5kw直驅式風力發電機畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 = PIIη1 = 105 ≈ 105W IV 軸 PIV = PIIIη2 = 105 = （ 3） 各軸的輸入轉矩 電動機軸的輸出轉矩 Td = 106 Pdnm= 106 ? mm 所以 I 軸 TI = Td η1 =955N? mm II 軸 TII = TIη2iI = 955 50 = 33425N? mm III 軸 TIII = TII = 33425N ?mm IV 軸 TIV = TIII η2iII = 1403850N ?mm 將上述計算結果匯總于下表，以備查用。 12 第三 章 風電機組零部件的設計 風力發電機組 是由三根葉片、一個輪轂、一個整流罩、一個發電機、一個焊接件以及裝在焊接件上的制動器、伺服電機 .還有偏航系統即減速箱和蝸輪蝸桿減速裝置、電器柜、驅動偏航系統的三相異步電動機、焊接件底端接在內法蘭上，內法蘭套上外法蘭，其中有推力球軸承用于承擔軸向載荷，深溝球軸承承擔徑向載荷，外法蘭安裝在塔架上。 葉片的設計及其形狀 直驅式風力發電機組葉槳 直驅式風力發電機組采用水平軸、三葉片、上風向、 變槳距調節、直接驅動、永磁同步發電機并網的總體設計方案，相對于傳統的異步電動機組其優點如下： （ 1） 由于傳動系統部件的減少，提高了風力發電機組的可靠性和可利用率； （ 2） 永磁發電技術及變速恒頻技術的采用提高了風力機組的效率； （ 3） 機械傳動部件的減少降低了風力發電機組的噪音； （ 4） 可靠性的提高降低了風力發電機組的運行維護成本； （ 5） 機械傳動部件的減少降低了機械損失，提高了整機效率； （ 6） 利用變速恒頻技術，可以進行無功補償； （ 7） 由于減少可部件數量，使整機的生產周期大大縮短。 直驅風力發電機組變槳特性敘述 直驅型風力發電機組為變槳距調節型風機，葉片在運行期間，它會在風速變化的時13 候繞其徑向軸轉動。因此，在整個風速范圍內可能具有 幾乎最佳的槳距角和較低的切入風速。在高風速的情況下，改變槳距角以減少功角，從而減小了在葉片上的氣動力。這樣就保證了葉輪輸出功率不超過發電機的額定功率。 對于變槳距調節后對的功率特性的影響等等問題，這里我們對機組葉片上的氣動性能進行分析，從而進一步的了解變槳后，對風力發電機組性能的影響。 葉片的結構是高端的曲面造型結構，葉片的掃掠面積應盡量做大，這樣就能捕捉到最大的風速，葉片在風力的作用下轉動，從而帶動發電機的轉子轉動，實現發電，葉片通過螺釘連接在發電機輪轂上，從而帶動輪轂一起轉動。 輪轂的設計及其形狀 輪轂 是發電機組頭艙的重要組成部分，輪轂是連接葉片的重要元件，輪轂是球形對稱元件，三根葉片呈 120176。安裝在輪轂上，輪轂也是連接發電機的中間過渡性元件，輪轂與發電機的連接是通過螺栓實現的。輪轂外面套有整流罩，以保護輪轂的正常運轉。輪轂是用 45鋼加工出來的。 輪轂的設計應注意以下因素： （ 1） 輪轂的大小應考慮到葉片的根部直徑， 5KW風力發電機的葉片根部直徑為 120mm，考慮到輪轂安裝葉片的孔徑是在球體上截出一個平面而成，所以輪轂的直徑既要能夠保證葉片裝在里面有足夠的空間，又要保證輪轂的大小與風機的整體尺寸相協調。所以經過勾股定理的計算以及各方面的綜合考慮能夠得到輪轂的理想直徑為 500mm，具體算法如下圖 （ 2） 14 （ 2） 15 整流罩的結構及其形狀 整流罩是裝在輪轂上的零件，其主要作用是固定輪轂和葉片的相對位置，使其不能發生相對轉動，整流罩通過葉片的圓弧曲面定位，整流罩的端面與發電機連接在一起，其連接是通過螺栓實現的，從而能夠將風能轉化為機械能，進而通過發電機轉化為電能，實現發電。 整流罩的設計應該考慮一下內容： （ 1） 整流罩的大小應保證輪轂能夠順利裝進其中； （ 2） 整流罩那上面的三個葉片孔，應該與輪轂上的三個葉片孔有很好的同軸度要求； （ 3） 整流罩的端面大小應該與電動機端面良好的接觸，并且大小適中，以便于螺栓連接； （ 4） 整流罩的整體尺寸應該圓滑過渡，外形應該便于機加工。 綜合考慮到以上注意事項，整流罩的三維建模可以以輪轂的外形曲面為標準，然后按照整流罩的厚度，偏置曲線，就能得到整流罩的外形輪廓。發電機的輸入軸的直徑為100mm，輸出軸為 ?150mm，輸入端面為 ?300mm，輸出端面為 ?400mm，所以整流罩的端面尺寸可以定為 ?300mm，整流罩上的三個葉片孔呈 120176。均布。具體形狀如下圖所示（ 2）： 16 （ 2） 底板的結構設計及其形狀 （焊接件） 焊接件 是連接風電機頭和偏航系統的橋梁，焊接件的材料是鑄鐵，通過焊接而成，其主要作用是前端連接發電機，并且在其上裝有制動器，以便發電機能夠隨時制動，發電機正常發電的時候，制動器不工作，只有在停止發電的時候踩制動，制動器的工作原理是通過伺服電機帶動制動鉗工作，而制動鉗則可以在伺服電機的作用下放開和壓緊，而發電機的輸出軸上裝有聯軸器，制動鉗通過限制聯軸器的 回轉，從而控制發電機的運轉，實現制動。 焊接件上同樣裝有偏航系統，偏航系統是由三相異步電動機和蝸桿減速箱以及二級蝸輪蝸桿減速裝置等主要零件構成，三相異步電動 機是動力裝置，它為偏航系統提供能源， 然后通過聯軸器將電機軸和減速器的輸入軸聯接起來，從而帶動減速器工作，實現一級減速，減速器的輸出軸與蝸桿相連，從而帶動蝸桿轉動，蝸桿與渦輪嚙合帶動渦輪轉動，而渦輪軸即內法蘭，通過法蘭的作用（具體工作情況詳見下章）帶動底板轉動，從而實現偏航，偏航的目的是為了使風力發電機捕捉到最大風速，對準最大風速，從而使得葉片以最大轉速轉動，進而以最大轉速帶動發電機發電，提高發電效率。 17 焊接件的前端與發電機相連，其尺寸是由發電機的 端面尺寸決定的，焊接件需要加加強筋，因為焊接件需要拖著風力發電機前端的輪轂和整流罩，所以必須加強強度，焊接件的整體長度和寬度則由上面的零部件確定，根據偏航系統的整體尺寸確定焊接件的長度為 800mm，寬度為 560mm，而偏航系統的安裝則通過焊接在底板上的零件進行固定。具體尺寸及其形狀詳見下圖（ 3）： （ 3） 法蘭組件的設計及其形狀 法蘭（ Flange）又叫法蘭盤或凸緣盤。法蘭是使 底板 與 塔架 相互連接的零件，連接于 塔架上端 。法蘭連接或法蘭接頭 ，是指由法蘭、墊片及螺栓三者相互連接作 為一組組合密封結構的可拆連接，用在設備上系指設備的進出口法蘭。法蘭上有孔眼，螺栓使兩法蘭緊連。法蘭間用襯墊密封。法蘭分螺紋連接（絲扣連接）法蘭和焊接法蘭和卡夾法蘭。法蘭的材質 是 WCB（碳鋼）、 LCB（低溫碳鋼）、 LC3（ %鎳鋼）、 WC5(%鉻 )，風18 力發電機的法蘭是由內法蘭和外法蘭組成，內法蘭同樣也是蝸輪軸，通過鍵與蝸輪連接在一起，蝸輪的軸向定位則通過內法蘭的軸肩來實現，上端用一個壓蓋壓住，防止齒輪發生竄動，蝸桿兩端通過軸承支座來支撐，軸承支座里面裝有角接觸球軸承，承擔徑向載荷和軸向載荷，軸承支座通過螺栓固定在底板上，從而實現蝸桿的定位，制動器則安裝在底板的桁架上，電器柜也是通過螺栓實現定位，減速箱與電動機的中心軸需要對齊，所以在電動機的底端需要焊上支座，以使兩軸正常連接，然后再通過聯軸器連接在一起，外法蘭與底板也是通過螺栓連接的，在內法蘭上裝有推力球 軸承，用于承擔軸向載荷，推力球軸承的軸向定位分別是內法蘭和外法蘭，在外法蘭上裝有深溝球軸承，深溝球軸承是傳遞運動的重要組成部分，它將動力元件傳到內法蘭上的運動轉移到外法蘭上，進而通過外法蘭傳遞給底板，底板實現運動后帶動整個機艙回轉，從而實現偏航，所以說整個焊接件可以說是偏航系統的重要環節，也是風力發電機的重要環節。其中蝸桿軸的示意圖如下圖所示（ 4）： （ 4） 由上圖得知，右端是安裝角接觸球軸承的，中間部分為蝸桿，左端對稱部分也是裝配軸承的，再通過鍵的連接，將其連接在蝸桿減速箱上。 內法蘭的三維模型如下圖所示（ 5）： 19 （ 5） 由上圖我們可以看出，內法蘭是連接蝸輪與塔架的中間過渡性元件，內法蘭通過 M16的螺栓與塔架連接在一起，上面則通過鍵與蝸輪相連，蝸輪的軸向則通過軸肩進行定位，在內法蘭的外端套有推力球軸承，推力球軸承通過外法蘭固定在內法蘭上，綜合來說，就是通過內外法蘭的配合來實現深溝球軸承和推力球軸承的定位。 而為難了節省材料，可以將內法蘭做成空心的，外法蘭則是連接底板和內法蘭的重要零件，外法蘭通過 M12的螺栓與底板相連，下端按在內法蘭的底盤上，外法蘭的三維模型如下圖所示（ 6） : 20 （ 6） 風力發電機組 總裝件的設計 通過 風力發電機組各零部件的設計，我們已經得到了總裝圖的總體情況，綜上所述可以知道風力發電機組是由葉片、輪轂、整流罩、發電機、焊接件、偏航系統、塔架等零部件組成。通過各零部件的裝配，可以得到總裝圖的三維模型如下圖所示（ 7）： 21 （ 7） 風力發電機組的整體設計，是基于風力發電機組的功率以及經濟性和可行性的基礎上完成的。具體零件校核詳見第三章。 22 第四 章 零件的校核 軸的校核 （ 1） 蝸桿軸的校核 初步確定軸的最小直徑，選取軸的材料為 45 鋼 ，調制處理。根據表 153，取A0 = 112， 于是得 dmin = A0 √P3n3= 112 √ = 輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯軸器處軸的直徑 dI。II， 如下圖所示， 為了使所選的軸的直徑 dI。II與聯軸器的孔徑相適應，故需同時選取聯軸器型號。 按照計算轉矩 Tca = KAT3,查表 143，考慮到轉矩變化很小，故取 KA=，則 ： Tca = KAT3 = = 計算轉矩 Tca應小于聯軸器公稱轉矩的條件，查標準 GB/T50142020 或手冊，選用HL4 型彈性聯軸器，其公稱轉矩為 。半聯軸器的孔徑 dI = 35mm，故取dI。II=35mm，半聯軸器長度 L=80mm。 軸的結構設計，擬定軸上零件的裝配方案，裝配方案在前面已經分析，兩端用軸承支座支撐，中間用蝸桿軸，左端連接聯軸器，并且接在蝸桿減速箱上。 根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 為了滿足半聯軸器的軸向定位要求， III 軸段需制出一軸肩，故取 IIIII 段的直徑dII。III = 40mm，左端用軸端擋圈定位，按軸端直徑取擋圈直徑 D=42mm。半聯軸器與軸配合的轂孔長度 L1 = 82mm， 為了保證軸端擋圈只壓在半聯軸器上而不壓在軸的端面上，故 III段的長度應比 L1略短一些，現取 lI。II=80mm。 （ 2） 初步選擇滾動軸承。因為軸承同時承受軸向載荷和徑向載荷，故選用角接觸球軸承。參照工作要求選取滾動軸承的內徑 d=40mm，由軸承產品目錄中初步選取 0 基本游隙組、標準精度的單列角接觸球軸承 7004AC，其尺寸為 d D T = 40 62 28mm，故 dII。III=40mm，而 lII。III=28mm。 右端 滾動軸承采用軸肩定位。由手冊上查得 7004AC 型軸承的定位高度 h=5mm，23 因 此，取 dIII。IV = 50mm。 軸向零件的周向定位，齒輪、半聯軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接。按 dIV。V有表查得平面截面 b h l = 20 14 80mm，鍵槽用鍵槽銑刀加工，同時為了保證齒輪與軸具有良好的配合有良好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為 H7h6；同樣，半聯軸器與軸的連接，選用平鍵為 16 10 70mm，半聯軸器與軸的配合為 的周向定位是由過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為 m6. （ 2） 確定軸上的圓角和倒角尺寸，參考表 152，取軸端倒角為 245176。，各軸肩的圓角半徑見圖 1526. （ 3） 求軸上的載荷，軸的受力示意圖如下圖所示： T1 = 106 ； Ft2 = Fa2 = 2Td = 23342590 N = Ft2 = Fa1 = 2T2d2= 21400000310 N = Fr1 = Fr2 = Ft2 tanα = tanαncosγ = 24 求解得 。Fr1v = Fr1H = Fr2v =