十千瓦風力發(fā)電機設計畢業(yè)設計

1、<p><b>　　前言</b></p><p>　　傳統(tǒng)燃料終將逐漸耗竭，其價格勢必日益上漲。因此，風能業(yè)已喚起人們再檢視其能否成為未來主要可靠能源之一。</p><p>　　風能是一種干凈的、儲量極為豐富的可再生能源，他和存在于自然界的礦物燃料能源，如煤、石油、天然氣等不同，它不會隨著其本身的轉化和利用而減少，因此也可以說是一種取之不盡、用之不竭的能源。

2、</p><p>　　風能利用已有數(shù)千年的歷史，在蒸汽機發(fā)明以前，風帆和風車是人類生產(chǎn)和生活的重要動力裝置埃及被認為可能是最先利用風能的國家，約在幾千年以前，他們就開始用風帆來幫助行船。波斯和中國也很早開始利用風能，主要使用垂直軸風車。</p><p>　　我國是最早使用風帆船和風車的國家之一，至少在3000年前的商代就出現(xiàn)了帆船，到唐代風帆船已廣泛用于江河航運。明代以后風車得到了廣泛的應

3、用，我國沿海沿江的風帆船和用風力提水灌溉或制鹽的做法，一直延續(xù)到20世紀50年代，僅在江蘇沿海利用風力提水的設備增達20萬臺。</p><p>　　有效利用風能資源，減少對不可再生資源的消耗，降低對環(huán)境的污染。在設計的過程中主要解決的問題是風力發(fā)電機的總體設計，葉片、槳葉復位機構的設計，回轉體機構的設計等。</p><p>　　大自然的風完全不用進口，是地道的自產(chǎn)能源，多加利用可減低對進口

4、石油、煤炭等化石能源的依賴，促進能源來源多元化，在國家安全上也有其戰(zhàn)略意義。另外，風力發(fā)電機作為防風墻不但可以發(fā)出電能還可以為我國沙塵天氣的防治起到一定的作用，并且在偏遠山區(qū)電網(wǎng)無法安裝的地區(qū)風力發(fā)電機還可以為其解決用電難的問題。</p><p>　　所以我選擇這個題目作為我的畢業(yè)設計，希望可以在發(fā)揮出其基本功能的前提下，做出價格便宜，結構簡單，通用性強的機械設備來填寫我在大學最后的一次答卷！</p>

5、<p><b>　　1　概述</b></p><p>　　1.1　選題的目的與意義</p><p>　　人類追求經(jīng)濟成長及現(xiàn)代化的結果使得能源大量消耗，然而地球的化石燃料蘊藏量有限，統(tǒng)計顯示依照目前的消耗速率，石油蘊藏量能供人類使用不到50年，天然氣不到70年，煤炭較久超過200年，終有一日人類將沒有石油可用。然而風力發(fā)電不一樣，由于攝取大自然的風能，

6、只要太陽及地球仍在運行即無匱乏之虞，而且一部裝置在一般地區(qū)的風力發(fā)電機，在它20年使用壽命中所生產(chǎn)的電力發(fā)電機，在卸除它能耗費能源的80倍，是能讓人們永續(xù)使用的再生能源之一。</p><p>　　大自然的風完全不用進口，是地道的自產(chǎn)能源，多加利用可減低對進口石油、煤炭等化石能源的依賴，促進能源來源多元化，在國家安全上也有其戰(zhàn)略意義。在經(jīng)濟社會層面，風力發(fā)電可制造工作機會，從零組件的生產(chǎn)、運輸、組裝、維護等，皆為設

7、置風力發(fā)電機當?shù)貛硐喈數(shù)木蜆I(yè)機會與新的產(chǎn)業(yè)。有效利用風能資源，減少對不可再生資源的消耗，降低對環(huán)境的污染。</p><p>　　風能利用已有數(shù)千年的歷史，在蒸汽機發(fā)明以前，風帆和風車是人類生產(chǎn)和生活的重要動力裝置埃及被認為可能是最先利用風能的國家，約在幾千年以前，他們就開始用風帆來幫助行船。波斯和中國也很早開始利用風能，主要使用垂直軸風車。</p><p>　　我國是最早使用風帆船和風車

8、的國家之一，至少在3000年前的商代就出現(xiàn)了帆船，到唐代風帆船已廣泛用于江河航運。最輝煌的風帆時代是明代，14世紀初葉中國航海家鄭和七下西洋，龐大的風帆船隊功不可沒。明代以后風車得到了廣泛的應用，我國沿海沿江的風帆船和用風力提水灌溉或制鹽的做法，一直延續(xù)到20世紀50年代，僅在江蘇沿海利用風力提水的設備增達20萬臺。</p><p>　　歐洲到中世紀才廣泛利用風能，荷蘭人發(fā)展了水平軸風車。18世紀荷蘭曾用近萬座風

9、車排水，在低洼的海灘上造出良田，成為著名的風車之國。</p><p>　　隨著蒸汽機的出現(xiàn)，以及煤、石油、天然氣的大規(guī)模開采和廉價電力的獲得，各種曾經(jīng)被廣泛使用的風力機械，由于成本高、效率低、使用不方便等，無法與蒸汽機、內燃機和電動機等相競爭，漸漸被淘汰。</p><p>　　到了19世紀末，開始利用風力發(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70年代以后，利用風力發(fā)電

10、更進入了一個蓬勃發(fā)展的階段。</p><p>　　太陽輻射造成地表面受熱不均引起大氣溫度、密度和壓力差別。風能是地球表面空氣從壓力高的地方向壓力低的地方移動時產(chǎn)生的動能，風能資源是經(jīng)過測在量和質上可供人類開發(fā)利用的風能。風能的大小用風功率密度來度量，它與風速的立方和空氣密度成正比。</p><p>　　太陽輻射的能量在地球表面約有2%轉化為風能。根據(jù)荷蘭和美國對風能資源的研究，考慮城鎮(zhèn)、森

11、林、復雜地形、交通困難的山區(qū)及社會環(huán)境的制約，如景觀和噪音影響等，取具有風能資源土地面積的4%推算，可利用的風能資源儲量估計約96億kW或18.7萬億kW·h/a。另外，海岸線附近的淺海區(qū)域也有非常豐富的風能資源，且平均風速大、湍流小，僅歐盟國家沿岸的海上風能資源估計約3萬億kW·h/a，比歐盟12國目前的年用電量2萬億kW·h還大，如按年滿功率發(fā)電2 500h計劃，則裝機容量可達12億kW。</p&

12、gt;<p>　　風能是一種干凈的、儲量極為豐富的可再生能源，他和存在于自然界的礦物燃料能源，如煤、石油、天然氣等不同，它不會隨著其本身的轉化和利用而減少，因此也可以說是一種取之不盡、用之不竭的能源；而煤、石油、天然氣等礦物燃料能源，其儲量將隨著利用時間的增長而日趨減少。礦物燃料在利用過程中會帶來嚴重的環(huán)境污染問題，如空氣中的等氣體的排放量的增長導致了溫室效應、酸雨等現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此自20世紀70年代末以來，隨著世界各國對

13、環(huán)境保護、能源短缺及節(jié)能等問題的日益關注，認為大規(guī)模利用風力發(fā)電是減少空氣污染、減少有害氣體（等）排放氣體的有效措施之一。</p><p>　　傳統(tǒng)火力發(fā)電燃燒化石燃料而排放大量的二氧化碳及其它污染物質，破壞環(huán)境并造成全球暖化，嚴重影響生態(tài)系統(tǒng)病危及人類健康；核能發(fā)電雖不像火力發(fā)電般排放許多污染物質，但溫排水可能影響海洋生態(tài)，而且目前尚無法完善處理半衰期長達數(shù)千、數(shù)萬年的高放射性核廢料，使其部分環(huán)境造成影響。相比

14、之下風力發(fā)電完全沒有上述問題。風力發(fā)電機在轉換電力過程中不排放二氧化碳及任何污染物質，更沒有放射性物質的困擾，是非常干凈的能源，因此廣受注重環(huán)境保護的歐美國家的歡迎，成為應用最多的再生能源技術之一。</p><p>　　1.2　目前國內外風電技術發(fā)展狀況</p><p>　　風力發(fā)電機組 (簡稱風電機)是將風能轉化為電能的機械。風輪是風電機最主要的部件，由漿葉和輪轂組成。槳葉具有良好的空氣

15、動力外形，在氣流作用下能產(chǎn)生空氣動力使風輪旋轉，將風能轉換成機械能，再通過齒輪箱增速，驅動發(fā)電機轉變成電能。在理論上，最好的風輪只能將約60%的風能轉換為機械能?，F(xiàn)代風電機風輪的效率可達到40%。風電機輸出達到額定功率前，功率與風速的立方成正比，即風速增加1倍，輸出功率增加8倍，所以同力發(fā)電的效益與當?shù)氐娘L速關系極大。由于風速隨時在變化，風電機常年在野外運行，承受十分復雜惡劣的交變載荷。當前生產(chǎn)的主力機型為600~750kW，機體龐大，

16、風輪直徑和塔架高度都達到40~50m，設計和制造較困難。目前風電機的設計壽命是20a，要求經(jīng)受住60 m/s的11級暴風襲擊，代表機組可靠性的可利用率要達到95%以上。德國、丹麥、西班牙、英國、荷蘭、瑞典、印度、加拿大等國在風力發(fā)電技術的研究與應用上投入了相當大的人力及資金，充分綜合利用空氣動力學、新材料、新型電機、電力電子技術、計算機、自動控制及通信技術等方面的最新成果，開發(fā)建立了評估風力資源的測量及計算機模擬系統(tǒng)，發(fā)展了變漿距控制及

17、失速</p><p>　　1）風力機單機大型化</p><p>　　風力機單機容量不斷增加是風電技術的顯著特點之一。商業(yè)風力機平均單機容量從1982年為55kw到2002年約為1100kw，20年增加了近20倍。隨著技術的逐漸成熟早年多樣化的設計理念也趨向統(tǒng)一。單機容量大，有利于降低每千瓦的制造成本；而且大型機組采用更高的塔架，有利于捕獲風能，50m高度捕獲的風能要比30m高度處多20%。

18、目前，商業(yè)化機組的單機容量已達3.6MW。</p><p>　　2）變速恒頻機組將成為主流機型</p><p>　　目前，世界各地風電場的風力發(fā)電機組，絕大多數(shù)為恒速運行機組。隨著控制技術的發(fā)展和變速恒頻機組的應用，風力機開始改恒速運行為變速運行，風輪轉速隨風速變化，在低于額定風俗的相當大范圍內保持最佳葉尖速比已獲得最大風能。</p><p>　　3）重量更輕、結構

19、更具柔性</p><p>　　隨著風力機葉片的增長，其單位功率的重量更輕、結構更柔性。葉片材料由玻璃纖維增強樹脂發(fā)展為強度高、質量輕的碳纖維。同時，針對風力機的空氣動力環(huán)境，風力機專用新翼型也得到廣泛應用，大大改善葉片的氣動性能。</p><p>　　4）海上風力發(fā)電迅速發(fā)展</p><p>　　由于海上風力資源比陸地上好，風速比沿岸路上約高25%，且海面粗糙度小，

20、海上風場湍流強度小，具有穩(wěn)定的主導風向，減少機組疲勞載荷，延長使用壽命。</p><p>　　5）中國風力發(fā)電的發(fā)展</p><p>　　中國現(xiàn)代風力發(fā)電機技術的開發(fā)利用起源于20世紀70年代初。經(jīng)過初期發(fā)展、單機分散研制、系列化和標準化幾個階段的發(fā)展，無論在科學研究、設計制造，還是試驗、示范、應用推廣等方面均有了長足的進步和很大的提高，并取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。</p>

21、;<p>　　我國開發(fā)、研制、生產(chǎn)小型風力發(fā)電機組的單位共47家，年生產(chǎn)能力超過了4萬臺。產(chǎn)品的額定功率100W-10KW。到2002年底，全國累計生產(chǎn)離網(wǎng)型小型風力發(fā)電機組24萬多臺。</p><p>　　表1-1 中國風電場裝機容量發(fā)展情況（單位：萬KW）</p><p>　　Tab 1-1 China's installed capacity of wind

22、power development (unit : 10,000 KW)</p><p>　　1.3 風力發(fā)電的原理和需要解決的問題</p><p>　　風力發(fā)電依靠空氣的流動-也就是風-來推動風力發(fā)電機的葉片而發(fā)電，風的形成則是源于地球本身的自轉以及區(qū)域性的太陽輻射熱吸收不均勻而引起空氣的循環(huán)流動，小規(guī)模者如海路風、山谷風，大規(guī)模者如東北季風或臺風。</p><p&

23、gt;　　一部典型的現(xiàn)代水平軸式風力發(fā)電機包括葉片、輪轂(與葉片合稱葉輪)、機艙罩、齒輪箱、發(fā)電機、塔架、基座、控制系統(tǒng)、電纜線等。當風流過葉片時，由于空氣動力的效應帶動葉輪轉動，葉輪透過主軸連結齒輪箱，經(jīng)過齒輪箱加速后帶動發(fā)電機發(fā)電。目前亦有廠商推出無齒輪箱式機組，可降低震動、噪音，提高發(fā)電效率，但成本相對較高。</p><p>　　風力發(fā)電機并不能將所有流經(jīng)的風力能源轉換成電力，理論上最高轉換效率約為59%，

24、實際上大多數(shù)的葉片轉換風能效率約介于30~50%之間，經(jīng)過機電設備轉換成電力能后的總輸出效率則約介于20~45%。由于發(fā)電效率較高只風力發(fā)電機其經(jīng)濟效益較佳,鑒于水平軸式擁有較高發(fā)電效率,現(xiàn)代風力發(fā)電機多為水平軸式。</p><p>　　風力發(fā)電機的電力輸出與風的速度非常有關，葉片能自風獲得之能量與風速的三次方成正比，一般市場上風力發(fā)電機的啟動風速約介于2.5~4m/s，于風速12~15m/s時達到額定的輸出容量

25、，風速更高時風力發(fā)電機的控制機構將電力輸出穩(wěn)定在額定容量左右，為避免過高的風速損壞發(fā)電機，大多于風速達20~25m/s范圍內停機。一般采用旋角節(jié)制或失速節(jié)制方式來調節(jié)葉片之氣動性能及葉輪之輸出。</p><p>　　除了風速外，葉輪直徑?jīng)Q定了可攝取風能的多少，約與葉輪直徑平方成正比，以目前商業(yè)化的中、大型風力發(fā)電機為例，容量600kW的機組其葉輪直徑約45m左右，1000kW的機組葉輪直徑約55m左右，2000k

26、W的機組葉輪直徑則約75m左右，依生產(chǎn)工藝而異。 葉片的數(shù)量亦影響風力發(fā)電機的輸出，一般而言多葉片的風車效率較低但機械力矩較高，適用于汲水等工作；少葉片型(1~3葉片)效率較高而力矩較低，其中又以2葉及3葉效率較高。此外，現(xiàn)代風力發(fā)電機的葉片多采用機翼翼型，以更有效的攝取風能。</p><p>　　圖1-1葉輪直徑與風能攝取量的關系</p><p>　　Fig 1-1 Impeller

27、 diameter intake and the number of wind energy</p><p>　　風能利用發(fā)展中的關鍵技術問題風能技術是一項涉及多個學科的綜合技術。而且，風力機具有不同于通常機械系統(tǒng)的特性：動力源是具有很強隨機性和不連續(xù)性的自然風，葉片經(jīng)常運行在失速工況，傳動系統(tǒng)的動力輸入異常不規(guī)則，疲勞負載高于通常旋轉機械幾十倍。對于這樣的強隨機性的綜合系統(tǒng)，其技術發(fā)展中有下列幾個關鍵技術問題。

28、</p><p><b>　　1）空氣動力學問題</b></p><p>　　空氣動力設計是風力機設計技術的基礎，它主要涉及下列問題:一是風場湍流模型，早期風力機設計采用簡化風場模型，對風力機疲勞載荷和極端載荷的確定具有重要意義；另一是動態(tài)氣動模型。再一是新系列翼型。</p><p><b>　　2）結構動力學問題</b>

29、</p><p>　　準確的結構動力學分析是風力機向更大、更柔和結構更優(yōu)方向發(fā)展的關鍵。</p><p><b>　　3）控制技術問題</b></p><p>　　風力機組的控制系統(tǒng)是一個綜合性的控制系統(tǒng)。隨著風力機組由恒速定漿距運行發(fā)展到變速變漿距運行，控制系統(tǒng)除了對機組進行并網(wǎng)、脫網(wǎng)和調向控制外，還要對機組進行轉速和功率的控制，以保證機組安

30、全和跟蹤最佳運行功率。</p><p>　　1.4 我國風能資源分布</p><p>　　風能是空氣運動產(chǎn)生的動能，它是太陽能的一種轉化形式，是一種清潔的可再生能源。全球風能資源極為豐富，據(jù)世界氣象組織估計，地球上近地層的風能總量約為可利用的風能至少為，約為地球上可利用水能總量的10倍。</p><p>　　表1-2 風能資源比較豐富的省區(qū)</p>

31、<p>　　Tab 1-2 Wind resource rich provinces</p><p>　　1.5　風力機的類型和分類</p><p>　　風力機將風的動能轉換為機械能或其他形式的能量。按功率輸出的大小，風力機一般分為小型（10KW以下），中型（10KW-100KW）和大型（100KW以上）。</p><p>　　風力機的種類相當多，依結構

32、式樣可分類為：</p><p>　　按主軸與地面的相對位置，可分為水平軸與垂直軸式。</p><p>　　按轉子相對于風向的位置，可分為上風式與下風式。</p><p>　　按轉子葉片工作原理可分為升力型與阻力型。</p><p>　　按轉子葉片數(shù)量，可分為單葉型，雙葉型，三葉型，荷蘭型，美國農(nóng)村多葉型。</p><p&g

33、t;<b>　　2　風力機基礎理論</b></p><p>　　2.1　風速、風能與空氣密度</p><p>　　風場的風速資料是設計風輪機最基本的資料。風場的實際風速是隨時間不斷變化的量，因此風速一般用瞬時風速和平均風速來描述。瞬時風速是短時間發(fā)生的實際風速，也稱有效風速，平均風速是一段較長時間內瞬時風速的平均值。</p><p>　　某地一

34、年內發(fā)生同一風速的小時數(shù)與全年小時數(shù)（8760h）的比稱為該風速的風速頻率,它是風能資源和風能電站可研報告的基本數(shù)據(jù)。風速與地形、地勢、高度、建筑物等密切相關，風能槳葉高度處的風速才是風輪設計風速，因此，設計風輪機電站還要有風速沿高度的變化資料。</p><p>　　風的變化是隨機的，任一地點的風向、風速和持續(xù)的時間是變化的，為定量地衡量風力資源，通常用風能玫瑰圖來表示。圖2-1上射線長度是某一方向上風速頻率和平

35、均風速三次方的積，用以評估各方向的風能優(yōu)勢。</p><p><b>　　圖2-1風能玫瑰圖</b></p><p>　　Fig 2 -1 Rose wind map </p><p>　　不同海拔高度風場的空氣密度也不同，它是風力發(fā)電的一個重要計算參數(shù)，不同海拔高度空氣密度見表2-1。</p><p>　　表2-1

36、不同海拔高度風場的空氣密度</p><p>　　Tab2 -1 Different altitude wind farms air density</p><p><b>　　2.2　風力等級</b></p><p>　　風力等級是根據(jù)風對地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象，按風力的強度等級來估計風力的大小，國際上采用的是英國人蒲福（Franc

37、is Beaufort,1774~1859）于1805年所擬定的等級，故又稱蒲福風級，他把靜風到颶風分為13級。見表2-2。</p><p>　　表2-2 蒲福風力等級表</p><p>　　Tab2 -2 Bofu wind scale</p><p>　　2.3　理想風能的利用</p><p>　　經(jīng)風輪做功后的風也有一定流速和動能，因

38、此風的能量只能被部分轉化為機械能。風輪前后流場如圖2-2。</p><p>　　設 </p><p>　　, , (2-1)</p><p><b>　　由伯努利方程 </b></p><p><b>　　(2-2)

39、</b></p><p>　　作用在風輪上的軸向力</p><p>　　F=A()= (2-3)</p><p>　　A= (2-4)</p><p>　　式中 A ──槳葉掃過的面積，㎡；</p><p>

40、;<b>　　──空氣密度，；</b></p><p>　　P ──風輪機功率，KW；</p><p>　　──平均風速， m/s；</p><p>　　──輪前風速， m/s；</p><p>　　──輪后風速， m/s；</p><p>　　──輪前壓力， pa；</p><

41、;p>　　──輪后壓力， pa；</p><p>　　F ──軸向力， N；</p><p>　　r ──風輪半徑， m；</p><p>　　圖2-2風輪前后流場</p><p>　　Fig2 -2 Wind flow around </p><p><b>　　質量流量</b></

42、p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　槳葉中的平均風速等于輪前、輪后風速的平均值</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　從風能中可能提取的能量是進出口風的動能差 </p><p><b>　?。?-7）</b

43、></p><p>　　已知輸入風輪的能量為</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p><b>　　風能利用系數(shù) </b></p><p><b>　　(2-9)</b></p><p><b>　　可能提取的能

44、量</b></p><p><b>　　(2-10)</b></p><p><b>　　代入各值得</b></p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　令

45、 (2-12)</p><p>　　將式2-12代入下式得風能利用系數(shù)</p><p><b>　　(2-13)</b></p><p>　　可由式（2-13）求得風輪機風能利用系數(shù)的極值。</p><p>　　進口風速是已知的，對求導，并令為零，，求得風能利用系數(shù)為極大值

46、時的輪后風速</p><p><b>　　(2-14)</b></p><p>　　通過式2-13求得風能利用系數(shù)的極大值為</p><p>　　=0.593 (2-15)</p><p>　　由式2-10得出最大理想可能利用的風能為</p>

47、<p><b>　　(2-16)</b></p><p>　　理想風輪機的能量密度</p><p><b>　　(2-17)</b></p><p>　　2.4　風輪機基本參數(shù)</p><p>　　風能指空氣運動的動能，一般用單位時間內通過單位面積的能量即風能密度來衡量風能的大小。&l

48、t;/p><p>　　即 E= (2-18)</p><p>　　式中 A──風輪掃掠面積， ；</p><p>　　──風速， m/s；</p><p>　　──為空氣密度， kg/；</p><p>　　在本設計中取=1.25kg/

49、。由式2-18可知風能的大小與空氣密度和通過的面積成正比，與風速的立方成正比。</p><p>　　葉尖速比是風輪葉尖線速度與風速的比值，</p><p>　　即 (2-19)</p><p>　　式中 R──為風輪半徑， m；</p><p>　　──為風

50、輪角速度， rad；</p><p>　　──葉尖速比 ；</p><p>　　根據(jù)動量守恒原理，可知空氣作用在風輪上的推力為</p><p><b>　　(2-20)</b></p><p>　　式中 A──為風輪掃掠面積， ；</p><p>　　──為通過風

51、輪的風速,因此代表了單位時間內流過風輪的空氣質量, kg；</p><p>　　──為風輪前方未受風輪影響的來流風速，m/s；</p><p>　　──為尾流中達到壓力平衡后的風速， m/s；</p><p>　　在風力機設計時需要確定一些參數(shù)，可采用確定風力機額定出力或選用最大能量輸出來計算設計點。設計中占主導的風速，如果在實際中這一風速不能得到充分利用，產(chǎn)生損

52、失也就說明設計存在問題，也就是風力機葉型設計有問題，這也是風力機的動力研究的本質。在空氣動力方面最重要的發(fā)展是，研制新的風力機葉片葉型，以轉化更多的風能，如美國國家可再生能源實驗室(NREL)開發(fā)了一種新型葉片葉型，試驗表明，新型葉片比早期的風力機葉片轉化的風能要大20%以上。目前設計的葉片，最大風能利用系數(shù)約為0.47左右，而風能利用系數(shù)的極限值是0.593，可見在葉片葉型的改進上還有較大的發(fā)展空間。采用柔性葉片也是一個發(fā)展動向，利用

53、新型材料（如新型工程塑料等）。進行設計制造，使其在風況變化時能夠相應改變它們的型面，從而改善空氣動力響應和葉片受力狀況，增加可靠性和對風能的轉化量。</p><p>　　另外，還在開發(fā)新的空氣動力控制裝置．如葉片上的副翼，它能夠簡單、有效地限制轉子的旋轉速度，比機械剎車更可靠，并且費用低。</p><p><b>　　2.5　功率調節(jié)</b></p>&

54、lt;p>　　功率調節(jié)是風力發(fā)電機組的關鍵技術之一。風力發(fā)電機組在超過額定風速（一般為12～16m/s；）以后，由于機械強度和發(fā)電機、電力電子容量等物理性能的限制，必須降低風輪的能量捕獲，使功率輸出仍保持在額定值的附近。這樣也同時限制了槳葉承受的負荷和整個風力機受到的沖擊，從而保證風力機安全不受損害。功率調節(jié)方式主要有定槳距失速調節(jié)、變槳距角調節(jié)和混合調節(jié)三種方式。</p><p>　　1）定槳距失速調節(jié)

55、 定槳距是指風輪的槳葉與輪轂是剛性連接，葉片的槳距角不變。當空氣流流經(jīng)上下翼面形狀不同的葉片時，葉片彎曲面的氣流加速，壓力降低，凹面的氣流減速，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，隨著風速增加，攻角相應增大，開始升力會增大，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（與飛機的機翼失速機理一樣），自動限制了功率的增加。</p><p>

56、;　　圖2-3槳葉失速前的狀態(tài)圖</p><p>　　Fig 2 -3 Blade stall before the state chart</p><p>　　因此，定槳距失速控制沒有功率反饋系統(tǒng)和變槳距角伺服執(zhí)行機構，整機結構簡單、部件少、造價低，并具有較高的安全系數(shù)。缺點是這種失速控制方式依賴育葉片獨特的翼型結構，葉片本身結構較復雜，成型工藝難度也較大。隨著功率增大，葉片加長，所承受

57、的氣動推力大，使得葉片的剛度減弱，失速動態(tài)特性不易控制，所以很少應用在兆瓦級以上的大型風力發(fā)電機組的功率控制上。</p><p>　　2）變槳距角調節(jié) 變槳距角型風力發(fā)電機能使風輪葉片的安裝角隨風速而變化，風速增大時，槳距角向迎風面積減小的方向轉動一個角度，相當于增大槳距角，從而減小攻角，風力機功率相應增大。</p><p>　　變槳距角機組啟動時可對轉速進行控制，并網(wǎng)后可對功率進行控制

58、，使風力機的啟動性能和功率輸出特性都有顯著改善。變槳距角調節(jié)的風力發(fā)電機在陣風時，塔架、葉片、基礎受到的沖擊，較之失速調節(jié)型風力發(fā)電機組要小得多，可減少材料，降低整機質量。它的缺點是需要有一套比較復雜的變槳距角調節(jié)機構，要求風力機的變槳距角系統(tǒng)對陣風的響應速度足夠快，才能減輕由于風的波動引起的功率脈動。</p><p>　　3）混合調節(jié) 這種調節(jié)方式是前兩種功率調節(jié)方式的組合。在低風速時，采用變槳距角調節(jié)，可達

59、到更高的氣動效率；當風機達到額定功率后，使槳距角向減小的方向轉過一個角度，相應的攻角增大，使葉片的失速效應加深，從而限制風能的捕獲。這種方式變槳距調節(jié)不需要很靈敏的調節(jié)速度，執(zhí)行機構的功率相對可以較小。</p><p>　　2.6　風輪迎風技術</p><p>　　風速的大小、方向隨時間總是在不斷變化，為保證風輪機穩(wěn)定工作，必須有一個裝置跟蹤風向變化，使風輪隨風向變化自動相應轉動，保持風輪

60、與風向始終垂直。這種裝置就是風輪機迎風裝置。</p><p><b>　　(2-21)</b></p><p><b>　　(2-22)</b></p><p>　　式中 P──風輪機輸出功率， KW；</p><p>　　──空氣密度， kg/；</p><p>　　r

61、──風輪半徑， m；</p><p><b>　　──風能利用系數(shù)；</b></p><p>　　──風速， m/s；</p><p>　　n ──風輪轉速， r/min；</p><p>　　由式2-21和2-22可知風輪機的輸出功率與風速立方成正比,轉速與風速一次方成正比。因此，風速變化將引起出力和轉速的變化。<

62、;/p><p>　　風輪迎風裝置有三種方法：尾舵法、舵輪法和偏心法。</p><p>　　風向變化時，機身上受三個扭力矩作用，機頭轉動的摩擦力矩，斜向風作用于主軸上的扭力矩,尾舵輪扭力矩。與機頭質量、支持軸承有關，決定于風斜角、距離L，尾舵力矩由下式近似計算</p><p><b>　?。?-23）</b></p><p>

63、　　式中 ──尾舵升力、阻力合力系數(shù)由實驗曲線查得；</p><p><b>　　──尾舵面積；</b></p><p>　　──風輪的圓周速率，m/s；</p><p>　　K──風速損失系數(shù)約0.75；</p><p>　　L──尾舵距離，m。</p><p>　　機頭轉動條件

64、 </p><p><b>　?。?-24）</b></p><p>　　尾舵面積 </p><p><b>　　（2-25）</b></p><p>　　式中 ──尾舵輪扭力矩，；</p><p>　　──機頭轉動的摩擦力矩，

65、 ；</p><p>　　──斜向風作用于主軸上的扭力矩， ；</p><p>　　按上式設計的尾舵面積就可以保證風輪機槳葉永遠對準風向。</p><p>　　舵輪法是用自動測風裝置測定風向，按風向偏差信號控制同步電動機轉動風輪，此方法也可保證風輪機槳葉永遠對準風向。</p><p>　　在本設計中把尾舵取消增加槳葉軸與圓盤角度到7°

66、;角這樣可以加大與斜向風的接觸面積增大斜向風對主軸的轉矩當斜向風的轉矩為零時風輪機槳葉對準風向。</p><p><b>　　2.7 風電品質</b></p><p>　　自然風的速度和方向是隨機變化的，風能具有不穩(wěn)定性特點，如何使風力發(fā)電機的輸出功率穩(wěn)定，是風力發(fā)電技術的一個重要課題。迄今為止，已提出了多種改善風電品質的方法，例如采用變轉速控制技術，可以利用風輪的

67、轉動慣量平滑輸出功率。由于變轉速風力發(fā)電機組采用的是電力電子裝置，當它將電能輸送給電網(wǎng)時，會產(chǎn)生變化的電力諧波，并使功率因素惡化。</p><p>　　因此，為了滿足在變轉速控制過程中良好的動態(tài)特性，并能使發(fā)電機向電網(wǎng)提供高品質的電能，發(fā)電機和電網(wǎng)之間的電力電子接口應實現(xiàn)以下功能：a.在發(fā)電機和電網(wǎng)上產(chǎn)生盡可能低的諧波電流；b.具有單位功率因素或可控的功率因素；c.使發(fā)電機輸出電壓適應電網(wǎng)電壓的變化；d．向電網(wǎng)輸

68、出穩(wěn)定的功率；e.發(fā)電機電磁轉矩可控。</p><p>　　此外，當電網(wǎng)中并人的風力電量達到一定程度，會引起電壓不穩(wěn)定（一般建議不大于10％）。特別是當電網(wǎng)發(fā)生短時故障時，電壓突降，風力發(fā)電機組就無法向電網(wǎng)輸送能量，最終由于保護動作而從電網(wǎng)解列。在風能占較大比例的電網(wǎng)中，風力發(fā)電機組的突然解列，會導致電網(wǎng)的不穩(wěn)定。因此，用合理的方法使風力發(fā)電機組的電功率平穩(wěn)具有非常重要的意義。</p><p&

69、gt;　　風力發(fā)電對電網(wǎng)的不利影響可以用儲能技術來改善。例如，用超導儲能技術使風力發(fā)電機組輸出電壓和頻率穩(wěn)定。超導儲能系統(tǒng)SMES（Supercon Ducting Magnetic Energy Storage Systems）代表了柔性交流輸電的新技術方向，能吸收或者放出有功和無功功率，來快速響應電力系統(tǒng)需要。另外，飛輪儲能技術發(fā)展較為成熟，具有使用壽命長、功率密度和儲能密度高、基本上不受充、放電次數(shù)的限制、安裝維護方便、對環(huán)境無危

70、害等優(yōu)點。</p><p>　　2.8　發(fā)電機變轉速/恒頻技術</p><p>　　并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組，要求發(fā)電機的輸出頻率必須于電網(wǎng)頻率一致。保持發(fā)電機輸出頻率恒定的方法有兩種：a恒轉速恒頻系統(tǒng)，采取失速調節(jié)或者混合調節(jié)的風力發(fā)電機，以恒轉速運行時，主要采用異步感應發(fā)電機；b.變轉速/恒頻系統(tǒng)，用電力電子變頻器將發(fā)電機發(fā)出的頻率變化的電能轉化成頻率恒定的電能。</p>

71、<p>　　大型并網(wǎng)風力發(fā)電機組的典型配置如圖所示，箭頭為功率流動方向。圖中頻率變換器包括各種不同類型的電力電子裝置，如軟并網(wǎng)裝置、整流器和逆變器等。</p><p>　　異步感應發(fā)電機 通過晶閘管控制的軟并網(wǎng)裝置接入電網(wǎng)。在同步速度附近合閘并網(wǎng)，沖擊電流較大，另外需要電容無功補償裝置。這種機型比較普遍，各大風力發(fā)電制造商如Vestas、NEG Micon、Nordex都有此類產(chǎn)品。</p>

72、;<p>　　繞線轉子異步發(fā)電機 外接可變轉子電阻，使發(fā)電機的轉差率增大至10%，通過一組電</p><p>　　圖2-4發(fā)電機恒頻技術方案圖</p><p>　　Fig 2 -4 Constant Frequency Generator technology program plan </p><p>　　力電子器件來調整轉子回路的電阻，從而調節(jié)發(fā)電

73、機的轉差率。如Vestas公司的V47機組。</p><p>　　雙饋感應發(fā)電機 轉子通過雙向變頻器與電網(wǎng)連接，可實現(xiàn)功率的雙向流動。根據(jù)風速的變化，實現(xiàn)恒頻控制。流過轉子電路的功率僅為額定功率的10%-25%，只需要較小容量的變頻器，并且可以實現(xiàn)有功、無功的靈活控制。如DeWind公司的D6機組。</p><p>　　同步發(fā)電機 本配置方案的顯著特點是取消了增速齒輪箱，采用風力機對同

74、步發(fā)電機的直接驅動方式。齒輪傳動不僅降低了風電轉換效率和產(chǎn)生噪聲，也是造成系統(tǒng)機械故障的主要原因，而且為了減少機械磨損還需要潤滑清洗等定期維護。如Enercon公司的E266機組。</p><p>　　3　風力發(fā)電機總體設計</p><p>　　風力機主要是借著空氣流動轉動葉片以擷取風的動能,進而轉換成有用的機械能或電能.葉片轉子受風吹而轉動,來源于氣動力的作用( 包括升力及阻力 ),對葉

75、片產(chǎn)生轉動扭矩。</p><p>　　任何種類風力機產(chǎn)生的功率可用下式表示：</p><p>　　風輪機功率 P= （3-1）</p><p>　　風輪半徑 A==</p><p>　　輪轂半徑為0.5m，葉片和輪轂間距0.05 m，其面積為</

76、p><p>　　其風輪的總面積為： =35.15</p><p>　　D=6.70m （3-2）</p><p>　　葉尖速比 （3-3）</p><p>　　風輪機轉速 n=

77、（3-4）</p><p>　　式中 P──輸出功率（指額定工況下輸出的電功率）W，P=10KW（給定值）</p><p>　　──空氣密度（一般取大氣標準狀態(tài)）kg/， =1.25 kg/（給定值）</p><p>　　──設計的風速（風輪中心高度處）m/s，=10m/s（給定值）</p><p>　　A──風輪掃掠面積 <

78、;/p><p>　　──風能利用系數(shù)，＝0.5（給定值）</p><p>　　n──風輪機轉速，n=50r/min（給定值）</p><p><b>　　──傳動效率</b></p><p><b>　　──電效率</b></p><p>　　3.1 風力機中心軸計算</

79、p><p>　　3.1.1　中心軸參數(shù)計算</p><p>　　1）中心軸的軸頸估算</p><p>　　風輪機功率 </p><p>　　軸頸估算 (3-1)</p><p>　　由于軸段上有一個鍵槽，估取主軸d＝90</p>

80、;<p>　　T＝ (3-2)</p><p>　　額定功率P=10kw; 額定轉速n=50r/min; A=110</p><p><b>　　2）中心軸鍵的選擇</b></p><p>　　根據(jù)中心軸，查表b=25mm h=14 軸t=9.0 轂=5.4　 L=90; </p>

81、<p>　　輕微沖擊取 (3-3)</p><p><b>　　T=</b></p><p>　　該鍵合理 (3-4)</p><p>　　式中 ──許用擠壓應力，；</p><p>　　k──鍵與輪轂槽（或軸槽）的接觸高度，mm，k=h/2，h為鍵高

82、；</p><p>　　l──鍵的工作長度，mm,A型：l=L-b，B型：l=L，C型：l=L-b/2，b為鍵寬。</p><p>　　3.1.2　中心軸軸段設計與校核</p><p>　　中心軸從左至右裝配的零部件分別為：1）彈簧擋板調節(jié)螺母、2）壓縮彈簧、3）復位彈簧下?lián)醢濉?）圓盤固定螺母、5）帶輪轂圓盤、6）支撐軸承座。</p><p&g

83、t;　　圓盤作用在中心軸上的力</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　式中 V ── 圓盤體積，；</p><p>　　── 圓盤質量，kg；</p><p>　　F ── 圓盤自重施加在中心軸上的力，N。</p><p>　　槳葉軸、槳葉作用

84、在中心軸上的力</p><p><b>　　槳葉軸； 槳葉</b></p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　式中 ──六片槳葉、槳葉軸與圓盤整體自重作用在主軸上的力，N;</p><p>　　圓盤、槳葉、槳葉軸整體對主軸的彎矩強度校核如下：</p>

85、;<p>　　圖3-1 中心軸裝配圖</p><p>　　Fig 3-1 Spindle assembly </p><p>　　M=×h=2158.2×161.5=348.55×</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　10.49d

86、 所以 d=90mm主軸軸頸校核合理</p><p>　　式中 B── 圓盤厚度， m；</p><p>　　r ── 圓盤半徑， m；</p><p>　　── 槳葉軸質量，kg；</p><p>　　── 槳葉質量，kg .</p><p>　　3.2 風輪機的槳葉與槳葉軸設計</p>&l

87、t;p>　　槳葉由松木作為骨架外包一層1毫米厚的鋁皮選用木制骨架目的是減輕槳葉重量。外包的鋁皮也可防止外界的腐蝕。槳葉的軸采用偏心放置，這樣可在風力過強時便于調速。</p><p>　　風力機也是一種葉片機，風輪機的槳葉與機翼類似，可用機翼理論描述。槳葉很長，沿徑向圓周速度不同，在不同的槳葉截面上就有不同的來流相對速度，有不同的進口沖角，作用于槳葉上的力就不同。（如下圖）</p><p&

88、gt;　　圖3-2槳葉受風情況</p><p>　　Fig3 -2 Blades of the wind </p><p>　　風力機正常運行時的風速為風1相對速度此時槳葉與風1夾角30度此時槳葉受到的力為最佳。當風速達到8級風時其夾角為0度，此時槳葉不受力風輪停止轉動。</p><p>　　3.2.1　槳葉設計</p><p>　　水平軸風

89、力機的風輪一般由1～3個葉片組成（本設計中取6片槳葉），它是風力機從風中吸收能量的部件。葉片的結構有如下四種形式，1）實心木質葉片。這種葉片是用優(yōu)質木材精心加工而成，其表面可以蒙上一層玻璃鋼，以防雨水和塵土對木材的侵蝕。2）是用管子作為葉片的受力粱。</p><p>　　在本設計中槳葉材料選用落葉松作為內部骨架，外面包一層鋁皮，木材物理力學性能見下表。</p><p>　　表3-1 木材

90、物理力學性能</p><p>　　Table 3 -1 Physical and mechanical properties of wood </p><p>　　V=2..8×0.24×0.05=0.0336</p><p><b>　　m＝</b></p><p>　　式中 V──槳葉體積，

91、；</p><p>　　m──槳葉質量，kg。</p><p><b>　　圖3-4槳葉二視圖</b></p><p>　　Figure 3-4 Blade 2 View</p><p>　　3.2.2　槳葉軸設計</p><p>　　槳葉軸用于支撐槳葉和連接槳葉與輪轂的作用，要有足夠的強度，設計

92、如下</p><p>　　圖3-5槳葉軸零件圖</p><p>　　Fig 3 -5 Paddle axle parts map</p><p>　　槳葉軸體積計算如下式：</p><p>　　V＝3.14 （3-7）</p><p><b>　　＝731597</b></p>

93、<p><b>　　槳葉軸質量：</b></p><p>　　m＝V=7850×731597=5.74kg （3-8）</p><p>　　最大設計風速時，風吹過槳葉時風對槳葉軸的彎矩M由下式算得：</p><p><b>　?。?-9）</b></p&

94、gt;<p>　　式中 F──風對槳葉施加的力，N；</p><p><b>　　──風的密度，；</b></p><p><b>　　──風速，m/s；</b></p><p><b>　　──槳葉面積，.</b></p><p>　　圖3-6槳葉受力簡

95、圖</p><p>　　Fig 3 -6 Blade force schematic</p><p>　　； (3-10)</p><p>　　式中 H──槳葉的一半到槳葉軸危險截面的距離，m；</p><p>　　M──槳葉軸危險截面處所受彎矩，。</p><

96、p><b>　　槳葉軸扭矩計算：</b></p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　式中 F──槳葉偏心面積所受風的吹力，N;</p><p>　　h──槳葉軸中心到槳葉偏心面積中心線的距離，m；</p><p>　　T──槳葉軸所受轉矩，。</p&g

97、t;<p>　　槳葉軸的危險截面按彎扭合成強度條件校核</p><p><b>　　(3-12)</b></p><p>　　危險截面軸徑d取45mm</p><p>　　式中 ──許用抗拉強度極限， ；</p><p>　　──彎扭合成強度， ；</p><p>　　M──

98、主軸彎矩， N；</p><p>　　T ──主軸扭矩， N；</p><p>　　──當剪應力為脈動循環(huán)應變力時為0.6；</p><p>　　W ──危險截面處的抗扭截面模量， ；</p><p>　　──許用彎曲應力， ；</p><p>　　d ──危險截面軸頸， mm.</p><p&g

99、t;　　槳葉與槳葉軸離心力的計算：</p><p>　　圖3-7槳葉、槳葉軸和圓盤布置圖</p><p>　　Fig 3 -7Paddle, paddle shaft and disk layout</p><p><b>　　=0.34m</b></p><p><b>　　=1.95m</b>&

100、lt;/p><p><b>　　=5.74kg</b></p><p><b>　　=19.96kg</b></p><p><b>　　(3-13)</b></p><p>　　式中 ──槳葉軸危險截面到主軸中心線距離，m；</p><p>　　─

101、─槳葉一半到主軸中心線距離，m；</p><p>　　F ──槳葉與槳葉軸在轉動過程中的離心力，N。</p><p>　　3.2.3　槳葉復位彈簧計算</p><p>　　當風力為7級風時V＝12m/s；此時槳葉軸所受轉矩</p><p><b>　　(3-14)</b></p><p><

102、b>　　(3-15)</b></p><p><b>　　(3-16)</b></p><p>　　式中 F──槳葉傾角為30度時其偏心面積承受風的吹力，N；</p><p>　　T──風施加給槳葉的轉矩，；</p><p>　　──六片槳葉所承受的總轉矩，。</p><p&

103、gt;　　當滾輪中心到槳葉軸中心距離=30mm時</p><p><b>　　(3-17)</b></p><p>　　式中 ── 六片槳葉對彈簧的作用力，N；</p><p>　　── 彈簧最小工作載荷，N；</p><p>　　當風力為8級風時V＝16m/s；此時槳葉軸所受轉矩如下：</p>

104、<p><b>　　(3-18)</b></p><p><b>　　(3-19)</b></p><p><b>　　(3-20)</b></p><p><b>　　(3-21)</b></p><p>　　式中 ── 彈簧最大工作載荷

105、</p><p>　　h ── 工作行程　mm h=51.961=52mm</p><p>　　圖3-8槳葉復位局部構造圖</p><p>　　Fig3 -8 blades reduction of local structure plans</p><p>　　彈簧最大工作載荷　　 </p><p>

106、<b>　　=1489（N）</b></p><p>　　工作行程　 </p><p>　　=51.961=52mm； (3-21)</p><p>　　彈簧類別　　 圓柱螺旋壓縮彈簧</p><p>　　端部結構　　 端部并緊、磨平，支承圈為1圈&l

107、t;/p><p>　　彈簧材料　　 碳素彈簧鋼絲C級　</p><p>　　初算彈簧剛度　　　　</p><p><b>　　(3-22)</b></p><p>　　工作極限載荷　 因是Ⅲ類載荷；　</p><p>　　＝1498.84N 查表選＝1504N</p>

108、<p>　　表3-2 彈簧材料直徑d及彈簧中徑D與有關參數(shù)</p><p>　　Tab 3 -2 Spring material and diameter d spring diameter D and the parameters</p><p><b>　　有效圈數(shù)n　</b></p><p>　　，查表取標準值n＝6.5圈

109、 (3-23)</p><p><b>　　總圈數(shù)</b></p><p>　?。絥+2=8.5圈 (3-24)</p><p><b>　　彈簧剛度</b></p><p>　　N/mm

110、 (3-25)</p><p>　　工作極限載荷下的變形量</p><p>　　mm (3-26)</p><p><b>　　節(jié)距t </b></p><p>　　mm (3-27)</p>

111、<p><b>　　自由高度</b></p><p>　?。絥t+1.5d=6.527.03+1.58=188 mm (3-28)</p><p><b>　　彈簧外徑</b></p><p>　?。紻+d=80+8=88 mm

112、 (3-29)</p><p><b>　　彈簧內徑</b></p><p>　?。紻-d=80－8＝72 mm (3-30)</p><p><b>　　螺旋角</b></p><p>　?。絘rctan6.14

113、 (3-31)</p><p><b>　　展開長度L</b></p><p>　　mm (3-32)</p><p><b>　　最小載荷時高度</b></p><p>　　mm (

114、3-33)</p><p><b>　　最大載荷時的高度</b></p><p>　　mm (3-34)</p><p><b>　　極限載荷時的高度</b></p><p>　　= mm (3-35)</p&

115、gt;<p><b>　　實際工作行程h</b></p><p>　　h=-=122－71=51±1 mm (3-36)</p><p><b>　　工作區(qū)范圍</b></p><p><b>　　(3-37)</b><

116、/p><p><b>　　高徑比b</b></p><p>　　b＝ (3-38)</p><p>　　b≤2.6不進行穩(wěn)定驗算</p><p><b>　　總圈數(shù)＝8.5</b></p><p><b

117、>　　旋向為右旋</b></p><p>　　展開長度L＝2148mm</p><p>　　硬度HRC 45~50</p><p>　　最大心軸直徑67mm</p><p>　　3.3 槳葉軸軸承座螺栓的設計</p><p>　　3.3.1 螺栓組結構</p><p>　　

118、螺栓組結構設計采用如圖所示的結構，螺栓數(shù)z=4，對稱布置。</p><p><b>　　圖3-9螺栓布置圖</b></p><p>　　Fig 3 -9bolts layout</p><p>　　3.3.2 螺栓的受力分析</p><p>　　1）考慮在極限風速20m/s時，螺栓組承受以下各力和翻轉力矩的作用：<

119、;/p><p><b>　　軸向力 </b></p><p>　　=··A·=1.252.80.24 (3-39)</p><p><b>　　=290.98N</b></p><p><b>　　徑向力 </b></

120、p><p>　　R=F離心+G槳葉+G槳葉軸 (3-38)</p><p>　　G槳葉=V槳葉g=(2..8×0.24×0.05)×594×10=199.6N (3-40)</p><p>　　式中 ──槳葉材料選用東北落葉松，氣干密度為594kg&l

121、t;/p><p>　　V槳葉軸＝3.14 (3-41)</p><p><b>　　=731597</b></p><p><b>　?。?31597</b></p><p>　　一根槳葉軸的m=·V=7850×731597=5.74㎏