300W小型垂直轴风力发电机的设计

300W小型垂直轴风力发电机的设计 摘 要 为了解决日益严重的环境污染和能源危机的问，开发了一种以风力的发动机。由于原材 料价格不断上涨，小型风力发电机组生产成本，也不断提高，而购买风机的广大农牧民经济收 入有限，因此企业销售价不能随着上涨，企业利润空间很小，无利可图，促使有的企业开始转 产。如原内蒙古商都牧机厂现在已开始生产并网型大型风力发电机组的塔架，大型电焊机、卷 扳机已经到货，正准备投产。有的配套件质量不稳定，性能差，特别是蓄电池，逆变控制器， 影响整机发电系统的效率和可靠性。尽管目前风光互补发电系统推广应用很快、需要量大，但 由于太阳能电池组件价格太高（每WP30～50元）。如果不是目前国家大量补贴，农牧民自购有 较大困难，所以说太阳能电池组价格制约风光互补发电系统的发展。本设计主要设计的是300W 小型垂直轴风力发电机。 关键词： 风力发电机 小型风力发电机 风力 垂直轴 300W小型垂直轴风力发电机的设计 Abstract In order to solve the increasingly serious environmental pollution and energy crisis, the development of a wind engine. As a result of rising raw material prices, small wind turbine production costs, is also rising, and the purchase of the majority of fans with limited income of farmers and herdsmen, so as the sales price can not rise, corporate profits is very small, unprofitable, to have Transferring the business started. Such as animal husbandry are the original factory in Inner Mongolia have already started to produce large-scale grid-based wind turbine's tower, a large welding machine, delivery volumes have been the trigger is ready for production. Matching the quality of some pieces of instability, poor performance, especially the battery, the inverter controller, the impact of the whole power system efficiency and reliability. Despite the current landscape to promote the application of hybrid generating system very quickly, the demand for large, but the solar cell component costs are too high (per WP30 ~ 50 million). If it is not currently a large number of national subsidies, farmers and herdsmen have a more difficult since the purchase, so that the price of solar battery power constraints scenery complementary systems. The design of the main design is 300W small vertical axis wind turbine. Key words： Wind turbines small wind turbines wind vertical axis 300W小型垂直轴风力发电机的设计 第1章 绪论 随着中国对“三农”投入力度加大，经济持续快速发展，广大农、牧、渔民对改善生活环 境，提高生活质量，改善农村地区的能源结构，解决生活用电的迫切要求， 作为农村可再生能源主要支柱之一的小型风力发电行业得到长足的发展，不论是参与开发、研制、生产的单位， 还是产品产量、国内外销售以及推广应用范围，与上 年相比都有了新的提高，取得了显著的成 效。 1.1 行业现状 自中国第一部《可再生能源法》于2005年2月28日在全国人大十一届十四次大会通过以 来，可再生能源的开发应用出现了新的机遇，大家看好可再生能源 的发展前景，从事小型风力 发电产业研制、开发、生产的单位达到70家。其中，大专院校、科研院所35家，生产企业23家，配套企业（含蓄电池、叶片、逆变 控制器等）12家。生产企业名列前矛的是：江苏神州风 力发电有限公司、内蒙古龙信博风电设备制造有限公司（原内蒙古商都牧机厂）、内蒙古天力 机械有限公司 （原内蒙动力机厂）、广州红鹰能源科技有限公司、南京东龙电子电器科技中心。 2005年据23个生产企业报表统计，共生产30kW以下独立运行的小型风力发电机组共33253台，比上年增长34.4％，其中200W、 300W、500W机组共生产24123台，占全年总产量的72.5％，机组容量为12020kW，总产值8472万元，利税992.9万元。2006 年，预计小型风力发电行业无 论是产量、产值、利税等方面将有较大增长，目前正在统计中。 2005年15个单位共出口小型风力发电机组5884台，比上年增长40.7％，创汇282.7万美元，主要出口到菲律宾、越南、巴基斯坦、朝鲜、印 尼、波兰、缅甸、蒙古、韩国、日本、 加拿大、英国、美国、荷兰、智利、格鲁吉亚、匈牙利、新西兰、比利时、澳大利亚、南非、 阿根廷、香港、台湾等24个国 家和地区。 300W小型垂直轴风力发电机的设计 除了传统的广大农牧区用户应用小型风力发电机组照明看电视以外，由于汽油、空气、 煤油价格飞涨，且供应渠道不畅通，内陆、江湖、渔船、边防哨所、部 队、气象、微波站等使用空气发电的用户，逐步改用风力发电或风光互补发电。此外，生态环保公园、林荫小道、别 墅庭院等地方，也购买安装小型风力发电机组， 作为景观，供人们休闲欣赏。 1）根据农业部科教司“农村可再生能源行业体系”规划对小型风力发电通用标准 及相关标准编制的要求，小型风力发电系统两个标准已经制定完成，即 “小型风力发电系统技术条件及质量评价”、“小型风力发电系统安装规范”；一个标准正在制定，即“小型风力发 电系统可靠性要求”。此外根据农业部市场司及 质量办“关于申报2005年农业行业标准制定和修改项目”的通知要求，申报了两个小风电行业标准，即“小型风力发电系统验收规范”、 “小型风力发电系统售 后服务技术规范”。 2）根据“中华人民共和国劳动法”的有关规定，为进一步完善国家职业标准体系，为 职业教育和职业培训提供科学规范的依据，参加劳动和社会保障部、农业部组织的专家组，制 定了《小风电利用工国家职业标准》并已通过审批实施。 1）国家发改委、全球环境基金世界银行中国可再生能源发展项目办公室，从2002年开始，实施“送电到乡”工程已基本结束，全部建成发电，主要集中在 新疆、甘肃、西藏、内蒙古、青海等省，共建成了718个光伏和风光互补电站，装机18MW，其中风力发电800kW所采用的风力发电机组由协会生产企业提 供。下一步“送电到村（户）工程”正在规划，即将启动。 2）内蒙古“光明工程”实施进展情况 内蒙古自治区政府确定的“光明工程”项目，从2001年开始，用5年的时间，推广应用风力发电与风光互补发电，解决7个盟（市）26个旗（县）7.5 万户离网散居的牧民生活用 电、区内外的内蒙国飞、商都、天力、华德、蒙晨、包头二重、保定天泰等生产企业。通过招 标，都参与了内蒙古光明工程建设，到 2005年底累计完成11597套，其中2005年完成2354套，由于部分产品质量不过关、政府补贴及用户自筹资金不到位等原因，“光明工程”进展缓 慢，步履艰难，而参与光明工程的企业，货款收不回来，流动资金严重不足，影响企业的发展， 有苦难言。 3）内蒙古小型风力发电开发应用 300W小型垂直轴风力发电机的设计 “十五”期间，内蒙古新能源开发利用专项共16项，投入资金3382.92万元，到2005年已验收11项，直接经济效益670万元。在送电工程项目中，自治区政府对每套风光互补发电 系统补贴3000元，促进了行业发展。 内蒙古小型风力发电机组50W～20kW已形成3.5万台的生产能力，到2004年全区累计推广应用小型风力发电机组15.8万台，并在50个旗县建 立了新能源技术服务机构，保证机组 正常运行。内蒙古自治区小型风力发电机组的产量、保有量、生产能力、生产企业数，均列全 国第一。 1）对中国与荷兰政府“促进中国西部可再生能源发展应用项目”湖北洪湖示范点上安 装的280台小型风力发电机组和32台（套）风光互补发电系统进行了设备安装验收，并对已经 发现的设备质量问题提出了改进意见，使其真正起到示范作用。 2）参加中国风能协会组织的澳大利亚墨尔本“第四届世界风能大会（WWE2005）暨可再生能源展览会”，并对澳大利亚可再生能源应用状况进行了考 察。该国风力资源丰富，小型风力发电和风力提水机组随处可见，特别是风力提水机组广泛用于牲畜饮水及草浇灌溉，效果 很好。中国内蒙古早期生产的北方型风力 提水机组技术就是从澳大利亚引进的。 3）组织参加上海第十五届国际光伏科学与工程大会（PVSEL－15）及展览会，内蒙古呼和浩特市博洋、内蒙蒙晨、南京冠亚等会员单位将小型风力发电机组及逆变控制器等产品进 行了展示，扩大了国内外影响。 1.2 行业发展趋势 由于广大农牧民生活水平提高、用电量不断增加，因此小型风力发电机组单机功率在继续 提高，50W机组不再生产，100W、150W机组产量逐年下降，而200W、300W、500W、1000W机组逐年增加，占总年产量的80％。 由于广大农民迫切希望不间断用电，因此“风光互补发电系统”的推广应用明显加快， 并向多台组合式发展，成为今后一段时期的发展方向。 风光互补多台组合式系列发电系统是将多台小功率风力发电机安装在同一个地方，集 中向配套的多个大容量蓄电池组同时充电，并由一台大功率的控制逆变器统 一控制输出。这种配置优点是（1）小型风力发电机组的技术成熟，结构简单、质量稳定、安全可靠、经济实惠； （2）装拆、搬运、维护方便，操作简单；（3） 若需维护或故障停机时，其余组机照常发电， 300W小型垂直轴风力发电机的设计 不影响系统正常使用；（4）多台成群的风光互补发电系统自然成为一片观赏景点，又是一座无 环境污染的绿色电站。 随着国家《可再生能源法》及“可再生能源产业指导目录”的制定，相继还会有多种 配套措施及税收优惠扶植政策出台，必将提高生产企业的生产积极性，促进产业发展。 目前中国尚有2.8万个村，700万户计2800万人口没有用上电，且分散居住在边远山区、农牧区、常规电网很难到达。有关专家分析，700万无电户中，300万户可用微水电解决用电，而400万户可以用小型风力发电或风光互补发电，满足用电需要。 1.3 存在问题 1）由于原材料价格不断上涨，小型风力发电机组生产成本，也不断提高，而购买风机 的广大农牧民经济收入有限，因此企业销售价不能随着上涨，企业利润空 间很小，无利可图，促使有的企业开始转产。如原内蒙古商都牧机厂现在已开始生产并网型大型风力发电机组的塔 架，大型电焊机、卷扳机已经到货，正准备投产。 2）有的配套件质量不稳定，性能差，特别是蓄电池，逆变控制器，影响整机发电系统 的效率和可靠性。 3）尽管目前风光互补发电系统推广应用很快、需要量大，但由于太阳能电池组件价格 太高（每WP30～50元）。如果不是目前国家大量补贴，农牧民自购有较大困难，所以说太阳能 电池组价格制约风光互补发电系统的发展。 4）少数企业生产的小型发电机组质次价高，而且产品没有通过国家检测中心测试鉴定 就批量生产销售，售后服务不到位，损害了消费者利益。 1. 4 措施与建议 1）尽快制定减免税收优惠政策 根据国家发展改革委员会颁布的“可再生能源产业指导目录”，国家应尽快制定增值 税、所得税减免税率，减轻企业负担，有利行业发展。否则企业无利可图就会转产。 2）建议农业部在启动实施“生态家园”富民中，因地制宜，发展应用推广小型风 力发电，风光互补农村可再生能源发电系统。 3）2002年和2003年农业部实施的“小型公益项目”，对促进小风电、光电、微 水电的产业发展起到积极促进作用，希望能继续实施。 4）企业要不断的提高产品质量，提高可靠性及外观，在满足国内需要外，积极大量出 300W小型垂直轴风力发电机的设计 口，扩大外销。 5）为保障用户权益、保障广大农牧渔民的切身利益，建议农业部尽快建立国家级“小 型风力发电系统质量检测中心”。没有通过质量检测的产品不予推广应用。 1.5日常保养和定期保养维护 风电机组齿轮箱的日常保养内容主要包括：设备外观检查、润滑油位检查、电气接线检查 等。具体工作任务包括：运行人员登机工作时应对齿轮箱箱体表面进行清洁，检查箱体及润滑 管路有无渗漏现象，外敷的润滑管路有无松动，由于风电机组振动较大，如果外敷管路固定不 良将导致管路接头密封损坏甚至管路断裂。此外，还要注意箱底放油阀有无松动和渗漏，避免 放油阀松动和渗漏导致的齿轮油大量外泄。 由油标尺或油位窗检查油位及油色是否正常，发现油位偏低应及时补充。若发现油色明显 变深发黑时，应考虑进行油质检验，并加强机组的运行监视。遇有滤清器堵塞报警时应及时检 查处理，在更换滤芯时应彻底清洗滤清器内部，有条件最好将滤清器总成拆下在车间进行清洗、 检查。安装滤清器外壳时应注意对正螺纹，均匀用力，避免损伤螺纹和密封圈。 检查齿轮油位油位、温度、压力、压差、轴承温度等传感器和加热器、散热器的接线是否 正常，导线有无磨损。在日常巡视检查时还应当注意机组的噪音有无异常，及时发现故障隐患。 风电机组定期保养维护内容主要包括：齿轮箱连接螺栓的力矩检查、齿轮啮合及齿面磨损 情况检查、传感器功能测试、润滑及散热系统功能检查、定期更换齿轮油滤清器，油样采集等。 有条件时可借助有关工业检测设备对齿轮箱运行状态的振动及噪音等指标进行检测分析，以期 更全面地掌握齿轮箱的工作状态。 根据风电机组运行维护手册，不同的厂家对齿轮油的采样周期也不尽相同。一般要求每年 采样一次，或者齿轮油油使用两年后采样一次。对于发现运行状态异常的齿轮箱根据需要，随 时采集油样。齿轮油的使用年限一般为三至四年。由于齿轮箱的运行温度、年运行小时以及峰 值出力等运行指标不尽相同，笼统地以时间为限作为齿轮油更换的条件，在不同的运行环境下 不一定能够保证齿轮箱经济、安全地运行。这就要求运行人员平时注意收集整理机组的各项运 行数据，对比分析油品化验结果的各项参数指标，找出更加符合自己电场运行特点的油品更换 300W小型垂直轴风力发电机的设计 周期。 我场在油品采样时，考虑到样品份数的限制，一般选取运行状态较恶劣的机组（如：故障 率较高、出力峰值较高、齿轮箱运行温度较高、滤清器更换较频繁）作为采样对象。根据油品 检验结果分析齿轮箱的工作状态是否正常，润滑油性能是否满足设备正常运行需要，并参照风 电机组维护手册规定的油品更换周期，综合分析决定是否需要更换齿轮油。油品更换前可根据 实际情况选用专用清洗添加剂，更换时应将旧油彻底排干清除油污，并用新油清洗齿轮箱，对 箱底装有磁性元件的，还应清洗磁性元件，检查吸附的金属杂质情况。加油时按手册要求风力 加注，避免油位过高，导致输出轴油封因回油不畅而发生渗漏。 300W小型垂直轴风力发电机的设计 第2章 发电机整体的设计 设计的300W小型垂直轴风力发电机，并设置了多种传感器，充分应用原发动机的电控系统， 实现精确控制。 2．1 压力调节器 压力调节器上装有压力传感器且与驾驶室内控制面板相连，这样在驾驶室内即可通过压力 值了解风力的大小。在压力调节器前分别安装有加温器和过滤器。其中加温器是为了给风加热， 以避免因风压力降低吸收热量而使压力调节器冻结。过滤器是为了滤除气体中的杂质，以避免 减压器阀口被堵塞。风力压力调节器后连接电磁阀，当发动机出现故障或发动机熄火时，电磁 阀自动切断风的供给。 2.2 气体流量阀 气体流量阀可精确控制双风力工作状态下的风力流量。其内有一小容积室，与风力喷射器、 风压力传感器和温度传感器相连，2个传感器分别测出容积室中风的压力和温度。中央控制器 (ECU)将实测风压力与存储在ECU内的目标压力值相比较，根据二者的差值调整容积室的容积， 保证确的风喷射量。风以1O～80 Mpa的喷射压力喷入时进气道内，与空气充分混合后进入气缸。 风力喷射器的喷孔与空气的流向相反，使风与空气充分混合。 2.3 中央控制器 ECU是YC6108双风力发动机的控制核心，它接受8个传感器的信息，通过计算分析处理后，向空气风力控制器及气体流量阀等主要执行器发出指令，控制双风力状态下的空气量以及风力 的流量，进而保证发动机的性能。ECU具有故障自诊断功能。当控制系统出现问时，ECU 自动记 录错误信息，并将错误代码在控制面板上显示出来。它可自动记录风流量、空气流量风温度和 压力、进气温度、进气压力等3O余个参数随时间变化的曲线，并进行分析。 300W小型垂直轴风力发电机的设计 2.4 空气风力控制器 空气风力控制器安装在喷油泵的后端。发动机在双风力工作状态时，ECU 按照其内设定的风力MAP，通过控制步进电机的行程从而控制喷油泵齿条的位移量来控制在双风力工作状态的空 气风力。在纯空气工作状态时，空气风力控制器不起作用，由喷油泵调速器直接控制发动机的 空气喷射量。 2.5 控制面板 控制面板固定在驾驶室内的仪表板上。控制面板上有控制发动机工作状态的转换开关，还 可以显示双风力工作状态下的风替代率及气瓶内的风储量。当双风力工作状态下出现故障时， 控制面上的故障显示灯就会提醒驾驶员，同时可以通过外接设备端口把故障的原因打印出来。 300W小型垂直轴风力发电机的设计 第3章 发电机的部件设计 3.1 桨叶的设计 小型风力发电机组常用的几种桨叶 1、木质桨叶 选用上好的优质木材加工而成。对木材的要求是：1、木质不软不硬，容易加工；2、木纹 整齐无疤痕；3、不易吸水，不易变形。木质材料的机械强度不高，光洁度低，容易吸收水分， 容易发生变形，经不起户外恶劣环境的侵袭。因此，桨叶成形后要在上面涂上油漆，加以保护。 尽管如此，木质桨叶的使用寿命也远不如其它类型桨叶。它的优点是价格低廉、取材容易，重 量轻，使用安全。这种桨叶多用于50W 以下的小型风机上。 木质桨叶有两种叶型，一是两叶型，为整体结构，没有单独的叶柄，是用一块等宽的优质 木材加工而成，除中间有一个安装孔外，没有任何零部件，因此是各类风机桨叶中结构最简单、 价格最便宜的一种。二是三叶型，各桨叶单独制作，各有独立的叶柄与叶片相连接，叶柄的另 一端与轮盘相连，组成叶轮。由于其结构与零部件比两叶型复杂，因此容易损坏。木质桨叶的 使用寿命一般在1年左右。 2、玻璃钢桨叶 玻璃钢桨叶表面光滑，硬度高，造型容易。因而，在小型风力发电机组中，玻璃钢桨叶应 用得最为广泛。玻璃钢桨叶有两种结构，一是木芯外包玻璃钢桨叶，这种桨叶重量轻、成本低、 应用广，但使用寿命较短，一般约为3-5年；二是中空全玻璃钢桨叶，这种桨叶较重，成本也高， 但使用寿命较长，约4-6年。全玻璃钢桨叶又分为两种，一种是只有简单的叶柄；另一种是带有 离心调速装置的叶柄。 3、铁皮桨叶 铁皮桨叶多用于带离心调速装置的风机上，一般用0.5mm厚的镀锌铁皮制成，中空，一端用金属块封堵，另一端用带有离心调速装置的叶柄根部填充。这种桨叶很重，运行起来很平稳。 铁皮桨叶由于惯性大、硬度高、边缘锐利等原因，运行时存在着一定的不安全因素，尤其是在 安装、维修时要注意安全。这种桨叶的使用寿命较长，一般可达10年左右。 4、 铝合金桨叶 铝合金桨叶是近几年开始生产使用的新型桨叶。这种桨叶，是用铝合金浇铸而成，实心。 它的造型很特别，叶片的前后缘皆呈弧形，上半部向后弯曲似新月状，机械强度很高。将叶片 300W小型垂直轴风力发电机的设计 横放在地上，两端各垫一块砖，中间悬空，站上去一个人，叶片不弯不断。它启动风速小，能 在微风中发电。它的使用寿命估计可在10年以上，是一种比较有前途的叶种。 这种桨叶的不足之处是运行中存在着不安全因素，它分量重、惯性强，前缘锋利，旋转起 来像三把飞刀，具有一定的危险性，在安装、维修和运行时，要倍加小心。 综合考虑几种桨叶的特点，本设计采用铝合金材质的桨叶作为该小型垂直风力发电机的桨 叶。 3.2 手动关闭阀设计 手动关闭阀是CNG系统安全可靠的关键部件，要求能够做到快速“开”和“关”，启闭范 围应为0.25~1.5圈，并清楚标明“开”和“关”的方向。手动关闭阀应安装在易于操作的位置， 阀体又不得直接安装在驾驶室内。 图3.1 手动关闭阀 3．2．1 结构设计 设计的手动关闭阀的结构如图3.2所示。 300W小型垂直轴风力发电机的设计 1——阀体 2——阀芯 3——内螺帽 4——密封膜片 5——外螺帽 6——阀杆 7——手轮 图 3.2 手动关闭阀结构 手动关闭阀实质是截止阀。由上图风力从A端进入B端流出。当旋传手轮7时，可以截止或打开气瓶与风力压力调节器通路。用于截止风力的阀芯2端部设置有密封垫，使截止充分防止泄漏。在阀杆和内螺帽之间安有密封膜片，防止在手动关闭阀打开时风力泄漏。 3．2．2 阀杆设计 根据设计的手动充气阀结构，初步设计阀杆的最小直径为12mm，取材料为1Cr13。 1 阀杆轴向力计算 阀杆轴向力 Q,Q，Q (4.3) FZFZMJ 其中 Q——阀杆轴向力(N) FZ Q——密封力(N) FZ Q——介质力(N) MJ 密封力 Q,,Dbq (4.4) MFmpmMF 由设计结构初定 300W小型垂直轴风力发电机的设计 D,6mm阀座密封面平均直径 mp b,2mm阀座密封面宽度 m 又密封必需比压 q,2p (p为储气压力) ,2，20,40MPaMF 所以 Q,3.14，6，2，40,1507N MF 介质力 ,2 (4.5) Q,DpMJmp4 3.142Q即 ,，6，20,565NMJ4所以阀杆的最大轴向力 Q,Q，Q ,1507，565,2072NFZFZMJ 2 阀杆力矩计算 阀杆力矩 M,M，M (4.6) FFLFD其中 M——阀杆力矩() N,mF M——关闭时阀杆螺纹摩擦力矩() N,mFL M——关闭时阀杆头部与阀瓣接触面的摩擦力矩() N,mFD 关闭时阀杆螺纹摩擦力矩 M,QR (4.7) FLFZFM R,10mm由结构初定关闭时阀杆螺纹的摩擦半径 FM 所以 M,2072，10,20720N,mm FL 关闭时阀杆头部与阀瓣接触面的摩擦力矩 300W小型垂直轴风力发电机的设计 2QRFZO3 (4.8) M0.132Q,FDFZE R,15mm由结构知，阀杆头部球面半径 O 3由阀杆材料知，阀杆材料弹性模数 E,210，10MPa 所以 2，2072，153M ,182N,mm,0.132，2072，FD3210，10 故截止阀力矩 M,M，M ,20720，182,20902N,mmFFLFD 3 阀杆强度校核 由阀杆材料为1Cr13 查得 ,,,,122.5MPa许用拉伸应力 ,,,,73.5MPa许用扭转应力 ,,,,147MPa许用合成应力 , 阀杆所受拉伸应力 QFZ,, (4.9) A QQ2072FZFZ即 ,,18MPa,,,,,,,22A12d,,,,3.14，,,,,,22,,,, 阀杆所受扭转应力 MF, (4.10) ,Wt 20902MMFF,,,,,即 ,,60MPa,, 33W0.2d0.2，12t 阀杆所受合力应力 300W小型垂直轴风力发电机的设计 22 (4.11) ,,,，4,, 2222即 ,,,，4,,18，60,121MPa,,,,,,故满足条件。 3．3 口阀设计 口阀是连接储气瓶和高压管的部件，它由进气口、出气口、手轮、安全装置组成。 口阀的作用是在必要时关闭储气瓶与高压管间的通道。安全装置为爆破片易熔塞组合式。 当遇到意外时，高温将易熔合金熔化，高压将爆破片爆破，使气瓶内的高压风力泄放，以保护 o气瓶。由GB8337-1996《气瓶用易熔合金塞》知，易熔合金熔化温度为，爆破片公称100,5C P爆破压力为水压试验压力，允差为。风力为可风力体，按国家标准螺纹为左旋。 ,5%h 图 4.5 气瓶阀 3．3．1 结构设计 设计的阀结构如图4.6所示。 300W小型垂直轴风力发电机的设计 1——阀体 2——安全阀 3——阀芯 4——内阀帽 5——密封膜片 6——外阀帽 7——阀杆 8——手轮 图 3.3 气瓶阀结构 A端与气瓶相连接，B端连接高压管。安全装置2为爆破片易熔塞组合式，当达到规定条件，爆破片爆破和易熔合金熔化，泄放风力来达到保护储气瓶的信作用。在必要时也可以扭转 手轮8截断气瓶与高压管的通路。阀芯上设置有密封垫，使其通路充分截止。同时在阀杆头部 安在密封膜片，防止风力泄漏。 气瓶阀与手动关闭阀一样都是截止阀，不同之处是气瓶阀设计有安全装置用来保护气瓶。 阀体在结构有也些不同，气瓶阀阀体进口与气瓶相接。所以阀杆设计与手动关闭阀一样。这里 主要设计了安全装置。 3．3．2 泄放直径校核 初步设计泄放直径为。 d,4mm 达到安全泄放满足条件 W,W (4.12) s 其中 kg/hW——设计泄放量() 300W小型垂直轴风力发电机的设计 W——安全泄放量() kg/hs 安全泄放量 32W,2.83，10d,u (4.13) s 式中 压力源进口管内径 d,20mm 3,,0.78kg/m介质密度 介质流速 u,13m/s所以 32W,2.83，10，20，0.78，13 ,11.5kg/hs 设计泄放量 M,55.8, (4.14) WCAPZT式中 额定泄放系数 ,,0.62 气体特性系数 C,0.5 224d,,,,2设计爆破面积 ,,3.14，,12.56mmA,,,,,22,,,, 气体摩尔质量 M,16kg/kmol 气体压缩系数 Z,1.5 进气口温度 T,300k 爆破压力 P,33MPa 所以 16,1352kg/h,W W,55.8，0.62，0.5，12.56，33，s1.5，300 满足条件。 3．4 充气阀设计 充气阀是安装在发电机上，与加气站售气机的加气枪连接后给车用气瓶充装CNG装置的总 称。它由进气接口、单向阀、防尘塞、输气接头组成。它的作用是在加气站储存的高压风力充 装到储气瓶组时，可靠的接通高压充气气路；在充气结束后，能可靠的封闭充气口，防止风力 300W小型垂直轴风力发电机的设计 从充气口泄漏。 图 3.4 加气装置 充气阀结构如图3.5所示。 1——防尘盖 2——加气口 3——单向阀 4——接头 5——密封圈 6——泄放塞 图 3.5 加气口结构 当储气瓶需要加气时，首先拔出泄放塞放出泄漏的风力，再打开防尘盖，把加气站里的加 气枪接到加气口上充气。在充气阀旁连接储气瓶的端安有压力表，用于查看气瓶风力是否不足 或是否充气好。 为了保证不同加气站之间加气插头的通用性，对加气口的接口形状和尺寸国家作了统一规 定。根据QC/T245-1998压缩风力发电机专用装置和安装要求的规定，风力装置就设置单向阀或 截止阀，加气接头采用直径为12mm的插销式结构，并设置能密封系统压力的防尘塞，防止气 体泄漏，在取出防尘塞前，就能泄压。 300W小型垂直轴风力发电机的设计 3．5 其它部件选用 高压管线采用不锈钢无缝钢管或其它车用高压风力专用管线。根据目前国内使用的情况选 用φ8的1Cr18Ni9Ti不锈钢无缝钢管。 高压管接头根据国家规定要用选用符合GB3765-1993《卡套式管接头技术条件》的卡套式管接头，它由接头体、卡套和压紧螺母组成。 选用的压力表量程应储气系统公称工作压力的1.5~2倍，其性能应符合ZBN11001和QC/T8 的有关规定。 各种传感器等按国家相关规定外购选用。 300W小型垂直轴风力发电机的设计 第4章 风力发电机组载荷计算 对于设计：提供强度分析载荷依据，确保各部件承载在设计极限内；优化运行载荷，提高机 组可靠性。 风力发电机组设计等级 300W小型垂直轴风力发电机的设计 在设计计算时，必须考虑下列载荷惯性力和重力载荷由晃动、旋转、重力或地震作用产生的静 态和动态力，空气动力学载荷，静态和动态力，考虑气动弹性。 运行载荷 控制保护系统的影响、瞬时操作载荷，其它载荷（波载，尾流载荷，冲击载荷，冰载）。 载荷计算外部条件 环境条件 风况（最主要的） 其它环境条件（温度、湿度、空气密度、太阳辐射、雨、冰雹、化学作用物质、机械作用颗粒、 雷电、地震、盐雾） 故障工况 所有可能发生的单一故障 多个相关的故障（如处于同一故障链中），需同时考虑 内部故障与外部故障可能需要同时考虑 故障仿真需符合故障描述 故障发生后的保护措施需符合风机设计 必须考虑故障及故障所引发的保护措施可能引起的瞬态响应 适当的外部条件选择 300W小型垂直轴风力发电机的设计 时序仿真概念 300W小型垂直轴风力发电机的设计 第5章 供给系统设计 供给系统包括：桨叶、过滤器、压力调节器、流量控制器、喷射器等。本设计主要设计了 风力压力调节器，对过滤器、流量控制器、喷射器及相关传感器直接选用。 5．1 压力调节器设计 由风力的物化特性知，在气态下风力的体积能量密度很低。而发动机在工作时，却要求风 力压力降到1Mpa左右进入喷射器中。因此风力供给系统中必须要有风力压力调节器。 图 5.1 风力压力调节器 风力压力调节器实质是一种减压器，它的作用是减压和稳压。既要把高压降到一定数值， 又要使输出压力稳定到一定范围。 5．1．1 结构设计 设计的风力压力调节器结构如图5.2所示。 300W小型垂直轴风力发电机的设计 1——阀体 2——阀帽 3——密封膜片 4——调节弹簧 5——阀盖 6——调节螺杆 7——阀瓣 8——阀座 9——阀座弹簧 10——安全阀 图 5.2 风力压力调节器结构 20MPa的压缩风力从A进入减压阀，从B流出就降到0.5MPa。通过调节弹簧和阀座弹簧的平衡作用，保证输入压力始终在0.5MPa。在出口处设置有安全阀，防止减压阀压力过大，保 护减压器。在调节弹簧和阀瓣之间安有密封膜片，防止风力泄漏。 5．1．2 阀口设计 １ 风力质量流计算 已知 b,250g/kw,h消耗率 e 最大功率 P,200kw 3,,0.78kg/m风力密度 故消耗量 bPeB, (5.1) 1000 300W小型垂直轴风力发电机的设计 bP250，200e即 B,,,50kg/h10001000 H,42500J/kg H,38000J/kg 1 所以若风力时，风力的消耗量 BH (5.2) B,1H1 50，42500BH即 ,,60kg/hB,1H380001 所以风力的流量 B1Q, (5.3) 3600, B6031Q,即 ,,0.022m/s3600,3600，0.78 风力的质量流 W,Q, 即 W,Q,,0.022，0.78,0.01716kg/s (5.4) W,0.02kg/s取 1 阀口参数设计 因为临界压力比 k1.4k,11.4,122,,,,*,,,,0.528 ,,,,1.4，1k1，,,,,减压比 0.5p*,,,0.025,, ,1p201 所以流通面积 300W小型垂直轴风力发电机的设计 91.2W (5.5) ,AZk，1 k,12M,,,pk,,j，k1ZT,,式中 p,20MPa进口压力 j 介质系数 ,,0.6 摩尔质量 M,16kg/kmol 绝对温度 T,300k 压缩比 Z,1.5 所以 91.2，0.022 ,4.07mmA,Z1.4，1 1.4,1216,,0.6，20，1.4，，,,1.4，11.5，300,, A,4mm取 Z 2A',3A,3，4,12mm故实际流通面积 ZZ 阀瓣高度满足条件 'AZ, (5.6) HZ,DT DTH, (5.7) Z4 D,0.5DN,0.5，8,4mm又阀口直径 T 所以 A'12ZH,,,0.96mm ZD3.14，4,T D4TH,,,1mm Z44 H,1mm取 Z D,4mmH,1mm所以设计 阀口直径 阀瓣高度 TZ 300W小型垂直轴风力发电机的设计 5．1．3 密封膜片设计 1 材料选择 由于风力压力调节器为高压阀，承受压力大，故选择其材料为1Cr18Ni9Ti，查得其许用应 ,,力,,122.5MPa。 2 应力校核 膜片所受的最大应力 D2m (5.8) ,0.423EP,mc,m 其中 5材料的弹性模数 E,2.2，10MPa ,,0.3mm膜片的厚度 m D,40mm膜片的有效直径 m 所以 4052,,，，，,,,82.2MPa,, 0.4232.2100.5m0.3满足要求。 514 1 材料选择 根据经验初步选择弹簧材料为50CrVA，又因减压阀的工作情况知，其承受的循环应力次数多，故弹簧为I 类弹簧。查资料得弹簧的相关参数： 33,,445MPa切变模量 弹性模数 许用应力 G,79，10MPaE,206，10MPap 2 尺寸设计 根据减压阀的结构，初步选择弹簧参数如下： 调节弹簧 D,30mmd,5mmf,5mm弹簧中径 钢丝直径 弹簧变形量 111 阀座弹簧 300W小型垂直轴风力发电机的设计 弹簧中径 钢丝直径 弹簧变形量 D,14mmd,2mmf,2mm222 安全阀弹簧 弹簧中径 钢丝直径 弹簧变形量 f,2mmD,6mmd,1mm 对密封膜片受力分析如图5.3所示。 F——调节弹簧作用力 ——阀座弹簧作用力 ——介质作用力 FN21 图5.3 密封膜片受力 由图知 F,N，F (5.9) 12 k,20N/mm设阀座弹簧的弹簧刚度 2 则 F,kf,20，2,40N 222 F,N，F,460，40,500N故 12 所以调节弹簧刚度 500F1,,100N/mm k,1f51 安全阀弹簧作用力 F,PA (5.10) h 其中 55P,p,，0.5,0.83MPa泄放压力 hc33 300W小型垂直轴风力发电机的设计 22D4,,,,T有效面积 A,,,3.14，,12.56N,,,,22,,,,所以 F,0.83，12.56,10.5N F10.5k,,,5.25N/mm安全阀弹簧刚度 f23 弹簧强度校核 钢丝直径 KCF (5.11) d,1.6,p其中 K——曲度系数 C——旋绕比 F——弹簧受最大力(N) ,——弹簧许用应力(N) p 旋绕比 D (5.12) C,d 曲度系数 4C,10.615 (5.13) K,，4C,4C 对调节弹簧 D301C,,,6旋绕比 1d51 K,1.25即曲度系数 1 所以 1.25，6，500d,1.6,4.7mm 1445满足条件。 对阀座弹簧 D142C,,,7旋绕比 2d22 300W小型垂直轴风力发电机的设计 即曲度系数 K,1.212 所以 1.25，7，40d,1.6,1.4mm 2445满足条件。 对于安全阀弹簧 D6旋绕比 C,,,1d1 即曲度系数 K,1.25 故 1.25，6，10.5 ,0.7mmd,1.6445满足要求。 ４ 弹簧其它参数设计选择 弹簧的有效圈数 4Gd (5.14) n,38Dk 对于阀座弹簧 43479，10，2Gd1, n,,31338，14，208Dk11 'n,1取支承圈数 1 '''n,n，n则总圈数 ,4,3，1111 H,20mm故取弹簧自由高度 0 H,H,f,20,2,18mm则压缩高度 102 对于调节弹簧 43479，10，5Gd2, n,,2.32338，30，1008Dk22 n,2.5取 2 300W小型垂直轴风力发电机的设计 'n,1取支承圈数 2 "'n,n，n则总圈数 ,2.5，1,3.5222 'H,50mm故取弹簧自由高度 0 ''H,H,f,45,5,40mm则压缩高度 102 对于安全阀弹簧 弹簧有效圈数 434Gd79，10，1 ,9n,,338Dk8，6，1.25 '取支承圈数 n,1 "则总圈数 n,10 "取弹簧自由高度 H,15mm0 ""则压缩高度 H,H,f,15,2,13mm10 表5.1 减压调节器所选用弹簧各参数表 弹簧中径 钢丝直径 变形量 自由高度 压缩高度 弹 簧 种 弹 类 簧 H(mm)D(mm)d(mm)f(mm) H(mm) 参 01数 调节弹簧 30 5 5 45 40 阀座弹簧 14 2 2 20 18 安全阀弹簧 6 1 2 15 13 AB12345 DC 1——外壳 2——内筒 3——垫块 4——接头 图 5.4 加温器 换热元件为圆筒式结构，筒内壁加工有轴向金属锯齿形槽沟，扩大换热面积，外壁中部为 300W小型垂直轴风力发电机的设计 凹形槽，它与加温器外壳紧密配合形成加热水腔。加温水来自发动机的冷却水，流向是从A到B，而风力则是从D到C，加温水与风力流向相反是为了让风力充气加热。同时在内筒3内设计有金属片是为了增加与风力的接触面积，更好的对风力加温。在外壳上设计有放水口。 5．3 其它部件选用 为便于过滤器能滤除CNG中的颗粒物质而又不影响风力的供给，并易于检查和清洗，直接 加装独立的过滤器。 低压气软管及循环水软管采用有衬里的耐油夹胶管，试验压力为工作压力的2倍，破裂压力不小于工作压力的4倍。 风力喷射器的性能优劣直接影响喷射质量，从而影响发动机的性能。选择的风力喷射器要 求有良好的动态响应特性、高温特性、良好的安全性，具有高压逆止作用。 气体流量阀是控制风力量的核心部件，它是由步进电机来驱动控制阀。选用的气体流量阀， 应满足控制精度高、相关传感器安装方便的要求。 电磁阀及其它相关传感器按规定要求外购。 300W小型垂直轴风力发电机的设计 总 结 在本设计的开题论证、课题研究、撰写和论文审校整个过程中，我学到许多新知识， 但是也发现了不少存在的问题。在这次的毕业设计中，能否看懂图纸是关键，要了解图纸上所 标注的是何含义，有何作用。 在这次编制工艺过程中，也犯了不少原本可以避免的错误，但在老师的精心指导下，逐渐 纠正了这些错误，也说明了绘图时规范性。编制工序对我来说，还处于理论方面的知识，在实 践中还是有所欠缺的。当拿到一张零件图纸后，却不知该从何下手了。如何定基准。加工的工 艺路线也前后矛盾。加工时所用的刀具，测量时所需测量工具等等。都不清楚，使我感到十分 困惑。但是在学校技工培训和在威浮有限公司实习期间已对各个方面都有了一定的认识。 这次毕业设计是我们在学校的最后一次课。它将我们平时所学相互结合起来，为我们将来 进入工作做准备。它让我们了解了更多的新知识。 感谢老师、系领导和学校的关心和指导，在设计过程中，结合工作体会和经历，为我完成 设计给予了极大的帮助，为我们上了最后一次重要的课程。 300W小型垂直轴风力发电机的设计 致 谢 在本设计的开题论证、课题研究、论文撰写和论文审校整个过程中，得到了老师的亲切关 怀和精心指导，使得本设计得以顺利完成，其中饱含了老师的汗水和心血。老师敏锐的学术思 想、严谨踏实的治学态度、渊博的学识、精益求精的工作作风、诲人不倦的育人精神，将永远 铭记在学生心中，使学生终生受益。在此我们向老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。同时也感 谢班主任老师在这三年来对我们的虚心的教导。 感谢学校给我们提供设计场地，和系领导的关心和指导，在设计过程中，结合工作体会和 经历，提出了许多建设性的观点，为我完成设计给予了极大的帮助。 感谢机电工程系的领导和老师对我的关心和帮助。 再次感谢所有支持和帮助过我的领导、老师、同学们。 300W小型垂直轴风力发电机的设计 参考文献 [1] 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) . 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