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小型风力发电机总体结构的设计

发布时间:2016-12-21      文章来源:未知

摘要
        风能是清洁可再生能源,是太阳能的一种变形,在世界采取可持续发展的大政策下,风能的开发利用引起了很多人的关注。风能的主要利用形式是风力发电,就是通过风力发电机截获一部分风能转换为电能,当下常用的风力发电机有水平轴风力发电机与垂直轴风力发电机。水平轴风力发电机技术比较成熟且生产成本较低,而垂直轴风力发电机对叶片及发电机等硬件设备要求较为严格,故制造成本较高。
本文设计了一台功率为4KW的小型家用水平轴风力发电机,由风轮、增速器、发电机、偏航装置、塔架等部件进行选择设计,对叶片及行星齿轮增速器进行了详细设计计算。
关键词风力发电;水平轴风力发电机;增速器;叶片
The design of the overall structure of the small wind turbine
Abstract
Wind energy is clean, renewable energy, is a variation of the solar energy, adopt the policy of sustainable development in the world, the development of wind energy utilization has attracted the attention of many people. The main forms of wind energy is used is wind power, is through the wind generator intercepted a part of wind energy conversion to electricity can, at present common wind generator level axis wind turbine and vertical axis wind turbine. Horizontal axis wind turbine technology is relatively mature, and the production cost is low, and vertical axis wind turbine blade and the generator and other hardware equipment requirements more stringent, so the manufacturing cost is high.
In this paper, we design a power of 4kw small household horizontal axis wind turbine, by a wind wheel, a speed increaser, a generator, a yawing device, the tower components to choose the design, the blade and a planetary gear speed increaser were detailed design calculation.
Key words: wind power generation; horizontal axis wind turbine blade; accelerator.
 

一.绪论
        随着人们生活的逐渐变好,能源的消耗也日益加剧,但是地球上石油及煤炭等常用能源资源是有限的,且石油及煤炭的燃烧释放的二氧化碳也引发温室效应使得地球环境的改变引起海平面上升地球生态环境的改变对人们的生活及安全带来了威胁。所以解决能源危机是如今社会面对的重大问题,所以开发绿色环保且可再生资源成为当前备受关注的项目。
       风能作为开发成本低的清洁可再生资源,风能的开发利用也得到更多人的关注。由贝茨理论得知,理想情况下风能所转换成电能的极限约为59%,受机械结构的约束,真实的风能利用率更低。因此高效率的采用风能,规模化的风能开发是目前风力发电机行业非常重要的事。


二.风力发电机工作原理及基本结构
1.风力发电机工作原理
风力发电机是将风的动能通过风轮的转动转换为机械旋转能再由产生机械能经由同步发电机转化为电能的机电设备。风力发电机通过能量流与信息流的相互作用来使机组正常运作。
(1)能量流
 风以一定速度驱动风力发电机风轮的转动,即是将风的动能转化成风轮旋转的机械能。
(2)信息流
 信息流是由控制系统发出的对风力发电过程控制和安全保护的电信号。
风速、风向及风电机转速等物理量通过传感器转变为电信号传给控制系统,控制系统将这些输入信息进行加工比较,发出控制指令。
在风电机中,能量流和信息流组成了闭环控制系统。风电机工作原理图如下:
 
 
               图 2-1 风力发电机工作原理简图
 2.风力发电机的基本结构
(1)风轮
风轮是由叶片和连接叶片的轮毂组成的。本文设计叶片为3片,使用强度高、重量轻且耐老化的玻璃钢制成。
(2)轮毂
轮毂是连接叶片的部件。且轮毂可以控制叶片桨距角,所以需要一定的强度,轮毂由铸铁制成,且材料不能有砂眼、裂纹等缺陷。
(3)主轴
主轴是连接轮毂与增速齿轮箱的重要机构,由于风力发电机叶片比较长,为了防止离心力过大就需要减小风轮转速,这就导致主轴所承受的压力比较大,故而主轴由高强度的合金材料制成。
(4)齿轮箱
齿轮箱在风力发电机组中起着非常的作用,是风力发电机组中的重要部分。由于发电机的工作条件需要高速旋转,而主轴只能低速旋转,所以需要一个增速齿轮箱来使主轴的转速与发电机的额定转速一致。风力发电机的齿轮箱比一般的增速齿轮箱要求更高的质量,需要重量轻,体积小,效率高,满足上述特点,本设计采用2K-H增速齿轮箱。
(5)发电机
发电机是风力发电机组的重要部件,目前简易的微型风力发电机采用永磁发电机,一般小型风力发电机采用同步电动机,本设计采用同步电动机。
(6)偏航系统
偏航机构的作用是使风力发电机的风轮面对风向,即是风轮平面与水平风向垂直。偏航系统分为主动偏航和被动偏航,被动偏航分为尾舵定位旋转平面与下风向风机,主动偏航使用机电传动控制偏航且需要控制系统监控风向,其造价很高。
本设计采用尾舵定位旋转平面偏航系统。
(7)塔架
塔架是连接机舱并且支撑起机舱的装置,塔架需要承受风力发电机引起的载荷,所以塔架材料的自震频率不能为运行平率的整数倍。塔架可分为拉索式、桁架式、锥筒式塔架,本设计采用拉索式塔架。
(8)其他附属部件
附属部件包括制动装置、机舱及回转体等。
 1)制动装置
制动装置也叫刹车机构,他的作用是保证风力机在不需要运作时处于制动状态。       
 2)机舱
由于风力发电机是出于户外工作的设备,为了避免风力发电机主要部分(发电机、齿轮箱等)遭受环境侵害,所以用机舱将其保护起来。机舱一般由耐用轻巧的玻璃钢纤维制成。
 3)回转体
    回转体是连接机舱与塔架的零件,它是由位于塔架上部的固定套和上面    的轴承组成,是风力机能够随着风向变动而回转迎风。


三.风力发电机的设计方案
1.风力机整体设计
风力发电机由多个系统组成,机体的整体设计需要考虑各个系统的良好匹配运行。例如风轮机的设计就包含了叶片参数、结构强度、气动性能与制造工艺等多个设计内容,但是这些设计目标很难同时满足,所以需要选择优化方案来使得这些因素取得平衡。
(1)总体气动布局设计
气动布局设计师风力发电机组设计的重要部分,设计任务主要包含对风场的风况分析并结合风力发电机组性能和气动特性的分析与仿真技术,初步确定各部件的基本形式并提交相关的分析计算信息。
(2)风电机总体参数设计
风力发电机组气动设计钱要确定总体参数,比如设计风速、翼型分布与气动性能等,总体参数设计要求发电成本低且发电量多并要求机组承受载荷最小。
(3)风电机的总体结构布局设计
根据风力发电机整体功能需求,了解各部件、附件设备及子系统的布置与技术要求,并合理选择各部件与子系统的结构组成与功能参数以及原理分析和技术组成。同时要分析整个风力发电机的结构承力部件布置及承载方式与传递路径,选取合适的设计分离面与接口,方便布置各部件的设计工作,确保整体设计质量。
(4)风力发电机组载荷分析与基本性能的预估
为了准确的制定出风力发电机组的结构设计方案,需要对载荷进行预估。风力发电机组应该能够承受正常运作时的任何载荷,也应该能承受一定的极端载荷。最主要的载荷由风轮产生且风轮上的载荷能够影响其他子系统,结合风力发电机组的运行条件根据设计标准来对所有载荷进行分析评估。
(5)各部件与子系统设计
根据整体结构设计方案,进行对各部件与系统的组成、要求、结构形式、原理分析参数及附件选择等的设计。设计结构模型图与原理图并编写技术说明。
(6)配套附件
选择并确定风力发电机的配套附件与备件等设备。
2.风力发电机结构动力学分析
风力发电机组的动力学研究范围包括振动、动载荷以及结构特性的分析等。
(1)振动
在风力发电机组运作时,存在着持续的周期性振动。振动会引发风电机结构的破损,从而导致设备不能正常运作,所以设计各个部件时都需要考虑振动问题。
(2)动载荷
机械载荷及风轮叶片上的周期性气动会引发叶片等结构的动态响应,并且反馈与气动负荷,这其实是一种固耦合响应问题,会对风轮等零部件产生影响。叶片等部件的动载荷将组合为风轮的动载荷,风轮的动载荷是风力发电机振动的主要来源。
(3)稳定性
风力发电机组的载荷有着复杂的耦合关系,可能会引起动力稳定性问题,风轮动力不稳定性包括变距/挥舞不稳定性、挥舞/摆振不稳定性及摆振/变距不稳定性等。
3.风力发电机零件设计
(1)风电机组结构设计
根据总体技术参数、总气动布局与载荷来进行部件和子系统的具体结构设计。
子系统包含风轮(叶片结构、轮毂 及变桨距机构等)、猪传动链(主轴、联轴器、齿轮箱与制动装置等)、发电机、机舱、偏航系统、塔架等。
(2)设计准则
在风电机组的设计中要根据结构设计的具体要求来进行详细的设计与校验。其中,一些部件应该首先满足强度要求再进行刚度分析,一些部件则是先采用刚度设计然后校核强度。
(3)零部件强度与刚度分析
 1)结构极限强度设计
为保证在极端载荷作用下构件应力不超过材料许应力,一般使用增加许用安全系数来避免发生静载破坏。
2)构件刚度分析
构件刚度即是指抗形变能力,构件的刚度分析与强度设计有着密切的联系,设计中应该根据构件具体情况与设计要求来结合刚度指标并结合强度分析来达到最优化。
 3)结构疲劳强度
    疲劳破坏是导致承受变载荷构建设计寿命失效的原因之一;由于风电机组承受随机载荷作用,所以许多构件会发生疲劳失效。因此,有着详细分析风电机组的主要零部件在设计寿命内的循环应力值和循环次数。


四.风力发电机零件计算
   1.风力发电机的气动理论基础
      贝茨理论:假设风力发电机的叶轮为理想状态(叶片不用轮毂连接)且气    流均匀的分布在整个叶轮扫掠面上。
 
图4-1贝茨理论计算简图
流体的连续性条件:
式中 ---风经过叶片前的速度
     ---风经过叶片时的速度
     ---等经过叶片后的速度
     ---风经过叶片前的面积
     ---风经过叶片时的面积
     ---风经过叶片后的速度
应用动量定理得知叶轮受到的轴向推力为:
 
气流的密度为ρ即是单位时间内流经的气体质量为:
 
则有单位时间内叶轮吸收功率为:
 
由动能定理可知单位时间内气体所做工为:
 
在叶轮前后单位时间内气体动能改变量为:
 
则有单位时间叶轮吸收功率为:
  
即可得,也就是说风经过叶轮是的速度是叶轮远前方风速与叶轮远后方风速的平均值。
引入轴向干扰因子,令
则有
式中为轴向干扰因子,当时,,因此
叶轮吸收功率换算得:
 
令即可得到吸收功率最大时的轴向干扰因子。
解得,可解得
即是最大风能利用率
贝茨理论得知风能利用率最高为59.3%,不存在能够将风能完全转换成电能的风力发电机。
2.叶片设计的基本理论
贝茨理论是在理论状态下得出最高风能利用率,而现实中要考虑的因素还有很多。 
    (1)叶尖速比
叶尖速比即是叶片尖端线速度与风速v之比,用λ来表示,则有:
 
  式中  V---叶片尖端的线速度
      v---风速
      n---叶轮转速(r/min)
      R---叶片长度
  慢速比的风力发电机的叶尖速比都不超过2.5。所有用阻力原理工作的风力发电机都为慢速比风力发电机,一些以浮力作用的风力发电机也属于慢速比风力发电机
  快速比风力发电机都是利用浮力原理工作的风力发电机,叶尖速比通常在2.515之间,一般现在常用的三叶片风力发电机的叶尖速比为6。
         表4-1风力发电机叶片数目所对应的叶尖速比
叶尖速比λ 叶片数 叶尖速比λ 叶片数
1   4  
2      
3      
(2)展宏比
    展宏比用来表示风轮直径的平方与叶片面积的比值,用表示:
 
     式中 ---叶片面积
           ---风轮半径
           ---平均弦长
(3)叶片气动俯仰力矩
       各种翼型都有一个空气动力作用在叶片上力矩为0的点,这个点叫做压力中心。叶片纵梁没有通过这个点就会形成气动俯仰力矩:
 
     式中---俯仰力矩系数
          ---翼的弦长
(4)失速
          风吹在翼上所产生升力与阻力,升力随着迎角的增加而增加而阻力随着迎角的增加而减小,当迎角到达临界值时,这时升力减小而阻力增加,从而导致叶片失去支承力,这就叫失速。翼型的升阻比用L/D来表示:
 
    式中---升力
        ---阻力
    ---升力系数
    ---阻力系数
表4-2 叶片翼型选择同升阻比数据表
风力机类型 叶片剖面翼型 叶尖速比λ 升阻比L/D
 
风力抽水机
平板型
曲板型
风帆型
 
1
10
 
 
微、小型风力发电机 普通翼型
风帆型
扭曲型
 
 
 
 
 
 
中、大型风力发电机 扭曲型    
3.叶轮的设计计算
(1)叶轮的总体设计
  本风力发电机采用上风向布置形式,设计叶片为三片,设定风速为5m/s,风力发电机为小型家用型,设定风力发电机机有效功率为4KW。
(2)风轮的扫掠面积S及直径d的确定
       在贝茨理论的基础上,经过各风力发电机电站记录的实际数据得到     风力发电机的经验公式:
 
       式中---风力发电机转换风能的有效功率
            K---单位换算系数
           ---空气高密度修正系数              
           ---空气湿度密度修正系数
            S---风轮的扫掠面积
            v---风速
            ---风力机的全效率
     查阅相关资料得知K=0.6127,风力发电机机全效率通常取。
表4-3 不同高度湿度条件的空气密度修正系数、取值表
海拔高度 m   摄氏温度℃  
0 1.000 -17.78 1.130
762 0.912 -6.67 1.083
1524 0.832 4.44 1.040
2286 0.756 15.5 1.000
3048 0.687 26.67 0.963
-- -- 37.78 0.929
                   
             表4-4设计风力发电机初步估计风能转换全效率取值表
风力发电机形式 初估全效率 说明
多叶片风力发电机   常用在农业、牧业抽水
风帆叶片风力发电机   常用在抽水、碾米、磨面
垂直轴“索旺尼斯”风力发电机   常用在抽水、压缩空气
垂直轴“达里厄”风力发电机   常用在风力发电机
扭曲叶片风力发电机  
 
KW小型风力发电机
KW中型风力发电机
扭曲叶片风力发电机   100KW以上大型风力发电机
                
      根据表4-3以及表4-4的参考,取,取。
       即是可以得到风轮扫掠面积S为:
 
   得到叶片旋转工作面的面积,可知道风轮直径D为:
 
   取风轮直径为15m。
(3)确定风力机叶片数目
          根据表4-1得知风力发电机的叶片数目与叶尖速比是有一定关系的,选取λ=5,即是能够确定所设计的风力发电机叶片数目为三片。
   (4)计算叶片面积
          风力发电机转换气流的动能效率不仅与叶片的翼型和叶尖速比等因素相关,同时也受叶片密实比的影响。叶片密实比就是指叶片的总面积与叶片旋转工作平面的面积S的比值,密实比高也就意味着叶片数目较多,即可以得知叶尖速比和风轮的转速较低,反之,密实比越低的叶片,也就说明叶片数目比较少,也就是说风轮转速和叶尖速比较高。
 
      式中---密实比
           k---叶片的数目
           
                 图4-2 叶片密实度与叶尖速比的关系图
       由图4-2可以得出叶片密实比为。由此可得:
 
(5)叶片剖面翼型
          翼型是影响风轮接受风能的效率的因素之一,所以在风力机中是非常重要的零件。水平轴风力发电机常用的叶片现今主要有风帆型、扭曲型及平板型这几种翼型。风帆型翼型与平板型翼型的叶片结构简单易于制造且成本低,但是效率低,现在的风力发电机多采用扭曲型翼型叶片,这种翼型的叶片制造比较困难,但是能够使风力发电机获得的风能的利用率得到提高。
          扭曲型翼型的叶片即是沿着叶片的长度叶片翼型扭转一定的角度,这种翼型的叶片各处的安装角θ都不同,安装角从叶片根部至叶片尖端逐渐减小,使得叶片在每一处的状态都是最佳迎角,从而可以使叶片获取最佳升力来使风力发电机的风轮接受风能的效率得到提升。
          确定叶片的翼型必须要考虑叶片翼型的升阻比,就理想条件下运行的风力发电机来说,升阻比越高风力发电机叶片转换风能效率也就比较高,但是当升阻比增加到一定的限度时风力发电机叶片转换风能的效率未必高,查阅相关信息资料得知本设计的风力发电机升阻比为L/D=8。
           翼型设计为NACA-4412,形状如下图,具体参数参照附表1。
图4-3 NACA-4412翼型
(6)风轮叶片尺寸具体的确定
          风力发电机的叶片转换风能的效率与叶片的相对迎风角密切相关,也就是说与迎角α相关,叶片的相对迎风角,为了使叶片各处受力均匀,这就需要叶片各处的安装角不同,也就是说相对迎风角不同不同,随着叶尖速比λ的增大叶片的相对迎风角愈小。
        风力发电机叶片从旋转中心到叶片尖端的不同半径处的叶尖速比用来表示:
 
      式中---叶片从旋转中心到叶片尖端不同的半径处的叶尖速比
          ---叶片从旋转中心至叶片尖端各个点位处的半径
            R---叶轮半径
          为了使风力发电机的叶片得到的风的动能可以均匀的分散到整个风力发电机的叶片上,风力发电机的叶片在扭曲的同时还要有不同的叶片翼型弦长,从而使叶片各处的升阻比都一致并取得到比较高的转换风能效率。
          不同的叶片翼型能够获取的风能也有所不同,为了表示各种形状的叶片翼型转换风能的特征,现在引入叶片形状参数,如下图所示:
            
                图4-4叶尖速比λ与叶片形状参数的关系曲线
         风力发电机的叶片从叶轮转动中心到叶片尖端个点位上的半径处的叶片翼型弦长有:
 
      式中---叶片形状参数
           风力发电机叶轮的各个参数得到确认后也就能够将叶片的几何外形确定,叶片在处的实际安装角为该处的相对迎风角减去平均迎角。
 
       式中---升力系数为0时叶片的迎角,一般为负值
           ---升力曲线平均斜率
       升力曲线的平均斜率计算公式如下:
 
       式中---升力曲线所能取的最大值
           ---升力为零
           ---升力曲线在取得最大值时与之相应的最大迎角α。
       根据上述公式并结合相关资料能够得到风力发电机叶片的实际安装角,也就是说能够确认风力发电机叶片的实际工作位置。
           定桨距的风力发电机叶片是按照计算所得到的叶片的实际安装角把叶片固定安装在轮毂上,这种风力发电机叶片的安装角不可以改变。
           变桨距的风力发电机叶片是叶片用能转动的轴安装在轮毂上,轮毂上所连接的叶片可以同步转动来使叶片的安装角变动,同时也能改变叶片的迎角来使风力发电机能够在长变的风速下(高于设计的最佳风速)保持额定功率。
           叶尖失速控制的风力发电机叶片是叶片绝大多数的部分都固定只有叶片尖段能够发生转动从而使叶片的安装角变动的叶片。
           变桨距控制目的为使叶片在0°到90°变化来方便调节输出功率。变桨距的控制为:
a.当风速小于设计的最佳风速时,采取控制发电机转速的措施来使风力发电机获取最优的输出功率。
b.当风速大于设计的最佳风速时,根据风力发电机的输出功率来调动叶片的桨距角,从而使得功率与扭矩相对平衡。
           采用变桨距调速的风力发电机,通过叶片的转动来改变迎角从而使风轮在获取变化的风能时能够保持额定转速,这时使风力发电机叶片转动并变桨距的动力矩应该大于风力发电机叶片的俯仰力矩M。
(7)叶片结构设计
         叶片是截获风能的重要构件,所以叶片在设计的时候要求要有良好的翼型,切实的升阻比与叶尖速比以及合适的安装角。同时叶片也是承受各种载荷的主要部件,所以制造叶片的材料要能有结构强度高、疲劳强度高、重量轻的特性并且还要能易于安装与方便维护,叶片的表壳应该光滑来减小叶片旋转时与气流摩擦的阻力。
         风力发电机的叶片一般有木制叶片与步蒙皮叶片、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金等弦长挤压成型叶片、玻璃钢叶片以及玻璃钢复合叶片。现在风力发电机的叶片多采用型钢焊接纵梁,玻璃纤维夹层扳做肋梁,玻璃纤维夹层板覆面,外涂环氧树脂的复合刑叶片。结构上大致分为根部(一般由金属制成)、龙骨(一般由玻璃纤维的复合材料或碳纤维的复合材料制成)以及外壳(一般由玻璃钢制成)。
         考虑到木质叶片不方便制成扭曲型,并且小型风力发电机能承受重力小,故采用玻璃钢叶片,叶片用玻璃钢抽压或挤压成从叶根至叶尖渐缩的纵梁,其余部分用泡沫塑料填充。
4.轮毂的制作
        轮毂是连接风力机叶片的部件,需要承载一定的载荷,所以强度要求较高,同时要求重量较低,轮毂为圆柱形结构,制成材料为QT400-18AL制成。
   5.风力发电机增速器的设计
        传动装置是大多数机械设备的核心机构,传动主要有机械传动,液压传动和电传动三类方式,其中机械传动又包含链传动、齿轮传动、带传动及蜗杆传动四类。风力发电机通常使用齿轮传动,由于风力发电机是处于户外工作的,所以采用闭式传动,增速器就是处于风力发电机叶轮与同步发电机之间的闭式传动装置。
   (1)增速比的确定
         风力发电机组一般采用的发电机多为4、6、8级,同步转速对1500r/min、
      1000r/min、750r/min,本设计的风力发电机采用8级同步发电机。
      风轮转速n为:
      将前文得到的数据代入可知风轮转速为r/min
      增速比
      式中---同步发电机的转速,取
      从上式中可以计算出增速比i=23.56
    (2)传动方案确定
           小型风力发电机的增速齿轮箱确定为单级2K-H型,增速器以行星架作为输入端,由太阳轮作为输出端,选择功率为30KW。这种增速箱制作工艺简单,重量轻,且动力的输入端为行星架,能够满足风力发电机受力大和转矩大的特征,高速级和低速级分别用行星架浮动和太阳轮浮动,使结构简化,从而达到结构紧凑满足来良好的均载效果。
      
     
  图4-5 2K-H型行星齿轮传动简图
   1.太阳轮 2.行星轮 3.内齿圈
注:论文完稿时经Ucheck查重检测合格
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