【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電機(jī) 和垂直軸 風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩種 。 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 水平 軸 風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前世界各國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)最為成功的一種形式，而生產(chǎn)垂直 軸 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的國(guó)家很少，主要原因是垂直 軸 風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率低、需啟動(dòng)設(shè)備，同時(shí)還有些技術(shù)問(wèn)題尚待 解決。 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由風(fēng)輪、風(fēng)輪軸、低速聯(lián)軸器、增速器、高速 軸 聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)、塔架、 調(diào) 速裝置、 調(diào) 向裝置、制動(dòng)器 等結(jié)構(gòu)組成 ⑨ 。 典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 33。 圖 33 美國(guó) MOD0型風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) 1左調(diào)向電機(jī)； 2左調(diào)向減速器； 3右調(diào)向電機(jī)； 4右調(diào)向減速器； 5調(diào)向傳動(dòng)軸； 6發(fā)電機(jī)； 7高速軸； 8高速軸結(jié)合器； 9低速制動(dòng)器； 10低速軸； 11調(diào)速裝置； 12增速器；13調(diào)向制動(dòng)盤； 14調(diào)向制動(dòng)器； 15葉片 風(fēng)輪 葉片安裝在輪鼓上稱作風(fēng)輪，它包括葉片、輪鼓等 。 風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)接受風(fēng)能的部 件?，F(xiàn)代的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片數(shù)，常為 14枚葉片，常用的是 2枚或 3枚葉片 。 出于葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)接受風(fēng)能的部件，所以 葉 片的扭曲、翼型的各種參數(shù)及葉片結(jié)構(gòu)都直接影響葉片接受風(fēng)能的效率和葉片的壽命。 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 增速器 由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速低而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高，為匹配發(fā)電機(jī)，要在低速的風(fēng)輪 軸 與高速的發(fā)電機(jī)軸之間接一個(gè)增速器 。 增速器就是一個(gè)使轉(zhuǎn)速提高的變速器。增速器的增速比 i是發(fā) 電 機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù) nD與風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)數(shù) n的比，即 i＝ nD／ n。 聯(lián)軸器 增速器與發(fā)電機(jī)之間用聯(lián) 軸 器連接，為了減少占地空間，往往聯(lián)軸器與制動(dòng)器設(shè)計(jì)在一起 。風(fēng)輪軸與增速器之間也有用聯(lián)軸器的，稱低速聯(lián) 軸 器。 制動(dòng)器 制動(dòng) 器是 使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置，也稱剎車。制動(dòng)器有手制動(dòng)器、電磁制動(dòng)器和液壓制動(dòng)器。當(dāng)采用電磁制動(dòng)器 時(shí) ，需有外電源；當(dāng)采用液壓制動(dòng)器時(shí)， 除 需外電源外，還需泵站、電磁閥、液壓 油 缸及管路等。 發(fā)電機(jī) 葉片接受風(fēng)能而轉(zhuǎn)動(dòng)最終傳給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)上常用的發(fā)電機(jī)有四種： (1)直流發(fā)電機(jī)，常用在微、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。直流電壓 12， 24， 36V等。中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)也有用直流發(fā)電機(jī)的。 (2)永 磁發(fā)電機(jī)，常用在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，電壓一 般為 115， 127V等，有直流也有交流。水磁交流發(fā)電機(jī)在中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上尚未得到使用，主要有些技術(shù)問(wèn)題還未解 決?，F(xiàn)在我國(guó)已經(jīng)發(fā)明了交流電壓 440／ 240V的高效 永 磁交流發(fā)電機(jī)，可以做成多 級(jí) 低轉(zhuǎn)速 。特別適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 (3)同步交流發(fā)電機(jī)，它的電樞磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，同步轉(zhuǎn)速 nD＝ 60f/p。 (4)異步交流發(fā)電機(jī)，它的電樞磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)不同步旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速 略 低。當(dāng)并網(wǎng)時(shí)轉(zhuǎn)速應(yīng)提高。 塔架 塔架是支撐風(fēng)力發(fā) 電機(jī)的支架。塔架有型鋼架結(jié)構(gòu)的，有圓錐型鋼管和鋼筋混凝土的等三種形式。同時(shí)塔架又分為硬塔， 柔 塔，甚柔塔。硬塔的固有頻率大于 kn，其 k為葉片數(shù)． n為風(fēng)輪轉(zhuǎn)數(shù)； 柔 塔的固有頻率在 kn和 n之間；甚柔 塔 的固有頻率小于 n。 為防止鋼制塔架生銹，往往對(duì)鋼制塔架熱鍍鋅 。 調(diào)速裝置 風(fēng)速是變化的，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨風(fēng)速的變化而變化。為了 使 風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)在所需要的額定轉(zhuǎn)速下的裝置稱為調(diào)速裝置。 當(dāng)風(fēng)速超過(guò)停機(jī)風(fēng)速時(shí)，調(diào)速裝置會(huì)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī)。調(diào)速裝置只在額定風(fēng)速以 上 時(shí)調(diào)速。 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 目前世界各國(guó)所采用的調(diào)速裝置 主要有以下幾種。 (1) 可變槳距調(diào)速裝置。 (2) 定槳距葉尖失速控制調(diào)速裝置 。 (3) 離心飛球調(diào)速裝置。 (4) 空氣動(dòng)力調(diào)速裝置。 (5) 扭頭、仰頭調(diào)速裝量。 調(diào)向裝置 調(diào)向裝置就是使風(fēng)輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一直 使 風(fēng)輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的裝置。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)向有很多種形式，總 的 說(shuō)來(lái)有五種形式：尾艙調(diào)向、側(cè)風(fēng)輪調(diào)向、下風(fēng)向 調(diào) 向及調(diào)向電機(jī) （伺 服電機(jī) )調(diào) 向 和液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)向 。 的結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)尚未商 品 化生產(chǎn)。主要原因是效率低，需啟 動(dòng) 設(shè)備。但垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)很多，增速器、聯(lián) 軸 器、制動(dòng)器、發(fā)電機(jī)都可以安裝 在 地 面上，安裝、維修都非常方便，不用調(diào)向，垂直 軸 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要有達(dá)里厄垂直 軸 風(fēng)力發(fā)電機(jī)和旋 翼 式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，如圖 34及圖 35。 達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要 由葉 片、垂直 軸 、增速器、聯(lián) 軸 器、制動(dòng)器、發(fā)電機(jī)、塔架及拉線等組成。 旋 翼 垂 直軸 風(fēng)力發(fā)電機(jī)由 — 上支撐、葉片、鋼架、翼片致動(dòng)器、下支撐、塔架、增速器、發(fā)電機(jī)等組成 。 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)有很多水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)所 不 具備的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在一些難以解決的技術(shù)難題。比如達(dá)里厄 垂 直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片變槳距問(wèn)題，需 要 啟動(dòng)設(shè)備問(wèn)題 。 旋翼式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在 風(fēng)向不同位置變換葉片迎角問(wèn)題， 而現(xiàn)在僅能通過(guò)翼片致動(dòng)器變換葉片是否迎風(fēng)，但不能隨風(fēng)速變換葉片迎角。旋翼式葉片與達(dá)里厄葉片接受風(fēng)能的效率都比水平軸葉片接受風(fēng)能的效率低，這主要原因在于葉片不能按風(fēng)速而變換葉片迎角。達(dá)里厄葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)中葉片各位置距轉(zhuǎn)動(dòng)中心的半徑不同，難以做到按不同風(fēng)速變換葉片迎角和葉片弦長(zhǎng)。這些問(wèn)題還有待研究解決 ⑩ 。 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 圖 34 達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 圖 35 旋翼式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 1 塔架； 2發(fā)電機(jī)； 3制動(dòng)器； 4聯(lián)軸器； 1發(fā)電機(jī)； 2增速器； 3塔架； 5增速器； 6垂直軸； 7葉片； 8拉線 4下支撐； 5翼片致動(dòng)器； 6鋼架； 7葉片； 8上支撐 通過(guò)上述介紹及其所查資料顯示，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)已有大量資料可用來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，而垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究卻沒(méi)有較大進(jìn)展，雖然垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)有很多缺點(diǎn)，但其優(yōu)點(diǎn)是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)所不能替代的，所以在下一章節(jié)將重點(diǎn)介紹本課題研究的內(nèi)容，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的部分零部件的設(shè)計(jì)。 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 第四章 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組部分零部件的設(shè)計(jì) 一定速度前進(jìn)的風(fēng)吹在靜 止的風(fēng)力機(jī)葉片上做功并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將風(fēng)能有效地轉(zhuǎn)變成電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)就是由風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的機(jī)組。本章將對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 風(fēng)力機(jī)的基本原理 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)部分零部件的設(shè)計(jì) 在貝茨 (Betz) 基本理論的 基礎(chǔ)上 ，通 過(guò)實(shí)踐 設(shè) 計(jì)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的部分零部件。 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)不受風(fēng)向限制，不用調(diào)向，發(fā)電機(jī)、增速器、聯(lián)軸器、離合器、制動(dòng)器等可直接安裝在地面上，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便等優(yōu)點(diǎn)，致使一些國(guó)家不遺余力地研究。但垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)困難，需其他動(dòng)力來(lái)啟動(dòng)，且 效率較水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)低。所以其發(fā)展受到限制，目前世界發(fā)達(dá)國(guó)家商品風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是水平軸。尚未見(jiàn)到垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)商品。 下面介紹本課題中垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的部分零部件的設(shè)計(jì)。 ．風(fēng)輪功率的確定 經(jīng)驗(yàn)公式給出風(fēng)輪輸出功率的最大值 Ne= （ 47） 式中 Ne最大輸出功率， w或 kw； S葉片掃掠面積， m2； v風(fēng)速， m/s。 S S= Ne/ v3 （ 48） 還可以表達(dá)為 S=8/3RH （ 49） 式中 R葉片掃掠的最大半徑， m H風(fēng)輪高度之半， m。 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 ．風(fēng)輪半徑 R的確定 R=3S/8H （ 410） λ =2π nR/60v （ 411） λ i= riλ /R （ 412） 式中 λ i距轉(zhuǎn)動(dòng)中心不同半徑的尖速比； ri葉片至轉(zhuǎn)動(dòng)中心不同位置的半徑， m； R葉片最大轉(zhuǎn)動(dòng)半徑， m。