2KW家用垂直轴风力发电机的设计
58页 16000字数+论文说明书+任务书+14张CAD图纸【详情如下】
A0变向器装配图.dwg
A0小型风力发电机总装图.dwg
A0整体装配图.dwg
A3主动轴.dwg
A3从动轴.dwg
A3叶片.dwg
A3架子.dwg
A3轴.dwg
A3轴毂.dwg
任务书.doc
外文翻译--小型风力发电机入门.doc
小型风力发电机组动力结构设计开题报告.doc
所有图的综合-14张图纸.dwg
零件图6张.dwg
2KW家用垂直轴风力发电机的设计论文.doc
摘 要
能源危机是我们面对的最大挑战之一，风力发电是具有大规模发展潜力的可再生能源，在远期有可能成为世界重要的替代能源。尽管水平轴风力机是目前应用最广的一种风力发电机，但垂直轴风力机有着优越的性能，并越来越被人们所重视。垂直轴风力机具有比水平轴风力发电机更好的商业开发价值，应用领域十分宽广。
阐述了垂直轴风力机的发展历史及基本现状，从各方面比较了水平轴风力机以及垂直轴风力机，得出垂直轴风力机在各方面的优势，并介绍了达里厄风力机的改进型式。论证了垂直轴风力机的整体方案，确定了风力机固定攻角及可变攻角两种方案的运行方式。由于风力发电装置所需的发电机未形成标准和系列，无法选型，因此自主设计了50kW发电机。最后详细设计了垂直轴风力机的机械本体，确定了风力机各部分结构的最终数据，经校核验证垂直轴风力发电机的性能满足设计要求。
关键词：风能；垂直轴；风力发电机
ABSTRACT
The energy crisis is one of the biggest challenge that we have ever faced. Wind electric power generating, which is a reproducible resource that have large-scale development potential, will be an important alternative energy in the future. Although the horizontal axis wind turbine is used widely, the vertical axis wind turbine has attracted the notice of us because of the extraordinary performance of it. Having much more commercial value than the horizontal axis wind turbine, the vertical axis wind turbine can be used in many areas.
This issue introduces the basic situation and phylogeny of the vertical axis wind turbine, shows us the advantages in many aspects by comparing with the horizontal axis wind turbine, and introduces the improved version of the Darrieus. The design program of the vertical axis wind turbine has been demonstrated, and the running modes of fixed angle and variable angle are designed either. Since the power generator of the wind turbine can not be available because of no standards or series are formed, so one 50kW power generator is designed in special. All the mechanisms of the vertical axis wind turbine have been designed in detail, and all the dimensions of the components are chosen either. It can be proved that the vertical axis wind turbine can meet the demands perfectly after being checked.
Key words: wind energy; vertical axis; wind turbines
目 录
第1章 绪论 1
1.1 前言 1
1.2 世界及我国风力发电发展现状 1
1.3 国内外风力机研究现状 3
1.3.1 风力机的造型 3
1.3.2 水平轴风力机 3
1.3.3 垂直轴风力机 3
1.4 垂直轴达里厄型风力机 4
1.4.1 达里厄风力机的发展历史 5
1.4.2 达里厄风力机与水平轴螺旋桨风力机的比较 6
1.4.3 达里厄风力机的改进 7
1.5 设计选题目的及意义 8
1.6 设计的主要内容及具体要求 8
第2章 总体方案的论证设计 9
2.1 总体结构布局的初步确定 9
2.2 风力机运行方式的设计 9
2.2.1 固定攻角风力机的设计 10
2.2.2 可变攻角风力机的设计 11
2.3 本章小结 15
第3章 电机的设计 16
3.1 电磁设计的依据和任务 16
3.2 主要尺寸和极数的选择 16
3.2.1 主要尺寸的确定 16
3.2.2 极弧系数 与电磁负载 及 的选择 18
3.2.3 极数的选择 20
3.3 电枢设计 20
3.3.1 电枢绕组、槽数和槽型 20
3.3.2 换向器的主要尺寸与电刷的选择 22
3.4 磁路计算 23
3.4.1 直流电机的磁路与主极漏磁系数 23
3.4.2 气隙 24
3.4.3 电枢齿部 24
3.4.4 主极 24
3.4.5 定子轭部 25
3.5 电机轴的设计 26
3.6 本章小结 26
第4章 机械本体设计及校核 27
4.1 联轴器的选取 27
4.2 制动器的选取 27
4.3 支承轴及其附件的设计校核 28
4.3.1 支承轴最小直径的确定 28
4.3.2 支承轴的校核 29
4.3.3 支承轴上键的校核 32
4.3.4 深沟球轴承的校核 33
4.3.5 推力球轴承的的校核 34
4.4 旋转支撑筒的设计及校核 34
4.5 等速同向传递机构的设计及校核 35
4.5.1 轴的设计 35
4.5.2 齿轮的设计校核 40
4.5.3 轴承的选择 42
4.6 横杆的设计及校核 43
4.6.1 横杆部分数据的确定 43
4.6.2 下横杆的受力分析 44
4.7 横杆与法兰连接处螺栓的选取及校核 46
4.8 叶片与横杆连接处的设计校核 47
4.8.1 连接轴的设计校核 47
4.8.2 校核连接板的拉伸强度 48
4.8.3 轴承的选择及校核 48
4.9 本章小结 49
结论 50
参考文献 51
致谢 53
第1章 绪论
1.1 前言
稳定、可靠、清洁的能源供应是人类文明、经济发展和社会进步的保障。煤炭、石油、天然气等化石能源支持了19世纪和20世纪近200年人类文明的进步和发展。然而，化石燃料的大量消耗，不仅让人类面临资源枯竭的压力，同时也感觉到了环境恶化的威胁。2l世纪是科技、经济和社会快速发展的世纪，也将是从化石燃料时代向具有持续利用能力的可再生能源时代过渡，逐步开创一个人类摆脱化石燃料桎梏的能源新时代的世纪。
风能是可再生能源中发展最快的清洁能源，也是最具有大规模开发的商业化发展前景的可再生能源。积极发展可再生能源，对增加能源供应，调整能源结构，缓解环境污染，保障能源安全，促进经济发展，建设和谐社会都起到重要作用。风力发电是近期内技术成熟，在远期有可能成为世界重要的替代能源。据专家们的估计，地球上所收到的太阳辐射能大约有2%转换成风能，风力发电可以有效利用的风速范围为 ，最适宜的风速范围是 ，地球上蕴有风能约为2.74万亿kW，可利用的风能约为200亿kW，装机容量可达10TW，每年可发出电力 。地球上的风能资源是地球上水能资源的10倍，已经利用的不足千分之一[10]。在技术上全球风能资源是整个世界预期电力需求的2倍，也就是说，只要利用地球上50%的风能资源就能满足全球能源。
1.2 世界及我国风力发电发展现状
由于欧美国家风能资源丰富，工业技术水平高，这些国家在风力发电领域占绝对优势。目前世界上装机容量最大的国家是美国，其次是德国、丹麦、印度。它们的单机容量已达 。美国、德国、等许多国家都把风力发电视为最大的补充能源。目前世界最大的风力发电机是德国制造，高达120m，风机直径可达126m，每个叶片长61.5m，每片重18t，装机功率可达5MW[23]。预计到2050年风力发电要占上述国家全国发电量的 。专家预测，到2010年，全世界风力发电机组装机容量将突破1.2亿kW。
4.9 本章小结
本章设计并校核了主要机械本体结构。选取了联轴器及制动器，设计校核了支承轴及其附件，如轴承寿命、键的校核等，分析了横杆的受力以及横杆与法兰连接处螺栓的受力，设计并校核了叶片与横杆连接处轴及其附件，保证结构参数的合理性。
结 论
绪论中首先比较了水平轴及垂直轴风力机，从比较中可以得出：相对于传统的水平轴风力机，垂直轴风力机具有设计方法先进、力学性能好，结构简单，成本低，具有更加广阔的市场前景。
在之后的设计中，主要完成了以下几方面的工作：
1、进行了50kW垂直轴风力机整体结构的构思设计，并拟定了两种攻角方案，即固定攻角和可变攻角型式方案，固定攻角方案为传统型达里厄风力发电机，可变攻角方案为直叶片垂直轴风力机，叶片倾角的变化通过五杆机构获得。
2、按照进度安排，拟定直流发电机作为风力发电装置所用的电机并对其进行了初步的设计，确定了发电机主要结构参数。
3、最后对垂直轴风力机的机械本体进行了详细的设计及校核，确定最终各部件的详细尺寸，设计之中与Auto CAD及Autodesk Inventor作图软件相互配合，对风力机的结构进行了详细的二维图绘制，并绘制出风力机的三维效果图。
虽然查阅了大量的文献资料，并且结合实践经验进行了精确的理论分析，设计出的垂直轴风力机达到了设计的要求，但是仍有不足和需要完善的地方，具体如下：
1、相对于传统的达里厄风力机，设计的风力机仍没有舍弃风向舵，结构上仍比较复杂。
2、由于结构上的复杂，不可避免地增加了成本，经济性有所降低。
参考文献
[1] 杨恩霞.机械设计[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006.
[2] 郑文纬，吴克坚.机械原理[M].北京：高等教育出版社，1997.
[3] 机械设计手册编委会.机械设计手册新版第5卷[M].机械工业出版社，2004.
[4] 陆玉，何在洲.机械设计课程设计[M].北京：机械工业出版社，2005.
[5] 杨欣欣，许国玉.画法几何及工程制图[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000.
[6] 孙玉芹，孟兆新.机械精度设计基础[M].北京：科学出版社，2003.
[7] 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学（ ）[M].北京：高等教育出版社，2002.
[8] 沈鸿.电机工程手册第4卷[M].北京：机械工业出版社，1982：21-1，21-143.
[9] 周明横.离合器、制动器选用手册[M].北京：化学工业出版社，2003：309-310.
[10] 田海姣，王铁龙.垂直轴风力发电机发展概述[J].应用能源技术，2006，（11）：22-26.
[11] 严强，蒋超奇.垂直轴风力发电机的发展趋势和应用[J].上海电力,2007，（2）：166-167.
[12] 于红英，唐德威，王建宇.平面五杆机构运动学和动力学特性分析[J].哈尔滨工业大学学报，2007，39（6），940-943.
[13] 熊礼俭.风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护及标准规范实用手册[M].北京：中国科技文化出版社，2006.
[14] D.勒古里雷斯.风力机的理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1987.
[15] 郭新生.风能利用技术[M].北京：化学工业出版社，2007.
[16] Tony Burton.风能技术[M].北京：科学出版社，2007.
[17] 苏绍禹.风力发电机设计与运行维护[M].北京：中国电力出版社，2003.
[18] 张国銘.论兆瓦级垂直轴风力发电机的合理性[J].风力发电,2001，（4）：55-61.
[19] 赵继华.旋流式立轴风力机运行原理及特性[J].可再生能源,2002，（4）：32-33.
[20] 邓兴勇，陈云程.风力发电机叶轮的数值优化设计法[J].工程热物理学报，1999，20(1)：45-48.
[21] 张壬龙.对我国自行研制大型风力发电机组的一些看法[J].水里电力施工机械，1995，17（3）：9-12.
[22] 杨磊.浅析风力发电可持续发展[J].应用能源技术，2007，（9）：33-34.
[23] 李德孚.我国小型风力发电行业2006年发展概况及建议[J].可再生能源，2007，25（4）：2-5.
[24] D. P. Coiro，F. Nicolosi，A. De Marco，S. Melone, F. Montella. Dynamic Behavior of Novel Vertical Axis Tidal Current Turbine: Numerical and Experimental Investigations[J].International Offshore and Polar Engineering Conference，2005，（15）：469-476.
[25] 李学刚，黄永强，张淑卿.平面五杆机构连杆曲线规律[J].河北：河北理工大学学报，2007，29（3）：54-63.
[26] 欧贵宝，朱加铭，齐汝璠.材料力学[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1997.
致 谢
经过近四个月忙碌和工作，本次毕业设计终于完成，在设计中得到了导师的督促指导，以及一起学习生活的同学们的支持，所有的成果都离不开老师和同学们的帮助。
首先感谢我的导师杨副教授，从选题、开题答辩到CAD绘制装配图、零件图，完成说明书，期间每一过程都得到杨副教授的悉心指导，杨老师每周安排见面会，兢兢业业，身体力行地为我们排忧解难，不仅治学严谨而且为人师表，堪称良师益友，教给我们的不仅是知识还有待人处世的积极态度，在此再次表示衷心的感谢及崇高的敬意。
感谢大学四年来所有的老师，尤其机电学院所有的老师，为我们打下了坚实的机械专业知识的基础；同时还要感谢寝室及所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，此次毕业设计才会顺利完成。
最后再一次向在百忙之中抽时间对本设计进行审阅、评议及论文答辩的各位老师表示感谢，再一次向在我毕业设计期间所有做出无私帮助和支持的人表示最诚挚的谢意。