風力液動機設計（機械類）畢業(yè)論文.doc

前言風能利用已有數(shù)千年的歷史，在蒸汽機發(fā)明以前，風帆和風車是人類生產(chǎn)和生活的重要動力裝置。埃及被認為可能是最先利用風能的國家，約在幾千年以前，他們就開始用風帆來幫助行船。波斯和中國也很早開始利用風能，主要使用垂直軸風車。從現(xiàn)在的能源角度來說，對風能的利用更具有了時代意義。首先風能是一種干凈的、儲量極為豐富的可再生能源，它和存在于自然界的礦物燃料能源，如煤、石油、天然氣等不同，它不會隨著其本身的轉(zhuǎn)化和利用而減少，因此也可以說是一種取之不盡、用之不竭的能源；而煤、石油、天然氣等礦物燃料能源，其儲量將隨著利用時間的增長而日趨減少。礦物燃料在利用過程中會帶來嚴重的環(huán)境污染問題，如空氣中的CONOSOCOx、22等氣體的排放量的增長導致了溫室效應、酸雨等現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此自20世紀70年代末以來，隨著世界各國對環(huán)境保護、能源短缺及節(jié)能等問題的日益關(guān)注，認為大規(guī)模利用風力發(fā)電是減少空氣污染、減少有害氣體（2CO等）排放氣體的有效措施之一2。大自然的風完全不用進口，是地道的自產(chǎn)能源，多加利用可減低對進口石油、煤炭等化石能源的依賴，促進能源來源多元化，在國家安全上也有其戰(zhàn)略意義。在經(jīng)濟社會層面，風力發(fā)電可制造工作機會，從零組件的生產(chǎn)、運輸、組裝、維護等，皆為設置風力發(fā)電機當?shù)貛硐喈數(shù)木蜆I(yè)機會與新的產(chǎn)業(yè)。德國、丹麥、西班牙、英國、荷蘭、瑞典、印度加拿大等國在風力利用技術(shù)的研究與應用上投入了相當大的人力及資金，充分綜合利用空氣動力學、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力機設計理論，采用了新型風力機設計理論，采用了新型風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)，從而大大提高了風力發(fā)電的效率及可靠性3。因此，本文基于風力機的無污染和資源豐富等各種優(yōu)點，通過對風力液動機風輪部分槳葉、槳葉軸、復位彈簧等以及主軸、回轉(zhuǎn)體的設計，并通過選擇對應的增速器、液壓泵、液壓馬達等液動系統(tǒng)原件，以達到通過風力液動機的將風能轉(zhuǎn)化為其他機械能的目的。21緒論本章重點在于對風動機的基本特征進行分析，研究風能的特點及并對其產(chǎn)生進行分析，研究對風能利用的原理，進一步說明對風能利用的必要性，最后介紹世界風動機發(fā)展的特點。1.1風能的產(chǎn)生和特點由于太陽輻射造成地表面受熱不均引起大氣溫度、密度和壓力差別產(chǎn)生了風。風能是地球表面空氣從壓力高的地方向壓力低的地方移動時產(chǎn)生的動能，風能資源是經(jīng)過測在量和質(zhì)上可供人類開發(fā)利用的風能。風能的大小用風功率密度來度量，它與風速的立方和空氣密度成正比2。太陽輻射的能量在地球表面約有2%轉(zhuǎn)化為風能。根據(jù)荷蘭和美國對風能資源的研究，考慮城鎮(zhèn)、森林、復雜地形、交通困難的山區(qū)及社會環(huán)境的制約，如景觀和噪音影響等，取具有風能資源土地面積的4%推算，可利用的風能資源儲量估計約96億kW或18.7萬億kWh/a。另外，海岸線附近的淺海區(qū)域也有非常豐富的風能資源，且平均風速大、湍流小，僅歐盟國家沿岸的海上風能資源估計約3萬億kWh/a，比歐盟12國目前的年用電量2萬億kWh還大，如按年滿功率發(fā)電2500h計劃，則裝機容量可達12億kW。1.2風動機對風能的利用風動機并不能將所有流經(jīng)的風力能源轉(zhuǎn)換成電力，理論上最高轉(zhuǎn)換效率約為59%，實際上大多數(shù)的葉片轉(zhuǎn)換風能效率約介于3050%之間，經(jīng)過機電設備轉(zhuǎn)換成電力能或其他機械能后的總輸出效率則約介于2045%。鑒于水平軸式擁有較高機械效率，現(xiàn)代風動機多為水平軸式。并且采用后背式輪轂設計，這樣可以省去尾翼3。風動機的機械能輸出與風的速度非常有關(guān)，葉片能自風獲得之能量與風速的三次方成正比，一般市場上風動機的啟動風速約介于2.54m/s，于風速1215m/s時達到額定的輸出容量，風速更高時風動機的控制機構(gòu)將電力輸出穩(wěn)定在額定容量左右，為避免過高的風速損壞發(fā)電機，大多于風速達2025m/s范圍內(nèi)停機。一般采用旋角節(jié)制或失速節(jié)制方式來調(diào)節(jié)葉片之氣動性能及葉輪之輸出。除了風速外，葉輪直徑?jīng)Q定了可獲取風能的多少，約與葉輪直徑平方成正比，以目前商業(yè)化的中、大型風動機為例，容量600kW的機組其葉輪直徑約45m左右，1000kW的機組葉輪直徑約55m左右，2000kW的機組葉輪直徑則約75m左右，依型號各異。葉片的數(shù)量也影響風力發(fā)電機的輸出，一般而言多葉片的風車效率較低但機械力矩較高；少葉片型(13葉片)效率較高而力矩較低，其中又以2葉及3葉效率較高。此外，現(xiàn)代風力發(fā)電機的葉片多采用機翼型，以更有效的攝取風能2。1.3世界風電技術(shù)發(fā)展的特點1）風動機單機大型化風動機單機容量不斷增加是風電技術(shù)的顯著特點之一。商業(yè)風動機平均單機容量從1982年為55kw到2002年約為1100kw，20年增加了近20倍。隨著技術(shù)的逐漸成熟早年多樣化的設計理念也趨向統(tǒng)一。單機容量大，有利于降低每千瓦的制造成本；而且大型機組采用更高的塔架，有利于捕獲風能，50m高度捕獲的風能要比30m高度處多20%。目前，商業(yè)化機組的單機容量已達3.6MW。2）變速恒頻機組將成為主流機型目前，世界各地風電場的風力發(fā)電機組，絕大多數(shù)為恒速運行機組。隨著控制技術(shù)的發(fā)展和變速恒頻機組的應用，風力機開始改恒速運行為變速運行，風輪轉(zhuǎn)速隨風速變化，在低于額定風俗的相當大范圍內(nèi)保持最佳葉尖速比已獲得最大風能。3）重量更輕、結(jié)構(gòu)更具柔性隨著風動機葉片的增長，其單位功率的重量更輕、結(jié)構(gòu)更柔性。葉片材料由玻璃纖維增強樹脂發(fā)展為強度高、質(zhì)量輕的碳纖維。同時，針對風動機的空氣動力環(huán)境，風動機專用新翼型也得到廣泛應用，大大改善葉片的氣動性能。4）海上風力發(fā)電迅速發(fā)展由于海上風力資源比陸地上好，風速比沿岸路上約高25%，且海面粗糙度小，海上風場湍流強度小，具有穩(wěn)定的主導風向，減少機組疲勞載荷，延長使用壽命3。42風力液動機風輪的設計風輪機是一種葉片式機械，風輪機的槳葉與機翼類似，可用機翼升力理論描述。風輪機的風能轉(zhuǎn)換有效性特性，用風能高速特性曲線來描述，風能利用系數(shù)相當于風輪機的效率，葉尖風速比相當于風輪機的速比，是風力機最重要的參數(shù)2。2.1基礎(chǔ)理論2.1.1風場的風速資料風場的風速資料是設計風輪機最基本的資料。風場的實際風速是隨時間不斷變化的量，因此風速一般用瞬時風速和平均風速來描述。瞬時風速是短時間發(fā)生的實際風速，也稱有效風速，平均風速是一段較長時間內(nèi)瞬時風速的平均值3。表2-1蒲福風力等級表Table2-1Bofuwindscale風力等級名稱相當于平地10m高處的風速（m/s）陸上地物征象中文英文范圍中數(shù)0靜風Calm0.00.20靜、煙直上1軟風Lightair0.31.51煙能表示風向，樹葉略有搖動2輕風Lightbreeze1.63.32人面感覺有風，樹葉有微響，旗子開