【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 率甲 2? 和發(fā)電機(jī)的效率 3? 等，所以實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的效率，可以表示為 工作風(fēng)速與輸出功率 風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)時(shí)，為了克服其內(nèi)部的摩擦阻力而需要一定的力矩。這一最低力矩值叫做風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)力矩。啟動(dòng)力矩主要與風(fēng)力機(jī)本身的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦阻力有關(guān)因此風(fēng)力機(jī)有一最低工作風(fēng)速稱 fminV ，只有風(fēng)速大于 fminV 時(shí)風(fēng)力機(jī)才能工作。 當(dāng)風(fēng)速超過(guò)某一值的時(shí)候，基于安全上的考慮 (主要是塔架和槳葉強(qiáng)度 )，風(fēng)力機(jī)應(yīng)該停止運(yùn)轉(zhuǎn)，所以每一臺(tái)風(fēng)力機(jī)都 規(guī)定有最高風(fēng)速 fmaxV ，最高風(fēng)速 fminV 與風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度有關(guān)，是設(shè)計(jì)時(shí)給定的參數(shù)。 最小風(fēng)速稱 fminV ，和最大風(fēng)速 fmaxV 之間的風(fēng)速叫做風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速，相應(yīng)于工作風(fēng)速風(fēng)力機(jī)有功率輸出。當(dāng)風(fēng)力機(jī)的輸出功率達(dá)到標(biāo)稱功率時(shí)的工作風(fēng)速叫做該風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速。 啟動(dòng)風(fēng)速和額定風(fēng)速的選定 如何根據(jù)風(fēng)能資源來(lái)選用風(fēng)力機(jī)，使風(fēng)力機(jī)的運(yùn) 行狀態(tài)最佳，確定起動(dòng)風(fēng)速和額定風(fēng)速是關(guān)鍵。 雙參數(shù)威布爾分布 風(fēng)能就是流動(dòng)空氣具有的動(dòng)能。單位時(shí)間通過(guò)垂直于空氣流的單位面積的空氣流所具有的動(dòng)能叫風(fēng)能密度，設(shè) ? 為空氣密度， v為風(fēng)速，則風(fēng)能密度p= 3v? ， ? 隨 v的立方增大，變化非常快，故知道風(fēng)速的變化情況是利用風(fēng)能的先決條件。 風(fēng)速 V是隨機(jī)變量，經(jīng)研究專家們多認(rèn)為用雙參數(shù)威布爾概率密度函數(shù)擬合 風(fēng)速頻率分布最好腳。威布爾分布函數(shù)形如下式 其中 K為形狀參數(shù)，無(wú)量綱， C為尺度參數(shù)，量綱為 m 1s? 。不同地區(qū)，不同時(shí)期參數(shù) K、 C是不同的，可根據(jù)某地連續(xù) 30年的風(fēng)資料算出該地的 K、 C參數(shù)，威布爾分布函數(shù)曲線見圖 22。參數(shù) K、 C影響曲線形狀， K大 C大曲線陡峻，峰右移，反之亦然。 圖 22 威布爾分布函數(shù)曲線 上式滿足 起動(dòng)風(fēng)速 啟動(dòng)風(fēng)速為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪由靜止開始轉(zhuǎn)動(dòng)并能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最小風(fēng)速 :風(fēng)力機(jī)分水平軸和垂直軸兩大類，每一類又有多 種形式，同一形式還有若干種規(guī)格，只有科學(xué)地選擇適合當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源的風(fēng)力機(jī)，才能以較少的投資獲取較多的風(fēng)能。 根據(jù)國(guó)內(nèi)外 100多種風(fēng)力機(jī)，起動(dòng)風(fēng)速的范圍是 2m 1s? ，至 6m 1s? ，這一范圍能滿足風(fēng)能豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)的不同需要。 雙參數(shù)威布爾分布函數(shù)曲線峰值對(duì)應(yīng)的凡就是起動(dòng)風(fēng)速 (圖 22)。對(duì)上式求一階導(dǎo)數(shù)且令其等于 O有 解得 證明氣是出現(xiàn)概率最大的風(fēng)速。使用起動(dòng)力風(fēng)速大于上式計(jì)算的氣的風(fēng)力機(jī)會(huì)損失小風(fēng)速 這一區(qū)段的風(fēng)能，使用起動(dòng)風(fēng)速小于上式計(jì)算的咋的風(fēng)力機(jī)是否更好呢 ?表面看低風(fēng)速的風(fēng)能得到更多的利用，深入研究可知在之氣的較高風(fēng)速區(qū)風(fēng)能利用率下降，總體上是得不償失，故選用盡可能接近上式結(jié)果的風(fēng)力機(jī)最為理想。 額定風(fēng)速 額定風(fēng)速的選定直接影響風(fēng)能利用系統(tǒng)整體的效率和經(jīng)濟(jì)性，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。 己知風(fēng)能密度 p=12 3v? ，對(duì)一臺(tái)效率為 ? ，槳葉半徑為廠的風(fēng)力機(jī)，輸出功率 w(V)的威布爾分布函數(shù) 為 w(V)峰值對(duì)應(yīng)之風(fēng)速 pv 應(yīng)是額定風(fēng)速，此時(shí)風(fēng)力機(jī)提取的風(fēng)能最多。 令 風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系 風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系可以簡(jiǎn)單地如圖 2一 3來(lái)表示 (注 :圖中縱坐標(biāo)表示輸出功率，單位為 :w/ 2m 。橫坐標(biāo)表示風(fēng)能，單位為 :m/s) A一理論風(fēng)能曲線 B一扣除空氣動(dòng)力損失后的風(fēng)力機(jī)吸收的功率 C一計(jì)算傳動(dòng)損失和機(jī)械能轉(zhuǎn)換損失后的功率曲線 D一發(fā)電機(jī)實(shí)際 輸出功率曲線 圖 2一 3 功率與風(fēng)速的關(guān)系 風(fēng)能利用與氣象 風(fēng)的觀測(cè)對(duì)風(fēng)能利用的意義 在前面已經(jīng)講述過(guò)，風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比。所以，當(dāng)風(fēng)速測(cè)量有 10%的誤差時(shí)，風(fēng)力機(jī)輸出功率的誤差將擴(kuò)大到 33%。在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中，輸出功率出現(xiàn) 30%以上的誤差，將帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失。風(fēng)速隨時(shí)間變化很大，而且地區(qū)性差異也很大，正確把握風(fēng)況并不是一件容易的事情。所以在風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)劃中，對(duì)風(fēng)的觀測(cè)非常受重視。 風(fēng)能利用中需要的氣象調(diào)查 在風(fēng)能利用中，需要進(jìn)行四項(xiàng)氣象調(diào)查 : (l)風(fēng)能密度調(diào)查 結(jié)合 風(fēng)能的地區(qū)分布和可設(shè)立風(fēng)力機(jī)地區(qū)面積的調(diào)查，在全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)可利用的風(fēng)能量進(jìn)行估算。 (2)選定適合地點(diǎn) 在一年中，對(duì)通過(guò)強(qiáng)風(fēng)場(chǎng)所的調(diào)查。 (3)風(fēng)速的頻率分布調(diào)查 在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中，為了估算平均出力和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等量，必須了解風(fēng)力機(jī)軸高處的風(fēng)況。 (4)為了風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)強(qiáng)度和安全系數(shù)的氣象調(diào)查 異常的強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)的概率、風(fēng)的不定向性以及突風(fēng)程度，冰暴、鹽害等的調(diào)查。 風(fēng)的觀測(cè) 風(fēng)的觀測(cè)，因其目的不同而有各自的特點(diǎn)。對(duì)于風(fēng)能利用，通過(guò)對(duì)風(fēng)的觀測(cè)，可以估算出該地區(qū)可利用的風(fēng)能大小，為風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)和性能研究以及開發(fā) 的經(jīng)濟(jì)性等提供條件。 風(fēng)速的測(cè)量包括風(fēng)向和風(fēng)速的測(cè)量。因?yàn)轱L(fēng)速隨時(shí)間變化很大，而且變化不定，所以測(cè)量時(shí)取一定時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速大小的平均值和最長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)向。我國(guó)現(xiàn)行的風(fēng)速觀測(cè)有兩種方法 :一種是每日定時(shí) 4次兩分鐘平均風(fēng)速觀測(cè) 。一種是一日 24次自記 10分鐘平均風(fēng)速觀測(cè)。實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明，前一種方法的誤差比較大，因此在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)中采用后一種測(cè)量方法得到的數(shù)據(jù)。 第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案設(shè)計(jì) 現(xiàn)在，各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家均大力發(fā) 展新能源產(chǎn)業(yè)， 雖然 太陽(yáng)能一直是新能源商業(yè)化的首選，因?yàn)樘?yáng)能的設(shè)置地點(diǎn)較靈活，不會(huì)產(chǎn)生噪音，可以和建筑進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。 但是 風(fēng)力發(fā)電較太陽(yáng)能而言，它的成本優(yōu)勢(shì)明顯 。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī) 啟動(dòng)風(fēng)速要求較高，發(fā)電噪音也很大，所以只能將風(fēng)力發(fā)電機(jī)放在人跡罕至的地方或風(fēng)力較大的地方。設(shè)備也是往大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展，專門建設(shè)大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)， 這樣， 小型風(fēng)力發(fā)電在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里未得到較好的發(fā)展。所以， 如何使風(fēng)力發(fā)電和建筑進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)， 降低 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 噪音，使其安裝在 建筑周圍而不影響人的生活質(zhì)量， 已 成為 各個(gè)國(guó)家 研究的焦點(diǎn)！ 我設(shè) 計(jì)的是 一種新型 的 立式垂直軸 小型 風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由風(fēng)機(jī)葉輪、立柱、橫梁、變速機(jī)構(gòu) 、離合裝置 和發(fā)電機(jī)組成 。如下圖所示： 漿 葉 固定架 變速箱 星形齒輪加速器 電磁離合器 發(fā)電機(jī) 整流器 蓄電池 逆變器 負(fù) 載 圖 31 小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)框圖 該 小型 垂直軸 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理 為： 在風(fēng)的吹動(dòng)下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，使空氣動(dòng)力能轉(zhuǎn)變成了機(jī)械能（轉(zhuǎn)速 +扭矩）。 通過(guò)增速系統(tǒng)和離合器使轉(zhuǎn)矩和扭矩傳遞到風(fēng)力 發(fā)電機(jī)軸上， 帶動(dòng) 發(fā)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)， 從而使 永磁三相發(fā)電機(jī)發(fā)出三相交流電。風(fēng)速的不斷變化、忽大忽小，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流和電壓也隨著變化。發(fā)出的電經(jīng)過(guò)控制器的整流，由交流電 變成了具有一定電壓的直流電，并向蓄電池進(jìn)行充電。從蓄電池組輸出的直流電，通過(guò)逆變器后變成了 220伏的交流電，供給用戶的家用電器。應(yīng)用范圍： 提供 220伏交流電或 24伏、 36 伏或 48伏直流電 照明 : 燈泡 ,節(jié)能燈 家用電器 :電視機(jī)、收音機(jī)、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、電冰箱； 該新型 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)為： １． 額定功率（ｗ）： 300 ２． 輸出電壓（ v）： 24 ３． 啟動(dòng)風(fēng)速（ m/s）： 2 ４． 額定風(fēng)速（ m/s）： 6 ５． 最大使用風(fēng)速（ m/s）： 20 發(fā)電機(jī)為額定功率 300w，輸出電壓 24v。 該新型 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)為： １． 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ２． 易維護(hù) ３． 運(yùn)行平穩(wěn)安全 ４． 抗強(qiáng)風(fēng)能力強(qiáng) ５． 操作簡(jiǎn)單 ６． 價(jià)格低廉 風(fēng)葉 采用帆翼式風(fēng)葉，帆翼式是英國(guó)發(fā)展的一種立軸帆翼式風(fēng)力機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能較高。帆翼的形狀如下圖所示。由于其制造簡(jiǎn)單，成本低，性能好，所以適于推廣使用。 圖 32 帆翼式 行星齒輪加速器設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)壽命 5 年，單班，一年 360 天，中等傳動(dòng)，傳動(dòng)逆轉(zhuǎn)，齒輪對(duì)稱布置，不允許點(diǎn)蝕，無(wú)嚴(yán)重過(guò)載，閉式傳動(dòng)。齒輪精度 877，齒輪材料 :20CrNiMoH，碳氮共滲處理，硬度為Hv740以上。軸材料 :20NiCrMoH 或 20CrMnMo。齒圈材料 :42CrMo，氮化處理，硬度為 Hv40O以上。 選加速器類型 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是安裝在樓頂或屋頂上的，所以盡量選擇體積小、重量輕、性能穩(wěn)定的設(shè)備。在選擇行星齒輪時(shí)，我選擇 NGW型星形齒輪加速器，因?yàn)檫@個(gè)型號(hào)的齒輪傳動(dòng)效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，傳遞功率范圍大，軸向尺寸小，可用于各種工作條件的特點(diǎn)。 圖 33 NGW 型行星齒輪加速器 確定行星輪數(shù)和齒數(shù) 在行星齒輪加速器中選擇行星輪 數(shù)： wN =3 通過(guò)查表法確定了齒輪的齒數(shù)（機(jī)械手冊(cè)）： 總傳動(dòng)比 i = 輸入軸 輸出軸 R S C P 太陽(yáng)輪齒數(shù) sZ =20 內(nèi)齒輪齒數(shù) rZ =88 行星輪齒數(shù) PZ =34 壓力角 (? )的選擇 我們國(guó)家和許多國(guó)家都 把齒輪的標(biāo)準(zhǔn)壓力角規(guī)定為 20? ，因此，本次設(shè)計(jì)的變速箱采用20? 壓力角，以提高加工刀具的通用性。 齒寬系數(shù)的選擇 對(duì)于硬齒面齒輪的齒寬系數(shù)應(yīng)小于軟齒面的齒寬系數(shù)。一般情況下，硬齒面值齒輪可取d? 。齒寬系數(shù)小 a? =(b/a)，一般可取 ，常取 。 模數(shù)選擇 齒輪的模數(shù)是 決定齒輪大小和幾何參數(shù)的主要參數(shù)，它直接影響齒輪的抗彎曲疲勞強(qiáng)度。設(shè)計(jì)變速箱選取模數(shù)的大小，主要與下列因素有關(guān) : ，作用力大，模數(shù)也大。 、加工質(zhì)量、熱處理質(zhì)量好壞有關(guān)。 對(duì)于模數(shù) (m)的確定，可以根據(jù)同類變速箱的統(tǒng)計(jì)，參考選擇。 下列為行星傳動(dòng)變速箱模數(shù)統(tǒng)計(jì)表 : 通過(guò)以上比較，我確定本次設(shè)計(jì)變速箱的模數(shù)為 :。 預(yù)設(shè)嚙合角 39。sP? = 39。2030 39。Pr? =19 太陽(yáng)輪與行星輪之間的傳動(dòng)計(jì)算 （ 1）計(jì)算未變位時(shí)的中心距 dsPa dspa = ()2spm zz?= (20 34)2 ? = （ 2）初算中心距變動(dòng)系數(shù) ,spy ,spy = ,cos( 1)2 cosspspzz ??? ?= 39。2 0 3 4 c o s 2 0( 1 ) 0 . 8 1 72 c o s 2 4 3 0? ?? （ 3）計(jì)算中心距并取圓整值 a=m( 39。2spspzzy? ?)= 20 ( 17 )2? ??70 (4) 實(shí)際中心距變動(dòng)系數(shù) spy spy = dspaam? = （ 5）計(jì)算嚙合角 39。sp? cos 39。sp? = cosdspaa ? = 67cos2070=, 39。ac? = 39。 39。39。241018 (6) 計(jì)算總變位系數(shù) spx spx =39。()2 ta nspsp inv invzz ????? =（ 20+34） 2 4 1 0 39。1 8 39。39。 2 02 ta n 2 0in v in v? = （ 7）校核 spx 介于 p7 及 p8 之間，有利于接觸強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度，所以可用 （ 8）分配變位系數(shù) sx = px = 行星輪與內(nèi)齒輪之間的傳動(dòng)計(jì)算 （ 1）計(jì)算未變位時(shí)的中心距 dcra dpra = ()2rpm zz?= (88 34)2 ? = (2) 計(jì)算中心距變動(dòng)系數(shù) pry pry = drpaam? = （ 3）計(jì)算嚙合角 39。rp? cos 39。rp? = cosdrpaa ? = 67cos2070 =, 39。11rc? = 39。 39。39。182439 (4) 計(jì)算總變位系數(shù) rpx rpx =39。()2 ta nrprp inv invzz ????? =（ 8834） 2 4 1 0 39。1 8 39。39。 2 02 ta n 2 0in v in v? = （ 5）分配變位系數(shù) rx = rpx + px = += 行星排各零件轉(zhuǎn)速及扭矩的計(jì)算 因效率對(duì)強(qiáng)度校核的扭矩影響比較小，因而在下面的扭矩計(jì)算中不考慮效率的影響。對(duì)行星排各零件的扭矩進(jìn)行計(jì)算。 SM : RM : CM = 1:? :(1+? )=1:: 因通過(guò)太陽(yáng)輪輸出扭矩，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為 2168(Nm)，故反方向計(jì)算，故太陽(yáng)輪為輸入扭矩 : iM = SM =2168(Nm) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)的轉(zhuǎn) 速為 in =1175（ rpm） 太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速 sn =1175（ rpm） 行星輪轉(zhuǎn)速 pn = 2 ()1rn?? ??=1148（ rpm） 行星排上各零件受力分析及計(jì)算 1．太陽(yáng)輪 S