)能的捕獲。這種方式變槳距調(diào)節(jié)不 需要很靈敏的調(diào)節(jié)速度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率相對(duì)可以較小 7。 2.6 風(fēng)輪 槳葉 的 復(fù)位彈簧 參數(shù) 計(jì)算 1） 當(dāng) 6 級(jí)風(fēng)時(shí) V 12m/s；此時(shí)槳葉所受力 22c o s 3 0 1 . 2 5 1 2 2 0 . 0 7 c o s 3 0 2 1 . 82 1 . 8 ( 0 . 0 7 0 . 0 3 5 ) 2 . 2 8 96 1 3 . 7 3 4F V A NT F H N mT T N m oo總 （ 2-31） 式中 V 風(fēng)速 m/s (給定值 ) ； A 槳葉的迎風(fēng)面積 2m ； H 槳葉軸作用點(diǎn)到槳葉受力中點(diǎn)的距離 m； T 槳葉受到的轉(zhuǎn)矩 mN 。 取 L=20mm 時(shí) 11 3 . 7 3 4 6 8 6 . 70 . 0 2TF N PL 總總 （ 2-32） 式中 1P 彈簧最 小 工作載荷 N 2） 當(dāng) V 16m/s 時(shí) ， 此時(shí)槳葉所受力 22c o s 3 0 1 . 2 5 1 6 2 0 . 0 7 c o s 3 0 3 8 . 8F V A N oo （ 2-33） 3 8 . 8 0 . 1 0 5 4 . 0 7 4T F H N m （ 2-34） 1T T N m 6 = 2 4 .4 4 4 （ 2-35） F 總 =1 2 4 . 4 4 4 1 2 2 2 . 20 . 0 2 NTl =nP（ 2-36） 式中 nP 彈簧最大 工作載荷 N 3） 工作行程 Q tan 6 0 /hLo （ 2-37） h= tan 60 20o （ 2-38） =34.64 1=35mm 16 TF606 0 3843.138.2h = 3 4 . 6 4L = 2 0 m m圖 2-7 槳葉復(fù)位彈簧工作示意圖 Fig.2-7 The working sketch map of the replacement spring of blade 彈簧類別 圓柱螺旋壓縮彈簧 端部結(jié)構(gòu) 端部并緊、磨平，支承圈為 1 圈 彈簧材料 碳素彈簧鋼絲 C 級(jí) 4） 初算彈簧剛度 P 1 1 2 2 2 . 2 6 8 6 . 7 1 5 . 335nPPP h mmN/ （ 2-39） 5） 工作極限載荷jP因是 類載荷；nj PP 故jP 1222.2N 查表選jP 1280.3N 表 2-2 彈簧有關(guān)參數(shù) Tab.2-2 Table of the parameter of spring D D jP jf dP 6 38 1280.3 5.489 233 17 6） 有效圈數(shù) n 233 1 5 . 21 5 . 3dPnP ，按 表取標(biāo)準(zhǔn)值 n 16 （ 2-40） 總?cè)?shù) 1n 1n n+2=18 7） 彈簧剛度 P 233 1 4 . 5 616dPPn N/mm （ 2-41） 8） 工作極限載荷下的變形量jF1 6 5 . 4 8 9 8 7 . 8 2 4jjF n f mm （ 2-42） 9） 節(jié)距 t 8 7 . 8 2 46 1 1 . 4 8 916jFtdn mm （ 2-43） 10） 自由高度0H0H nt+1.5d=16 11.489+1.5 6=192.8 mm （ 2-44） 11） 彈簧外徑 2D 2D D+d=38+6=44mm （ 2-45） 12） 彈簧內(nèi)徑 1D 1D D-d 38-6 32 mm （ 2-46） 13） 螺旋角 arctan 1 1 . 4 8 9a r c t a n 5 . 53 . 1 4 3 8tD o（ 2-47） 14） 展開(kāi)長(zhǎng)度 L 1 3 . 1 4 3 8 1 8 2 1 5 8 . 6c o s c o s 5 . 5DnL omm （ 2-48） 15） 最 小載荷時(shí)高度 1H 110 6 8 6 . 71 9 2 . 8 1 9 2 . 8 4 4 . 9 1 4 7 . 91 5 . 3PHH P mm （ 2-49） 14） 最大載荷時(shí)的高度nH0 1 2 2 2 . 21 9 2 . 8 1 1 2 . 91 5 . 3nn PHH P mm （ 2-50） 18 15） 極限載荷時(shí)的高度jHjH=01 2 8 0 . 31 9 2 . 8 1 0 9 . 11 5 . 3jPH P mm （ 2-51） 16） 實(shí)際工作行程 h h= 1H -nH=147.9-112.9=35 1 （ 2-52） 17）工作區(qū)范圍 1 6 8 6 . 7 1 2 2 2 . 20 . 5 4 ; 0 . 9 5 51 2 8 0 . 3 1 2 8 0 . 3njjPPPP （ 2-53） 18） 高徑比 b b 0 1 9 2 . 8 5 . 0 738HD （ 2-54） 該彈簧的技術(shù)要求： 1.總?cè)?shù) 1n 18 2.旋向?yàn)橛倚?3.展開(kāi)長(zhǎng)度 L 2158.6mm 4.硬度 HRC4550 2.7 風(fēng)輪的 槳葉軸軸承座 上的螺栓強(qiáng)度校核計(jì)算 2.7.1 軸承座上 螺栓組 的布置問(wèn)題 螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 采用如圖所示的結(jié)構(gòu)，螺栓數(shù) z=4，對(duì)稱布置。 3 58 5圖 2-8螺栓布置圖 Figure 2-8 bolts layout 19 2.7.2 螺栓的受力分析 和參數(shù)計(jì)算 1） 考慮在極限風(fēng)速 20m/s 時(shí)，螺栓組承受以下各力和翻轉(zhuǎn)力矩的作用： 軸向力 F = 2V Acos30o =1.25 220 2 0.21 cos30 o =181.86N （ 2-55） 橫向力 R=F 離心 +G 槳葉 +G 槳葉軸 （ 2-56） G 槳葉 =V 槳葉 g= 2 0 . 2 1 0 . 0 4 5 9 4 1 0 9 9 . 8 N （ 2-57） 式中 槳葉材料選用東北落葉松，氣干密度為 594kgg 3m gVG 鋼槳葉軸槳葉軸 （ 2-58） 2 2 2 2 2 2 993 . 1 4 ( 2 2 . 5 1 5 0 2 0 1 5 1 8 3 5 1 7 1 4 0 1 6 2 0 1 5 7 0 ) 1 0 7 8 5 0 106 9 4 1 3 9 . 3 9 5 1 0 7 8 5 0 1 05 4 . 5 N 5.198.935.045.535602 2222 葉槳葉軸槳葉軸離心 LmLmnRmRmvFF =462.3N （ 2-59） 式中 葉L 槳葉中心到主軸中心線的距離 m； 軸L 槳葉軸中心到主軸中心線的距離 m； R=462.3N+99.8N+54.5N=616.6N 翻轉(zhuǎn)力矩 M=FL=1.25 220 2 0.21 cos30 o 1.325= 240.96 mN （ 2-60） 式中 L 槳葉中心到第一個(gè)軸承座中心的距離 m； 2） 在軸向力 F的作用下，各螺栓所受的工作拉力為 1F=Fz=1 8 1 . 8 6 4 5 . 4 6 54 N（ 2-61） 3） 在翻轉(zhuǎn)力矩的作用下，前面兩螺栓受加載作用，而后面兩螺栓受到減載作用，故前面 兩個(gè)螺栓受力較大，所受的載荷為 m a x2 /2 22212 4 0 9 6 0 4 2 . 5 1 4 1 7 . 42 ( 4 2 . 5 4 2 . 5 )2 ZiiMLFNL （ 2-62） 式中maxL 受力最大的螺栓到中心的距離 m； iL 單個(gè)螺栓到中心的距離； i 螺栓數(shù)目的初始值。 20 根據(jù)以上分析可見(jiàn)前面的螺栓所受的軸向工作拉力為 12 4 5 . 4 6 5 1 4 1 7 . 4 1 4 6 2 . 8 6 5F F F N （ 2-63） 4） 在橫向力 R的作用下，底板鏈接接合面可能 產(chǎn)生滑移，根據(jù)底板接合面不滑移條件，并 考慮軸向力 F 對(duì)預(yù)緊力的影響，則各螺栓所需要的預(yù)緊力為 RKFCC CzQf fFLFp )(（ 2-64） 式中 PQ 螺栓所需要的預(yù)緊力 N； FFLCCC 地的相對(duì)連接剛度系數(shù)； 查得聯(lián)結(jié)接合面間的摩擦系數(shù) f=0.35，查得螺栓的相對(duì)連接剛度系數(shù)FLLCC C=0.2，取可靠性系數(shù)fK=1.2 則各螺栓所需要的預(yù)緊力為 1 1 1 . 2 6 1 6 . 6( ) ( 0 . 8 1 4 6 2 . 8 6 5 )4 0 . 3 5f Fp LFKR CQFz f C C （ 2-65）1 ( 2 1 1 4 . 1 1 1 7 0 . 2 9 2 )4 =821.1N 5） 螺栓所受的總拉力 Q 8 2 1 . 1 0 . 2 1 4 6 2 . 8 6 5 1 1 1 3 . 6 7LpLFCQ Q F NCC （ 2-66） 2.7.3 軸承座上 螺栓直徑 的計(jì)算 螺栓的性能等級(jí)為 6.6級(jí)，查得 360saMP ， S=5 螺栓的許用應(yīng)力 360 725s aMPS 螺栓危險(xiǎn)剖面的直徑為 14 1 . 3 4 1 . 3 1 1 1 3 . 6 7 5 . 0 6 3 . 1 4 7 2Qd m m （ 2-67） 所以選用 M8的螺栓，強(qiáng)度以及安全性足夠。 21 3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的 主軸 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 3.1 主軸 的相關(guān) 參數(shù) 的選擇和 計(jì)算 1）主軸的軸頸估算如下式： 33 51 1 0 5 1 . 5 650pdA n mm （ 3-1） 估取主軸 d 80mm 式中 d主軸軸頸， mm； P風(fēng)輪機(jī)輸入功率， kw； n風(fēng)輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速， r/min； A 主軸參數(shù)，查表得 A=110。 主軸所受轉(zhuǎn)矩如下式 T 9.55 3551 0 9 . 5 1 050 N m m （ 3-2） 2）主軸鍵的選擇 主軸鍵的擠壓應(yīng)力校核如下式： 2/2 mmNd k lT pp 取 2/120 mmNp （ 3-3） 2 2 1 4bh ； t=9mm， k=14-9=5mm， L=45mm， d=85mm； 52 2 9 . 5 1 0 1 0 5 . 6 8 0 5 4 5ppTd k l 所以 該鍵合理 （ 3-4） 式中 p 許用擠壓應(yīng)力 ， 2/ mmN ； k 鍵與輪轂槽（或軸槽）的接觸高度， mm， k=h/2 h 鍵高； mm l 鍵的工作長(zhǎng)度， mm， A 型： l=L-b， B 型： l=L， C 型： l=L-b/2， b 鍵寬， mm 3.2 軸段設(shè)計(jì)與校核 主軸從左至右裝配的零部件分別為： 1） 彈簧擋板調(diào)節(jié)螺母 2） 彈簧上擋板 3）壓縮彈簧 4） 彈簧下?lián)醢?5）圓盤定位螺母 6）帶輪轂圓盤 7）支撐軸承座 7。 22 12345 67123 45 6 7圖 3-1 主軸裝配圖 Figure 3-1 Spindle assembly 圓盤 作用在主軸上的力由下式計(jì)算得出 2 2 33 . 1 4 0 . 4 5 0 . 0 1 0 . 0 0 6 3 6V r B m （ 3-5） 圓盤m 7 8 5 0 0 . 0 0 6 3 6 4 9 . 9V k g （ 3-6） NF 225.616 式中 V 圓盤體積， 3m ； 圓盤m 圓盤質(zhì)量， kg； F 圓盤自重施加在主軸上的力， N； 槳葉軸 、槳葉作用在主軸上的力 ;45.5 kgm 槳葉軸 ;98.9 kgm 槳葉 kgmmmm 48.1429.4998.945.566 圓盤槳葉槳葉軸總 （ 3-7） 主總F 1424.8N式中 總m 六片槳葉、槳葉軸與圓盤整體自重， kg； 主總F 六片槳葉、槳葉軸與圓盤整體自重作用在主軸上的力， N； 圓盤、槳葉、槳葉軸整體對(duì)主軸的彎矩強(qiáng)度校核如下： M=1424.8 h=1424.8 0.0775=110400 mmN （ 3-8） 23 5.1101.07.1)( 22 Bbcaca w TMwM （ 3-9） 22 31 1 0 4 0 0 ( 0 . 6 9 5 0 0 0 0 ) 0 . 11 1 0 . 5 d 即 54.18 d 所以 選取 d=80mm 主軸軸頸校核 強(qiáng)度滿足要求。 式中 V 圓盤體積， 3m ； B 圓盤厚度， m； r 圓盤半徑， m； 圓盤m 圓盤質(zhì)量， kg； 槳葉軸m槳葉軸質(zhì)量， kg； 槳葉m 槳葉質(zhì)量， kg； 圖 3-2 主軸 Fig.3-2 The spindle 24 4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的增速器和電動(dòng)機(jī)的選取 4.1 主軸與增速器之間的聯(lián)軸器 4.1.1 聯(lián)軸器的特點(diǎn) 由于風(fēng)力液動(dòng)機(jī)在工 作時(shí)，主軸會(huì)產(chǎn)生偏移，因此采用彈性連軸器。 彈性柱銷聯(lián)軸器制造容易，耐久性好，安裝維護(hù)方便，傳遞轉(zhuǎn)矩大。為防止脫銷，柱銷兩端用螺栓固定了擋板。 適用于軸向位移大，正、反轉(zhuǎn)或啟動(dòng)頻繁傳動(dòng)，因此選用 彈性柱銷聯(lián)軸器 2。 4.2.2 聯(lián)軸器 的型號(hào)及主要參數(shù) 主軸末端軸頸為 80mm，選擇 HL6型 彈性柱銷聯(lián)軸器 ，其主要參數(shù)為 表 4-1 聯(lián)軸器參數(shù) Tab.4-1 Table of the parameter of coupling 公稱轉(zhuǎn)矩 /nT N mg 許用轉(zhuǎn)速（ 鋼）1/ minnr g 質(zhì)量 /m kg 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2/I kg mg 3150 2100 53 15.6 4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 增速器的選擇 由于槳葉輪的轉(zhuǎn)速較小，因此需要借助增速器來(lái)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)， 增速器的 原理與減速器相同，只是將其的輸出與輸入調(diào)換，根據(jù) 設(shè)計(jì) 要求 和具體需要 本設(shè)計(jì)采用 NGW 型行星齒輪減速器 3。 4.2.1 使用范圍和特點(diǎn) 1）適用范圍 NGW 型行 星齒輪減速器主要用于冶金、礦山、起重運(yùn)輸?shù)葯C(jī)械設(shè)備減速。其工作條件為：工作環(huán)境溫度為 40 45 C oo；高速軸最高轉(zhuǎn)速不超過(guò) 1500 /minr ；齒輪圓周速度不超過(guò) 10 /ms；可正反兩方向運(yùn)轉(zhuǎn)。 2）主要特點(diǎn)