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1、垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究報(bào)告1. 垂直軸與水平軸對(duì)比 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，有其特有的優(yōu)點(diǎn)：水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙放置在高高的塔頂，而且是一個(gè)可旋轉(zhuǎn)360度的活動(dòng)聯(lián)接機(jī)構(gòu)，這就造成機(jī)組重心高，不穩(wěn)定，而且安裝維護(hù)不便。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)，齒輪箱放置在底部，重心低，穩(wěn)定，維護(hù)方便，并且降低了成本。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的客戶越來越需要使用壽命長、可靠性高、維修方便的產(chǎn)品。垂直軸風(fēng)輪的翼片在旋轉(zhuǎn)過程中由于慣性力與重力的方向恒定，因此疲勞壽命要長于水平軸風(fēng)輪；垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的構(gòu)造緊湊，活動(dòng)部件少于水平軸風(fēng)力機(jī)，可靠性較高；垂直軸系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)可以放在風(fēng)輪下部甚至地面上，因而便于維護(hù)。 風(fēng)
2、力發(fā)電機(jī)由于高度限制和周圍地貌引發(fā)的亂流，常常處于風(fēng)向和風(fēng)強(qiáng)變化劇烈的情況，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)有克服“對(duì)風(fēng)損失”和“疲勞損耗”上有水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)不可比的優(yōu)點(diǎn)，且理論風(fēng)能利用率可達(dá)40以上因此在考慮了較小的啟動(dòng)風(fēng)速和對(duì)風(fēng)力機(jī)影響較大的“對(duì)風(fēng)損失”之后，從而提高垂直軸風(fēng)輪的風(fēng)能實(shí)際利用率。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)倉需360度旋轉(zhuǎn)，達(dá)到迎風(fēng)目的。這個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)包含有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，風(fēng)向檢測，角位移發(fā)送，角位移跟蹤等系統(tǒng)。垂直軸風(fēng)力機(jī)不要迎風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以接受360度方位中任何方向來風(fēng)，主軸永遠(yuǎn)向設(shè)計(jì)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的翼片受到正面風(fēng)載荷力，離心力，翼片結(jié)構(gòu)相似懸臂梁。翼片根部受到很大彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力。而
3、且翼片在旋轉(zhuǎn)一周的過程中，受慣性力和重力的綜合作用，慣性力的方向是隨時(shí)變化的，而重力的方向始終不變，這樣翼片所受的就是一個(gè)交變載荷，這就要求翼片有很高的的疲勞強(qiáng)度，因此大量事故都是翼片根部折斷。而垂直軸風(fēng)機(jī)的翼片主要承受拉應(yīng)力，不易折斷，壽命長。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組翼片的尖速比高，一般在57左右，在這樣的高速下翼片切割氣流將產(chǎn)生很大的氣動(dòng)噪音，導(dǎo)致噪聲污染。垂直軸風(fēng)力機(jī)翼片的尖速比較水平軸的要小的多，這樣的低轉(zhuǎn)速基本上不產(chǎn)生氣動(dòng)噪音，無噪音帶來的好處是顯而易見的，以前因?yàn)樵胍魡栴}不能應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的場合(城市公共設(shè)施、民宅等)，現(xiàn)在可以應(yīng)用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，因此，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)比水平軸有更廣闊
4、的應(yīng)用領(lǐng)域。2.垂直軸風(fēng)機(jī)風(fēng)輪設(shè)計(jì)2.1 風(fēng)能空氣的流動(dòng)現(xiàn)象稱為風(fēng)，風(fēng)是由于不同地方的空氣受熱不均勻，從一個(gè)地方向另一個(gè)地方運(yùn)動(dòng)的空氣分子產(chǎn)生的，風(fēng)的能量就是空氣分子的動(dòng)能，如圖所示。圖1 空氣流的動(dòng)能風(fēng)功率計(jì)算公式為聯(lián)立以上各式得 2.2 風(fēng)能利用率Cp風(fēng)能利用系數(shù)Cp是表示風(fēng)力機(jī)效率的重要參數(shù)，由于風(fēng)通過風(fēng)輪的風(fēng)能不能完全轉(zhuǎn)化為風(fēng)輪機(jī)械能，其風(fēng)能利用率Cp為其中Pm為風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率；Pw為風(fēng)力機(jī)輸入的風(fēng)能。目前大多數(shù)垂直軸風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率能達(dá)到0.4左右。如按0.4的風(fēng)能利用率來計(jì)算，風(fēng)機(jī)功率為1000W，則風(fēng)能為。根據(jù)上面公式可以求得，若滿載額定風(fēng)速為20m/s的話，S=0.5m2，
5、顯然設(shè)定的額定風(fēng)速越低，S將越大。 ，S為掃風(fēng)的截面積，r是翼片距軸的距離也是風(fēng)輪的半徑，L為翼片的高。如要達(dá)到1000W的風(fēng)機(jī)功率，則掃風(fēng)截面積不能小于0.5m2，則若r取0.25m的話，L為1m?？梢圆捎媚壳疤旖蚬S頂部風(fēng)機(jī)形狀。風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩：2.3 葉尖速比葉尖速比表示風(fēng)輪在不同風(fēng)速中的狀態(tài)，用葉片的圓周速度和風(fēng)速之比來衡量。 式中：n風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，； 風(fēng)輪角速度，； R風(fēng)輪半徑，m。尖速比決定了風(fēng)輪的功率，對(duì)于定槳距風(fēng)輪，隨風(fēng)速的增加其轉(zhuǎn)速也增加。在這種情況下，輸出功率（同風(fēng)速的立方成正比）也增加。但是輸出功率增加并不意味著風(fēng)能利用率也增加，一般而言，減速比和風(fēng)能利用率曲線近似一條倒拋物線
6、。根據(jù)葉尖轉(zhuǎn)速比與Cp的關(guān)系及Cp與輸出功率之間關(guān)系，我們可以知道在風(fēng)速固定時(shí)，不同的轉(zhuǎn)速即對(duì)應(yīng)不同的葉尖轉(zhuǎn)速比，也即對(duì)應(yīng)不同的Cp值，也即對(duì)應(yīng)不同的輸出功率，這樣如果設(shè)定不同的風(fēng)速，就可以得到風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下輸出功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，如下圖所示：圖2 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與輸出功率及風(fēng)速曲線圖從上圖可以看出在某一種風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械功率隨轉(zhuǎn)速的不同而變化，其中有一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)速。在該轉(zhuǎn)速下，風(fēng)力機(jī)輸出最大的機(jī)械功率。它與風(fēng)速的關(guān)系是最佳葉尖速比關(guān)系。在不同風(fēng)速下均有一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)速使風(fēng)力機(jī)輸出最大機(jī)械功率。從而得到一條最大輸出機(jī)械功率曲線，處于這條曲線上的任何點(diǎn)，其轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的關(guān)系均為最佳葉尖速比關(guān)系。
7、合理的選取最優(yōu)尖速比可使風(fēng)輪功率達(dá)到峰值。一般垂直軸風(fēng)機(jī)葉尖速比選擇在48之間，建議選擇6，越低噪音低，但是功率也比較難做大。3 H型垂直軸風(fēng)機(jī)翼片一般超過500W的垂直軸風(fēng)機(jī)，都采用H型翼片或型翼片。圖3 H型垂直軸風(fēng)機(jī)圖4 型垂直軸3.1 翼片選型翼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，因此翼片是風(fēng)力機(jī)的重要部件。翼片的設(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. 合理的翼片剛度；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，盡可能減輕翼片
8、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、RIS翼型系列和FFA-W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。3.2 翼片實(shí)度風(fēng)力機(jī)翼片的總面積與風(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)的翼片實(shí)度計(jì)算公式為：升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪，C為翼片弦長，N為翼片個(gè)數(shù)，R為風(fēng)輪半徑，L為翼片長度，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，力求使制造翼片
9、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)小；3. 阻力系數(shù)與零升角對(duì)稱。根據(jù)一些資料描述，NACA0012的阻力系數(shù)較小，選用較低阻力系數(shù)NACA0012對(duì)稱翼型。由于NACA0012是對(duì)稱翼型，在下圖左側(cè)數(shù)據(jù)表中僅列出了單邊的數(shù)據(jù)，表中c是弦長（弦長為1.00）；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5 NACA0012翼型參數(shù)實(shí)度比選擇在0.50.6范圍內(nèi)較好。為此可以得出風(fēng)輪翼片的弦長：可以采用的翼片弦長0.4m，數(shù)據(jù)只需將表中各數(shù)字適當(dāng)縮放即可5。3.3 翼片形狀及材料翼片截面結(jié)構(gòu)為主梁
10、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。翼片空心處用聚氨酯泡沫材料填充,剖面形式如圖所示。圖6 翼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，如表所示。表 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10m/s40%61000W4 電氣設(shè)備及傳動(dòng)設(shè)計(jì)4.1 硅整流交流發(fā)電機(jī)硅整流交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)硅整流交流發(fā)電機(jī)由一臺(tái)三相同步交流發(fā)電機(jī)和硅二極管整流器組成。發(fā)電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的三相交流電通過整流器進(jìn)行三相橋式全波整流后轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。硅整流交流發(fā)電機(jī)是由轉(zhuǎn)子、
11、定子、整流器、端蓋、風(fēng)扇葉輪等組成。圖7 硅整流交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子用來在發(fā)電機(jī)工作時(shí)建立磁場。它由壓裝在轉(zhuǎn)子軸上的兩塊爪形磁極、兩塊磁極之間的勵(lì)磁繞組和壓裝在轉(zhuǎn)子軸上的兩個(gè)滑環(huán)組成。兩個(gè)滑環(huán)彼此絕緣并與軸絕緣。勵(lì)磁繞組的兩端分別焊接在兩個(gè)滑環(huán)上。定子用來在發(fā)電機(jī)工作時(shí)，與轉(zhuǎn)子的磁場相互作用產(chǎn)生交流電壓。它由內(nèi)圓帶槽的硅鋼片疊成的鐵心和對(duì)稱地安裝在鐵心上的三相定子繞組組成。三相定子繞組按星形或按三角形接法連接。按星形接法連接時(shí)，三相繞組的首端分別與整流器的硅二極管相連，三相繞組的尾端連在一起作為發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)。按三角形接法連接時(shí)，將三相繞組中一相繞組的首端與另一相繞組的尾端相連，并將聯(lián)接點(diǎn)接整流器的
12、硅二極管。整流器是由6個(gè)硅二極管組成的三相橋式全波整流電路，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)將三相定子繞組中產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。在?fù)極搭鐵的發(fā)電機(jī)中，3個(gè)二極管的殼體為負(fù)極，壓裝在與發(fā)電機(jī)機(jī)體絕緣的元件板上，并與發(fā)電機(jī)的輸出端(正極)相連，其引線為二極管的正極，稱為正極二極管；另外3個(gè)二極管的殼體為正極，壓裝在不與機(jī)體絕緣的元件板上，或直接壓裝在電刷端蓋上，作為發(fā)電機(jī)的負(fù)極，其引線為負(fù)極，稱為負(fù)極二極管。驅(qū)動(dòng)端蓋和電刷端蓋作為發(fā)電機(jī)的前后支撐。電刷端蓋上裝有電刷架和兩個(gè)彼此絕緣的電刷，并通過電刷彈簧，使電刷與轉(zhuǎn)子軸上的兩個(gè)滑環(huán)保持接觸，電刷的引線分別與電刷端蓋上的兩個(gè)磁場接線柱相連(外搭鐵式交流發(fā)電機(jī))，
13、或一個(gè)與磁場接線柱相連，另一個(gè)在發(fā)電機(jī)內(nèi)部搭鐵(內(nèi)搭鐵式交流發(fā)電機(jī))。發(fā)電機(jī)的整流器總成也安裝在驅(qū)動(dòng)端蓋上，以有利于檢修。獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)力機(jī)葉片多數(shù)是固定槳距的，當(dāng)風(fēng)力變化時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨之變化，與風(fēng)機(jī)相連的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之變化，因而發(fā)電機(jī)的出口電壓也會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，這將導(dǎo)致硅整流器輸出的直流電壓及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化，并造成勵(lì)磁磁場的變化，這樣又造成發(fā)電機(jī)出口電壓的波動(dòng)。這種連鎖反應(yīng)是的發(fā)電機(jī)的出口電壓的波動(dòng)范圍不斷增加。顯而易見，如果電壓的波動(dòng)得不到控制，在向負(fù)載供電的情況下，將會(huì)影響供電質(zhì)量，甚至損壞用電設(shè)備。此外獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都帶有儲(chǔ)能電池組，電壓的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電池組的過充
14、電，從而降低電池組的使用壽命。在工作過程中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是不斷變化的，要使發(fā)電機(jī)端電壓保持不變，可以通過改變磁通的大小來進(jìn)行調(diào)節(jié)，而磁通的大小是由勵(lì)磁電流決定的。因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增高時(shí)，可以減小勵(lì)磁電流使磁通減小，保持發(fā)電機(jī)的輸出電壓不變;反之，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，增大勵(lì)磁電流。因此電壓調(diào)節(jié)器的作用就是在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，自動(dòng)改變勵(lì)磁電流的大小，使發(fā)電機(jī)輸出電壓保持不變。所以可以在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路中串聯(lián)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，實(shí)質(zhì)是串入可切換電阻，改吧了勵(lì)磁回路的阻抗特性，進(jìn)而改變了勵(lì)磁電流的大小。4.2 電氣系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖所示，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由電壓繼電器V1、電流繼電器I1、逆流繼電器I2及其所控制的動(dòng)斷觸
15、電V1、I1和動(dòng)合觸電I2以及電阻R2等組成。圖8 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁圖勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的作用是使發(fā)電機(jī)能自動(dòng)調(diào)節(jié)其勵(lì)磁電流（即勵(lì)磁磁通）的大小，來抵消因風(fēng)速變化而導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓的影響。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，發(fā)電機(jī)端電壓低于額定值時(shí)，電壓繼電器V1不動(dòng)作，其動(dòng)斷觸點(diǎn)V1閉合，硅整流器輸出端電壓直接施加在勵(lì)磁繞組上，發(fā)電機(jī)屬于正常勵(lì)磁狀態(tài)；當(dāng)風(fēng)速加大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增高，發(fā)電機(jī)端電壓高于額定電壓時(shí)，動(dòng)斷觸電V1斷開，勵(lì)磁回路中被串入了電阻R2，勵(lì)磁電流及磁通隨之減小，發(fā)電機(jī)輸出端電壓隨之下降；當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓降至額定值時(shí)，觸點(diǎn)V1重新閉合，發(fā)電機(jī)恢復(fù)到正常勵(lì)磁狀態(tài)。電壓繼電器工作時(shí)發(fā)電機(jī)端電壓與發(fā)電機(jī)
16、轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖所示。圖9 發(fā)電機(jī)端電壓與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，當(dāng)用戶投入的負(fù)載過多時(shí)，可能出現(xiàn)負(fù)載電流過大超過額定值的狀況，如果不加以控制，使發(fā)電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行，會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)的使用壽命有較大的影響，甚至損壞發(fā)電機(jī)的定子繞組。電流繼電器的作用是為了抑制發(fā)電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行。電流繼電器I1的動(dòng)斷觸點(diǎn)I1串接在發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁回路中，發(fā)電機(jī)輸出的負(fù)荷電流則通過電流繼電器的繞組；當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸出電流低于額定值時(shí)，繼電器不工作，動(dòng)斷觸點(diǎn)I1閉合，發(fā)電機(jī)屬于正常勵(lì)磁狀態(tài)；當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電流高于額定值時(shí)，動(dòng)斷觸點(diǎn)I1斷開，電阻R2被串入勵(lì)磁回路，勵(lì)磁電流減小，從而降低了發(fā)電機(jī)輸出端的電壓，并減小了負(fù)載電流。電
17、流繼電器工作時(shí)，發(fā)電機(jī)負(fù)載電流與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖所示。圖10 發(fā)電機(jī)負(fù)載電流與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為了防止無風(fēng)或風(fēng)速太低時(shí)，儲(chǔ)能電池組向發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組送電，及儲(chǔ)能電池組由充電運(yùn)行變?yōu)榉聪蚍烹姞顟B(tài)，這不僅會(huì)消耗儲(chǔ)能電池組所儲(chǔ)電能，還可能燒毀勵(lì)磁繞組，因此在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器裝置內(nèi)，還裝有逆流繼電器I2。發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，逆流繼電器的電壓線圈及電流線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生的吸力是動(dòng)合觸點(diǎn)I2閉合；當(dāng)風(fēng)速太低，發(fā)電機(jī)端電壓低于儲(chǔ)能電池組電壓時(shí)，繼電器電流線圈瞬間流過反向電流，此電流產(chǎn)生的磁場與電壓線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生的磁場作用相反，而電壓線圈內(nèi)流過的電流由于發(fā)電機(jī)電壓下降也減小了，由其產(chǎn)生的磁場也減弱了，故由電
18、壓線圈及電流線圈內(nèi)電流所產(chǎn)生的總磁場的吸力減弱，是的動(dòng)合觸點(diǎn)I2斷開，從而斷開了儲(chǔ)能電池想發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組送電的回路。采用勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硅整流交流發(fā)電機(jī)，與永磁發(fā)電機(jī)比較，其特點(diǎn)是能隨風(fēng)速變化自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出端電壓，防止產(chǎn)生對(duì)儲(chǔ)能電池組過充電，延長儲(chǔ)能電池組的使用壽命；同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)電機(jī)的過負(fù)荷保護(hù)，但由于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的動(dòng)斷、動(dòng)合觸點(diǎn)動(dòng)作頻繁，需對(duì)出頭材質(zhì)及斷弧性能做適當(dāng)?shù)奶幚恚刹捎秒娮娱_關(guān)進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，并聯(lián)多組帶電子開關(guān)的電阻相當(dāng)于多極調(diào)節(jié)）。而且用該交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須達(dá)到在該轉(zhuǎn)速下的電壓時(shí)才能對(duì)儲(chǔ)能電池組充電。5 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算5.1 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)主傳動(dòng)軸只承受扭矩，
19、基本不受彎矩，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(cè)單行本-軸承及其連接表5-1-19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，=d1/d。 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(cè)單行本-軸承及其連接表5-1-20選取。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(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-22。圖11 主軸示意圖校核主軸安全系數(shù)。主軸最大轉(zhuǎn)矩為最大風(fēng)速下承受轉(zhuǎn)矩：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(cè)單
20、行本軸-承及其連接表5-1-1，；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(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-30表5-1-32，；為表面質(zhì)量系數(shù)，一般用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-36；軸表面強(qiáng)化處理后用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-38；有腐蝕情況時(shí)用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-35或機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-37，；為扭轉(zhuǎn)時(shí)的尺寸影響系數(shù)，見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-34，；、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(cè)單行本軸-承及其連接表5-1-25，；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(cè)單行本軸-承及
21、其連接表5-1-33，。代入上式，可求得安全系數(shù)，然后根據(jù)鋼材的材質(zhì)標(biāo)號(hào)，查表看安全系數(shù)是否滿足，不滿足就再增加主軸直徑。5.2 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。5.2.1 角接觸球軸承1的選用計(jì)算角接觸球軸承1的安裝位置如圖所示。角接觸球軸承圖12 軸承1的安裝位置軸徑d=30mm,額定轉(zhuǎn)矩T=4.3Nm。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-82可選擇角接觸球軸承。軸向載荷：徑向載荷按照最不利狀況計(jì)算，根據(jù)伯努利方程，氣流作用在葉片上的壓強(qiáng)為：作用在葉片上的
22、總力為由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-12推薦使用壽命為100000小時(shí), 軸承當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算公式為 式中X、Y分別為徑向動(dòng)載荷系數(shù)及軸向動(dòng)載荷系數(shù)?？赏ㄟ^查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表283-2得到，然后計(jì)算載荷P。軸承基本額定動(dòng)載荷按如下公式計(jì)算： 式中：為基本額定動(dòng)載荷計(jì)算值，N；為速度因數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-9選??；為力矩載荷因數(shù)，力矩載荷較小時(shí)取1.5，較大時(shí)取2，這里選取2；為沖擊載荷因數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-10選取；為溫度因數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-11選取1；為壽命因數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-8選取0.405；為當(dāng)量動(dòng)載荷
23、。將各個(gè)數(shù)據(jù)代入上式得C值，與手冊(cè)里標(biāo)稱相應(yīng)型號(hào)軸承的Cr值比較，小于Cr即可。5.2.2 角接觸球軸承2的選用計(jì)算角接觸球軸承2的安裝位置如圖所示。軸承圖13 軸承2安裝位置 按照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-82選擇軸承型號(hào)按照軸承1校核公式對(duì)軸承進(jìn)行校核。 由機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第五版）公式16-3計(jì)算軸承壽命： 式中：為溫度因數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-11選取1；為沖擊載荷因數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-10選取1.2；C為額定動(dòng)載荷；N為主軸額定轉(zhuǎn)速，r/min；為壽命指數(shù)，對(duì)于球軸承取3。將各數(shù)據(jù)代入式子后得軸承壽命小時(shí)。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本-軸承表6-2-12推薦使用壽命為100000小時(shí)。主軸與發(fā)電機(jī)之間用圓錐銷套筒聯(lián)軸器進(jìn)行連接，如圖所示，聯(lián)軸器具體參數(shù)見圖紙。圖14 圓錐銷套筒聯(lián)軸器
垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究報(bào)告.doc
