水平轴风力发电机设计

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1、精选优质文档-----倾情为你奉上 目 录 Ⅰ Ⅱ 专心---专注---专业 6 摘 要 风能是清洁绿色的动力，风力能源目前相对于我国来说还是相当充裕的。风力发电就是获取风能最主要的一种方法。风力发电的根本工作原理，是通过风力使其叶片转动，然后经过增速机把风轮转动的速度提高到一定的值，继而使发电机正常工作然后发电。现在风力发电技术已经达到了一定的地步，基本风速达到3m/s的速度后，发电机就可以开使正常工作继而发电。该课

2、题是设计一台小型水平轴风力发电机，它的基本组成部件主要有以下五种①叶片②发电机③回转体④塔架⑤控制系统等。本课题对风力发电机进行了基本的讲述，首先计算风轮的扫掠面积，继而确定风轮的直径，选定发电机，然后通过以上计算查表选择轴承等部件，确定塔架的高度及材料，并绘制了图纸。 关键词：风力发电机；回转体；风轮 Abstract Wind power is a clean and green power, and wind power generation is quite abundant relative to our country. Wind power is the most impo

3、rtant way to get wind energy. The basic principles and overall structure of small wind turbines are listed below.This project is to design a small horizontal axis wind power generator with a power of 2000W. The structure of the generator is a small horizontal axis wind turbine. The basic components

4、of the generator are as follows:(1)five kinds of blade (2) generator (3) yaw device (4) tower frame (5) control system, etc. Among them, the revolving body plays the role of orientation, support and protection in this organization.The subject has carried on the basic narration to the wind power gene

5、rator, mainly carried out the detailed design and calculation of the part of the rotary body, calculated its axial and radial force by calculating its windward area, selected the generator, calculated the gravity of the wind wheel roughly, and then selected the bearing and other components through t

6、he above calculation table, and passed the real time. And draw the drawings. Key words: wind turbine; rotary body; impeller 1 绪论 1.1风能资源的概述 我国的风能资源十分丰富，每年可开发利用的风能储量约为10亿千瓦，其中，陆地上风能储量约为2.53亿千瓦，而海上可开发和利用的风能储量约为7.5亿千瓦，共计10亿多千瓦。 风能是清洁绿色的源动力，属于可再生资源之一。并且我国的风能储量相对于其他国家而言还是占有一定优势的。可开发利用比例也非常可观，而且

7、我国开采风能技术已经达到一定地步，比较适合开发利用风力发电项目，能够给国家节省资源，给国民创造利益。 1.2风能资源的利用 风在全球的储藏量都很大，它并不会因为人们大量的开发利用而减少，也不会因为其他客观的因素而影响，它是我们能够开发利用并且长期使用的可再生能源。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一左右。也正是因为这样，全世界都非常重视开发研究风能资源，以便能够更充分利用风力发电。人类很早以前就对风力发电的开发和利用进行研究了，期间也有过很多发明，经过人们的不懈努力，反复尝试，现在风力发电的制造与安装技术正在逐步趋于完善。这对全世界来说都是一个福音。 但

8、是风能也是有不足的地方，因为风的大小并不是我们可以控制的，台风、龙卷风都能在一瞬间摧毁很多建筑物，对人们造成不可估量的损失，所以我们不能停下对风能开发利用的脚步，一定要攻克这个难关，让人能够有实力来应对风力过大所带来的灾害。 1.3风能资源利用的原理 我们常说的风力发电其本质就是把风的动能通过叶片和发电机的组合体转化为机械能，然后再把机械能转变成电能。风力发电的根本工作原理，是通过风力使其叶片转动，然后经过增速机把风轮转动的速度提高到一定的值，继而使发电机正常工作然后发电。现在风力发电技术已经达到了一定的地步，基本风速达到3m/s的速度后，发电机就可以开使正常工作继而发电。因为风能绿色无污

9、染，并且风力发电在任何情况下都无需原料等原 因，它已经在慢慢的成为一种趋势。 风轮（包括尾翼）、塔架和发电机这三个部分构成的整体称为发电机组，也是风力发电需要的基本装置。其中风轮由两只或两只以上叶片组成，它是将风的动能转化成机械能的重要部件。风能资源的最典型应用就是用来发电。将风能有效的转化为电能的有效途径就是通过发电机进行转化。通过外部风力作用到发电机机组叶片上，使得叶片进行旋转，以此带动发电机的电机轴随着转动。发电机的转子做切割磁感线的运动，继而产生电流。将风能有效的转化为电能。随着生态环境保护重要性的不断升级，有效解决环境污染问题已经是个破在眉捷的话题了。因此，风力发电的应用在不久的

10、将来，势必会成为一种重要的能源获取形式。 使用风能发电的机构称为风力发电机。这种机构基本由三大部分组成。迎风装置，也就是风轮和尾翼的组合；发电装置，就是指发电机。发电机的形式由水平回转形式和垂直回转形式两大种；最后一部分就是起到支撑整个发电机运行工作的部件，塔架，其形式也是多种多样，根据发电机的重量大小不同，它们的承重能力也不同。 风轮是风力发电机获取能量的最直接原件。因此，它的自身结构方面要求就比较高。既需要保证结构强度，在大风或者恶略的环境中不易损坏，又需要尽可能的减轻自重，保证运转时不会消耗大量的能量。以至对叶片本身的材料和结构有了更高要求。玻璃钢是一种有机的纤维合成材料，既保留了力

11、学性能方面的高强度性能，又拥有着塑料一样小的密度，是一种很适合设计制作叶片的材料。 另外，由于自然界的风向和风速并不稳定，最显著特点就像一首歌中描述的‘时而宁静，时而疯狂’。因此，合理的设计尾翼，让尾翼对风向进行调节，始终保证叶片处于迎风状态，能够有效的提高发电机的发电效率。相反，还有另外一种情况，就是发电机转速太高，以至于对发电机造成影响，严重的可能损坏设备。因此，减速装置的设计应用就成了必不可缺的结构。 刹车减速机构一般分为两种，一种是具有自动调节功能的机构，另一种是手动调节机构。自动调节机构多用于相对比较大型的发电机组。它的基本原理是，在发电机轴上安装转速传感器，当传感器显示的转速达

12、到预设值后，系统通过液压或者电磁铁的方式，迫使刹车机构进行刹车，达到降低转速的目的，进一步保护发电设备不受损害。也可通过在电能输出装置上安装电压传感器，凭借传感器获取的瞬时峰值电压给出系统信号启动刹车装 置。 铁塔在发电机中的主要作用就是支撑，是确保发电机稳定运行，保证获取风能的一个构架。铁塔的选用需要根据具体的使用环境而定，在满足发电机工作风速的情况下，具有足够的刚性，且不能影响地面的人和物的日常活动。 1.4风力发电的输出 发电机发出的电是不能被直接使用的，尽管它是交流电。这是因为，自然界的风速是随时改变的，发电机输出的电能也是非常的不稳定。这样一来，就需要有一个装置把不稳定的交流

13、电进行转化。将转化以后的交流电存储到蓄电池中或并入电网之中，再通过逆变器，将存储的电能转化为可被电器使用的工频交流电，也就是我们熟知的220V的交流电。 有的时候人们在选用小型发电机的时候，有一个选择误区，认为发电机的功率应该大于用电器的功率。这种认识是错误的。因为不论发电机的功率大小，他都将风能必须先存储起来，存储到预先设定好的蓄电池中。蓄电池的容量和匹配使用的逆变器才是输出功率大小的关键决定因素。在平均风力较小的环境使用功率太大的风力发电机，很有可能会因为风力不足而无法带动发电机正常运转。而选择一个合适大小的发电机，才能够最为高效的将风能源源不断的转化为电能。从而取得最大的利用率。 风

14、力发电机的使用意义在实际生活中是很重要的。在贫困山区或者电力电网没有完全覆盖的区域，一台风力发电机足可以为一家人进行日常生活的供电，在自然风光较多的旅游景区，不但可以为景区进行照明也，可以增加景区的特点。 1.5风力发电机的种类 风力发电的种类多种多样，但是比较常见和被人们所熟知的风力发电机，根据其回转轴的形式分类，主要有两种形式。一是水平回转轴风力发电机，另一种是垂直回转轴风力发电机。这两种发电机的最大区别在于，风力方向与回转轴之间的位置关系不同。 1.5.1水平轴风力发电机 水平轴风力发电机是指，旋转叶片的旋转轴与发电机的电机轴在同一个回转轴内，或者说，二者的中心轴共线。 水平轴

15、风力发电机基本结构有：叶片前端的导流装置，或者称为整流罩。用于把风能转变成机械能的叶片。将机械能转化为电能的发电机。将电能进行存储的蓄电池。将直流电转变成普通市电的装置，逆变器。以及用于支撑发电机的塔架。和一些辅助构件，比如说塔架固定钢丝绳索等等。 1.5.2垂直轴风力发电机 对应于水平轴风力发电机，还有一种垂直轴风力发电机。这种发电机最大的特点就是不需要安装迎风装置的尾翼，气流可以从360度方向吹过，它都能够进行旋转，切割磁感线，进行发电。它是利用空气流过叶片，从而叶片产生对风的阻力，既而有一个反向的作用力促使发电旋转。随着转速的增加，阻力会快速的下降，发电的效率也会随之增加。然而它的最

16、典型弊端就是启动力矩太大。因此，这种形式的使用不及水平轴风力发电机广泛。 2 水平轴发电机的基本功能构成及工作原理 2.1水平轴风力发电机的结构简介 水平轴风力发电机整体大致由以下几个部分组成： (1)风叶 (2)整流罩（有的兼顾叶片固定作用） (3)发电机（主体结构） (4)回转体（主体结构） (5)尾舵（调控风向） (6)固定拉索（钢丝绳） (7)地基（稳住整体） (8)地脚螺栓（固定设备） (9)控制器（用于把不稳定的交流电转换为稳定的直流电的装置） (10)蓄电池（储存电能的装置） (11)逆变器（将蓄电池中的直流电转换为交流电，供其他电器使用）

17、 图1 水平轴风力发电机基本结构示意图 2.2水平轴发电机关键部件详细介绍认知 2.2.1.风轮叶片介绍 水平轴风力发电机的风轮一般最少可以是一个叶片，最多可以为四个叶片，但大多数都为三个叶片组成。如图所示为叶片的几种形式。 a.层压木制翼型 b.部分实心材料翼型 c.有玻璃纤维的空心翼型 d.金属翼型 图2 叶片结构形式图 2.2.2发电机 （1）发电机的种类 小型风力发电机有两个大的种类，一种是直流另一种是交流。现在很多风力发电机都选择交流发电机，因为交流发电机

18、具有很多优点，如质量轻可以方便运输安装，在很大程度上节省了成本，能在很小的风力下运行发电，能增加风能的利用率。 （2）发电机的构造 交流发电机主要是由转子、定子、外壳和整流器组成。 （3）发电机的功率 发电机在设计及研发时都会有一个额定值，但是因为风速一直变化等原因，发电机的功率也会随之变化，有时低于额定值有时高于额定值，但是由于发电机自身的限制，其输出功率会有一个极限值。达到极限值后不会再增加输出功率。 （4）回转体 回转体是本课题研究的重点，它就像是整个装置的脖子一样，具有支撑和旋转功能，是保证风轮、尾翼正常运作的基础。风力发电机回转体的设计安装目前在我国种类繁多，本课题采用偏

19、心式，其结构大致有三点，如下图 图3 回转结构要素示意图 a.风轮的仰角 考虑到风轮工作的特点，我们可以将回转体上平面与水平面间设计有5~10 的夹角。发电机安装在回转体上，以至于发电机会有与之相同的仰角，因此能够增加风轮的稳定性。 b.风轮轴与回转体中心的偏心距 风轮轴与回转中心的偏心距是风力发电机调速机构能够准确调速的重要结构参数。当风速达到限定风速时，此偏心距能够准确地产生一个迫使风轮扭转的力矩，使风轮立即开始侧偏调整。如果风速继续增大，风轮扭转力矩也会增大，风轮则继续侧偏，直至达到限速停车的极限位置。 c.尾翼后倾角和侧偏角 风轮尾翼与回转体上的尾翼

20、通过销轴联结，而此销轴在安装时即有一个设计好的空间后倾角和侧偏角，由于这一空间后倾角和侧偏角的存在，当风轮侧偏调速时，尾翼逐渐翘起，翘起的尾翼在其重力的作用下企图恢复到原来位置，一旦风速减小，尾翼重力作用下的恢复力矩迫使尾翼回到原来位置，使风轮迎风。 2.2.3调速机构 因为现实生活中风速大小的不确定性，像沿海地区有时还会出现台风，针对这种现象我们就要有一个调速机构来限制风轮的转速，如果不做限制的话，风轮的速度就会同风速一直增加，而我们设计时所选取的材料是承受不了这么大力的，进而就会损坏风力发电机，导致整体瘫痪，正是因为这个原因，我们才需要设计一个调速机构，用来保证风力发电机能够稳定工作从

21、而有稳定的输出功率。 小型风力发电机常用的调速方法有三种：风轮侧偏调速法；桨叶侧偏调速法；空气制动调速法。 （1）风轮侧偏调速法 在工作状态下，风速增长至限制风速仍继续增长时，我们可以转动风轮，使风轮与风向产生一定夹角，降低迎风面积，以实现控制风速。如下图所示： 图4 风轮侧偏调速发示意图 （2）桨叶侧偏式调速法 桨叶侧偏式调速法就是当风速达到限定风速时，迫使桨叶绕叶柄转过一个角度，以改变桨叶的冲角，从而改变桨叶的升力与阻力，达到调速的目的。如下图所示： 图5桨叶侧偏式调速法 （3）空气制动调速法 空气制动调速法就是增大桨叶阻力从而达到调速的目的。 2.2.

22、4调向机构 调向机构对于设备整体来说具有很重要的作用，因为风的方向并不是一直稳定不变的，如果我们只是固定方向迎风的话，效率会变得非常的低，而加上调向机构效果会截然不同，就会大大增加风能的利用率，无论风是从哪个方向来的，它都会迅速做出调整，使风轮转动，然后带动风力发电机整体进行工作，所以说调向机构就像启动器一样至关重要。因此设置调向机构能够使风轮尽可能的捕获风能，进而提高风能的利用率。我们常常采用“尾翼调向”，小型风力发电机体质轻，这也是常用这种方式的原因之一。 2.2.5手刹车机构 手刹车机构是风力发电机中阻止风轮继续转动的装置。主要作用是在遇到大风天气或者设备出现故障时可以及时有效的停

23、止风轮运行，以避免其他意外发生。在一些小型的设备中，经常采用更为简单的方式达到这种效果，例如：在尾翼加装尼龙绳或钢丝绳，也可以加装绞轮装置，通过绳索牵引改变风轮位置。 2.2.6塔架 塔架是风力发电机中重要的元件之一，用来支撑整个风轮结构，使风轮维持一定的高度，并且在较高的风速环境下能够正常运行。因此，要合理的选择作为塔架的材料，要保证足够的硬度，不仅能够支撑风轮的重量，还要克服较大的空气阻力而不会出现弯曲或断裂的现象。 一般塔架大多数选择空心结构的铁材或钢材，通过焊接的方式做成立式结构，不仅可以保证足够的高度，而且硬度也基本满足要求，还能够节约成本。  3 小型风力发电机叶轮和发

24、电机装置的选择确定 3.1设计风速的确定 总的来说，能达到最大风能利用系数时所选取的风速，一般就为设计风速。现我国所选取的设计风速也称额定风速，一般是8m/s还有的是10m/s，因为国情的原因，选取好了设计风速，就能使发电机在额定风速下正常工作。如下表是内蒙古风速气象表，通过表中可以看出5-6m/s的风速出现的比重较多。 表1 内蒙古风速气象表 地区 数值 指标 风能密度 w/㎡ 全年积累小时数h 风速3-20m/s (约4-8级) 风速6-20m/s (约4-8级) 风速8-20m/s (约5-8级) 风能丰富区即东南沿海、岛屿、内蒙等地 >200 <60

25、00 >2200 >1000 风能较丰富区即丰富区向陆延展20-30km,青藏高原中部和北部等 >150 6000 1500 800 风能可利用区即两广沿海，大小兴安岭等地 50-150 2000-4000 500-1500 表2 内蒙古某地区气象站观测2004年平均风速表 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 风速m/s 4.6 5.3 5.8 5.8 5.6 4.9 4.9 4.7 4.8 5.5 5.2 5.3 表3 风力等级参照表 风级 名称 风速m/s K

26、m/h 陆地地面物像 海面波浪 浪高m 最高m 0 无风 0.0-0.2 <1 静，烟直上 平静 0.0 0.0 1 软风 0.3-1.5 1-5 烟示风向 微波峰无飞沫 0.1 0.1 2 轻风 1.6-3.3 6-11 感觉有风 小波峰未破碎 0.2 0.3 3 微风 3.4-5.4 12-19 景气展开 小波峰顶破裂 0.6 1.0 4 和风 5.5-7.9 20-28 吹起尘土 小浪白沫波峰 1.0 1.5 5 劲风 8.0-10.7 29-38 小树摇摆 中浪折沫波群 2.0 2.

27、5 6 强风 10.8-13.8 39-49 电线有声 大浪白沫离峰 3.0 4.0 7 疾风 13.9-17.1 50-61 步行困难 破峰白沫成条 4.0 5.5 8 大风 17.2-20.7 62-74 折毁树枝 浪长高有浪花 5.5 7.5 9 烈风 20.8-24.4 75-88 小损房屋 浪峰倒卷 7.0 10.0 10 狂风 24.5-28.4 89-102 拔起树木 海浪翻滚咆哮 9.0 12.5 11 暴风 28.5-32.6 103-117 损毁重大 波峰全程飞沫 11.5 16

28、.0 12 飓风 >32.6 >117 摧毁极大 海浪滔天 14.0 - 通过上表，我们为了让风的利用率提高，决定选择8m/s作为设计风速。 3.2 风轮外形的计算 3.2.1风能利用系数Cp 风能利用系数Cp的物理意义:风力发电机将风能转化成电能的转换效率。 贝兹在20世纪30年代创立了气动理论。在贝兹的理想化假设下得出了风力发电机的理论最大效率Cp=0.593。因为以上为理想化结论，可知风能利用效率是有一定限制的，所以现实中应该为Cp<0.593。 3.2.2风轮的扫掠面积确定 扫掠面积内的未扰动气流所含风能的百分比。可用下式表示： Cp=P/(1/2ρSV

29、) 公式（1） 式中：P—风力发电机实际获得的输出功率； ρ--空气密度 备注：标准状态下ρ=1.2928kg/m3，考虑到气温等因素本处计算取 ρ=1.2kg/m3 S—风轮的扫掠面积； V—风速。 此时，根据公式1，变形得到S=P/(1/2*ρ*V*Cp) 公式（2） 此时，因为暂取风速为 8m/s,（

30、在第三章，3.1节中确定的风速）风能利用系数CP在此暂取为 0.5. 综合以上所述，根据公式（2），计算出风轮的扫掠面积S。 S=P/(1/2*ρ*V*Cp) =2000/（1/2*1.2*512*0.5）=13.02㎡ 3.2.3风轮直径的确定 风力发电机的扫掠面积是指风轮旋转扫过的面积在垂直于风向的投影面积，是风力发电机截留风能的面积，称为风力机的扫掠面积，如下图所示，是一个典型三叶片水平轴风力机的扫掠面积示意图。 根据圆周面积S=πR² 公式（3） 风轮直径可由下列公式进行估算:

31、风叶长度R=2.03m(包含中间整流护罩),最后取整2m. 图6 典型三叶片水平轴风力机的扫掠面积示意图 3.2.4回转体水平轴向力的计算 从水平轴风力发电机的工作原理（第二章，第2.1节）我们知道，叶片受到风压产生的作用力，会传递给发电机，发电机在传递给回转体。所以，回转体承受水平轴向推力即是风压对叶片产生的压力。 先从风压的概念了解入手。风压就是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力，风压以单位面积上的风的动压来表示： W=1/2ρV2 =0.6V2 公式（4） 根据公式4，

32、可以得出风力发电机在轴向上受到的动压W： 单位平方米的动压W=38.4N/m² (在第三章，3.1节中确定了风速的大小) 结合扫掠面积S=13.02㎡（在第三章，3.2.2节中确定扫掠面积） 轴向压力公式F=W.S 得到轴向压力F=W.S=38.4X13.02=500N 另外，根据国家标准，把风力发电机组的风速分为5级，按年平均风速10 m/s、8.5 m/s、7.5 m/s、6 m/s四种风速和特殊设计风速一个（本处设为8m/s），我们再增加停机风速20 m/s和起动风速3 m/s共七个风速来计算单位面积（每平方米）的风功率与风压，计算所得数据填于下表。 此表可以对风压力进行大

33、致的估算，在今后设计工作中，能够大幅提高设计工作效率。 表4 风速、风功率、风压对照表 风速（m/s） 20 13 10 8.5 7.5 6 3 风压力（W/㎡） 240 110 60 43 34 22 5.4 风功率（N/㎡） 4800 1318 600 369 253 129 16.2 3.2.5 发电机的选择确定 风力发电机的发电功率计算有如下公式 P=0.5*A*ρ*Cp*V³ 公式（5） A--扇叶扫掠面积，前面计算得知A=13.02㎡

34、 ρ--空气密度，前面取定ρ=1.2kg/m3 V---风速，前面取定V=8m/s Cp---风能利用率。前面取定Cp=0.5 P发电机为输出功率 风能转换电能效率η， 根据表5，取η=35% 得知发电机最大功率P1=5.7KW 表5 风力发电机的效率表 风轮形式 全效率 阻力型垂直轴风力机（平板式） 不超过12% 阻力型垂直轴风力机（风杯式） 不超过7% 阻力型垂直轴风力机（S型） 不超过25% 升力型垂直轴风力机 15%-30% 多叶片风轮水平轴风力机 10%-30% 扭曲叶片风轮水平轴风力机1-10kw

35、 15%-35% 扭曲叶片风轮水平轴风力机10-100kw 30%-45% 扭曲叶片风轮水平轴风力机100kw以上 35%-50% 根据以上计算数据，现选择山东宁津晟成风电设备公司的3KW发电机可以满足该设计使用要求。该风力发电机主体结构为150Kg。该参数表中标定了风力发电机的运输毛重为199 Kg，考虑安全系数1.2，即对支撑塔架的正压力为2400N. 表6 山东宁津晟成风电设备公司3kw发电机各参数表 型号 FD4.0-3.0 叶片数量 3 额定功率 3kw 叶片材质 增强玻璃钢 最大功率 4.5kw 发电机型号 三相交流永磁 工作电压 DC38v

36、/AC220v 碳钢型号 钕铁硼N35SH 额定电压DC/v 48,96,120,240 额定电流A 62.5,31,25,12.5 启动风速m/s 3 发电机壳体 铸铁 额定风速m/s 10 控制器系统 电磁+偏航 安全风速m/s 40 工作温度 零下40~零下60度 主体净重Kg 150 设计寿命 20年 额定转速r/min 300 包装尺寸m 2.0*0.70*0.43 风轮直径m 4 运输毛重Kg 199 4 水平轴风力发电机回转体的设计与计算 4.1回转体结构设定 （1）根据第二章内容，发电机组的基本功能构成及工作

37、原理中，对回转体的理论介绍。（第二章，第2.2.2节，第四条）现对回转体结构做如下设定。 a.取定风轮的仰角为5°，决定了回转体电机回转轴与水平面呈+5°夹角。 b.取定风轮轴与回转体中心偏心距100mm。 c.取定尾翼后倾角为4° d.取定尾翼侧偏角为8° （2）经过前面的设计和计算中，已知如下基本条件；(3.2.4节和3.2.5节内容) 1）回转体受到的水平轴向力，即是叶片受到风力作用产生的正压力.F1=500N 2）根据发电机及配套部件，再加上安全系数，估算塔架承受重力为2400N.即是轴承需要承受的轴向力F2为2400N。 4.2 轴承的计算与选用 4.2.1轴承的功

38、能与作用 1）支承轴及其轴上的零件，并保持轴的旋转精度。 2）减少转轴与支承件间的摩擦和磨损。 3) 润滑油的作用：降低摩擦损耗、减少磨损、冷却、吸振、防锈等。 4.2.2 轴承的查表选用 根据机械设计手册可知，轴承寿命的计算公式如下，单位小时h 公式（6） 其中C—额定动载荷 P—当量动载荷 考虑各种环境因素，增加了轴承计算的设计系数，得到下方的公式。 表7 轴承计算各设计系数表 工作中冲击振动c 引进载荷系数f进行修正 载荷性质 无冲击或轻微冲击 中等冲击 强烈冲击 ƒp 1.0~1.8 1.2~1.

39、8 1.8~3.0 修正结果： 轴承寿命公式 寿命指数：ε=3---球轴承或ε=10/3---滚子轴承 用小时表示：Lh=106/60n（c/p）εh当t＞100℃是，→C↓引进温度系数ƒt进行修正。 表8 温度系数表 轴承工作温度℃ 100 125 150 200 250 300 温度系数 1 0.95 0.90 0.80 0.70 0.60 根据前面分析已知，轴承主要承受正压力F2和径向力F1。因角接触球轴承可同时承受径向载荷和轴向载荷。能够在较高的转速下工作。接触角越大，轴向承载能力则越高。在轴向力作用下，接触角会增大。本设计中轴衬

40、受到轴向力大约是径向力的5倍。 因此根据表9选用轴承类型为角接触球轴承。 表9 轴承类型表 轴承类型 简图 结构形式代号 标准编号 深沟球轴承 60000 GB/T 276 角接触轴承 7000C 7000AC 7000B GB/T 292 因为现有F2=2400N,F1=500N.即F2≈5F1. 轴承所承受的推力更大。 根据下图选择公称接触角范围为0<α<45˚的轴承，以承受轴向载荷为主。（重力） a=0° 0°

41、承 c.推力向心轴承 d.推力轴承 图7 各类轴承公称接触角示意图 当量动载荷的计算公式如下 P=X*Fr+Y*Fa 公式（7） X----径向动载荷系数 Y----轴向动载荷系数 Fa----轴向分力 Fr----径向分力 因为 Fa=F2=1500N；Fr=F1=500N；所以有Fa/Fr=4.8 根据表9可知，接触角取定40˚时，e=1.14.此时X=0.35 Y=0.57 表10 轴承各系数表 轴承类型 A/R>e A/R≦e

42、e X Y X Y 深沟球轴承 0.56 2.3 1.99 1.71 ...... 1 0 0.19 0.22 0.26 ...... 角接触轴承 a=15度 0.44 1.47 1.40 1.30 1 0 0.38 0.40 0.23 a=25度 0.41 0.87 1 0 0.68 a=40度 0.35 0.57 1 0 1.14 当量动载荷P= X Fr+Y Fa=0.35X500+0.57X2400=1543N 此时轴承选定为B系列 根据轴承的使用场合，选出轴承的使用寿命为4000~8000小时

43、即可。此时选定上限为5000小时。 表11 轴承预期使用寿命推荐值 使用条件 预期使用寿命L 不经常使用的仪器和设备 300--3000 短期或间断使用的机械，如手动机械、农业机械等 3000--8000 间断使用的机械，如发电站辅助设备、流水作业传送设备等 8000--12000 根据表7,选出轴承的载荷系数为fp=1.2 根据表8,选出轴承的温度系数为ft=1 设计中，风力发电机不会出现高频率的转动，假定最高转速为n=50r/min 滚子轴承寿命指数取为 ε=10/3 根据公式 公式（8） 可以

44、得出额定动载荷C=3206N=4.32KN 因此，只要轴承额定载荷C’≥计算处的理论动载荷C即可。 表12 单列角接触球轴承各尺寸及系数 基本尺寸 额定负荷 轴承代号 d D b Cr Cor 7000型 60 110 110 110 22 22 22 61.0 58.5 56.0 48.5 46.2 44.5 7212C 7212AC 7212B 70 125 125 125 24 24 24 70.2 69.2 70.2 60.0 57.5 57.2 7214C 7214AC 7214B 兼顾本设计

45、中，发电机的导线需要从回转体中穿过，这样设计能够保护电缆，增加其使用寿命。所以，我们选则使用中空的轴作为回转体支撑，这样轴衬的外形就会增大。 前面已经定义选用B系列轴承，此时按照表10中单列角接触球轴承的7214B选型。该轴承额定动载荷C0=70.2KN ,远远大于我们计算的额定当量动载荷4.32KN。完全满足使用需求。查表得知轴承的基本尺寸如下。 内径：60mm 外径：110mm 厚度22mm 此时，可得到回转体轴承安装孔的尺寸。 为使内部轴向力平衡，以免轴串动，我们增加使用另一个角接触球轴承，对称安装。具体选用型号为7214B，该轴承的尺寸通过查阅表得： 内径：70mm 外

46、径：125mm 厚度：24mm 轴承公差等级选用原则如下： a.在中等载荷、中等转速以及旋转精度要求不高的一般传动装置中可选用P0级 b.在转速较高和旋转精度要求较高的旋转机构中，可选用P6、P5 c.在高速、高精度的旋转机构中，可选用P4、P2级 综上所述，本例轴承选用中等精度等级即可，我们选取P6等级的精度。 根据前期的各种零部件的计算以及教科书中关于公差的配合知识，最后得出公差等级进行标准，并查出其对应值。 轴承组合的配合,配合类型为： (1)内圈孔--轴--基孔制--轴公差：k6、m6 (2)外圈--轴承孔座--基轴制--孔公差：H7、J7、Js7 游动支点：G7

47、 此时，回转体的基本结构和加工尺寸就确立了。 5 塔架 5.1塔架高度的确定 在大自然中，风其实就是大气中空气的流动，产生的原因就是大气压不平衡、不均匀，所以气体会由气压高的地方流向气压低的地方，类似于水的流动。 一般来说，大气平流层以下的范围内，高度越高空气流动速度越大，也就是说风速是不断地随着高度的增加而增大的。而塔架越高，风力发电机单位面积所能够利用的风能就越大，但随之的造价，技术方面上的要求以及安装的困难程度也会随之增加。所以，风力发电机的塔架并非越高越好，而要综合考虑技术与经济这两个因素。这样来说，塔架的高度实际上就被限制在一定的范围之内。塔架的最低高度为 Hmin=h+

48、C+R （公式9） 式中：h—接近风力机的障碍物高度；取h=20m C—由障碍物最高点到风轮扫掠面最低点的距离 （常取C=1.52.0m）； R—风轮半径，R=2m 由以上数据可得Hmin=20+2+2=24m， 取H=24m 5.2 塔架材料的确定 一般塔架大多数选择空心结构的铁材或钢材，现选用Q345B钢，空心结构，通过焊接的方式做成立式结构，不仅可以保证足够的高度，而且硬度也基本满足要求，还节约成本。  5.3 整体建模效果图 图8

49、 整体装配图  总 结 本设计以小型水平轴风力发电机组作为研究对象，对其设计、理论进行了一系列的研究及探讨。 首先对国内国外的风力发电行业的历史及风力发电行业的发展潜力做了详细的阐述，然后简单介绍了风力发电机的几个关键部件，对于风力发电机整机各部分进行设计了计算，对其中几个重要零件如风轮系统及传动系统、轴承等进行了方案选择，并进行了详细的计算说明。 最后通过计算机画图软件对其各部分零件进行了分析然后画图，完成了最终的设计，结束本次的课题研究。 参考文献 [1]丁元杰.风力发电机的原理与应用[M].机械工业出版社.2012. [2]刘万琨，张志英.风能

50、与风力发电技术[M].北京：化学工业出版社.2010. [3][日]牛山泉编著 刘薇.李岩译.风能技术[M].北京：科学出版社.2010. [4]王小利.机械设计手册[M].第三卷,第6章 常用滚动轴承的基本尺寸与数据.2011 [5]廖明夫.风力发电技术[M].北京：西北工业大学出版社.2010. [6]廖明夫.风力机设计、制造与运行[M].北京：西北工业大学出版社.2010. [7]郭克希，王建国，机械制图[M].北京：机械工业出版社.2013. [8]芮晓明,柳亦兵,马志勇，风力发电机组设计[M].机械工业出版社.2010.2 [9]GB/T 6391-2010

51、滚动轴承 额定动载荷和额定寿命[s].2010 [10]Keith,David W. The Influence of Large-Scale Wind Power on Global Climate. Proc. National Academy of Sciences,Washington D.C, Vol. 101. pp. 2013 [11]Joseph, E.S, Charles, R.M, Richard, G.B. (2010) Mechanical Engineering Design. 7 th Ed., United State of America. p.

52、[12]Hammons, T.J. (2012) Technology and Status of Developments in Harnessing the World’s Untapped Wind-Power Resources. Electricity Power Components and Systems. No.12, p. 32. 致 谢 在此首先我要感谢贾老师，感谢她在我做毕业设计时候悉心的辅导，教会我如何设计自己的课题，如何把自己的想法融入其中。 在此过程中，我遇到了许多困惑性问题，曾多次与老师进行交流，做过多次更改,让我将理论知识和实践作图相结合，将我在学校所学习的知识进行了综合的应用，让我深刻的懂得“学以致用”，在完成毕业设计的过程中，我从简单的思想构设到一点点出图，由零件图再到装配图，在此过程经常查阅相关书籍，与同学深刻讨论，最终将难题一一突破。 在毕业之际，我还要感谢我大学所有的任课老师，感谢他们的谆谆教导，感谢我们曾经一起深刻研讨的同学，希望通过本次毕业设计，能够提升一下我的自身能力，为踏入社会做好铺垫。祝愿所有毕业同学前程似锦，有个好的工作之路！