【文章內(nèi)容簡介】 反映了相對(duì)風(fēng)速與葉片運(yùn)動(dòng)方向的夾角，即直接關(guān)系到葉片的攻角，是分析風(fēng)力機(jī)性能的重要參數(shù)。葉尖速比計(jì)算公式為 （） 風(fēng)力機(jī)的功率及扭矩計(jì)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(fēng)速在4m/s～6m/s左右，如圖38所示。圖38福建省風(fēng)速分布從福建氣象網(wǎng)站（）24小時(shí)監(jiān)測的結(jié)果可以看出，廈門地區(qū)一天內(nèi)4級(jí)風(fēng)（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(shí)風(fēng)速監(jiān)測圖風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速按照國家標(biāo)準(zhǔn)《GBT 139812009 小型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)通用要求》：風(fēng)輪掃掠面積小于等于40m2的風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速Vn在6m/s～10m/s，我們將風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速暫定為8m/s。風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)發(fā)電功率為300W，現(xiàn)在我們來計(jì)算通過該風(fēng)力機(jī)的總功率，按風(fēng)力機(jī)效率Cp=40%，則風(fēng)力機(jī)的輸入功率為 （）根據(jù)公式（）得掃風(fēng)面積為 （）式中 P為風(fēng)力機(jī)實(shí)際獲得總功率，W；ρ為空氣密度，kg/m3； kg/m3；S為風(fēng)輪的掃風(fēng)面積，m2；v為上游風(fēng)速，m/s。以上結(jié)果表明：通過風(fēng)功率為750W的風(fēng)力機(jī)組， m2，在風(fēng)速為8m/s的情況下發(fā)電功率為300W。風(fēng)輪高度與直徑的比值為風(fēng)輪的高徑比，應(yīng)該在輸出相同功率時(shí)葉片制造費(fèi)用最低的條件下，選擇高徑比，研究表明，高徑比為1附近時(shí)相同的材料掃風(fēng)面積最大，其中H為風(fēng)輪高度，D為風(fēng)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(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩[10]： （） 葉片選型葉片是利用氣流通過時(shí)產(chǎn)生的壓力差使葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的部件，具有空氣動(dòng)力學(xué)特性，其設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)整個(gè)風(fēng)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(fēng)力機(jī)的重要部件。葉片的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要有：1. 良好的空氣動(dòng)力外形；2. 可靠地結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；3. 合理的葉片剛度；4. 良好的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性和啟動(dòng)穩(wěn)定性；5. 耐腐蝕、方便維修；6. 滿足以上目標(biāo)前提下，盡可能減輕葉片重量，降低成本。風(fēng)力機(jī)的翼型多種多樣，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)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(huì)（NACA）提出設(shè)計(jì)的翼型系列，具有低阻力系數(shù)的特點(diǎn)，適合低速運(yùn)行[11]。 葉片實(shí)度風(fēng)力機(jī)葉片的總面積與風(fēng)通過風(fēng)輪的面積（風(fēng)輪掃掠面積）之比稱為實(shí)度比（容積比），是風(fēng)力機(jī)的一個(gè)參考數(shù)據(jù)。垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片實(shí)度計(jì)算公式為： （）升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪，C為葉片弦長，N為葉片個(gè)數(shù)，R為風(fēng)輪半徑，L為葉片長度，σ為實(shí)度比。合理選取實(shí)度比的原則是在保證風(fēng)輪氣動(dòng)特性的條件下，力求使制造葉片的費(fèi)用最低。為了最大限度提高動(dòng)效率，翼型特性應(yīng)具有下列要求： 1. 升力系數(shù)斜度大；2. 阻力系數(shù)??；3. 阻力系數(shù)與零升角對(duì)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(duì)稱翼型。圖310幾種翼型的翼型特性由于NACA0012是對(duì)稱翼型，在圖311左側(cè)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(biāo)（單位是x/c）；y是對(duì)應(yīng)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(fēng)輪葉片的弦長： （），數(shù)據(jù)只需將表中各數(shù)字適當(dāng)縮放即可[5]。 葉片形狀及材料葉片截面結(jié)構(gòu)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(qiáng)的硬鋁材料，O型主梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)內(nèi)填入聚氨酯直接發(fā)泡填充成型。由此，風(fēng)力機(jī)的基本參數(shù)可以確定。 風(fēng)力機(jī)參數(shù)額定風(fēng)速平均效率葉尖速比設(shè)計(jì)功率8m/s40%6300W第四章 電氣設(shè)備及傳動(dòng)設(shè)計(jì) 基本原理 法拉第電磁感應(yīng)原理磁通量的變化將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，閉合電路的一部分導(dǎo)線切割磁感線將產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng)，之后許多科學(xué)家試圖解釋這一現(xiàn)象，1831年8月，法拉第認(rèn)為感應(yīng)電流是由與導(dǎo)體性質(zhì)無關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生的，即使沒有回路沒有感應(yīng)電流，感應(yīng)電動(dòng)勢依然存在。法拉第電磁感應(yīng)定律可用以下公式表示： （）其中：e為感應(yīng)電動(dòng)勢，N為線圈匝數(shù)，為磁通量變化量。導(dǎo)線切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢可用以下公式表示： （）其中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，L為導(dǎo)線長度,v為導(dǎo)線切割速度。 相位角及功率因數(shù)瞬時(shí)電壓及瞬時(shí)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(shí)電壓與瞬時(shí)電流的夾角。瞬時(shí)功率為： （）在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)瞬時(shí)功率積分獲得平均功率： （）對(duì)于三相電流，每相電流等于的線圈電流，實(shí)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(jī)永磁同步發(fā)電機(jī)適合離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接由風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)，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(jī)主要有FD系列和YF系列，按照功率和轉(zhuǎn)速選擇發(fā)電機(jī)，經(jīng)過查閱《中國電器工程大典第九卷電機(jī)工程》 ，現(xiàn)選擇發(fā)電機(jī)型號(hào)為FD300。型號(hào)額定功率/W發(fā)電機(jī)額定電壓/V重量/kg啟動(dòng)力矩/Nm額定電流/A發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速FD3003002817400r/min 電氣系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)由于本人對(duì)電力控制方面不是很了解，因此只能對(duì)現(xiàn)有前人的論文進(jìn)行一些改動(dòng)[12]。功率控制部分設(shè)計(jì)限于知識(shí)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(jī)轉(zhuǎn)子輸出三相交流電經(jīng)過不控整流電路整流后對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，電子調(diào)壓電路的功能除了對(duì)蓄電池充電的控制外，還負(fù)責(zé)多余電能的卸荷。12V蓄電池接boost電路進(jìn)行升壓，升壓后電壓為24V，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)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(jìn)行分壓限流。 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)主傳動(dòng)軸只承受扭矩，不受彎矩，按空心主軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算主軸最小直徑： （）其中A為系數(shù)，按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本軸承及其連接表5119》選?。籨為軸端直徑，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(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)算直徑： （）其中B為系數(shù)，按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本軸承及其連接表5120》選取，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)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(shí)，應(yīng)將求得的軸徑增大，其增大值見《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本軸承及其連接》表5122，增大值應(yīng)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(shí)的安全系數(shù)為 （）其中為對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限，Mpa，見《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本軸承及其連接表511》，；為扭轉(zhuǎn)時(shí)的有效應(yīng)力集中系數(shù)，見《機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本軸承及其連接表5136》；軸表面強(qiáng)化處理后用《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本軸承及其連接表5138》；有腐蝕情況時(shí)用《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本軸承及其連接表5135》或《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本軸承及其連接表5137》，；為扭轉(zhuǎn)時(shí)的尺寸影響系數(shù)，見《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本軸承及其連接表5134》，；、為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，Mpa見《機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊》（機(jī)工版），因此設(shè)計(jì)的主軸滿足要求。 軸承的計(jì)算及選型由于風(fēng)力機(jī)不僅承受風(fēng)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(shí)能夠承受一定的徑向載荷，因此在主軸上安裝兩個(gè)角接觸球軸承。1．角接觸球軸承1的選用計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本軸承表6282》選擇角接觸球軸承36000型新代號(hào)7000C,之所以選用接觸球軸承是考慮到主軸在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有可能產(chǎn)生徑向載荷?？讖絛外徑D軸承代號(hào)極限轉(zhuǎn)速r/min（脂潤滑）額定動(dòng)負(fù)荷額定靜負(fù)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