风力发电机

1 前言 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？ 自然风的速度和方向是随机变化的，风能具有不确定特点，如何使风力发电机的输出功率稳定，是风力发电技术的一个重要课题。迄今为止，已提出了多种改善风力品质的方法，例如采用变转速控制技术，可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。由于变转速风力发电组采用的是电力电子装置，当它将电能输出输送给电网时，会产生变化的电力协波，并使功率因素恶化。 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 8。 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。 本文通过对 风力发电机的总体设 计，叶片、轮毂机构的设计，水平回转机构的设计，齿轮箱系统的设计，以达到利用风能发电的目的， 有效利用风能资源，减少对不可再生资源的消耗，降低对环境的污染。 2 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，到唐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 7。 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 3。 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 1。 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 3 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 6%。 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 Chinas installed capacity of wind power development (unit : 10， 000 KW) 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（ 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 7。见表 2-2。 表 1-2 蒲福 风力等级表 Table 1 -2 Bofu wind scale 风 力 等 级 名称 相当于平地 10m 高处的风速（ m/s） 陆上地物征象 中文 英文 范围 中数 0 静风 Calm 0.00.2 0 静、烟直上 1 软风 Light air 0.31.5 1 烟能表示风向，树叶略有摇动 2 轻风 Light breeze 1.63.3 2 人面感觉有风，树叶有微响，旗子开始飘 4 动，高的草开始摇动 3 微风 Gentle breeze 3.45.4 4 树叶及小枝摇动不息，旗子展开，高的草摇动不息 4 和风 Moderate breeze 5.57.9 7 能吹起地面灰尘和纸张，树枝动摇，高的草呈波浪起伏 5 清劲风 Fresh breeze 8.010.7 9 有叶的小树摇摆， 内陆的水面有小波，高的草波浪起伏明显 6 强风 Strong breeze 10.813.8 12 大树枝摇动，电线呼呼有声，撑伞困难，高的草不时倾伏于地 7 疾风 Near gale 13.917.1 16 大树摇动，大树枝弯下来，迎风步行感觉不变 8 大风 Gale 17.220.7 20 可折毁小树枝，人迎风前行感觉阻力甚大 9 烈风 Strong gale 20.824.4 23 草房遭受破坏，屋瓦被掀起，大树枝可折断 10 狂风 Storm 24.528.4 26 树木可被吹倒 ，一般建筑物遭破坏 11 暴风 Violent storm 28.532.6 31 大树可被吹倒，一般建筑物遭严重破坏 12 飓风 Hurricane 32.6 33 陆上少见，其摧毁力极大 1.4 风能利用发展中的关键技术问题 风能利用发展中的关键技术问题风能技术是一项涉及多个学科的综合技术。而且，风力机具有不同于通常机械系统的特性：动力源是具有很强随机性和不连续性的自然风，叶片经常运行在失速工况，传动系统的动力输入异常不规则，疲劳负载高于通常旋转机械几 5 十倍 7。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 8。 6 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。 PW CvrP 3221 (2-1) rvn W 30(2-2) 式中 P风轮机输出功率， KW； 空气密度， kg/ 3m ； r 风轮半径， m； PC 风能利用系数 ； Wv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fM，斜向风作用于主轴上的扭力矩WM， 尾舵轮扭力矩tM。fM与机头质量、支持轴承有关，WM决定于风斜角 、距离 L，尾舵力矩由下式近似计算 LKuACMtRt 222（ 2-3） 式中 RC 尾舵升力、阻力合力系数 22 DLR CCC由实验曲线查得； tA 尾舵面积 ， 2m ； 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。 7 机头转动条件 Wft MMM （ 2-4） 尾舵面积 LKuCMMARWft222 （ 2-5） 式中 tM 尾舵轮扭力矩 ， mN ； fM 机头转动的摩擦力矩 ， mN ； WM 斜向风作用于主轴上的扭力矩 ， mN ； 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 7。 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 9。 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 Physical and mechanical 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 /MPa 52.2 122.6 99.3 126 210 径向 弦向 8.8 7.0 2.2.2 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： 8 风轮机功率 P=Pw CVr 3221 （ 2-6） 风轮半径 332 2 5 0 0 0 2 . 3 81 . 2 5 3 . 1 4 1 0 0 . 4 5wpPrmVC 取 2.5rm （ 2-7） 叶尖速比 2 2 3 . 1 4 2 . 5 5 01 . 3 0 86 0 6 0 1 0wwu r nVV （ 2-8） 风轮机转速 n=rVw 30（ 2-9） 式中 P 输出功率（指额定工况下输出的电功率）（ W）； P=5KW（给定值） 空气密度（一般取大气标准状态）（ kg/ 3m ） ； =1.25 kg/ 3m （给定值） wV 设计的风速（风轮中心高度处）（ m/s） ； wV=10m/s（给定值） A 风轮扫掠面积 )()( =A 22 mmrr 风轮半径； ； pC 风能利用系数；pC 0.45 （给定值） n 风轮机转速； n=50r/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1r0.45m，圆盘轮毂与桨叶间距取 0.05m。 则桨叶长度 1 0 . 1 2 . 5 0 . 4 5 0 . 0 . 0 5 2l r r m （ 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 2。风轮前后流场如图 2-2。 9 ABV w t轮 后 风 速 V w c风 速 V wv W 轮 前 风 速v W Av W BP AP a 轮 前 压 力P B轮 后 压 力 P A图 2-2 风轮前后流场 Figure 2 -2 Wind flow around 设 a ， PPc ， wtwbwa VVV (2-11) 由伯努 利 方程 bawcw PPVV )(21 22(2-12) 作用在风轮上的轴向力 F=A(ba PP )= )(21 22 wcw VVA (2-13) A= 2r (2-14) 式中 A 桨叶扫过的面积， ； 空气密度， 3/mkg ； P 风轮机功率， KW； wtV平均风速， m/s； wV轮前风速， m/s； wcV轮后风速， m/s； aP轮前压力， pa； 10 bP轮后压力， pa； F 轴向力， N； r 风轮半径， m； 质量流量 wtm AVq （ 2-15） 桨叶中的平均风速等于轮前、轮后风速的平均值 )(21 wcwwt VVV （ 2-16） 从风能中可能提取的能量 E 是进出口风的动能差 )(41)(21)(21222222wcwwcwwcwwtwcmwmVVVVAVVAVVqVqE（ 2-17） 已 知输入风轮的能量为 win AVAEE 321 （ 2-18） 风能利用系数 inEEC p 输入的风能可能提取的风能(2-19) 可能提取的能量 w3p 21 AVCE (2-20) 代入各 值得 wwcwwcw AV VVVVAC 3 22p 5.0 )(25.0 (2-21) 令 aVVwwc (2-22) 将式 2-12代入 下式 得风能利用系数 ),(2 )1)(1(2wcwp VVfaaC (2-23) 11 可由 式 2-13 求得风轮 机风能利用系数pC的极值。 进口风速wV是已知的，对wcV求导，并令为零， 0wcpdVdC ， 求得风能利用系数 pC 为极大值时的轮后风速 31,3 aVV wwc(2-24) 通过式 2-13 求得 风能利用系数pC的极大值为 maxPC=0.593 (2-25) 由式 2-10 得出最大理想可能利用的风能为 win AVEE 2m a x 21593.0593.0 (2-26) 理想风轮机的能量密度 wVE 3m a x 21593.0 (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 风对桨叶轴的弯矩 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 风对桨叶施加的力， N 风的密度， 3/mkg V 风速， m/s A 桨叶面积， 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桨叶的一半到桨叶轴危险截面的距离， m； M桨叶轴危险截面处所受弯矩， mN ； 12 682.4136 2.721 7.80 . 2 1 米h=0.105米426.52 米H = 1 . 1 5 米图 2-4 桨叶受力简图 Figure 2-4 Blade force schematic 桨叶轴所受扭矩如下式： 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桨叶偏心面积所受风的吹力， N； h桨叶轴中心到桨叶偏心面积中心线的距离， m； T桨叶轴所受转矩， mN ； 桨叶轴的危险截面按弯扭合成强度条件校核见下式： 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)危险截面轴颈 d 取 40mm 式中 B 许用抗拉强度极限， 2/mmN ； ca弯扭合成强度， 2/mmN ； M 主轴弯矩， N； T 主轴扭矩， N； 13 当剪应力为脉动循环应变力时为 0.6； W 危险截面处的抗扭截面模量 ， 3mm ； b 许用弯曲应力， 2/mmN ； d 危险截面轴颈， mm； 2.4.2 桨叶轴各轴段轴颈的 结构 设计 计算 桨叶轴从左至右安装零部件分别为： 桨叶轴复位斜板、桨叶轴支撑轴承座、轴套、光轴、轴向固定螺母、垫片、桨叶轴支撑轴承座、光轴、加强钣金、桨叶夹槽 7。所以轴颈分布如下： 图 2-5 桨叶轴轴颈分布 Figure 2-5 Paddle axle parts map 2.5 风力发电机组的 功率调节 问题 功率调节是风力发电机组的关键技术之一。风力发电机组在超过额定风速（一般为12 16m/s；）以后，由于机械强度和发电机、电力电子容量等物理性能的限制，必须降低风轮的能量捕获，使功率输出仍保持在额定值的附近。这样也同时限制了桨叶承受的负荷和整个风力机受到的冲击，从而保证风力机安全不受损害。功率调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距角调节和混合调节三种方式 8。 1） 定桨距失速调节 定桨距是指风轮的桨叶与轮毂是刚性连接，叶片的桨距角不变。当空气流流经上下翼面形状不同的叶片时，叶片弯曲面的气流加速，压力降低，凹面的气 14 流减速，压力升高，压差在叶片上产生由凹面指向弯曲面的升力。如果桨距角 不变，随着风速Wv增加，攻角 相应增大，开始升力会增大，到一定攻角后，尾缘气流分离区增大，形成大的涡流，上下翼面压力差减小，升力迅速减少，造成叶片失速（与飞机的机翼失速机理一 样），自动限制了功率的增加 8。 29.59.35风轮回转平面叶 型 弦 线F dFF 1风 向攻 角 风入口相对速度风 速 V w桨 距 角 转 速转 向图 2-6 桨叶失速前的状态图 Figure 2 -6 Blade stall before the state chart 因此，定桨距失速控制没有功率反馈系统和变桨距角伺服执行机构，整机结构简单、部件少、造价低，并具有较高的安全系数。缺点是这种失速控制方式依赖育叶片独特的翼型结构，叶片本身结构较复杂，成型工艺难度也较大。随着功率增大，叶片加长，所承受的气动推力大，使得叶片的刚度减弱，失速动态特性不易控制，所以很少应用在兆 瓦级以上的大型风力发电机组的功率控制上 8。 2） 变桨距角调节 变桨距角型风力发电机能使风轮叶片的安装角随风速而变化，风速增大时，桨距角向迎风面积减小的方向转动一个角度，相当于增大桨距角 ，从而减小攻角 ，风力机功率相应增大。 变桨距角机组启动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力机的启动性能和功率输出特性都有显著改善。变桨距角调节的风力发电机在阵风时，塔架、叶片、基础受到的冲击，较之失速调节型风力发电机 组要小得多，可减少材料，降低整机质量。它的缺点是需要有一套比较复杂的变桨距角调节机构，要求风力机的变桨距角系统对阵风的响应速度足够快，才能减轻由于风的波动引起的功率脉动 8。 15 3） 混合调节 这种调节方式是前两种功率调节方式的组合。在低风速时，采用变桨距角调节，可达到更高的气动效率；当风机达到额定功率后，使桨距角 向减小的方向转过一个角度，相应的攻角 增大，使叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。这种方式变桨距调节不 需要很灵敏的调节速度，执行机构的功率相对可以较小 7。 2.6 风轮 桨叶 的 复位弹簧 参数 计算 1） 当 6 级风时 V 12m/s；此时桨叶所受力 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总 （ 2-31） 式中 V 风速 m/s (给定值 ) ； A 桨叶的迎风面积 2m ； H 桨叶轴作用点到桨叶受力中点的距离 m； T 桨叶受到的转矩 mN 。 取 L=20mm时 11 3 . 7 3 4 6 8 6 . 70 . 0 2TF N PL 总总 （ 2-32） 式中 1P 弹簧最 小 工作载荷 N 2） 当 V 16m/s 时 ， 此时桨叶所受力 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 总 = 1 2 4 . 4 4 4 1 2 2 2 . 20 . 0 2 NTl =nP（ 2-36） 式中 nP 弹簧最大 工作载荷 N 3） 工作行程 Q tan 60 /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图 2-7 桨叶复位弹簧工作示意图 Fig.2-7 The working sketch map of the replacement spring of blade 弹簧类别 圆柱螺旋压缩弹簧 端部结构 端部并紧、磨平，支承圈为 1 圈 弹簧材料 碳素弹簧钢丝 C 级 4） 初算弹簧刚度 P 1 1 2 2 2 . 2 6 8 6 . 7 1 5 . 335nPPP h mmN/ （ 2-39） 5） 工作极限载荷jP因是 类载荷；nj PP 故jP 1222.2N 查表选jP 1280.3N 表 2-2 弹簧有关参数 Tab.2-2 Table of the parameter of spring D D jP jf dP 6 38 1280.3 5.489 233 17 6） 有效圈数 n 233 1 5 . 21 5 . 3dPnP ，按 表取标准值 n 16 （ 2-40） 总圈数1n1n n+2=18 7） 弹簧刚度 P 233 1 4 . 5 616dPPn N/mm （ 2-41） 8） 工作极限载荷下的变形量jF1 6 5 . 4 8 9 8 7 . 8 2 4jjF n f mm （ 2-42） 9） 节距 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） 弹簧外径 2D 2D D+d=38+6=44mm （ 2-45） 12） 弹簧内径 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） 展开长度 L 1 3 . 1 4 3 8 1 8 2 1 5 8 . 6c o s c o s 5 . 5DnL o mm （ 2-48） 15） 最 小载荷时高度 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） 最大载荷时的高度nH0 1 2 2 2 . 21 9 2 . 8 1 1 2 . 91 5 . 3nn PHH P mm （ 2-50） 18 15） 极限载荷时的高度jHjH=01 2 8 0 . 31 9 2 . 8 1 0 9 . 11 5 . 3jPH P mm （ 2-51） 16） 实际工作行程 h h=1H-nH=147.9-112.9=35 1 （ 2-52） 17）工作区范围 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） 高径比 b b0 1 9 2 . 8 5 . 0 738HD （ 2-54） 该弹簧的技术要求： 1.总圈数 1n 18 2.旋向为右旋 3.展开长度 L 2158.6mm 4.硬度 HRC4550 2.7 风轮的 桨叶轴轴承座 上的螺栓强度校核计算 2.7.1 轴承座上 螺栓组 的布置问题 螺栓组结构设计 采用如图所示的结构，螺栓数 z=4，对称布置。 3 58 5图 2-8 螺栓布置图 Figure 2-8 bolts layout 19 2.7.2 螺栓的受力分析 和参数计算 1） 考虑在极限风速 20m/s 时，螺栓组承受以下各力和翻转力矩的作用： 轴向力 F = 2V Acos30o =1.25 220 2 0.21 cos30 o =181.86N （ 2-55） 横向力 R=F 离心 +G 桨叶 +G桨叶轴 （ 2-56） G 桨叶 =V 桨叶 g= 2 0 . 2 1 0 . 0 4 5 9 4 1 0 9 9 . 8 N （ 2-57） 式中 桨叶材料选用东北落叶松，气干密度为 594kgg 3m gVG 钢桨叶轴桨叶轴 （ 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 叶桨叶轴桨叶轴离心 LmLmnRmRmvFF =462.3N （ 2-59） 式中 叶L 桨叶中心到主轴中心线的距离 m； 轴L 桨叶轴中心到主轴中心线的距离 m； R=462.3N+99.8N+54.5N=616.6N 翻转力矩 M=FL=1.25 220 2 0.21 cos30 o 1.325= 240.96 mN （ 2-60） 式中 L 桨叶中心到第一个轴承座中心的距离 m； 2） 在轴向力 F的作用下，各螺栓所受的工作拉力为 1F=Fz=1 8 1 . 8 6 4 5 . 4 6 54 N（ 2-61） 3） 在翻转力矩的作用下，前面两螺栓受加载作用，而后面两螺栓受到减载作用，故前面 两个螺栓受力较大，所受的载荷为 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离 m； iL 单个螺栓到中心的距离； i 螺栓数目的初始值。 20 根据以上分析可见前面的螺栓所受的轴向工作拉力为 12 4 5 . 4 6 5 1 4 1 7 . 4 1 4 6 2 . 8 6 5F F F N （ 2-63） 4） 在横向力 R的作用下，底板链接接合面可能 产生滑移，根据底板接合面不滑移条件，并 考虑轴向力 F 对预紧力的影响，则各螺栓所需要的预紧力为 RKFCC CzQf fFLFp )(（ 2-64） 式中 PQ 螺栓所需要的预紧力 N； FFLCCC 地的相对连接刚度系数； 查得联结接合面间的摩擦系数 f=0.35，查得螺栓的相对连接刚度系数FLLCC C=0.2，取可靠性系数fK=1.2 则各螺栓所需要的预紧力为 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） 螺栓所受的总拉力 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 轴承座上 螺栓直径 的计算 螺栓的性能等级为 6.6 级，查得 360saMP ， S=5 螺栓的许用应力 360 725s aMPS 螺栓危险剖面的直径为 14 1 . 3 4 1 . 3 1 1 1 3 . 6 7 5 . 0 6 3 . 1 4 7 2Qd m m （ 2-67） 所以选用 M8 的螺栓，强度以及安全性足够。 21 3 风力发电机的 主轴 结构 设计 3.1 主轴 的相关 参数 的选择和 计算 1）主轴的轴颈估算如下式： 33 51 1 0 5 1 . 5 650pdA n mm （ 3-1） 估取主轴 d 80mm 式中 d主轴轴颈， mm； P风轮机输入功率， kw； n风轮机额定转速， r/min； A 主轴参数，查表得 A=110。 主轴所受转矩如下式 T 9.55 3551 0 9 . 5 1 050 N m m （ 3-2） 2）主轴键的选择 主轴键的挤压应力校核如下式： 2/2 mmNdk lT pp 取 2/120 mmNp （ 3-3） 22 14bh ； 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 该键合理 （ 3-4） 式中 p 许用挤压应力 ， 2/mmN ； k 键与轮毂槽（或轴槽）的接触高度， mm， k=h/2 h 键高； mm l 键的工作长度， mm， A 型： l=L-b， B 型： l=L， C 型： l=L-b/2， b 键宽， mm 3.2 轴段设计与校核 主轴从左至右装配的零部件分别为： 1） 弹簧挡板调节螺母 2） 弹簧上挡板 3）压缩弹簧 4） 弹簧下挡板 5）圆盘定位螺母 6）带轮毂圆盘 7）支撑轴承座 7。 22 12345 67123 45 6 7图 3-1 主轴装配图 Figure 3-1 Spindle assembly 圆盘 作用在主轴上的力由下式计算得出 2 2 33 . 1 4 0 . 4 5 0 . 0 1 0 . 0 0 6 3 6V r B m （ 3-5） 圆盘m 7 8 5 0 0 . 0 0 6 3 6 4 9 . 9V k g （ 3-6） NF 225.616 式中 V 圆盘体积， 3m ； 圆盘m 圆盘质量， kg； F 圆盘自重施加在主轴上的力， N； 桨叶轴 、桨叶作用在主轴上的力 ；45.5 kgm 桨叶轴 ；98.9 kgm 桨叶 kgmmmm 48.1 4 29.4998.945.566 圆盘桨叶桨叶轴总 （ 3-7） 主总F 1424.8N式中 总m 六片桨叶、桨叶轴与圆盘整体自重， kg； 主总F 六片桨叶、桨叶轴与圆盘整体自重作用在主轴上的力， N； 圆盘、桨叶、桨叶轴整体对主轴的弯矩强度校核如下： 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 选取 d=80mm主轴轴颈校核 强度满足要求。 式中 V 圆盘体积， 3m ； B 圆盘厚度， m； r 圆盘半径， m； 圆盘m 圆盘质量， kg； 桨叶轴m桨叶轴质量， kg； 桨叶m 桨叶质量， kg； 图 3-2 主轴 Fig.3-2 The spindle 24 4 风力发电机的增速器和电动机的选取 4.1 主轴与增速器之间的联轴器 4.1.1 联轴器的特点 由于风力液动机在工 作时，主轴会产生偏移，因此采用弹性连轴器。 弹性柱销联轴器制造容易，耐久性好，安装维护方便，传递转矩大。为防止脱销，柱销两端用螺栓固定了挡板。 适用于轴向位移大，正、反转或启动频繁传动，因此选用 弹性柱销联轴器 2。 4.2.2 联轴器 的型号及主要参数 主轴末端轴颈为 80mm，选择 HL6 型 弹性柱销联轴器 ，其主要参数为 表 4-1 联轴器参数 Tab.4-1 Table of the parameter of coupling 公称转矩 /nT N mg 许用转速（ 钢）1/ minnr g 质量 /mkg 转动惯量 2/I kg mg 3150 2100 53 15.6 4.2 风力发电机 增速器的选择 由于桨叶轮的转速较小，因此需要借助增速器来带动电动机， 增速器的 原理与减速器相同，只是将其的输出与输入调换，根据 设计 要求 和具体需要 本设计采用 NGW 型行星齿轮减速器 3。 4.2.1 使用范围和特点 1）适用范围 NGW 型行 星齿轮减速器主要用于冶金、矿山、起重运输等机械设备减速。其工作条件为：工作环境温度为 40 45 C oo；高速轴最高转速不超过 1500 /minr ；齿轮圆周速度不超过 10 /ms；可正反两方向运转。 2）主要特点 a.体积小、重量轻。相同条件下，比普通渐开线圆柱齿轮的重量轻 1/2 以上， 1/2 到1/3。 b.传动效率高。 c.适应性强，传动功率范围大。 d.运转平稳，噪