小型垂直轴风力发电测试平台

东华理工大学长江学院毕业设计 摘要

毕

业

设计

题 目：小型垂直轴风力发电测试平台

英文题目：small vertical axis wind turbine test platform

学生姓名： 申请学位门类 学 号： 专 业：机械电子工程 系 别：机械电子 指导教师： 职称：

二

013年

5月 31日

摘 要

东华理工大学长江学院毕业设计 摘要

随着工业化进度不断加快，煤、石油等不可再生能源逐渐枯竭，利用风能是解决能源问题的重要途径之一。在水平轴与垂直轴两种风力发电机中，垂直轴风力发电机的旋转轴与地面垂直，360度方向上都可受风，因而不需要对风机构，同时具有占地面积小、外形美观、噪音小等优点。但是目前垂直轴风力机的研制存在基础理论不够完善的问题，例如结构参数对风机性能的影响，至今都无法给出较为明确的参数关系，更无法给出较为完善的数学模型。

本课题拟设计一种小功率H型垂直轴风力发电机平台，通过该平台可研究不同风轮高度、不同风轮直径、不同叶片数对风机发电效能的影响，而且可以测试评估风轮在达到额度工作状态下的性能。本设计提出了一种结构方案，并进行了详细的结构设计，对关键零部件进行了受力校核，并以Solidworks为平台创建了该测试平台的虚拟样机，为一次性样机试制成功奠定了基础。 关键字：风能； 垂直轴； H型； 可调； 三维建模

东华理工大学长江学院毕业设计 ABSTRACT

ABSTRACT

As the accelerating industrialization progress, not renewable energy sources such as coal, oil depletion, the use of wind energy is one important way to solve the energy problem. Two wind turbines on the horizontal axis and the vertical axis, perpendicular to the rotation axis and the ground of the vertical axis wind turbine, 360 degrees direction can be affected by wind, so there is no need to wind institutions, also has small footprint, beautiful appearance, low noise advantages.But the current development of vertical axis wind turbine there is inadequacy of basic theories problem, such as the influence of structural parameters on the performance of wind turbine, has been unable to give a more specific parameters, not give a perfect mathematical model. This project intends to design a low power h-type vertical axis wind generator platform, through this platform you can study the different height of the wind wheel, different wind wheel diameter, the different effects of blade number on wind turbine power generation efficiency, limit is reached and tests to assess the wind wheel operating position. This design presents a structured programme, and carried out a detailed structural design, to force check the key parts, and Solidworks as a platform to create virtual prototypes of the test platform, provides the basis for successful one-off prototype.

Key words：wind energy source； vertical axis； h-adjustable； three-dimensiona

东华理工大学长江学院毕业设计 目录

目 录

绪论................................................................ 1

1.1 国内风力发电机组的发展概况................................. 1 1.2 国外风力发电的发展状况..................................... 3 1.3 选题的研究背景............................................. 3 1.4 选题的目的意义............................................. 4 2 风力发电机测试平台结构总体设计................................... 5

2.1 风力发电机分类............................................. 5

2.1.1 水平轴风力发电机..................................... 5 2.1.2 垂直轴风力发电机..................................... 5 2.1.3 阻力型风力发电机..................................... 6 2.1.4 升力型风力发电机..................................... 7 2.2 风力发电机结构组成......................................... 7

2.2.1 塔架设计............................................. 8 2.2.2 传动轴的设计......................................... 8 2.2.3 轴承的选取........................................... 8 2.2.4 电动机的选取......................................... 8 2.2.5 主轴的设计........................................... 9 2.3 测试平台结构框架........................................... 9 3 测试平台的计算以及结构设计...................................... 11

3.1 风力发电机功率系数........................................ 11 3.2 力矩系数.................................................. 12 3.3 叶尖速度比................................................ 12 3.4 H轴风力发电机组测试平台结构 .............................. 13 3.5 支持翼的设计与计算........................................ 14 3.6 锥齿轮的设计.............................................. 15 4 测试平台三维建模................................................ 18

4.1 塔架...................................................... 18 4.2 齿轮套.................................................... 18 4.3 传动轴.................................................... 19 4.4 主轴...................................................... 20 4.5 轮毂...................................................... 21 4.6 支持翼.................................................... 22

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4.7 装配图.................................................... 23 结论............................................................... 24 致谢............................................................... 25 参考文献........................................................... 26

东华理工大学长江学院毕业设计 绪论

绪论

1.1 国内风力发电机组的发展概况

作为一个发展中的国家，工业的发现需要大量燃料作为发展的能源，当今社会，我国又在进一步向工业大国迈进，超强度的对燃料的使用造成了资源威胁、生态恶化、环境污染、气候变化等等一系列问题，一系列能源争执的问题此起披伏，最终引发了国际之间的能源矛盾，并且越演越烈。面对如此严重的事实问题，我国正在积极利用科学技术来发展新型能源，新型能源和可再生能源具有分布均匀，无污染，可持续利用等特点，风力发电在将来势必会替代当前的化石燃料等资源。中国是风资源相对丰富的国家，并且在全球风电发展中相对较快的国家之一。

如图1.1

图1.1

《中华人民共和国可再生能源法》已于2006年1月1日起施行。“十一五”期间，我国风电产业发展引人瞩目，已成为新能源的领跑者，并具有一定国际影响力。在国家的大力支持下，经过科研机构、风电企业等各方的共同努力，我国在风能资源评估、风电机组整机及零部件设计制造、检测认证、风电场开发及运营、风电场并网等方面都具备了一定的基础，初步形成了完整的风电产业链。在海上风电开发领域，初步解决了海上运输、安装和施工等关键技术，开始积累海上风电场运营经验。在人才培养上，初步形成了一定规模的风电专业人才队伍，风电学科建设也已经起步。

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（一） 风电设备产业化情况

在“十一五”科学技术计划的引领下，国内科研机构、企业通过消化吸收引进技术、委托设计、与国外联合设计和自主研发等方式，掌握了1.5MW～3.0MW风电机组的产业化技术。目前，国产1.5MW～2.0MW风电机组是国内市场的主流机型，并有少量出口；2.5MW和3.0MW风电机组已有小批量应用；3.6MW、5.0MW风电机组已有样机；6.0MW等更大容量的风电机组正在研制。国内叶片、齿轮箱、发电机等部件的制造能力已接近国际先进水平，满足主流机型的配套需求，并开始出口；轴承、变流器和控制系统的研发也取得重大进步，开始供应国内市场。

截至2010年底，我国具备兆瓦级风电机组批量生产能力的企业超过20家。2010年新增装机容量前五名的风电整机制造企业当年市场份额占全国的70%以上。我国有四家企业2010年新增装机容量进入全球前十名。

（二） 风电场建设及资源开发情况

《中华人民共和国可再生能源法》及一系列配套政策的实施，促进了国内风电开发快速增长。2010年，我国风电新增装机容量1890万千瓦，居世界第一位。截至2010年底，我国具备大型风电场建设能力的开发商超过20家，共已建成风电场800多个，风电总装机容量（除台湾省未统计外）4470万千瓦，超过美国，居世界第一位。

“十一五”期间，我国已启动海上风电开发，首个海上项目上海东海大桥风电场安装34台国产3.0MW风电机组，并于2010年6月全部实现并网发电；2010年9月，国家能源局组织完成了首轮海上风电特许权项目招标，项目总容量100万千瓦，位于江苏近海和潮间带地区。

（三） 风电科学技术及公共服务发展情况

“十一五”期间，我国在大型风电机组整机及关键零部件设计、叶片翼型设计等风电关键科学技术领域获得了一批拥有自主知识产权的成果，打破了国外对风电科学技术的垄断。在海上风电开发领域，我国自主研究开发了一系列海上风电场设计、施工技术，研制了一批专用的海上风电施工机械装备。 风电产业的飞速发展也促进了风电行业公共服务体系建设。“十一五”期间，我国建立了一批风能领域相关的国家重点实验室和国家工程技术研究中心，并参考国际惯例初步建立了风电标准、检测和认证体系，为我国风电发展提供了技术支撑和保障。

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东华理工大学长江学院毕业设计 绪论

（四） 风电人才队伍及学科建设情况

“十一五”期间，我国风电产业的发展推动了风电人才队伍及学科的建设。目前，我国已拥有一批风资源勘测分析、风电机组整机及零部件设计制造、风电场设计、建设及运行维护、风电并网等风电行业各领域的专业人才，形成了风电全产业链的熟练技术人员队伍，并吸引了大量国外优秀的风电人才加盟。在学科建设方面，我国已初步建立了风能与动力工程专业，并开始培养专门化人才。

1.2 国外风力发电的发展状况

外国风力发电在现如今也在迅速发展，这种变化在欧洲特别显著，英国国家在伦敦西北威尔斯的卡诺附近建立了全欧洲最大的风力风力发电站，之所以被成为最大的风力发电站，是因为该站配备50多台风力发电机，每台发电机的耗资都是最大的，发出的电力可供将近2.5万的居民使用。与此同时，亚洲东部的日本也不甘示弱，在青森县建造了一座大型风力发电站，该站配有5台功率在275kw的风力发电机，主要是每台机器有3个之间能够为28cm的叶片为其提供能量，由于此地风力强盛，叶片的转速也很大，再加上本身采用了玻璃纤维强化塑料为其加固，保障了发电机的工作环境，为本国制造了充足的电力。在美国的西雅图，轻型高效的风力发电机诞生，这种发电机的直径只有不足26.5cm，质量也是其它发电机的三分之一，更甚的是，此发电机只有2个叶片，叶片的设计采用了万向接头式结构，运动起来就像是直升机的机翼在螺旋上升一样，协调的转动使风力达到均衡，就像是叶片一直绕中心来回摆动一样。

当今，迫于全世界能源短缺的现状，各国都在追求风力发电的方面的创新，英国、日本、美国、马来西亚、、等等国家一直在开发、引进先进的机械设备，更新转换着设备，来制造更有效的风力发电设备，从而为本国带来更大的风力资源，提高经济实力和国际的竞争力。

1.3 选题的研究背景

我国是能源结构存在相对的不完善，煤炭、石油、天然气为主要的能源供应物，但这些能源都是污染较重的能源，燃烧会释放出二氧化碳和一氧化碳，释放物又恰恰是环境污染的重要杀手。因此，面对如此的威胁和挑战，调整能源结构就显得更为重要，是现阶段我国迫在眉睫的任务，从1991年开始，我国试图研究核电的发展，先后建立的1991年的秦山核电站和1995年的大亚湾核电站，为能源短缺提供了帮助，但危险也是此起披伏的，核的泄漏、爆炸等严重制约着我们对此的有效利用，针对这种现象，我们要做的就是在最短的时间内去开发，去

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东华理工大学长江学院毕业设计 绪论

制造新的能源来代替就能源，因此，风能就成了相对可以代替的新能源。从总体的方面考虑，风力发电是一个较为简单又比较成熟的新兴能源，在全世界，好多地方和国家都在研究和利用风力发电，更甚的是，像丹麦这些沿海且地势较高的国家甚至把风力作为发电主要方式。我国也在努力的研究进步着，近年来，风力发电事业也像雨后春笋那样，迅速并茁壮的成长着。

依据我国的地理位置和气候条件，气象专家也进行了大概的估测，我国风能资源的蕴含是十分丰富的，像内蒙古的大草原，开阔的地势和西北季风的深入，使得内蒙古成为风力发电站的主要基地，还有东南沿海地区，东北季风和西北季风的交替控制，风力强盛也成为了风力发电的重要建设基地。据不完全统计，截止2010年我国风能安装建设总量已达到4473万kw，已经甩掉了曾经居于首位的美国，跃居世界第一，但开发环节却是十分薄弱的，我国总的开发量还不到总量的百分之二，由此，我们可以想象，我们风力发电的潜能是如此之巨大，发展的前景如此可观。在2009年丹麦哥本哈根世界气候大会上，中国代表承若10年以后我国将把二氧化碳的额定排放量比2005年下降百分四十到百分之五十之间。中国风力事业发展既符合全世界所提倡的清洁能源的发展潮流，又改善了环境状况，符合了中国节能减排和产业优化升级的目标。基于此，政府也实施了一些列的优惠政策来鼓励和发展风力发电事业，在此项政策的极大推动下，我国风力发电事业迅速发展，并且研究创新了维护方便，结构简单的垂直轴风力发电设备，在国内得到了普遍关注！

1.4 选题的目的意义

小型垂直轴风力发电测试平台设计相对于为一个新型课题，但是对于一些发达国家已经处于成熟阶段，但大多数都是仿真实验平台，该论文是设计一种针对H轴风力发电测试平台，把设计好的风力发电机安装到测试平台来测试是否可以达到预期效果。比如风叶在极限风速情况下是否能承受那么大的力而不会被损坏，当用电动机带动风叶转动到额定转速的时候是否可以输出预期的功率。由于风力发电机一般都是在安装在工作条件比较恶劣的荒郊野外,风沙、尘土、雨雪以及气候的剧烈变化,都给风力机的正常工作造成不利影响，所以还可以定期测试这些风力发电机是否还可以正常运行，从而避免了不必要的损失。本文通过对垂直轴风力发电机的结构设计分析，得出了风力发电机测试平台的总体结构和设计要求并计算出各参数，然后运用测试平台来测试风力发电机的运行，以提高发电机组的安全寿命，经济效益和安全运行。

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东华理工大学长江学院毕业设计 风力发电机测试平台结构总体设计

2 风力发电机测试平台结构总体设计

2.1 风力发电机分类

风力发电机是将风能转换成机械功的动力装置,又称风车。风力发电机的原理就是利用风来吹动风叶转动，再透过增速机来提升旋转速度，来促使发电机发电。虽然风力发电机的形式种类繁多，但一般来说，可以按照风轮转轴与风向的位置不同分为水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组，也可以按照作用原理的不同分为升力型和阻力型。

2.1.1 水平轴风力发电机

水平轴风力发电机是世界上最为成功的一种风力发电机类型，水平轴风力发电机组是指风轮转轴与风向平行的风力发电机组。主要包括螺旋桨型、多翼型、荷兰型和风帆型等。水平轴风力发电机组主要有风轮扫掠面积大，风能利用率高，风力发电机结构紧凑，技术比较成熟，可控制风电机组在高风速条件下的功率输出，安全可靠等优点。但是需要对风调向，结构复杂，安装和维护不方便。水平轴风力发电机组主要有风轮、风轮轴、低速联轴器、增速器、高速联轴器、发电机、塔架、调速装置、调向装置、制动器、偏航系统等组成。如图2.1.1所示。

图2.1.1 水平轴风力发电机

2.1.2 垂直轴风力发电机

垂直轴风力发电机组是指风轮转轴与风向成直角的风力发电机组，主要包括达里厄型、直线翼垂直轴型和涡轮型等。垂直轴风力发电机组具有能接受任意方

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东华理工大学长江学院毕业设计 风力发电机测试平台结构总体设计

向的风，不需要对风装置，发电机可以安装在地面，维护方便，等优点。但是利用率比较低，风轮自行启动较难。比较实用的垂直轴主要是利用翼型升力来做功，其中最为典型的是达里厄风轮，H型风轮是目前垂直轴风电机组中最常用的风轮形式，结构相对简单，主要有风轮装置、发电机、刹车装置、控制器和塔架等部件组成。垂直轴风力发电机的形式非常多，分类方法也不同。按照工作原理的不同可以分为阻力型和升力型。

2.1.3 阻力型风力发电机

阻力型风机主要依靠风力发电机组构成要素的空气阻力产生的旋转力矩来工作，主要包括风杯型、S型、涡流型和萨沃纽斯型等，但是这些阻力型风机大多都是由风杯等形状的构成要素组成，利用风推动其凹凸两侧时的阻力不同而产生旋转力矩来工作。

（1）风杯式风力机（Lafond风力机）是利用迎风叶片的阻力差而使风轮转动，由于凹凸面空气阻力系数差别很大，在风力的作用下，加上叶片在风里运转时，先使气流吹向一侧，然后运动着的叶片又使气流流向另一侧，这样就产生了一个附加驱动力矩，故这种风轮有较大的启动力矩，它在风速2.5M/s时就能正常起动运转，但是效率较低，能量输出大概是同样迎风面积的水平轴风力发电机的一半。

（2）典型的阻力型有S型风轮，是由芬兰人萨窝纽斯(Savonius)在20世纪20年代发明的萨窝纽斯型(Savonius type)风力发电机，它由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成，启动转矩大、转速低、气动性能好。在运行中，由于风轮周围会产生不对称气流，从而产生侧向推力。因为受偏转与安全极限应力的限制，大型的风力发电机采用这种结构形式比较困难。S型风力发电机风能利用系数低于水平轴风力发电机，其尖速比小于1，所以它的转速低，风能利用系数也低于高速型的其他垂直轴风力发电机，缺乏市场竞争力，如图2.1.3所示。

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东华理工大学长江学院毕业设计 风力发电机测试平台结构总体设计

图2.1.3 风杯式和萨窝纽斯型风力发电机

2.1.4 升力型风力发电机

升力型风机主要是利用风力发电机组构成要素产生的升力作为主要旋转力矩来工作的，其构成要素主要是采用飞机机翼型断面的形状，这类风力发电机组主要有达里厄型和直线型，如图2.1.4所示。

图2.1.4 直线型和达里厄型风机

2.2 风力发电机结构组成

风力发电测试平台要求建一个可以测试不同功率的小型垂直轴风力发电机的结构平台，该结构平台主要有塔架、传动轴、轴承、发电机、主轴、轮毂和电动机组成。

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东华理工大学长江学院毕业设计 风力发电机测试平台结构总体设计

2.2.1 塔架设计

塔架是整个平台的主要受力部分，承受着整个风机的重量，一旦发生倾覆或者坍塌，将会致使整个风力发电机组的破坏。由于风速与地面高度有关，地面高则风速高，所以塔架高的话风机就会获取更多风能，但是塔架越高则承受的力也越大，制造成本也大，一般根据公式计算：

H??1~1.3?D 式中，D为风轮直径。但是该测试平台考

虑到安装方便，以及不需要风带动风轮，所以高度设定为1m。塔架主要是承受整个机组的重力，所以一定要有足够的强度来支撑。还有，风轮转动的时候会受到转矩，所以还要考虑塔架的稳定性和抗疲劳性。随着风电事业的蓬勃发展，塔架形式也越来越多，但主要有三种形式，钢筋混凝土结构塔架，衍架结构塔架，钢结构塔架，该测试平台用的是椼架结构塔架。此结构塔架耗材少，并且运输方便，占地面积大，相对稳定。设计塔架应该考虑到最大的极限载荷，也就是在外部极差的条件下能承受的可能出现的最大载荷，也要考虑疲劳载荷，就是塔架的勾践能够承受变化载荷次数的最大能力，最后还要考虑共振激励载荷，就是整个塔架的结构的动特性对共振激励的响应。

2.2.2 传动轴的设计

传动轴主要起传递运动以及动力的作用，主要承受扭转矩，所以设计的时候应考虑最大的扭转矩。该传动轴为了更好的固定锥齿轮，以及更好的稳固锥齿轮，所以在传动轴上集成一个锥齿轮，并且考虑无法安装等问题，所以用两段传动轴，其中一根轴在中间挖一个正方形的孔，另一根轴中间伸出来一个长方形的轴，与之相配合，起到转动的作用而不出现相对滑动等左右。

2.2.3 轴承的选取

该结构平台采用的是滚动轴承，7206C轴承和7210C轴承，主要靠元件之间的滚动接触来支撑其转动或者摆动零件，相对运动的表面之间的摩擦属于滚动摩擦。塔架上面设计出一个轴承座，结构简单，避免了装配复杂等问题。滚动轴承的摩擦力矩以及发热相对较小，维护相当方便，可以用少量的润滑剂就可以实现转动，轴承单位面积内承受能力大，主要用钢结构，因此减少了金属的消耗。

2.2.4 电动机的选取

该论文没有采用风洞来实现风轮的转动，而是用电动机带动风轮转动，因为要求发电机的功率不同，因此转速也不尽相同，所以选取调速电动机。在第三章中计算出的发电机额定转速范围为136r/min~230r/min，所以选取电动机型号为

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东华理工大学长江学院毕业设计 风力发电机测试平台结构总体设计

YCT90-4A，调速范围为120r/min~1200r/min，结构小，噪音小，轻便，便于安装，减小塔架受力，其安装尺寸如表2.4.1所示。

如表2.4.1

型号 YCT90-4A

K 10

A 160 WB 178 WC 40 D 18 E 40 F 6 G 14.5 H 90 AB 190 AD 95 HD 220 HA 16 AA 30 L 480

图2.2.4 电动机示意

2.2.5 主轴的设计

风轮主轴主要装叶片和支持翼，起到支撑和转动作用。主轴高度要求可调节，为了使主轴与轮毂不发生相对滑动，所以主轴设计为长方体，与中间开了长方体的孔的轮毂相连接，并且主轴上开有小孔，与轮毂之间的小孔用螺栓配合起到固定左右，起到可以调节主轴高度的目的。次结构简单，容易调节，避免轮毂与主轴发生相对转动。

2.3 测试平台结构框架

用调速电机带动传动轴转动，传动轴带动风轮转动，然后风轮传递给发电机，产生的电通过整流器输入到蓄电池中，结构简单，如图2.3所示。

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东华理工大学长江学院毕业设计 风力发电机测试平台结构总体设计

风轮 传动装置 电动机 发电机 整流 蓄电池 负载 功率控制

图2.3 测试平台结构框架

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东华理工大学长江学院毕业设计 测试平台的计算以及结构设计

3 测试平台的计算以及结构设计

3.1 风力发电机功率系数

根据动能计算公式可以得出质量为m，速度为V的物体具有的动能

12mV。

而密度为ρ，体积为AL（面积A*距离L）的空气在以速度v运动时所具有的动能，可以用下式表示：

EW?12?ALV2

当空气在t时间内通过距离L时，空气速度可以写成V=L/t，那么上式就可以表示为：

EW?12?AVt3

因此，单位时间内通过面积A的风的能量Pw（W）[J/s]为

如果将风力发电机组从风中可获得的单位时间内的能量称为功率P，那么风力发电机组的功率P与风的功率之比称为功率系数，用CP表示：

CP?P12

3?AV 功率系数是衡量在风所具有的能量中，风力发电机组到底能从中获取多少能量的性能评价指标，H轴风力发电机属于升力型，从《风能技术》一本书中可以查到升力型功率系数的特性曲线，取CP=0.3，参考《风能技术》如图3.1所示。

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东华理工大学长江学院毕业设计 测试平台的计算以及结构设计

图3-1 Cp-λ曲线图

3.2 力矩系数

使风力发电机组旋转的转矩，称为力矩Q(N.m)，CQ称为力矩系数：

CQ?Q12?AV2R

式中，R（m）为风轮半径。力矩系数是衡量在由风所产生的旋转力中，风力发电机组到底能从中获得多少可以作为力矩来利用性能评价指标，参考文献查阅《风能技术》第44页图4.6。

3.3 叶尖速度比

叶片尖端的速度即圆周速度VR(m/s)与风速V(m/s)的比称为叶尖速度比，简称为尖速比。 ??VRV?2?RnV

风力发电机组种类不同，尖速比也有很大不同。比如螺旋桨型的升力型风力发电机组的尖速比一般在3~10之间，但是对于阻力型风力发电机组，一般小于1。查阅《风能技术》第56页图5.11可以取?=3.2。

根据上述公式以及各参数取值可以得出不同功率的发电机的参数，如表3.3所示。

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东华理工大学长江学院毕业设计 测试平台的计算以及结构设计

功率 额定风速V（m/s） 风叶直径D（m） 风叶高度H(m)

100W 6 1.6 1.6 200W 167 6 2.2 2.2 300W 136 6 2.7 2.7 500W 212 8 2.3 2.3 1000W 153 8 3.0 3.0 额定转速n（r/min） 230 表2.1.3 不同功率发电机各参数

3.4 H轴风力发电机组测试平台结构

该测试平台主要有塔架、风轮装置、发电机、可调电动机、可调主轴、齿轮传动组成。

（1）风轮装置是整个风力发电机组的重要部分，它是把风能转化为电能的主要装置，主要由叶片，主轴，支持翼组成。主轴组件为整个风力发电机组重要的承力构件 ,传递横向风荷载，并且承受扭矩。对只受转矩或以承受转矩为主的传动轴，应该按照扭转强度条件计算轴的直径。扭转强度约束条件为： ?T?TWT?9550?10P/nWT3?[?T]

（式3.4.1）

式中?——轴的扭转应力； （MPa） T——轴所传递的转矩（N.mm）；

WT（mm——轴的抗扭截面模量

3），可有机械设计附表8查的；

P——轴所传递的功率（KW）; N——轴的转速（r/min）；

[?T]——轴的许用扭转应力，可由表3.4.1查得。 （MPa） 对于实心圆周，WT条件：

d?3??d/16?d/533，以此带入式2.2.1，可得轴的直径约束

5??9550?10??T??3P?P?mm??C3n?n? 式3.4.2

式中 C——取决于轴材料的许用扭转应力??T?的系数，其值可以查阅表 3.4。当弯矩相对转矩很小时，C取较小值，??T?取较大值；反之，C取较大值，

??T?取较小值。

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东华理工大学长江学院毕业设计 测试平台的计算以及结构设计

表3.4 .1 几种轴材料的??T?和C值

轴的材Q235 料 1Cr18Ni9Ti 35 45 40Cr，35SiMn，2Cr13，20CrMnTi ??T? C

12~20 12~25 20~30 135~118 30~40 118~107 40~52 107~98 160~135 148~125 应用式3.4.2求出的d值，一般作为轴最细处的直径，所以实际求出的d值要比计算得出来的要粗点。主轴采用45号钢，去??T?为30，计算出各不同功率发电机的主轴直径如表3.4.2。

表3.4.2 不同功率发电机所匹配的主轴直径

额定功率P（KW） 额定转速n（r/min） 直径d（mm）

100 230 9 200 167 12 300 136 15 500 212 16 1000 153 22 该测试平台要求主轴可调，并可以同时满足不同功率发电机的需要，所以主轴直径应该选取较大值，取d=30mm。

3.5 支持翼的设计与计算

支持翼选取铝合金结构，避免承重小。因为支持翼可调，所以设计成两段，通过螺栓来固定，达到可调。支持翼一端与轮毂相连，一端与风轮相连，以此实现支撑与传递扭转力。风轮直径张开比较大的时候，旋转会产生很大离心力，所以要求叶片和连接杆的重量，在满足强度要求的前提下，达到尽可能轻；并且它们都暴露在空气中，要求有很好的防腐蚀能力。综合考虑重量、腐蚀问题，叶片和连接杆采用铝合金材料。查材料手册，考虑叶片和连接杆都需要切削加工，选常用耐腐蚀铝合金 5A02，密度为??2.68g/cm3 ，屈服强度为?0.254Mpa?215Mpa,

并且考虑到安全系数，则取许用弯曲应力??-1??。

（1） 计算风对叶片的力以及支持翼、叶片的重力

考虑到极限情况下，单风向时，风所产生的力只发生在一个叶片上，根据公式

P?M???F叶?D/2??，而经转速转换得额定角速度??18.8rad/s，那我们

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东华理工大学长江学院毕业设计 测试平台的计算以及结构设计

就可以求出作用在中点的风对叶片的力F叶（2） 经计算测出叶片横截面大约为S叶V叶?S?H?3780cm3?18N3。

?21cm，则叶片体积

，叶片重力为99.2N。则叶片支持翼截面面积为

2S杆???2?bh?16.5cm，求出支持翼重力为62N。叶片的支持翼受到垂直和水

?47.2MPa???-1平两个方向的力，可求得支持翼上的最大应力为?总力要求。

?，符合受

3.6 锥齿轮的设计

因为要实现水平轴与垂直轴的传递运动，所以设计一个锥齿轮来传递。由于垂直轴风力发电机风速不稳定，对材料的要求略高，故选用材料38CrMoAlA合金钢，经过调质， 表面处理，渗氮处理，齿芯部硬度为255~321HBS，齿面硬度>850HV。 查机械设计图 10-22[14]，取精度等级7级（GB 10095-88）。 直齿锥齿轮的载荷系数K?KAKVK?K?,其中KA是使用系数，查《机械设计》

?1.1。

表3-1可取KA=1.00；KV为动载系数，计算得最大转速为v=0.1m/s，取KVKA为齿间载荷分配系数，直齿锥齿轮按接触疲劳极限计算时的齿间载荷分配系

?1;

数KH?和按弯曲疲劳极限计算时的齿间载荷分配系数KF?均可取为1，K?查机械设计表取轴承系数KH?be?1.5，直齿锥齿轮按接触疲劳极限计算时的齿向

载荷分配系数KH?和按弯曲疲劳极限计算时的齿向载荷分配系数KF?均为1.5倍的轴承系数KH?be，即可得齿向载荷分配系数K??2.25，则可求得载荷系数

K=2.8。小齿轮齿数为24，为了实现同级传动，大齿轮齿数也为24，查机械设计表可取齿形系数YF??2.3，应力校正系数YS??1.72?0.25~0.35。

通常取齿宽系数?R，取?R?0.355。

设置齿轮工作寿命 20 年，即LH?1.8?10h，齿轮每转一圈，同一齿面啮

h合次数 j=1，根据齿轮的工作应力循环次数N?60njL，则N为109的数量级，

查机械设计图可得调质钢的弯曲疲劳寿命系数KFN

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?0.9;查机械设计图可得调质

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钢的接触疲劳寿命系数KHNS?SF?1.25~1.5?0.9;按弯曲疲劳极限计算时，疲劳强度安全系数

，取SF?1.3； 按接触疲劳极限计算时，取疲劳强度安全系

数

?S?SH?1。查机械设计图得 38CrMoAlA 合金钢的弯曲疲劳极限值，接触疲劳极限值?Hlim?1400MPaFE?600MPa。

根据齿轮许用应力计算公式： ?可得许用弯曲疲劳极限a，许用接触疲劳极限P??H??1260MPa?KN?Smin

4T1。取滚动轴承传动效率为0.9，则传入齿轮的扭矩

?0.99T?26.05N.m。

查机械设计表对主从动齿轮都为铸钢的齿轮材料弹性影响系数

1ZE?188MPa2，传动比u=1。

按弯曲疲劳强度计算：

m?3.6mm。

m?4KT13YF?YS?2?R?1?0.5?R?2Z1u2?1??F?带入数据得模数

按接触疲劳强度校核计算：

d?2.923?ZE????H??KT1?2????R(1?0.5?R)u2

带入公式及数据得出锥齿轮 直径d大于78mm。

由于风力的不稳定，故将主动锥齿轮直径扩大，初步估计并取主动锥齿轮直径d=96mm，则根据锥齿轮大端模数计算公式：

m?dz

算得模数为m=4，则根据分度圆直径公式d=mz，求得锥齿轮分度圆直径d=96mm。

根据节锥顶距计算公式：

R?mZ12?Z21???Z?1????2

算得节锥顶距 R=67.88mm。 根据节圆锥角未变位的计算公式：

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?1 算的?1?450?arctg1u，?2?900-?1

，?2?450。

?d1?2mcos?1?101.6mm 可以求出大锥齿轮大端齿顶圆直径da1取齿宽b=9.228mm。

，da1?da2，

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东华理工大学长江学院毕业设计 测试平台三维建模

4 测试平台三维建模

4.1 塔架

该塔架采用的是衍架结构，占地面积大，所以相对比较稳定，不容易发生倾覆以及因为扭转而损坏。塔架设置成两个平台，最底层放置发电机，发电机主轴与传动轴用连接件相连；第一层平台上集成一个轴承座，便于装轴承，使之结构简单，平台上装电动机；第二次平台上也集成一个轴承座，用来承受整个风轮的重力。因为是个测试平台，所以设计成1m高度，便于安装，使之更稳定，塔架建模如图4.1。

图4.1 塔架

4.2 齿轮套

该零件用于支撑锥齿轮使之不下滑，齿轮套建模如图4.2。

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东华理工大学长江学院毕业设计 测试平台三维建模

图4.2 齿轮套

4.3 传动轴

该传动轴采用两节，其中一节与连接件连接，并且为了转动平稳，上面集成一个锥齿轮，与电动机上的锥齿轮连接而起到转动的效果。传动轴通过轴承而转动，第一节传动轴挖空一个长方形的孔，另一节伸出一个长方形的轴，使之连接起到转动而不发生相对滑动效果。并且第二节轴顶端设计一个圆盘，通过中间开孔，使之用螺栓与风轮装置连接，从而起到转动，传动轴建模如图4.3所示。

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东华理工大学长江学院毕业设计 测试平台三维建模

图4.3 传动轴

4.4 主轴

主轴要求可调，因此设计为长方体结构，中间开螺孔，使轮毂与主轴用螺栓连接。主轴顶端设计出一个圆盘，圆盘上开螺纹孔，与支持翼连接。因为要求叶片可调，所以圆盘上开的螺纹孔可以达到装不同叶片都适合。先在圆盘上设定三个螺纹孔，然后以这三个螺纹孔线性草图阵列，达到要求，主轴建模如图4.4所示。

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图4.4 主轴

4.5 轮毂

轮毂主要起到安装支持翼的作用，并且用螺栓与主轴连接，起到固定作用，以此达到可调的目的。轮毂上设计一个圆盘与主轴上的圆盘大体一致，都可以装不同叶片，但是中间开一个与主轴一样的孔，用来与主轴连接，可以滑动来调节高度,轮毂建模如图4.5所示。

.

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东华理工大学长江学院毕业设计 测试平台三维建模

图4.5 轮毂

4.6 支持翼

支持翼用来连接叶片的作用，并且要求长度可调，所以设计成两根支持翼，第一个支持翼安装的时候是最短的时候，两边突起一个卡槽，用来卡住第二段支持翼在转动的时候不被滑动，支持翼中间开螺纹孔，用螺栓把两个支持翼固定，以此起到可调的目的，支持翼建模如图4.6所示。

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图4.6 支持翼

4.7 装配图

装配图是把各个零件装配到一起，成为最终设计的测试平台，可以更加直观的表现出来，装配图建模如图4.7所示。

图4.7 装配体

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东华理工大学长江学院毕业设计 结论

结论

该论文经过老师的指导，以及参阅了大量书籍后设计出了测试平台的结构。风力发电机越来越出现在普通家庭里，但是风机也存在着很多问题，所以设计一个测试平台来测试该风力发电机存在的问题，以便及时解决，该测试平台针对结构简单的H轴风力发电机而设计，所以结构简单，安装方便，也导致了零件大多都是非标准件，都是为了需要自己设计出来的，因此生产时会遇到很多困难，有待解决。

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东华理工大学长江学院毕业设计 致谢

致谢

在我四年大学生活即将结束之前，指导老师董老师给予我们耐心的指导，在我们有问题的时候会给与我们细心指导，认真的讲解遇到的问题，并且修改我们论文的不足之处，他严谨的工作作风给了我们深刻的印象，并且给了我们极大帮助，在论文完成之际，向董老师表示深深的感谢和诚挚的敬意！

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东华理工大学长江学院毕业设计 参考文献

参考文献

[1] 牛山 泉. 风能技术—北京：科学出版社，2009年

[2] 苪晓明，柳亦兵，马志勇编著，风力发电机组设计—北京：机械工业出版 社，2010.2 [3] 唐增宝，常建娥主编，机械设计课程设计—武汉：华中科技大学出版社，2006.9 [4] 吴昌林，张卫国，姜柳林主编—武汉：华中科技大学出版社，2011.3

[5] 邹占武，风力发电机组液压系统试验平台技术研究实践，内蒙古风力发电 研究所，2000.3 [6] 解蕾，张延迟，解大，风力发电试验台的设计和研究，2002.4

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[11] 杨国良，高瑞斌，张纯. 垂直轴风力发电系统制动及保护电路设计[J]. 电 力电子技术，2009 [12] 孙云峰. 小型垂直轴风力发电机组的设计与实验[D]. 内蒙古：内蒙古农业大学, 2008年. [13] 云程，陈孝耀，朱茂名．风力发电机组设计与应用．上海：上海科学技术出版社，1990.5 [14] 明光．浓缩风能型风力发电机组系列风轮的理论设计与风洞实验【D】．呼和浩特市：内蒙古农业大学，1999，4-7

[15] 杨慧杰，杨文通．小型垂直轴风力发电机在国外的新发展．电力需求测管理，2007，9

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