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風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計
高等教育自學(xué)考試
畢業(yè)設(shè)計（論文）
題目 風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計
專業(yè)班級 09級機電一體化工程
姓名
指導(dǎo)教師姓名、職稱 高級工程師
所屬助學(xué)單位
2011年 4月1 日
目 錄
1 緒論…………………………………………………………………………………1
1.1 風(fēng)力發(fā)電機簡介 ………………………………………………………………1
1.2 風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展史簡介 ……………………………………………………1
1.3 我國現(xiàn)階段風(fēng)電技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r ………………………………………………2
1.4 我國現(xiàn)階段風(fēng)電技術(shù)發(fā)展前景和未來發(fā)展 …………………………………2 2 風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………………3
2.1 單一風(fēng)力發(fā)電機組成…………………………………………………………3
2.2 葉片數(shù)目………………………………………………………………………3
2.3 機艙……………………………………………………………………………4
2.4 轉(zhuǎn)子葉片………………………………………………………………………5 3 風(fēng)力發(fā)電機的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)計算 ……………………………………5
3.1聯(lián)軸器的型號及主要參數(shù)………………………………………………………5
3.2 初步估計回轉(zhuǎn)體危險軸頸的大小……………………………………………5
3.3 葉片掃描半徑單元葉尖速比…………………………………………………6 4 風(fēng)輪槳葉的結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………………6
4.1槳葉軸復(fù)位斜板設(shè)計……………………………………………………………6
4.2托架的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………………………………6 5 風(fēng)力發(fā)電機的其他元件的設(shè)計 …………………………………………………6
5.1 剎車裝置的設(shè)計…………………………………………………………………6 6 風(fēng)力發(fā)電機在設(shè)計中的3個關(guān)鍵技術(shù)問題………………………………………7
6.1空氣動力學(xué)問題…………………………………………………………………7
6.2結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題…………………………………………………………………7
6.3控制技術(shù)問題……………………………………………………………………7 7 風(fēng)力發(fā)電機的分類…………………………………………………………………7 8 風(fēng)力發(fā)電機的選取標(biāo)準(zhǔn)……………………………………………………………8 9 風(fēng)力發(fā)電機對風(fēng)能以及其它的技術(shù)要求…………………………………………8
9.1風(fēng)力發(fā)電機對風(fēng)能技術(shù)要求……………………………………………………8
9.2風(fēng)力發(fā)電機建模的技術(shù)是暫態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)………………………………………9
9.3風(fēng)力電動機技術(shù)之間的能量轉(zhuǎn)換 ……………………………………………10 10 風(fēng)力發(fā)電機在現(xiàn)實中的使用范例 ………………………………………………10 結(jié)論……………………………………………………………………………………12 致謝……………………………………………………………………………………13 參考文獻………………………………………………………………………………14
摘 要
隨著世界工業(yè)化進程不斷加快，能源消耗不斷增加，全球工業(yè)有害物質(zhì)排放量與日俱增，造成了能源短缺和惡性疾病的多發(fā)，致使能源和環(huán)境成為當(dāng)今世界兩大問題。因此，風(fēng)力發(fā)電的研究顯得尤為重要。
我國風(fēng)電場內(nèi)無功補償?shù)姆绞绞窃陲L(fēng)電場匯集站內(nèi)裝設(shè)集中無功補償裝置，這造成風(fēng)電場無功補償?shù)耐顿Y很大。文章結(jié)合實例，通過對不同發(fā)電量下風(fēng)電場的無功損耗和電壓波動情況進行計算，提出利用風(fēng)力發(fā)電機的無功功率可基本實現(xiàn)風(fēng)電場的無功平衡，風(fēng)電場母線電壓的變化是無功補償設(shè)備選型的依據(jù)，對于發(fā)電量變化引起的母線電壓變化不超出電網(wǎng)要求的風(fēng)電場，應(yīng)利用風(fēng)力發(fā)電機的無功功率減小匯集站內(nèi)無功補償裝置的容量，降低無功補償?shù)耐顿Y。
關(guān)鍵詞： 風(fēng)力發(fā)電 、 風(fēng)電場 、 無功補償 、 電壓波動
Abstract
As the world industrialization is accelerating and energy consumption increases unceasingly, increasing global industrial harmful substances emissions, caused energy shortage and malignant disease, cause the energy and environment are two major problems in the world today. Therefore, wind power research is particularly important. Wind reactive power compensation in China within the way the wind farm is installed inside concentrated collection station reactive power compensation devices, which caused wind farm reactive compensation investment greatly. Combined with examples, through different under the wind capacity of reactive power loss and voltage fluctuation situation, this paper puts forward the calculation of reactive power wind generator can realize the basic reactive power balance, the wind of change is busbar voltage wind power.at the reactive power compensation according to the selection of equipment for generating capacity of busbar voltage changes caused by the fluctuation of wind power requirements do not exceed the wind generator, should use the reactive power decrease in collection station reactive power compensation devices, reduce the capacity of the reactive power compensation investment.
Keywords: wind power 、wind farm 、reactive compensation 、voltage fluctuation
風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計
1.緒 論
1.1風(fēng)力發(fā)電機簡介
自然界的風(fēng)是可以利用的資源，然而，我們現(xiàn)在還沒有很好的對它進行開發(fā)。這就向我們提出了一個課題：我們?nèi)绾伍_發(fā)利用風(fēng)能？
自然風(fēng)的速度和方向是隨機變化的，風(fēng)能具有不確定特點，如何使風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率穩(wěn)定，是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的一個重要課題。迄今為止，已提出了多種改善風(fēng)力品質(zhì)的方法，例如采用變轉(zhuǎn)速控制技術(shù)，可以利用風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動慣量平滑輸出功率。由于變轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電組采用的是電力電子裝置，當(dāng)它將電能輸出輸送給電網(wǎng)時，會產(chǎn)生變化的電力協(xié)波，并使功率因素惡化。
1.2 風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展史簡介
我國是最早使用風(fēng)帆船和風(fēng)車的國家之一，至少在3000年前的商代就出現(xiàn)了帆船，到唐代風(fēng)帆船已廣泛用于江河航運。最輝煌的風(fēng)帆時代是明代，14世紀(jì)初葉中國航海家鄭和七下西洋，龐大的風(fēng)帆船隊功不可沒。明代以后風(fēng)車得到了廣泛的應(yīng)用，我國沿海沿江的風(fēng)帆船和用風(fēng)力提水灌溉或制鹽的做法，一直延續(xù)到20世紀(jì)50年代，僅在江蘇沿海利用風(fēng)力提水的設(shè)備增達20萬臺
隨著蒸汽機的出現(xiàn)，以及煤、石油、天然氣的大規(guī)模開采和廉價電力的獲得，各種曾經(jīng)被廣泛使用的風(fēng)力機械，由于成本高、效率低、使用不方便等，無法與蒸汽機、內(nèi)燃機和電動機等相競爭，漸漸被淘汰。歐洲到中世紀(jì)才廣泛利用風(fēng)能，荷蘭人發(fā)展了水平軸風(fēng)車。18世紀(jì)荷蘭曾用近萬座風(fēng)車排水，在低洼的海灘上造出良田，成為著名的風(fēng)車之國。德國、丹麥、西班牙、英國、荷蘭、瑞典、印度加拿大等國在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用上投入了相當(dāng)大的人力及資金，充分綜合利用空氣動力學(xué)、新材料、新型電機、電力電子技術(shù)、計算機、自動控制及通信技術(shù)等方面的最新成果，開發(fā)建立了評估風(fēng)力資源的測量及計算機模擬系統(tǒng)，發(fā)展了變漿距控制及失速控制的風(fēng)力機設(shè)計理論，采用了新型風(fēng)力機設(shè)計理論，采用了新型風(fēng)力機葉片材料及葉片翼型，研制出了變極、變滑差、變速、恒頻及低速永磁等新型發(fā)電機，開發(fā)了由微機控制的單臺及多臺風(fēng)力發(fā)電機組成的機群的自動控制技術(shù)，從而大大提高了風(fēng)力發(fā)電的效率及可靠性。到了19世紀(jì)末，開始利用風(fēng)力發(fā)電，這在解決農(nóng)村電氣化方面顯示了重要的作用，特別是20世紀(jì)70年代以后，利用風(fēng)力發(fā)電更進入了一個蓬勃發(fā)展的階段。
1.3 我國現(xiàn)階段風(fēng)電技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r
中國現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)的開發(fā)利用起源于20世紀(jì)70年代初。經(jīng)過初期發(fā)展、單機分散研制、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化幾個階段的發(fā)展，無論在科學(xué)研究、設(shè)計制造，還是試驗、示范、應(yīng)用推廣等方面均有了長足的進步和很大的提高，并取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。
我國對風(fēng)電已有部分優(yōu)惠政策，包括以下幾個方面。
1．風(fēng)電配額: 制定出常規(guī)火電污染排放量分配比例，由全國所有省區(qū)共同分攤的政策。
2．風(fēng)電上網(wǎng)電價: 落實風(fēng)電高于火電的價差攤到全省的平均銷售電價中。制定出按常規(guī)水電污染排放量分配比例，由全國所有省區(qū)共同分攤的政策。按地區(qū)具體情況定出風(fēng)電最高上網(wǎng)電價的限制，并保持10年不變，促使業(yè)主充分利用資源，降低成本
3．售電增值稅:發(fā)電增加了新的稅源，建議參照小水電，核定風(fēng)電銷售環(huán)節(jié)增值稅率為6%。
4．銀行貸款: 為降低風(fēng)電電價，減輕還貸壓力，建議適當(dāng)延長風(fēng)電還貸期限，還貸期增至15年；為風(fēng)電項目提供貼息貸款。
5．鼓勵采用國產(chǎn)化風(fēng)電機: 為采用國產(chǎn)化風(fēng)電機的業(yè)主提供補貼和貼息貸款，補償開發(fā)商的風(fēng)險，幫助初期國產(chǎn)化機組進入市場，得到批量生產(chǎn)和改進產(chǎn)品的機會，以利降低成本。
風(fēng)力等級是根據(jù)風(fēng)對地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象，按風(fēng)力的強度等級來估計風(fēng)力的大小，國際上采用的是英國人蒲福（Francis Beaufort，1774~1859）于1805年所擬定的等級，故又稱蒲福風(fēng)級，他把靜風(fēng)到颶風(fēng)分為13級。
1.4我國現(xiàn)階段風(fēng)電技術(shù)發(fā)展前景和未來發(fā)展
風(fēng)能利用發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)問題風(fēng)能技術(shù)是一項涉及多個學(xué)科的綜合技術(shù)。而且，風(fēng)力機具有不同于通常機械系統(tǒng)的特性：動力源是具有很強隨機性和不連續(xù)性的自然風(fēng)，葉片經(jīng)常運行在失速工況，傳動系統(tǒng)的動力輸入異常不規(guī)則，疲勞負載高于通常旋轉(zhuǎn)機械幾十倍[7]。對于這樣的強隨機性的綜合系統(tǒng)。
2 風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1單一風(fēng)力發(fā)電機模型組成
圖2-1 風(fēng)力發(fā)電機模型電路圖
單一風(fēng)力發(fā)電機模型由兩個基本部分組成。降階雙渦輪慣性模型和驅(qū)使風(fēng)力的力矩.在本文中，我們假設(shè)發(fā)電機是一個標(biāo)準(zhǔn)的異步電機直接連接起來的網(wǎng)絡(luò)，這也是最常見的配置方法。其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。
2.2葉片數(shù)目
風(fēng)力發(fā)電機葉片的數(shù)目的確定可以根據(jù)以下公式來計算：
有效傳動比=實際渦輪轉(zhuǎn)速/額定渦輪轉(zhuǎn)速；電氣頻率基數(shù)；每個葉尖惰性體:每個葉片根部惰性+慣性+慣性渦輪軸傳動力/慣性力+發(fā)電機軸轉(zhuǎn)子的慣性力； 葉片剛度，葉片阻尼，氣動風(fēng)力矩.發(fā)電機電氣扭矩和葉尖角度通過齒輪傳動反映出發(fā)電機軸向角.計算這個角需要有葉片斷裂的慣性力和彈簧減振器的相關(guān)參數(shù)。如果葉片放置在不破裂的正確位置，然后得到的機械模態(tài)形狀就會正確了。 研究的突破點主要在一個刀片力學(xué)性能上，可以從有限元分析或試驗的葉片得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，這個關(guān)鍵的數(shù)據(jù)似乎發(fā)生在第二個節(jié)點彎曲的葉片上.在研究實例個案上，降階系統(tǒng)的靈敏度放置不當(dāng)?shù)耐黄泣c是很大的. 所幸的是， 最先進的葉片或制成品設(shè)施(如在國家可再生能源實驗室的設(shè)施)有所需的資料用以確定葉片的斷裂
點。電力工程師只需要這一信息請求便可輕易計算出典型制造的數(shù)據(jù).還可以計算出知識系統(tǒng)的第一型機械固有頻率的使用剛度。
哪里第一模型機械研究技術(shù)領(lǐng)先，其機械的固有頻率與系統(tǒng)連接到一起的幾率就大. 例如，在上一節(jié)系統(tǒng)的系統(tǒng)情況就是這樣.一般來說，制成品可以提供這樣的頻率范圍.它可以很容易的用制動脈沖對水輪機進行計算和分析.在大多數(shù)情況下葉片阻尼很小，并假定為零.在旋轉(zhuǎn)機中，衡量葉片的剛度是用彈簧剛度來計算的.主要衡量葉片的邊緣剛度.可以看出，計算剛度是依靠俯仰的角度的。這也僅限于從零度至10度的典型情況. 根據(jù)這一限制表明，差異很小的不同位置需要設(shè)置不同的點.這意味著，根據(jù)實驗的支持，這是水輪機模型很小敏感性變異系統(tǒng)的準(zhǔn)確的俯仰角. 假設(shè)一個理想的轉(zhuǎn)盤來進行風(fēng)力矩的計算.在葉尖部分反映出的實際速度，加上空氣密度的影響，通過清掃面積的葉片的磨合，計算出了機組的功率系數(shù). 不幸的是，這不是一個常數(shù). 然而，大多數(shù)渦輪制成品的特性反映出同一條曲線. 曲線表示，作為功能機組的葉尖速比. 葉尖速比的定義是自由風(fēng)速度比渦輪葉片的冰山速度. 風(fēng)力發(fā)電機模型結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。
圖2-2 風(fēng)力發(fā)電機模型結(jié)構(gòu)圖
2.3機艙
機艙包容著風(fēng)力發(fā)電機的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機。維護人員可以通過風(fēng)力發(fā)電機塔進入機艙。機艙左端是風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子，即轉(zhuǎn)子葉片及軸。
2.4轉(zhuǎn)子葉片：
轉(zhuǎn)子葉片的作用是捉獲風(fēng)，并將風(fēng)力傳送到轉(zhuǎn)子軸心�，F(xiàn)代600千瓦風(fēng)力發(fā)電機上，每個轉(zhuǎn)子葉片的測量長度大約為20米，而且被設(shè)計得很象飛機的機翼。軸心：轉(zhuǎn)子軸心附著在風(fēng)力發(fā)電機的低速軸上。低速軸：風(fēng)力發(fā)電機的低速軸將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起。在現(xiàn)代600千瓦風(fēng)力發(fā)電機上，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相當(dāng)慢，大約為19至30轉(zhuǎn)每分鐘。軸中有用于液壓系統(tǒng)的導(dǎo)管，來激發(fā)空氣動力閘的運行，齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉(zhuǎn)速提高至低速軸的50倍。高速軸及其機械閘：高速軸以1500轉(zhuǎn)每分鐘運轉(zhuǎn)，并驅(qū)動發(fā)電機。它裝備有緊急機械閘，用于空氣動力閘失效時，或風(fēng)力發(fā)電機被維修時。
發(fā)電機：通常被稱為感應(yīng)電機或異步發(fā)電機。在現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機上，最大電力輸出通常為500至1500千瓦。
偏航裝置：借助電動機轉(zhuǎn)動機艙，以使轉(zhuǎn)子正對著風(fēng)。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風(fēng)向標(biāo)來感覺風(fēng)向。圖中顯示了風(fēng)力發(fā)電機偏航。通常，在風(fēng)改變其方向時，風(fēng)力發(fā)電機一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。
電子控制器：包含一臺不斷監(jiān)控風(fēng)力發(fā)電機狀態(tài)的計算機，并控制偏航裝置。為防止任何故障（即齒輪箱或發(fā)電機的過熱），該控制器可以自動停止風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)動，并通過電話調(diào)制解調(diào)器來呼叫風(fēng)力發(fā)電機操作員。
液壓系統(tǒng)：用于重置風(fēng)力發(fā)電機的空氣動力閘。
冷卻元件：包含一個風(fēng)扇，用于冷卻發(fā)電機。此外，它包含一個油冷卻元件，用于冷卻齒輪箱內(nèi)的油。一些風(fēng)力發(fā)電機具有水冷發(fā)電機。
塔：風(fēng)力發(fā)電機塔載有機艙及轉(zhuǎn)子。通常高的塔具有優(yōu)勢，因為離地面越高，風(fēng)速越大�，F(xiàn)代600千瓦風(fēng)汽輪機的塔高為40至60米。它可以為管狀的塔，也可以是格子狀的塔。管狀的塔對于維修人員更為安全，因為他們可以通過內(nèi)部的梯子到達塔頂。格狀的塔的優(yōu)點在于它比較便宜。
3風(fēng)力發(fā)電機的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)計算
3.1 聯(lián)軸器的型號及主要參數(shù)
由于主軸末端軸頸為80mm，選擇HL6型彈性柱銷聯(lián)軸器，其主要參數(shù)為 9C體積小、重量輕。相同條件下，比普通漸開線圓柱齒輪的重量輕1/2以上，1/2到1/3。傳動效率高。適應(yīng)性強，傳動功率范圍大。
3.2 初步估計回轉(zhuǎn)體危險軸頸的大小
1．回轉(zhuǎn)體， 由于回轉(zhuǎn)體位于整體裝置的重心偏后200mm處，所以槳葉、槳葉軸、圓盤、增速器和托架對回轉(zhuǎn)體會產(chǎn)生正向彎矩，發(fā)電機對回轉(zhuǎn)體產(chǎn)生負向彎矩�；剞D(zhuǎn)體由：回轉(zhuǎn)軸底盤、加強鈑金、回轉(zhuǎn)軸軸承軸肩、回轉(zhuǎn)軸推力軸承軸段、回轉(zhuǎn)軸危險軸段、滑動軸承注油口、回轉(zhuǎn)軸軸向定位段、安裝滑環(huán)軸段、軸向定位螺母、軸向定位擋板、回轉(zhuǎn)體上聯(lián)接板、銅套、無縫鋼管、推力軸承等部分組成[7]。 ,其中回轉(zhuǎn)軸的左右擺動問題通過滑動軸承來解決它能很好的解決由于頂部重心偏向前而引起對軸的彎矩，加強了回轉(zhuǎn)軸的抗彎強度。
回轉(zhuǎn)軸擋板可以在安裝過程中防止回轉(zhuǎn)軸脫落下滑，回轉(zhuǎn)軸中心鉆出 的通孔此處為發(fā)電機輸電線路。因回轉(zhuǎn)軸固定在塔架上當(dāng)風(fēng)向改變對風(fēng)時套筒上方連接
的所有部件隨著套筒一起轉(zhuǎn)動銅套與套筒為過盈配合，銅套與回轉(zhuǎn)軸之間用潤滑油潤滑所以輸電線路不會纏到一起。
3.3 葉片掃描半徑單元葉尖速比
我們的研究已表明，可以假設(shè)固定情況下極高的風(fēng)力條件下進行暫態(tài)穩(wěn)定研究. 這是因為典型的變異葉尖速比下一個10秒的瞬態(tài)葉尖比小。假定風(fēng)并沒有顯著的改變模擬時間， 實際上，渦輪軸的扭矩實際上是一個調(diào)制版。 調(diào)制是眾所周知的，而且主要是考慮由于大樓遮蔽和力學(xué)失衡的作用，在專業(yè)人員和模式上才能出現(xiàn)典型的調(diào)制頻率(注: 1人，是一種模式，每一個渦輪葉片).我們不把這些效應(yīng)考慮在內(nèi)，我們假定扭矩引起的暫時性故障比調(diào)制扭矩的多. 許多其他研究者已進行了這個假設(shè)。今后的研究將側(cè)重于檢驗這一假設(shè)。 在一般情況下，雙渦輪慣性模型在這里是一個相對穩(wěn)健的模式，涵蓋了許多汽輪機運行條件。 所有模型參數(shù)相對恒定，缺少敏感性的俯仰角度。
4風(fēng)輪槳葉的結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.1槳葉軸復(fù)位斜板
水平軸風(fēng)力機的風(fēng)輪一般由1～3個葉片組成（本設(shè)計中取6片槳葉），它是風(fēng)力機從風(fēng)中吸收能量的部件。葉片采用實心木質(zhì)葉片。這種葉片是用優(yōu)質(zhì)木材精心加工而成，其表面可以蒙上一層玻璃鋼[9]。
在本設(shè)計中槳葉材料選用落葉松作為內(nèi)部骨架，槳葉軸從左至右安裝零部件分別為：槳葉軸復(fù)位斜板、槳葉軸支撐軸承座、軸套、光軸、軸向固定螺母、墊片、加強鈑金、槳葉夾槽。
4.2 托架的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計
托架是放置輪盤、主軸、增速器、發(fā)電機以及回轉(zhuǎn)體、滑環(huán)和剎車裝置等附件的。它分兩層上層為支撐輪盤、主軸、增速器、剎車裝置和發(fā)電機。下托板與回轉(zhuǎn)體上端面聯(lián)接，中間放置滑環(huán)和滑輪組件。 滑輪組件是把剎車裝置的鋼絲繩纏繞在滑輪上改變其方向令鋼絲繩與托板不能接觸。
5 風(fēng)力發(fā)電機的其他元件的設(shè)計
5.1 剎車裝置的設(shè)計
由于機械維修以及意外情況的發(fā)生需要對風(fēng)輪機進行剎車，所我們在增速器高速軸側(cè)加裝一輪轂并在輪轂外安置剎車裝置通過拉拽鋼絲繩帶動剎車帶使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降低直至停止。剎車帶的復(fù)位由彈簧套筒內(nèi)的彈簧來保證停止剎車后剎車皮與輪轂不在接觸。
滑環(huán)是在一絕緣圓筒外壁鑲嵌三到四個圓環(huán)并相應(yīng)放置電刷電刷的另一端連接發(fā)電機的輸出電線電纜，在絕緣圓筒內(nèi)引線一直通到地面的變電所。
6風(fēng)力發(fā)電機在設(shè)計中的3個關(guān)鍵技術(shù)問題
6.1空氣動力學(xué)問題
空氣動力設(shè)計是風(fēng)力機設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)，它主要涉及下列問題:一是風(fēng)場湍流模型，早期風(fēng)力機設(shè)計采用簡化風(fēng)場模型，對風(fēng)力機疲勞載荷和極端載荷的確定具有重要意義；另一是動態(tài)氣動模型。再一是新系列翼型。
6.2結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題
準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析是風(fēng)力機向更大、更柔和結(jié)構(gòu)更優(yōu)方向發(fā)展的關(guān)鍵。
6．3控制技術(shù)問題
風(fēng)力機組的控制系統(tǒng)是一個綜合性的控制系統(tǒng)。隨著風(fēng)力機組由恒速定漿距
運行發(fā)展到變速變漿距運行，控制系統(tǒng)除了對機組進行并網(wǎng)、脫網(wǎng)和調(diào)向控制外，還要對機組進行轉(zhuǎn)速和功率的控制，以保證機組安全和跟蹤最佳運行功率2.5。 在橫向力R的作用下底板鏈接接合面可能產(chǎn)生滑移，根據(jù)底板接合面不滑移條件，并考慮軸向力F∑對預(yù)緊力的影響，則各螺栓所需要的預(yù)緊力為:查得聯(lián)結(jié)接合面間的摩擦系數(shù)f=0.35，查得螺栓的相對連接剛度系數(shù) =0.2，取可靠性系數(shù) =1.2 ,則各螺栓所需要的預(yù)緊力為f*1.2*0.2。螺栓所受的總拉力──六片槳葉、槳葉軸與圓盤整體自重作用在主軸上的力N 。彈性柱銷聯(lián)軸器制造容易，耐久性好，安裝維護方便，傳遞轉(zhuǎn)矩大。為防止脫銷，柱銷兩端用螺栓固定了擋板。適用于軸向位移大，正、反轉(zhuǎn)或啟動頻繁傳動，因此選用彈性柱銷聯(lián)軸器。
7風(fēng)力發(fā)電機類型
根據(jù)定槳矩失速型風(fēng)機和變速恒頻變槳矩風(fēng)機的特點,國內(nèi)目前發(fā)電機一般分為二類:
1．異步型
（1）籠型異步發(fā)電機；功率為600/125kW 750kW 800kW 12500kW
定子向電網(wǎng)輸送不同功率的50Hz交流電;
（2）繞線式雙饋異步發(fā)電機；功率為1500kW
定子向電網(wǎng)輸送50Hz交流電，轉(zhuǎn)子由變頻器控制，向電網(wǎng)間接輸送 有功或無功功率。
2．同步型
（1）永磁同步發(fā)電機；功率為750kW 1200kW 1500kW 由永磁體產(chǎn)生磁場,定子輸出經(jīng)全功率整流逆變后向電網(wǎng)輸送50Hz交流電
（2）電勵磁同步發(fā)電機;由外接到轉(zhuǎn)子上的直流電流產(chǎn)生磁場,定子輸出經(jīng)全功率整流逆變后向電網(wǎng)輸送50Hz交流電
根據(jù)葉片形式的不同，現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機分為以下兩類：
1．水平軸
世界上目前利用最多的形式，功率最大5MW左右。
2．垂直軸
21世紀(jì)初由中國、日本、歐洲幾乎同時發(fā)明的一種新型風(fēng)力發(fā)電機，有別于最早的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機（達里厄型），效率高于水平軸風(fēng)力發(fā)電機，無噪音和轉(zhuǎn)向機構(gòu)，維護簡單。已成為歐美市場中小型風(fēng)力發(fā)電機的首選。世界上目前最大功率是由上海模斯電子設(shè)備有限公司（MUCE）生產(chǎn)的50千瓦垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，日本最大功率30千瓦，英美國家生產(chǎn)的功率在1千瓦到10千瓦之間。
最近，國內(nèi)外多家公司提出了建造超大型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的計劃（10MW），此項計劃得到落實后，由于成本遠低于目前的風(fēng)力發(fā)電機，必將逐步取代水平軸風(fēng)力發(fā)電機，成為世界新能源的主力軍！
8風(fēng)力發(fā)電機的選取標(biāo)準(zhǔn)
1．根據(jù)機械
負載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對發(fā)電機的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇發(fā)電機的類型。
2．根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩、速度變化范圍和啟動頻繁程度的要求
考慮發(fā)電機的溫升限制、過載能力和啟動轉(zhuǎn)矩，選擇發(fā)電機的功率，并確定冷卻通風(fēng)方式、所選電動機的功率應(yīng)留有余量，負荷率一般取0.8 ，0.9。
3．根據(jù)使用場所的環(huán)境條件，
如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護方式，選擇發(fā)電的結(jié)構(gòu)形式。
4．根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)對功率因數(shù)的要求
確定發(fā)電的電壓等級和類型。
5．根據(jù)生產(chǎn)進行的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程性能的要求
以及進行減速機構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇發(fā)電機的額定功率
9風(fēng)力發(fā)電機對風(fēng)能以及其它的技術(shù)要求
9.1風(fēng)力發(fā)電機對風(fēng)能技術(shù)要求
大家對風(fēng)能的發(fā)展展現(xiàn)出了濃厚的興趣。伴隨著使用風(fēng)力發(fā)電機的熱潮，現(xiàn)在需要對電力動態(tài)系統(tǒng)， 電力傳輸規(guī)劃的設(shè)計評估。本文的第一個目的是提出一個準(zhǔn)確的低階動態(tài)模型的風(fēng)力發(fā)電機組，它是 符合現(xiàn)代機電暫態(tài)模擬計算機程式的。 本文中，開發(fā)的模式著重于水平軸的風(fēng)力發(fā)電機， 或風(fēng)力機直接連到同步
網(wǎng)時采用異步發(fā)電機。 這其中還包含許多現(xiàn)代大型發(fā)電系統(tǒng)。 由于大型風(fēng)力裝置的構(gòu)建是由許多個風(fēng)力發(fā)電機組成的，風(fēng)力發(fā)電場的建模是一個迫切的需求。因此， 本文的第二個目的是提供一種方法，它結(jié)合數(shù)個風(fēng)力發(fā)電機連接到一個電網(wǎng)上，然后通過一個共同模式整合成一個單一的等效模型。 風(fēng)力發(fā)電機主要分為定速或變速。以最小單位，渦輪驅(qū)動的感應(yīng)發(fā)電機為例，它是直接連接到電網(wǎng)上的。 渦輪轉(zhuǎn)速變化很小，那是由于陡坡的發(fā)電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的特性所制； 因此， 它被稱為定速系統(tǒng). 還有變速裝置，發(fā)電機連接到電網(wǎng)利用電力電子變換的技術(shù)使渦輪速度受到控制，以最大限度地表現(xiàn)出來(例如，電力的控制) 。 這兩種方法在風(fēng)力工業(yè)均非常普遍。
在本文中， 我們將目光集中在建模定速裝置和等效模擬幾個固定轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電集成園。第一種典型的風(fēng)力機械頻率是在0至10赫茲范圍； 這也是各種機電振蕩的頻率。 因此，這涉及到機械振動的風(fēng)力互動學(xué)與機電動力學(xué)。 這方面的例子參見本文。 因此，為了構(gòu)建一個精確的模型，風(fēng)力發(fā)電機可用于暫態(tài)穩(wěn)定的研究。 第一種渦輪機械動力學(xué)必須能準(zhǔn)確的代表模型。這里的風(fēng)力發(fā)電機模型建出了導(dǎo)電模型，減少了一個詳細的650階有限元模型的一個典型的橫向軸。 氣動力和機械動力的減少與非線性四階雙渦輪慣性模型相結(jié)合生成了一個標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電機模型. 模擬計算表明了模型的精確性。幾個風(fēng)力發(fā)電機連接到傳輸系統(tǒng)上通過一個單一的模型建模，因為每個渦輪暫態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)都過于繁瑣， 我們的目的是整和風(fēng)力發(fā)電園成為相當(dāng)于風(fēng)力發(fā)電機模型的極小系統(tǒng)。我們對等價建模的風(fēng)園涉及到把所有渦輪以同樣的機械固有頻率整和成單一當(dāng)量的渦輪機。模擬結(jié)果表明，這種方法能夠提供準(zhǔn)確的結(jié)果。
9.2風(fēng)力發(fā)電機建模的技術(shù)是暫態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)
模擬結(jié)果表明，固定頻率的風(fēng)力發(fā)電機組主要集中在以下兩個主要方法。第一種方式是把汽輪機和發(fā)電機轉(zhuǎn)子作為一個單一的慣性體從而忽略系統(tǒng)的機械固有頻率。 第二種方式是把渦輪葉片和樞紐之一的慣性體接上發(fā)電機加上一個彈簧 。 在所有這些論文中，彈簧剛度的計算是從系統(tǒng)的主要部分中提取的。我們的研究顯示，較第一型機械頻率來說第二型才是至關(guān)重要的一個精確的模型. 有限元分析表明，第一類動力的變化主要是因為靈活的渦輪葉片不夠精確。 根據(jù)建模方法的算法，我們得知的主要事實是，小而靈活的機械部件是渦輪上的刀片。 結(jié)果集中表明了幾個風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)和降階風(fēng)園模型的類型和與類型相結(jié)合的方法。這些模型中的大部分都采用動量理論來計算氣動力。我們對發(fā)展渦輪動力的一個降階模型為出發(fā)點，把所有機械和氣動渦輪機動態(tài)效果以高度詳細的用機電射程的形式表示出來。 在這個還原過程中，是以消費者的角度來分析渦輪軸驅(qū)動發(fā)電機的。目的是為了準(zhǔn)確反映軸轉(zhuǎn)速和扭矩特性與最小模型的秩序和復(fù)雜性。 數(shù)值調(diào)查表明，機械氣動和機械效應(yīng)的一個例子所展現(xiàn)的測試系統(tǒng)實現(xiàn)了有限元建模環(huán)境。該系統(tǒng)是一種新興的橫向風(fēng)軸機床，包括三個31.7米葉片，葉片的一套點俯仰角度為2.6 ， 一個82.5米的主軸，它們的額定功率為18.2 - RPM和
1.5兆瓦，在15米/秒的風(fēng)速條件下. 汽輪機是透過一個簡單的異步發(fā)電機模型直接連接到60赫茲的機械。 它還利用ADAMS有限元軟件(來自機械動力學(xué) 公司) ，加上毫微克(即由國家可再生能源實驗室)軟件進行模擬。 這兩個軟件一起被稱為亞當(dāng)斯. 所有參數(shù)測試系統(tǒng)的模型研制出一個現(xiàn)實的大型機器。 整個系統(tǒng)包含325個自由度，包括非常詳細地模擬動力和外部作用力。 由于機械設(shè)計中的大多數(shù)水平軸風(fēng)力渦輪機極為相似， 結(jié)果使該方法的適用面廣。 研究者在用亞
當(dāng)斯/分數(shù)制進行了研究以后，還廣泛接觸了以一個制動脈沖對該系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)的研究方法。為了模仿長達0.1毫米的三相短路，發(fā)電機軸對電路的混亂反應(yīng)進行了分析。 系統(tǒng)的反應(yīng)是一個阻尼振蕩的過程。 詳細的擬態(tài)分析表明，系統(tǒng)的振蕩是由于外層部分的葉片振動對兩者的內(nèi)在部位的葉片的作用。這樣的結(jié)果是很典型的.現(xiàn)代風(fēng)力渦輪葉片非常大，有彈性，而且往往顫動。1表明，它主要包含4 Hz分量。這也是典型的大型渦輪機， 它通常有第一型機械自然頻率在0至10赫茲范圍內(nèi)。因為這個范圍也是典型的機電振蕩頻率范圍， 這還是風(fēng)力渦輪機的關(guān)鍵頻率范圍。而研究者會傾向于研究機電振蕩的頻率。 模態(tài)的第一振蕩模式會產(chǎn)生一系列的主導(dǎo)反應(yīng)。一個典型的系統(tǒng)，內(nèi)部慣性主導(dǎo)地位取決于葉根和發(fā)電機的慣性量.許多研究者都推斷整個渦輪機和發(fā)電機成為一個單一的惰性體從而忽略第一機械型動態(tài)系統(tǒng)的作用。別人都認同第一動態(tài)模式，但不認同模式葉片彈性模式.相反，這些作者都假設(shè)葉片是一個慣性體而把模型渦輪軸作為一個彈簧體. 但是，在一個典型的系統(tǒng)中，軸上的刀片相比其他元件來說靈活得多. 我們的研究表明，第一機械模式的葉片可以與豎軸作為一個剛體. 我們的研究還表明，正確建模是研究力學(xué)的關(guān)鍵，以獲取準(zhǔn)確的瞬態(tài)仿真結(jié)果.
9.3風(fēng)力電動機技術(shù)之間的能量轉(zhuǎn)換
因為主要組成部分能量是短暫的，那是由于汽輪機的慣性能量的影響， 而且失速型風(fēng)力渦輪機可準(zhǔn)確模擬這種方式. 乙發(fā)電機模型中的標(biāo)準(zhǔn)做法是行之有效的建模發(fā)生器.標(biāo)準(zhǔn)而詳細的兩軸感應(yīng)機模型是用來代表異步發(fā)電機的.由此方程可知，凡是暫態(tài)開路的時間常數(shù)，滑移速度，都是同步的電抗，還是暫態(tài)電抗.而且并在D軸和q軸定子電壓中， 并在D軸和Q軸的每單位定子電流中. 轉(zhuǎn)矩的計算是從定子電流的計算中得到的，是通過發(fā)電機模型參數(shù)計算出的相關(guān)參數(shù)。
風(fēng)園造型中的風(fēng)園分為幾個風(fēng)力發(fā)電機連接到傳輸系統(tǒng)中整和為一個單一的系統(tǒng).這需要建模，因為每個渦輪暫態(tài)穩(wěn)定，可過于繁瑣.我們的目標(biāo)是整和風(fēng)園成為一套最起碼的等效模型.等價建模風(fēng)園涉及到把所有渦輪以同樣的機械固有頻率成一個單一相當(dāng)于渦輪機的系統(tǒng). 每個這些等效的渦輪然后連接到異步發(fā)電機上.甲相當(dāng)于水輪機模型的前提，我們的做法是: 因為輪機都離不開一個共同的系統(tǒng)，每個渦輪也受到了同樣的干擾力矩. 因此，渦輪機的性能相似于震蕩階段.因此渦輪可合并為一個平行的機械組合.模態(tài)分析風(fēng)力公園系統(tǒng)支持這個假說。 考慮要予以合并的渦輪相同的自然頻率機械，那么等于渦輪建模方程中，彈簧和阻尼條件汽輪機分別是慣性體。渦輪得到的風(fēng)力矩是利用，并迫使水輪機具有相同輸出功率為渦輪的總和，是機組的功率系數(shù)為渦輪機. 乙相當(dāng)于發(fā)電機模型用異步發(fā)電機參數(shù)的納加權(quán)平均法來進行計算.用此方法，相當(dāng)于機床參數(shù)和計算，以加權(quán)平均納每一科的異步電機等效 H/c。
10 風(fēng)力發(fā)電機在現(xiàn)實中的使用范例
在風(fēng)速12米/秒的情況下進行的測試.該系統(tǒng)還設(shè)有四個同步發(fā)電機. 每個同步發(fā)電機配備了調(diào)速器和勵磁系統(tǒng).瞬態(tài)標(biāo)準(zhǔn)模型是隨著勵磁和調(diào)速用于同步發(fā)電機的模型.下列所有模擬執(zhí)行了修改版的電力系統(tǒng)測試. 電力系統(tǒng)的工具箱作了修改以允許模擬風(fēng)力發(fā)電機的情況.8風(fēng)力發(fā)電機組顯示出的兩個混亂的組成造型. 在系統(tǒng)15日之后開放路線的循環(huán)故障. 研究者分析的雙渦輪慣性反應(yīng)表明兩種模式的振蕩:一塊4.5赫茲模式和一個2.0赫茲的模式. 4.5 -赫茲模式，是機械方式的汽輪機和2.0赫茲模式是機電模式的汽輪機. 類似的分析中的一個
慣性反應(yīng)表明只有一個模式，在240赫茲范圍內(nèi).它是一種機電模式.由于失誤， 單一慣性系統(tǒng)圖在第一搖擺區(qū)間出現(xiàn)了振蕩反應(yīng).電力工程師可能會得出不同的結(jié)論，不同的瞬態(tài)系統(tǒng)和小信號穩(wěn)定性能的系統(tǒng). 一個慣性反應(yīng)表明，一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，以較低的首擺動偏差和高振蕩阻尼這樣的形式運動會更穩(wěn)定.如其他的例子證明的情況下，單一的慣性反應(yīng)，發(fā)生在穩(wěn)定和更精確的雙慣性反應(yīng)之間時是不穩(wěn)定的.這個例子表明了等效風(fēng)園的等效建模方法.兩個慣性與一個慣性渦輪響應(yīng). 實際運動的系統(tǒng)，以從17日至16日為例子.21個風(fēng)力發(fā)電機每接到一個系統(tǒng)里后，17日就通過一項簡短的輸電線路整和成一個系統(tǒng). 所有風(fēng)力發(fā)電機是相同的雙慣性系統(tǒng).通過建模兩例進行比較，首宗案件是一個具體的模型，每個風(fēng)力發(fā)電機在該風(fēng)園都是仿制的個體； 這實際上形成了126階模式的風(fēng)園.今年在頭前7個風(fēng)力發(fā)電機驅(qū)動下，風(fēng)速14米/秒，并通過一條長1公里的配電線路接到系統(tǒng)17路. 第二組七個所帶動的風(fēng)速為11米/秒，并通過 2公里的配電線路接連到系統(tǒng)17日.對第二個例子，風(fēng)園是仿制單一相當(dāng)于風(fēng)力發(fā)電機的使用方法中的第五節(jié)( 6階模型)顯示出了風(fēng)園實際運行能力.從3中可以看出，等效模型非常準(zhǔn)確地代表了詳細的一個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng).其它仿真案件也證明這是正確的做法.我們比較兩個慣性降階汽輪機的響應(yīng).根據(jù)有限元模型，慣性模式的每種模式，然后連接到通過一個感應(yīng)發(fā)電機.響應(yīng)的有限元模型是列圖.1. 5慣性模式再現(xiàn)了每個葉片邊緣和瓣彈簧減震器； 在代表低速軸彈簧剛度特性中和氣動模型采用渦輪力理論.慣性模式也包含了離心力，重力和科里奧利效應(yīng).推導(dǎo)的五個型號慣性載荷如第三節(jié)敘述的水輪機性能.它直接透過1.68兆瓦的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)連接到60赫茲.兩個慣性降階模型整和成一個6階模型，而有限元模型大約有650階 ，而五年慣性模式是18秩序.可以看出，兩個慣性降階模型密切配合的高度詳細的有限元及五慣性模式.在這個例子中， 我們展示靈敏度的雙氣輪機模式而選擇的葉片斷裂點.6. 相同的模型中50%的突破點位葉片彈簧為中心的葉片半徑上.在例子1 .這種反應(yīng)是比較了43%斷點和56%的突破點. 百分比顯示的位置，從沿葉片半徑樞紐葉片彈簧放置的位置中，反應(yīng)的分歧也相當(dāng)大，值得仔細挑選的是葉片斷裂點。
我國雖然是利用風(fēng)力進行發(fā)電的最早的國家之一，但在其應(yīng)用技術(shù)以及應(yīng)用范圍上的發(fā)展卻不容樂觀。從現(xiàn)在開始，大力開展風(fēng)力發(fā)電事業(yè)，我國未來的風(fēng)力發(fā)電的前景是很有希望的，雖然國外的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已比較成熟，但我們應(yīng)大力開展自主研發(fā)。
本文根據(jù)我國現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電的基本理論，對風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪，主軸，回轉(zhuǎn)體和剎車裝置的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計.根據(jù)實際工況要求和相關(guān)的設(shè)計參數(shù)對所設(shè)計的結(jié)構(gòu)中的重要元件進行了校和.其中，風(fēng)輪是重點進行設(shè)計的元件.風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)包括槳葉，槳葉軸，圓盤及其上面的其他元件。通過對風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使它基本實現(xiàn)了風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。這就使自然風(fēng)為我們?nèi)祟愃?本文所設(shè)計的裝置基本能保證五千瓦的功率輸出，但設(shè)計過程中也會因為考慮的不全面而使功率損失掉一部分，這些還需要進一步進行研究。
通過此次長達幾個月時間的畢業(yè)設(shè)計，讓我大學(xué)最后的生活充實而充滿挑戰(zhàn)性，其中很多問題是在次前沒有遇到過的，當(dāng)我解決不了的時候，第一想到的是我們的老師，而他總是很耐心的給我們講解，所以在這里首先要感謝的是老師，他本身教學(xué)任務(wù)繁重，還要指導(dǎo)我們的畢業(yè)設(shè)計，有時候連一個基本的中午休息時間都沒有，對此我們感激不盡，相信即使大學(xué)畢業(yè)了也不會忘記他曾經(jīng)給予的幫助；第二還要感謝同學(xué)，有的時候問題很棘手，我就會找同學(xué)討論，感謝他們在這中間給予的幫助
大學(xué)生活即將結(jié)束，通過這次設(shè)計又將大學(xué)里所學(xué)的知識統(tǒng)統(tǒng)拿出來用了一遍，用知識去解決問題，我想即使以后走入社會也不懼任何困難。
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