風(fēng)力液動機(jī)設(shè)計(jì)（機(jī)械類）畢業(yè)論文.doc

前言風(fēng)能利用已有數(shù)千年的歷史，在蒸汽機(jī)發(fā)明以前，風(fēng)帆和風(fēng)車是人類生產(chǎn)和生活的重要動力裝置。埃及被認(rèn)為可能是最先利用風(fēng)能的國家，約在幾千年以前，他們就開始用風(fēng)帆來幫助行船。波斯和中國也很早開始利用風(fēng)能，主要使用垂直軸風(fēng)車。從現(xiàn)在的能源角度來說，對風(fēng)能的利用更具有了時代意義。首先風(fēng)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(yán)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(dǎo)致了溫室效應(yīng)、酸雨等現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此自20世紀(jì)70年代末以來，隨著世界各國對環(huán)境保護(hù)、能源短缺及節(jié)能等問題的日益關(guān)注，認(rèn)為大規(guī)模利用風(fēng)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(fēng)完全不用進(jìn)口，是地道的自產(chǎn)能源，多加利用可減低對進(jìn)口石油、煤炭等化石能源的依賴，促進(jìn)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(jì)社會層面，風(fēng)力發(fā)電可制造工作機(jī)會，從零組件的生產(chǎn)、運(yùn)輸、組裝、維護(hù)等，皆為設(shè)置風(fēng)力發(fā)電機(jī)當(dāng)?shù)貛硐喈?dāng)?shù)木蜆I(yè)機(jī)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(fēng)力利用技術(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(jī)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)、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(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，發(fā)展了變漿距控制及失速控制的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論，采用了新型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論，采用了新型風(fēng)力機(jī)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(jī)，開發(fā)了由微機(jī)控制的單臺及多臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的機(jī)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3。因此，本文基于風(fēng)力機(jī)的無污染和資源豐富等各種優(yōu)點(diǎn)，通過對風(fēng)力液動機(jī)風(fēng)輪部分槳葉、槳葉軸、復(fù)位彈簧等以及主軸、回轉(zhuǎn)體的設(shè)計(jì)，并通過選擇對應(yīng)的增速器、液壓泵、液壓馬達(dá)等液動系統(tǒng)原件，以達(dá)到通過風(fēng)力液動機(jī)的將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為其他機(jī)械能的目的。21緒論本章重點(diǎn)在于對風(fēng)動機(jī)的基本特征進(jìn)行分析，研究風(fēng)能的特點(diǎn)及并對其產(chǎn)生進(jìn)行分析，研究對風(fēng)能利用的原理，進(jìn)一步說明對風(fēng)能利用的必要性，最后介紹世界風(fēng)動機(jī)發(fā)展的特點(diǎn)。1.1風(fēng)能的產(chǎn)生和特點(diǎn)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(fēng)。風(fēng)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(fēng)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(fēng)能。風(fēng)能的大小用風(fēng)功率密度來度量，它與風(fēng)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(fēng)能。根據(jù)荷蘭和美國對風(fēng)能資源的研究，考慮城鎮(zhèn)、森林、復(fù)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(fēng)能資源土地面積的4%推算，可利用的風(fēng)能資源儲量估計(jì)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(fēng)能資源，且平均風(fēng)速大、湍流小，僅歐盟國家沿岸的海上風(fēng)能資源估計(jì)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(jì)劃，則裝機(jī)容量可達(dá)12億kW。1.2風(fēng)動機(jī)對風(fēng)能的利用風(fēng)動機(jī)并不能將所有流經(jīng)的風(fēng)力能源轉(zhuǎn)換成電力，理論上最高轉(zhuǎn)換效率約為59%，實(shí)際上大多數(shù)的葉片轉(zhuǎn)換風(fēng)能效率約介于3050%之間，經(jīng)過機(jī)電設(shè)備轉(zhuǎn)換成電力能或其他機(jī)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(jī)械效率，現(xiàn)代風(fēng)動機(jī)多為水平軸式。并且采用后背式輪轂設(shè)計(jì)，這樣可以省去尾翼3。風(fēng)動機(jī)的機(jī)械能輸出與風(fēng)的速度非常有關(guān)，葉片能自風(fēng)獲得之能量與風(fēng)速的三次方成正比，一般市場上風(fēng)動機(jī)的啟動風(fēng)速約介于2.54m/s，于風(fēng)速1215m/s時達(dá)到額定的輸出容量，風(fēng)速更高時風(fēng)動機(jī)的控制機(jī)構(gòu)將電力輸出穩(wěn)定在額定容量左右，為避免過高的風(fēng)速損壞發(fā)電機(jī)，大多于風(fēng)速達(dá)2025m/s范圍內(nèi)停機(jī)。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(fēng)速外，葉輪直徑?jīng)Q定了可獲取風(fēng)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(fēng)動機(jī)為例，容量600kW的機(jī)組其葉輪直徑約45m左右，1000kW的機(jī)組葉輪直徑約55m左右，2000kW的機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出，一般而言多葉片的風(fēng)車效率較低但機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片多采用機(jī)翼型，以更有效的攝取風(fēng)能2。1.3世界風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)1）風(fēng)動機(jī)單機(jī)大型化風(fēng)動機(jī)單機(jī)容量不斷增加是風(fēng)電技術(shù)的顯著特點(diǎn)之一。商業(yè)風(fēng)動機(jī)平均單機(jī)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(shè)計(jì)理念也趨向統(tǒng)一。單機(jī)容量大，有利于降低每千瓦的制造成本；而且大型機(jī)組采用更高的塔架，有利于捕獲風(fēng)能，50m高度捕獲的風(fēng)能要比30m高度處多20%。目前，商業(yè)化機(jī)組的單機(jī)容量已達(dá)3.6MW。2）變速恒頻機(jī)組將成為主流機(jī)型目前，世界各地風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，絕大多數(shù)為恒速運(yùn)行機(jī)組。隨著控制技術(shù)的發(fā)展和變速恒頻機(jī)組的應(yīng)用，風(fēng)力機(jī)開始改恒速運(yùn)行為變速運(yùn)行，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，在低于額定風(fēng)俗的相當(dāng)大范圍內(nèi)保持最佳葉尖速比已獲得最大風(fēng)能。3）重量更輕、結(jié)構(gòu)更具柔性隨著風(fēng)動機(jī)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(qiáng)樹脂發(fā)展為強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的碳纖維。同時，針對風(fēng)動機(jī)的空氣動力環(huán)境，風(fēng)動機(jī)專用新翼型也得到廣泛應(yīng)用，大大改善葉片的氣動性能。4）海上風(fēng)力發(fā)電迅速發(fā)展由于海上風(fēng)力資源比陸地上好，風(fēng)速比沿岸路上約高25%，且海面粗糙度小，海上風(fēng)場湍流強(qiáng)度小，具有穩(wěn)定的主導(dǎo)風(fēng)向，減少機(jī)組疲勞載荷，延長使用壽命3。42風(fēng)力液動機(jī)風(fēng)輪的設(shè)計(jì)風(fēng)輪機(jī)是一種葉片式機(jī)械，風(fēng)輪機(jī)的槳葉與機(jī)翼類似，可用機(jī)翼升力理論描述。風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換有效性特性，用風(fēng)能高速特性曲線來描述，風(fēng)能利用系數(shù)相當(dāng)于風(fēng)輪機(jī)的效率，葉尖風(fēng)速比相當(dāng)于風(fēng)輪機(jī)的速比，是風(fēng)力機(jī)最重要的參數(shù)2。2.1基礎(chǔ)理論2.1.1風(fēng)場的風(fēng)速資料風(fēng)場的風(fēng)速資料是設(shè)計(jì)風(fēng)輪機(jī)最基本的資料。風(fēng)場的實(shí)際風(fēng)速是隨時間不斷變化的量，因此風(fēng)速一般用瞬時風(fēng)速和平均風(fēng)速來描述。瞬時風(fēng)速是短時間發(fā)生的實(shí)際風(fēng)速，也稱有效風(fēng)速，平均風(fēng)速是一段較長時間內(nèi)瞬時風(fēng)速的平均值3。表2-1蒲福風(fēng)力等級表Table2-1Bofuwindscale風(fēng)力等級名稱相當(dāng)于平地10m高處的風(fēng)速（m/s）陸上地物征象中文英文范圍中數(shù)0靜風(fēng)Calm0.00.20靜、煙直上1軟風(fēng)Lightair0.31.51煙能表示風(fēng)向，樹葉略有搖動2輕風(fēng)Lightbreeze1.63.32人面感覺有風(fēng)，樹葉有微響，旗子開