【文章內(nèi)容簡介】 反映了相對風速與葉片運動方向的夾角，即直接關系到葉片的攻角，是分析風力機性能的重要參數(shù)。葉尖速比計算公式為 （） 風力機的功率及扭矩計算由福建省情資料庫中的圖像資料可以看出廈門地區(qū)地面平均風速在4m/s～6m/s左右，如圖38所示。圖38福建省風速分布從福建氣象網(wǎng)站（）24小時監(jiān)測的結果可以看出，廈門地區(qū)一天內(nèi)4級風（約8m/s）出現(xiàn)的頻率最高，如圖39所示。圖39 廈門某日24小時風速監(jiān)測圖風力機的額定風速按照國家標準《GBT 139812009 小型風力機設計通用要求》：風輪掃掠面積小于等于40m2的風力機額定風速Vn在6m/s～10m/s，我們將風力機的風速暫定為8m/s。風力機設計發(fā)電功率為300W，現(xiàn)在我們來計算通過該風力機的總功率，按風力機效率Cp=40%，則風力機的輸入功率為 （）根據(jù)公式（）得掃風面積為 （）式中 P為風力機實際獲得總功率，W；ρ為空氣密度，kg/m3； kg/m3；S為風輪的掃風面積，m2；v為上游風速，m/s。以上結果表明：通過風功率為750W的風力機組， m2，在風速為8m/s的情況下發(fā)電功率為300W。風輪高度與直徑的比值為風輪的高徑比，應該在輸出相同功率時葉片制造費用最低的條件下，選擇高徑比，研究表明，高徑比為1附近時相同的材料掃風面積最大，其中H為風輪高度，D為風輪直徑。由得到H=，D=，產(chǎn)生的掃掠面積基本上能符合要求。風力機轉(zhuǎn)矩[10]： （） 葉片選型葉片是利用氣流通過時產(chǎn)生的壓力差使葉輪轉(zhuǎn)動的部件，具有空氣動力學特性，其設計質(zhì)量對整個風力發(fā)電系統(tǒng)及其他零部件有這直接影響，因此葉片是風力機的重要部件。葉片的設計目標主要有：1. 良好的空氣動力外形；2. 可靠地結構強度；3. 合理的葉片剛度；4. 良好的結構動力學特性和啟動穩(wěn)定性；5. 耐腐蝕、方便維修；6. 滿足以上目標前提下，盡可能減輕葉片重量，降低成本。風力機的翼型多種多樣，各有各的優(yōu)缺點，應用較多的有NACA翼型系列、SERI翼型系列、NREL翼型系列、RISΦ翼型系列和FFAW翼型系列等，其中NACA翼型是美國國家宇航局（NASA）的前身國家航空咨詢委員會（NACA）提出設計的翼型系列，具有低阻力系數(shù)的特點，適合低速運行[11]。 葉片實度風力機葉片的總面積與風通過風輪的面積（風輪掃掠面積）之比稱為實度比（容積比），是風力機的一個參考數(shù)據(jù)。垂直軸風力機的葉片實度計算公式為： （）升力型垂直軸風力機葉輪，C為葉片弦長，N為葉片個數(shù)，R為風輪半徑，L為葉片長度，σ為實度比。合理選取實度比的原則是在保證風輪氣動特性的條件下，力求使制造葉片的費用最低。為了最大限度提高動效率，翼型特性應具有下列要求： 1. 升力系數(shù)斜度大；2. 阻力系數(shù)小；3. 阻力系數(shù)與零升角對稱。如圖310所示三種翼型的阻力系數(shù)，可以看出，NACA0012的阻力系數(shù)較小，適用于大雷諾數(shù)的情況，具有上述特性，故選用較低阻力系數(shù)NACA0012對稱翼型。圖310幾種翼型的翼型特性由于NACA0012是對稱翼型，在圖311左側數(shù)據(jù)表中僅列出了單邊的數(shù)據(jù)，表中c是弦長（）；x是弦長坐標（單位是x/c）；y是對應x位置的翼面與弦的距離（單位是y/c）。圖311 NACA0012翼型參數(shù)～。為此可以得出風輪葉片的弦長： （），數(shù)據(jù)只需將表中各數(shù)字適當縮放即可[5]。 葉片形狀及材料葉片截面結構為主梁蒙皮式，表面材料為鋁合金，主梁采用單向承載能力強的硬鋁材料，O型主梁結構制造簡單，各向受力均衡。葉片空心處用聚氨酯泡沫材料填充,剖面形式如圖312所示。圖312 葉片剖面主梁可直接焊接與鋁合金蒙皮上，待主梁與蒙皮連接完成后，在空腹結構內(nèi)填入聚氨酯直接發(fā)泡填充成型。由此，風力機的基本參數(shù)可以確定。 風力機參數(shù)額定風速平均效率葉尖速比設計功率8m/s40%6300W第四章 電氣設備及傳動設計 基本原理 法拉第電磁感應原理磁通量的變化將產(chǎn)生感應電動勢，閉合電路的一部分導線切割磁感線將產(chǎn)生感應電流，這種現(xiàn)象叫做電磁感應，之后許多科學家試圖解釋這一現(xiàn)象，1831年8月，法拉第認為感應電流是由與導體性質(zhì)無關的感應電動勢產(chǎn)生的，即使沒有回路沒有感應電流，感應電動勢依然存在。法拉第電磁感應定律可用以下公式表示： （）其中：e為感應電動勢，N為線圈匝數(shù)，為磁通量變化量。導線切割磁感線產(chǎn)生的感應電動勢可用以下公式表示： （）其中B為磁感應強度，L為導線長度,v為導線切割速度。 相位角及功率因數(shù)瞬時電壓及瞬時電流由以下公式得到： （） （）其中Um為電壓最大值，Im為電流最大值，φ是瞬時電壓與瞬時電流的夾角。瞬時功率為： （）在一個周期內(nèi)對瞬時功率積分獲得平均功率： （）對于三相電流，每相電流等于的線圈電流，實際產(chǎn)生的功率為： （）式中即為功率因數(shù)。 轉(zhuǎn)化裝置 直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機永磁同步發(fā)電機適合離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)采用，由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接由風輪驅(qū)動，因此不需要安裝升速齒輪箱，這樣避免了齒輪箱產(chǎn)生的損耗、噪聲以及材料的磨損等問題。目前普遍使用的永磁同步發(fā)電機主要有FD系列和YF系列，按照功率和轉(zhuǎn)速選擇發(fā)電機，經(jīng)過查閱《中國電器工程大典第九卷電機工程》 ，現(xiàn)選擇發(fā)電機型號為FD300。型號額定功率/W發(fā)電機額定電壓/V重量/kg啟動力矩/Nm額定電流/A發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速FD3003002817400r/min 電氣系統(tǒng)電路設計由于本人對電力控制方面不是很了解，因此只能對現(xiàn)有前人的論文進行一些改動[12]。功率控制部分設計限于知識水平本人無法所有完成，只能大概敘述基本工作原理，如圖41所示。圖41 系統(tǒng)電力控制圖永磁直驅(qū)同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子輸出三相交流電經(jīng)過不控整流電路整流后對蓄電池進行充電，電子調(diào)壓電路的功能除了對蓄電池充電的控制外，還負責多余電能的卸荷。12V蓄電池接boost電路進行升壓，升壓后電壓為24V，整個系統(tǒng)對外供電電壓也為24V。光電編碼器的額定電壓是5V，因此在電路中加入R1與R2進行分壓限流。 傳動系統(tǒng)結構設計及計算 傳動軸的設計主傳動軸只承受扭矩，不受彎矩，按空心主軸扭轉(zhuǎn)強度估算主軸最小直徑： （）其中A為系數(shù)，按《機械設計手冊單行本軸承及其連接表5119》選??；d為軸端直徑，mm；n為軸的工作轉(zhuǎn)速，r/min；P為軸傳遞的功率，kW；為空心軸的內(nèi)徑d1與外徑d的比值，α=d1/d。查閱《機械設計手冊單行本軸承及其連接表5119》得45鋼的A值取110，已知功率為750W，主軸額定轉(zhuǎn)速n為400轉(zhuǎn)/min。代入式()后得到 （）按照主軸扭轉(zhuǎn)剛度計算直徑： （）其中B為系數(shù)，按《機械設計手冊單行本軸承及其連接表5120》選取，查閱《機械設計手冊單行本軸承及其連接表5120》，主軸額定轉(zhuǎn)速n為400轉(zhuǎn)/min,代入式()后得到 （）如果截面上有鍵槽時，應將求得的軸徑增大，其增大值見《機械設計手冊單行本軸承及其連接》表5122，增大值應選7%，最后得出的最小外徑d=。為了安全，我們選擇的軸外徑為d=30mm，內(nèi)徑d1=18mm，采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，主軸如圖42所示。圖42 主軸示意圖校核主軸安全系數(shù)，主軸轉(zhuǎn)矩為 （）只考慮扭拒作用時的安全系數(shù)為 （）其中為對稱循環(huán)應力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限，Mpa，見《機械設計手冊單行本軸承及其連接表511》，；為扭轉(zhuǎn)時的有效應力集中系數(shù)，見《機械設計手冊單行本軸承及其連接表5130～表5132》，；為表面質(zhì)量系數(shù)，一般用《機械設計手冊單行本軸承及其連接表5136》；軸表面強化處理后用《機械設計手冊單行本軸承及其連接表5138》；有腐蝕情況時用《機械設計手冊單行本軸承及其連接表5135》或《機械設計手冊單行本軸承及其連接表5137》，；為扭轉(zhuǎn)時的尺寸影響系數(shù)，見《機械設計手冊單行本軸承及其連接表5134》，；、為扭轉(zhuǎn)應力的應力幅和平均應力，Mpa見《機械設計手冊單行本軸承及其連接表5125》，；為材料扭轉(zhuǎn)的平均盈利折算系數(shù)，見《機械設計手冊單行本軸承及其連接表5133》。將各數(shù)據(jù)代入公式后得根據(jù)調(diào)質(zhì)45鋼，要求查《機械設計手冊》（機工版），因此設計的主軸滿足要求。 軸承的計算及選型由于風力機不僅承受風輪的扭矩，而且要承受氣流方向的一定彎矩，角接觸球軸承不僅能夠承徑向力，同時能夠承受一定的徑向載荷，因此在主軸上安裝兩個角接觸球軸承。1．角接觸球軸承1的選用計算角接觸球軸承1的安裝位置如圖43所示。角接觸球軸承圖43 軸承1的安裝位置軸徑d=30mm,額定轉(zhuǎn)矩T=。由《機械設計手冊單行本軸承表6282》選擇角接觸球軸承36000型新代號7000C,之所以選用接觸球軸承是考慮到主軸在轉(zhuǎn)動時有可能產(chǎn)生徑向載荷?？讖絛外徑D軸承代號極限轉(zhuǎn)速r/min（脂潤滑）額定動負荷額定靜負荷重量30mm55mm7006C9500 軸承1參數(shù)軸向載荷：徑向載荷按照最不利狀況