风力机的机械设计.
风力发电机主机构造
风力发电机主机构造
风力发电机是利用风能转换成电能的装置，它的主要构造包括
风轮、发电机和塔架。
风轮是风力发电机的核心部件，它由叶片、
轴承和主轴组成。
叶片是风轮的关键部件，它的设计和制造直接影
响着风力发电机的效率和性能。
叶片的材料通常采用玻璃钢或碳纤
维复合材料，以确保其轻量化和耐久性。
轴承和主轴则负责支撑叶
片的旋转运动，同时将风能转化为机械能。
发电机是将风能转换为电能的关键部件，它通常采用的是永磁
同步发电机或异步发电机。
当风轮转动时，通过发电机内部的转子
和定子之间的磁场作用，将机械能转化为电能。
发电机的设计和制
造需要考虑到高效能转换和稳定输出电能的要求，同时也需要考虑
到在恶劣环境下的可靠性和耐久性。
塔架是支撑风力发电机的结构，它通常采用钢结构或混凝土结构。
塔架的高度直接影响着风力发电机的发电效率，因为风速随着
高度的增加而增加，所以较高的塔架能够更好地捕捉到更强的风能。
同时，塔架的稳固性和耐久性也是设计和制造的重点。
总的来说，风力发电机主机的构造需要考虑到材料的轻量化、
强度和耐久性，以及高效能转换和稳定输出电能的要求。
不仅如此，还需要考虑到在恶劣环境下的可靠性和安全性。
随着科技的不断进步，风力发电机的构造也在不断改进，以更好地满足清洁能源的需求。
机械工程中风力发电机组的塔筒结构设计
机械工程中风力发电机组的塔筒结构设计风力发电机组作为一种清洁能源的发电装置，具有环保、可再生的特点，越来越受到人们的关注和重视。
而其中的重要组成部分之一，就是塔筒结构的设计。
塔筒作为支撑发电机组的重要构件，其结构设计直接关系到风力发电机组的安全性、稳定性和寿命。
本文将就机械工程中风力发电机组的塔筒结构设计进行分析和探讨。
首先，塔筒结构的设计需要考虑到塔筒的高度、直径和材料选择。
塔筒高度的确定需要综合考虑多方面因素，比如风力资源的利用情况、机组型号和负荷要求等。
一般来说，风力资源丰富的地区可以选择较高的塔筒，以提高风能利用效率。
而机组型号和负荷要求则决定了塔筒的承载能力，需要根据实际情况进行计算和分析。
其次，对于塔筒的直径设计也是非常重要的。
塔筒直径的选择直接影响到机组的内部结构布置和维护空间。
在确定直径时，需要考虑到塔筒的强度、刚度和其他结构要求。
一般来说，直径较大的塔筒可以增加其承载能力，但同时也会增加负荷和成本。
因此，在设计中需要进行综合分析，找到直径和成本之间的平衡点。
另外，塔筒的材料选择对其结构设计同样至关重要。
塔筒一般需要具备较高的强度和刚度，以保证其在风力作用下的安全性和稳定性。
常见的材料包括碳钢、合金钢和钢筋混凝土等。
需要根据实际需求和经济因素进行选择。
同时，为了提高塔筒的防腐性能和使用寿命，还可以采用防腐涂层等措施。
在塔筒结构的设计中，还需要考虑到风向、风速等外部环境因素的影响。
塔筒一般需要能够抵御较大的风载荷和地震力，并能够保持稳定性。
因此，在设计中需要进行风洞试验和结构计算，以确定塔筒的稳定性和安全性。
同时，还需要考虑到塔筒在不同风向下的受力情况，以保证其整体的稳定性。
此外，塔筒结构的设计还需兼顾制造、运输和安装等方面的要求。
塔筒一般是在工厂内进行制造，并以分段的形式进行运输和安装。
在设计中，需要考虑到分段装配的准确性和工艺性，使得整个塔筒能够按照计划进行制造、运输和安装。
同时，还需要考虑到对环境的影响，例如塔筒的拆解和废弃处理等问题。
塔式风力发电机的设计与优化研究
塔式风力发电机的设计与优化研究随着环保意识的不断提高和可再生能源的兴起，风力发电成为了一种越来越重要的能源，而在风力发电中，塔式风力发电机也逐渐受到了关注。
作为一种新型的风力发电设备，塔式风力发电机具有体积小、造型美观等优势，因此在城市较为密集的地区也能得到充分的应用。
但是，目前来看，塔式风力发电机的设计和优化研究仍处于初级阶段，如何提高其效率，让其发挥更大的作用，是亟待我们解决的问题。
一、塔式风力发电机的工作原理塔式风力发电机是一种通过利用风能生成电能的设备。
它由塔架、机舱、叶片、发电机和控制系统等主要部件组成。
当风通过叶片时，叶片的曲率使空气流动发生加速，从而使叶片运动。
当叶片运动时，叶片上设有发电机，利用磁场的变化来产生电力，从而实现发电的功能。
二、塔式风力发电机的优化设计1. 叶片设计叶片是塔式风力发电机的核心部件，其设计是否合理直接影响到发电效率。
在设计叶片时，应考虑叶片强度、形状、长度等因素，以及风能的流场参数等。
此外，对于多叶片结构的风力机来说，叶片间的空隙和叶片数目也需要进行优化设计。
2. 机舱设计机舱是塔式风力发电机的机械部件，是风力机转动的关键部分。
在设计机舱时，需要考虑机舱的材料、尺寸、通风性等因素。
同时，也要考虑机舱中各部件的布局，保证机舱内部空间的合理分配。
3. 塔架设计塔架是塔式风力发电机与地面或平台之间的连接部分，其设计需要考虑塔架的高度、材质、结构等因素。
在选择塔架高度时，需要考虑风场的特征，以及塔架所处的环境和地形等因素，从而选择最合适的高度。
4. 控制系统设计控制系统是塔式风力发电机的智能化管理和控制部分，其设计应根据发电机的输出功率和风速等参数，进行自动调节和控制。
此外，还应考虑控制系统与其他部件之间的联动性，以及控制系统的可靠性和数据采集等方面的问题。
三、塔式风力发电机的优化研究1. 增加转子面积增加转子面积可以提高塔式风力发电机的捕风面积，使其可接收更多的风能，并提高发电效率。
风力涡轮机结构
风力涡轮机结构
风力涡轮机主要由塔筒、机舱、轮毂和叶片组成。
塔筒是风力涡轮机的支撑结构，它将机舱、轮毂和叶片举到高处，以获得更好的风能。
塔筒通常由钢材或混凝土制成，高度从几十米到上百米不等。
机舱位于塔筒顶部，内部装有风力发电机的核心部件，如发电机、变速箱、控制器等。
机舱还配备有各种传感器和监控设备，用于监测风力涡轮机的运行状态。
轮毂是连接叶片和机舱的部分，它将叶片的旋转传递到机舱内部的发电机。
轮毂通常由钢材制成，具有足够的强度和刚度来承受叶片的重量和旋转力。
叶片是风力涡轮机的核心部件，它通过捕获风能并将其转化为机械能来驱动发电机。
叶片通常由复合材料制成，如玻璃纤维和碳纤维增强塑料，具有轻质、高强、耐腐蚀等优点。
除了以上主要部件外，风力涡轮机还包括其他辅助设备，如偏航系统、刹车系统、电缆等。
这些部件协同工作，确保风力涡轮机能够高效、稳定地运行。
随着技术的不断进步，风力涡轮机的结构设计也在不断优化，以提高效率、降低成本和增强可靠性。
同时，为了适应不同的风场条件和应用场景，风力涡轮机的结构也在不断创新和发展。
风力发电机叶片除冰机器人的结构和功能设计
0 引言由于我国大量风力发电机分布在北方高寒地区且大型化趋势明显，因此在运行中因冰雪覆盖而造成的运行故障、设备老化、安全隐患和发量损失成为亟需解决的问题[1-2]。
在风电场运行阶段，覆冰会导致风速和风向出现测量误差，使风电机组偏航；同时，还会改变叶片翼型和表面粗糙度，影响气动特性和发电出力[2]。
覆冰可导致叶片质量失衡，使其产生振动和共振；在低温条件下，润滑油黏性和润滑特性的改变可能间接影响机械元件的运转特性，导致变速箱等元件过热、加速老化，从而使风机寿命大幅缩短。
不仅如此，雪水渗流还可能导致控制系统失灵。
当叶片旋转时，叶片覆冰可被抛射至相当于叶片顶端高度1.5倍的地方，可能造成安全事故[2-5]。
此外，因覆冰而导致的电量损失约占年度发电量的5%~25%[6]。
为了解决覆冰问题，国内外研究人员研发了多种风力机叶片防除冰技术和方法，其中主要包括主动停机、防水防冰涂料、热空气技术、电磁脉冲技术、超声波和低频振动技术[7]。
由于风力机所处环境复杂且技术尚不成熟，因此除无须进行任何改造或者设备增添的主动停机之外，其他技术均处于理论研究和试验阶段。
例如，涂抹防冰剂效果不明显且需要人工操作，存在较大的安全隐患；停机等待覆冰自行融化耗时长，存在抛冰风险；人工作业除冰安全风险大。
总之，现有技术在能耗、工艺和安全等方面都有各自的缺陷。
为了解决上述问题，该文设计了一款风力机叶片除冰机器人，它能够高效、智能地去除风力机叶片上的积冰，减少停机时间，提高发电效率，避免人工除冰的安全隐患。
1 整体设计风力机叶片除冰机器人的设计目标是安全、高效和智能地完成风力机叶片防冻除冰作业，主要的功能模块包括移动机组、图像识别系统、热风除冰系统、预防系统以及远程控制系统，设计思路是集各模块功能于一体，通过建模完成风力机叶片除冰机器人的结构设计（图1），再根据模型选材、叶片的承载能力，并结合理论计算预测该机器人的相关参数（表1）。
2 功能模块设计风力机叶片除冰机器人各功能模块的工作流程如图2所示。
风力机垂直轴
风力机垂直轴全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：风力机是一种利用风能转化为电能的设备，广泛应用于风能资源丰富的地区。
在风机的设计中，垂直轴风力机是一种常见的设计方案。
相对于水平轴风力机，垂直轴风力机的优势在于其构造简单、不受风向影响、噪音更小等特点，因此备受关注和研究。
垂直轴风力机主要由轴、桅杆、叶片、转子、发电机等部分组成。
轴是连接叶片和发电机的关键部件，负责传动叶片运动产生的动力并输出到发电机。
桅杆是支撑整个风力机的部分，需要具有足够的强度和稳定性以承受叶片受风力带来的力量。
叶片是将风能转化为机械能的部分，设计合理的叶片可以提高风力机的效率。
转子则是由轴、叶片等部分组成的整体，负责传递叶片的转动力量。
垂直轴风力机的工作原理是利用风力带动叶片转动，通过轴传递叶片的动力到发电机，最终产生电能。
在风力机设计中，叶片的形状和数量、叶片与轴之间的夹角等因素都会影响风力机的性能。
因此在设计阶段需要对这些参数进行合理的选择，以提高风力机的效率和产能。
垂直轴风力机相较于水平轴风力机在一些方面具有优势。
垂直轴风力机的叶片可以在任何风向下都可以受到均匀的力，不受风向限制，因此可以在不同风力和风向下保持高效工作。
垂直轴风力机的噪音更小，由于叶片受风力方向的变化较小，产生的空气湍流和振动也较小，减少了风力机运行时的噪音污染。
垂直轴风力机的维护成本相对较低，因为轴承和传动系统的设计更为简单，易于维修和更换零部件。
垂直轴风力机也存在一些不足之处。
相对于水平轴风力机，垂直轴风力机在技术上要求更高，设计和制造成本也更高。
垂直轴风力机的发电效率相对较低，因为叶片的设计和布局可能导致风阻增大，影响发电效果。
垂直轴风力机的运行稳定性相对较差，在风力强大时容易受到外部影响产生过大的运转压力。
第二篇示例：风力机是一种利用风能转变为机械能或电能的设备，通过对风力机不同轴向的分布可分为水平轴风力机和垂直轴风力机。
本文将重点介绍垂直轴风力机，探讨其原理、优缺点以及应用领域。
风力发电机设计（含全套CAD图纸）
学科门类 ： 单位代码 ：毕业设计说明书（论文）中文题目：20千瓦风力发电机设计外文题目：20 KILOWATT WIND-DRIVEN GENERATOR DESIGN学生姓名所学专业班 级学 号指导教 师XXXXXXXXX 系二 ○ **年 X X 月本科毕业设计（论文）开 题 报 告题 目 20 千瓦风力发电机设计指 导 教 师院（系、部）专 业 班 级学 号姓 名日 期一、选题的目的、意义和研究现状自然界的风是可以利用的资源，然而，我们现在还没有很好的对它进行开发。
这就向我 们提出了一个课题：我们如何开发利用风能？自然风的速度和方向是随机变化的，风能具有不确定特点，如何使风力发电机的输出功 率稳定，是风力发电技术的一个重要课题。
迄今为止，已提出了多种改善风力品质的方法， 例如采用变转速控制技术，可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。
由于变转速风力发电组 采用的是电力电子装置，当它将电能输出输送给电网时，会产生变化的电力协波，并使功率 因素恶化。
因此，为了满足在变速控制过程中良好的动态特性，并使发电机向电网提供高品质的电 能，发电机和电网之间的电力电子接口应实现以下功能：一，在发电机和电网上产生尽可能 低的协波电波；二，具有单位功率因素或可控的功率因素；三，使发电机输出电压适应电网 电压的变化；四，向电网输出稳定的功率；五，发电机磁转距可控。
此外，当电网中并入的风力电量达到一定程度，会引起电压不稳定。
特别是电网发生短 时故障时，电压突降，风力发电机组就无法向电网输送能量，最终由于保护动作而从电网解 列。
在风能占较大比例的电网中，风力发电机组的突然解列，会导致电网的不稳定。
因此， 用合理的方法使风力发电机组电功率平稳具有非常重要的意义。
风力发电对电网的不利影响可以用储能技术来改善。
例如，用超导储能技术使风力发电 机组输出电压和频率稳定。
另外，飞轮储能技术发展较为成熟，具有使用寿命长，功率密度 高，基本上不受充电，放电次数的限制，安装维护方便，对环境无危害等优点。
风力发电机结构及原理
风力发电机结构及原理机舱：机舱包容着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。
维护人员可以通过风电机塔进入机舱。
机舱左端是风电机转子，即转子叶片及轴。
转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。
现代600 千瓦风电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20 米，而且被设计得很象飞机的机翼。
轴心：转子轴心附着在风电机的低速轴上。
低速轴：风电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。
在现代600 千瓦风电机上，转子转速相当慢，大约为19 至30 转每分钟。
轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。
齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50 倍。
高速轴及其机械闸：高速轴以1500 转每分钟运转，并驱动发电机。
它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风电机被维修时。
发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。
在现代风电机上，最大电力输出通常为500 至1500 千瓦。
偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。
偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。
图中显示了风电机偏航。
通常，在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。
电子控制器：包含一台不断监控风电机状态的计算机，并控制偏航装置。
为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风电机操作员。
液压系统：用于重置风电机的空气动力闸。
冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。
此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。
一些风电机具有水冷发电机。
塔：风电机塔载有机舱及转子。
通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。
现代600 千瓦风汽轮机的塔高为40 至60 米。
它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。
管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。
格状的塔的优点在于它比较便宜。
风速计及风向标：用于测量风速及风向。
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
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二、轮毂材料与检验
轮毂可用铸钢铸造或由钢板焊接而成。
——铸件不能有铸造缺陷（夹渣、缩孔、 砂眼、裂纹等），否则重新浇铸。 ——对焊接件的焊缝要进行超声波检查。 大型风力机叶轮的轮毂可用加延长节的 方式，简化轮毂的制造，减少出现各种 缺陷的可能。 对轮毂（和延长节）要进行静强度和疲 劳强度分析。
佳
2）风压式 利用风压中心与转轴中心不重合的特点。 3）伺服机构式
二、失速调节
1、失速现象 当桨叶上的攻角增大到一定数值时，在翼型上翼面 流 动的气流产生偏离而不能附着在上面（称为脱落或分离） 的现象。
W -U
V
V≤额定风速 正常气流
W -U
V
V>额定风速 ——失速
几点说明：
§3.4 塔架
型式
有拉索式 无拉索式 桁架式 圆筒式 塔架高度
§3.5 调速（限速）方式
在一定的风速变化范轮输出功率：P=1/2CpSV13 ——改变S：叶轮侧偏 ——改变Cp：变桨距、失速 。
一、变桨距调节
1、调节原理 —— 与CL及Cp关系； ——利用= - （桨距角 ） 2、实现方式 全桨叶变桨距，叶尖局部变桨距。 全桨叶变桨距方式 1）离心式
三、桨叶的强度计算
桨叶的危险剖面：桨叶根部。 考虑桨叶处于水平和垂直两个特殊方位时的强
度计算。 1、桨叶处于水平位置 叶根载荷： ——重力矩（最大）； ——气动推力产生的弯矩； 弯曲应力 ——扭转力矩产生的弯矩； ——离心力： 拉应力
2、桨叶处于垂直位置
偏航时的陀螺力矩为：
M=2J sint ——当t为0（即处于水平位置）时，M为 0； ——当t为±90时，M最大。 外加其它正常作用的载荷，桨叶根部应 力最大。
2、铰链式连接（柔性连接）
常用于两叶片叶轮。铰链轴分别垂直于叶片轴
和叶轮转轴——挥舞运动不受约束。 如果两个叶片固连成一体，特称为跷跷板铰链， 可使桨叶在旋转平面前后几度（如5度）的范 围内自由摆动，以便更利于锥角效应。 变桨距叶轮中的桨叶转轴另行介绍。 但扭转力矩变化较大，叶轮躁声大，结构复杂。
§3.6 桨叶设计中的若干问题
3.6.1 叶轮的总体参数
一台设计良好的风力机必须具有良好的空气 动力性能。 风力机的空气动能主要表现为叶轮的空气动 力性能。 叶轮的空气动力性能主要取决于它的气动设 计。 气动设计时，必须先确定总体参数。这也是 进行方案设计所必需的。
600kw风力机用的齿轮箱
二、机械刹车
一般有两种刹车装置：
——运行刹车：正常情况下反复使用。 ——紧急刹车：出现运行故障时使用。 安置位置：低速端或高速端。
三、空气动力刹车
用途：常用于失速型风力机的超速保护，
作为机械刹车的补充。 原理：通过改变桨叶的升阻比。 实现：常通过超速时的离心作用。
§3.3 对风装置
为了使风力机有效地捕捉风能，应保证叶 轮始终基本上处于迎风状态。 这里简单介绍电动对风装置。 大中型风力机中普遍使用电动对风装置。 一、系统组成 风向标，控制电路，偏航齿轮，伺服电机， 刹车等。
二、对风原理
三、其它问题
偏航角速度：
0.026~0.035rad/s (1/4r/m~1/3r/m) 回转制动器的应用： 保证对风可靠。
正常流动时，流线平滑且流过上翼面。这种流动从翼
型前缘邻近到剖面的最大压力点处是加速进行的，然 后沿着上翼面的其余部分到后缘缓慢减速。对于保持 附着在上翼面的流动来说，这种减速必定是非常缓慢 的。 当攻角足够大（大于失速攻角）时，上述的“减速” 加大而使附面层无法保持，使气流从翼型表面分离— —失速。 一般来说，失速攻角在12°左右（大致相当于升力系 数为1. 2）。同时，它在很大程度上还取决于翼型形 状和雷诺（Reynolds）数。 未失速的翼型具有低阻力且升力系数随攻角线性增加 的特性。而失速的翼型阻力加大，升力大大降低。
3、失速调节的特点
优点
——无变桨距调节时的运动机构，轮毂结构简化， 生产成本降低，维护费用减少。 ——失速后，阵风对叶轮的输出功率影响不大， 即 该功率不会随阵风出现太大的波动。因此风力机 无 需进行功率调节，进而省去功率调节系统的费用。
缺点
——需可靠的刹车以免在风速过大失速消失后出现飞车， 这导致了额外的费用。 ——由于随风速的增加，气动推力加大，即便功率恒定 或稍有下降。此时叶片、机舱和塔架上将承受较高的 动态载荷。 ——在频繁的刹车过程中，使叶片与传动系统产生较大 的动载荷。 ——起动风速较高，使起动性较差。 ——在低空气密度地区难以达到额定功率。
2、失速调节
根据翼型上升力L、阻力D与驱动力矩T、推力F之间
的关系以及叶轮输出功率P=T，失速时的驱动力矩不 再增加，使叶轮的转速维持近似的恒定，而功率也不 再增加。 由于叶尖处的安装角 较小，其攻角较大而接近失速 状态。一旦风速超过额定值，叶尖首先进入失速状态。 叶轮输出的最大功率对叶片的安装角的变化很敏感， 大体上是安装角越大，开始失速时的风速越大，而最 大功率也越高。采用失速调节时的安装角应该相当准 确，以免不必要的空气动力损失而影响出力。
第三章 风力机的机械设计
叶轮 传动装置 偏航装置
塔架 附属部件 转速调节
§3.1、叶轮
由轮毂和相连接的叶片组成。
讨论要点：
——轮毂与桨叶的连接型式 ——轮毂材料与检验 ——桨叶的强度计算
一、轮毂与桨叶的连接型式
1、固定连接（刚性连接） 三叶片叶轮大多用此连接方式。 制造成本低，较少维护，无磨损。 但要承受所有来自叶片的载荷。 连接用螺栓的材质要好，外加防松装置。
§3.2 齿轮箱与刹车
大型风力机的转速大多在30~50rpm之间，
也有更低的（考虑桨叶离心力与叶尖线速 度） ，与发电机之间存在较大的转速差。故设 置 传动装置——齿轮箱。 传动装置包括：增速器、联轴器等。
一、齿轮箱
基本要求：
重量轻、效率高（尤其对大型风力机）、 承载能力大、躁声小、起动力矩小。 类别： 定轴齿轮传动 齿轮传动 行星齿轮传动 混合轮系传动