（优秀毕业全套设计）垂直轴风力发电机设计

贝茨极限风能利用系数缩短能达到的最大值就是贝茨极限，德国空气动力学家提出贝茨极限后，直到今天还没有人能设计出超过这个极限的风力机，该极限不是由于设计不足造成的，而是因为流管不得不在致动盘上游膨胀，使得自由流速比在圆盘处小，贝茨极限由下微分方程得出.式中为气流诱导因子。

解微分方程可知当时，最大，求得最大.。

叶尖速比风轮叶片尖端线速度与风速之比称为叶尖速比，阻力型风力机叶尖速比般为.至.，升力型风力机叶尖速比般为至。

在升力型风力机中，叶尖速比直接反映了相对风速与叶片运动方向的夹角，即直接关系到叶片的攻角，是分析风力机性能的重要参数。

叶尖速比计算公式为.风力机的功率及扭矩计算由福建省情资料库中的图像资料可以看出厦门地区地面平均风速在左右，如图所示。

图福建省风速分布从福建气象网站.小时监测的结果可以看出，厦门地区天内级风约出现的频率最高，如图所示。

图厦门日小时风速监测图.传动机构风力机的传动机构般包括低速轴高速轴齿轮箱联轴节和制动器等图。

但不是每种风力机都必须具备所有这些环节。

有些风力机的轮壳直接连接到齿轮箱上，不需要低速传动轴。

也有些风力机特别是小型风力机设计成无齿轮箱的，风轮直接连接到发电机。

在整个传动系中除了齿轮箱其它部件基本上目了然。

图机舱传动总成图主轴风轮通过键把转矩传到主轴上。

小型风力机般采用单键。

小微型风力机多采用号钢，经过调制处理使钢材获得强度。

塑性韧性三方面都较好的综合机械性能，所以设计时，在主轴加工图上也要注明这技术要求。

主轴的材料实践证明主轴与轮毂的连接部分最好要有的锥度，亦即轴端最好呈圆锥形。

这种结构不仅装配牢固拆卸方便，而且还避免了圆柱形轴端应力集中的影响。

锁定风轮用的轴端螺母究竟采用右旋还是左旋要视风轮的转向而定。

如果顺风看风轮是顺时针旋转，则螺母要用左旋螺纹，反之要用优选螺母，因为只有这样才能保证风力机在旋转中螺母越来越紧而不至于松脱，为了安全起见，螺母上最好还要有止动垫圈。

主轴零件图如图所示。

图主轴零件图根据国内外的实践经验，低速轴的直径通常取风轮直径的，亦即.。

若按这标准设计，其强度般是有保证的。

作用在主轴上的主要负载有工作转矩，风轮的陀螺力矩，以及风轮所受到的重力。

轴端所承受的合成应力为式中为风轮的陀螺力矩为风轮所受重力为轴端抗弯截面模数为轴端截面积。

的大小与桨叶数有关，当时，式中，风轮绕主轴的转转动惯量如用单键，式中为键槽宽度为键槽深度。

倘若轴端呈圆锥形，其为平均值。

为了简化计算，可以将本设计中的轴近似看成为大径，小径的光滑轴。

本设计中的弯矩。

将已知条件带入上述公式，可以算出。

所以，本设计中的主轴满足条件，可以正常使用。

联轴器在风力发电机中，常采用刚性联轴器弹性联轴器或万向联轴器两种方式。

刚性联轴器常用在对中性好的二轴连接，而弹性联轴器则可以为二轴对中性较差时提供二轴的联接，更重要的是弹性联轴器可以提供个弹性环节，该环节可以吸收轴系因外部负载的波动而产生的额外能量。

在风力发电机组中通常在高速轴选用弹性万向联轴器，般用十字联轴器或者轮胎联轴器，低速轴用刚性联轴器。

般用涨套式或者柱销式联轴器。

本课题在设计时在高速轴使用胎式联轴器，在低速轴使用柱销式联轴器。

如下所示，是联轴器的示意图。

柱销式联轴器增速箱与风力机匹配的增速器不仅要体积小重量轻效率高噪音小而且还应该承载能力大，启动转矩小。

鉴于这些要求，所以分力发电机的选择至关重要。

实现增速的方法也很多，最常用的有齿轮皮带轮链轮传动三种，其中齿轮传动运用最为广泛，能够满足增速器以上要求。

其中型与型行星齿轮增速器用在风力发电机上比较合适的。

齿轮增速器的传动比可以根据风轮与发电机的转速之比确定，而功率则要按照风力发电机的输出功率的倍考虑。

在使用齿轮增速器时，要注意输入轴与输出轴的方向是致还是相反，否则将会造成被动，甚至不能使用。

本风力机所采用的齿轮箱为同轴行星增速齿轮箱，传动比为.，额定功率为。

制动器机械刹车是种制动式的减慢旋转负载的装置。

通常机械刹车按照作用方式可以分为液压气动电磁电液手动等形式。

按照工作状态分为常闭式和常开式两种。

在风力发电中，为了减少制动转矩，缩小制动尺寸，通常机械刹车装在高速轴上。

本课题选用电磁盘式刹车，其结构如下图所示。

.塔架风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。

它的刚度和风力机的振动有密切关系，如果说塔架对小型风力机影响还不太大的话，对大中型风力机的影响就不容忽视了。

般要求塔架要有足够的强度，足以承受设计要求的动静载荷。

同时基础不应该发生显著的尤其是不均匀的下沉，因为基础旦下沉将导致整个塔架倾斜，因此为了保证他家不发生歪斜，塔架各基础的重量合力必须与风力机重心垂线重合。

基础则用混凝土砌筑，水泥沙子和碎石的体积比约取.。

基础的砌筑要与接地网地脚螺栓以及地锚的预埋同时进行。

塔架的高度为水平轴风力发电机的塔架主要可分为管柱型和桁架型两类，管柱型塔架可从最简单的木杆，直到大型钢管和混凝土管柱。

小型风力机塔杆为了增加抗弯矩的能力，可以用拉线来加强。

中大型塔杆为了运输方便，可以将钢管分成几段。

般圆柱形塔架对风的阻力较小，特别是对于下风向风力机，产生紊流的影响要比桁架式塔架小。

桁架式塔架常用于中小型风力机上，其优点是。

价不高，运输也方便。

但这种塔架会使下风向风力机的叶片产生很大的紊流。

其计算方法如下本风力机所采用的塔架为柔性钢管加拉索，重.，智能化微机控制系统全自动化无人值守故障检测报警状态及参数记录显示。

图塔架结构图第章风力发电机组总体性能.机组的构成及主要技术参数独立型风力发电机组采用了叶片水平轴上风向旋转风轮定桨距失速调节，异步发电机发电蓄能器储能高速轴抱闸双重主动机构，机舱支撑为柔性钢管拉索塔架，控制系统采用日本三菱公司可编程控制器为控制核心，配以集成化智能化接口电路和先进的传感技术，可以实现全自动无人值守运行。

基本技术参数总体性能参数如表所示表总体性能参数类型水平轴下风向额定功率额定风速切入风速切出风速抗最大风速风轮性能参数如表所示表风轮性能参数叶片数目直径额定转速桨叶材料增强型玻璃钢翼型功率调节定桨距失速调节传动系统性能参数如表所示表传动系统性能参数类型型行星齿轮增速箱额定功率.额定转速传动比.发电机性能参数如表所示表发电机性能参数类型三相交流高滑差异步电机额定功率同步转速电压，接频率塔架性能参数如表所示表塔架性能参数类型柔性钢管加拉索重量.控制系统智能化微机控制系统全自动化无人值守故障检测报警状态及参数记录显示。

机舱传动总成风力发电机传动轴总成设计采用同心轴连接，在机舱里面把叶轮主轴支承刹车盘增速机发电机等安装在机舱平台的同轴心上，此种设计结构紧密外型美观工艺优化机械效率高，比多轴心传动轴结构的设计，易于安装，检修，特别适用于定桨距失速叶片风力机的机舱布局。

图机舱机构图.工作条件及运行参数运行参数机组在环境温度，空气湿度不大于，电网电压在额定电压下，频率为范围内，风力发电机组可以正常发电。

运行参数如表所示表运行参数运行风速范围.回差风速范围发电转速范围飞车转速脱网停机时间无人值守的运行过程风力发电机组可以在无人值守的情况下，自动完成待风检测开机并网正常发电和保护停机等功能，出现小风逆功率停机现象，机组可自动复位，进入待风状态，当风速达到启动风速以上，自动开机投入运行，旦出现故障停机，在机组自身无法排除故障的情况下，进入禁止状态，必须在人工排除故障后，方可复位开机，图给出了风力发电机运行过程流程图。

待风状态当风速小于启动风速.，机组处于待风状态，智能化过程管理进入全面启动。

风机当前状态检测风速风向采样。

液压站工作，提供开机必备的液压伺服机构的工作压力。

偏航系统制动器松开，下风向自由对风，在秒内，若机舱偏离风向小于.，制动器锁紧，机舱对风定向。

准备就绪，切工作正常，显示可以开机信号。

图风力发电机运行过程流程图开机与并网由风速和转速传感作为主激励信号，辅以对传动偏航刹车系统的即时监控，在风速达到启动风速时，机组自动开机，进入工作状态。

当风速连续秒不小于.，主轴盘式刹车释放，传动系统开始工作。

由液压系统驱动变矩机构，将叶片由顺风的保护位置拉至迎风的工作位置，进入定桨距失速调节工作状态，完成这过程的时间可调，其长短以有助于加速完成启动过程为宜，我们选在秒左右。

在运行的同时，三叶片风轮通过增速机构带动发电机转速达到同步转速，下达并网指令，并网接触器吸合，发电机与电网并列运行，进入风电转换运行状态控制，直接在高风速下启动，系统回差值取，当风速由下降至时，机组可以安全启动，快速并网，高效可靠地运行，经现场实测的风速功率曲线如图所示。

图风速功率曲线图停机与保护停机分为正常停机和保护停机两种情况，除小风停机和调试时人为停机外，多数属于保护停机。

在处理故障或大风停机之后，机组可能面对高风速环境，为了有效利用这部分风能，又不至造成飞车，可以通过回差。

因为风力不够，开机后，分钟内达不到并网的同步转速，或并网后连续秒逆功率运行，机组返回待风状态。

当风速超过，声光报警，自动实现保护性停机。

当发电机转速达到，转速比较器发出停机指令，旦该环节出现故障，发电机转速继续升高到，连接在发电机上的离心开关动作，启动应急保护单元，实现收桨刹闸停机。

对出现的各类机械电气液压系统故障，具有自诊断功能，项或多项故障同时出现，利用逻辑门电路识别，可在显示故障的同时实现安全停机。