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题，开发了一种以风力的发动机。

关键词：风力发电机小型风力发电机风力垂直轴AbstractKey words：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。

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。

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。

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MJ FZ FZ Q Q Q += (4.3)其中FZ Q ——阀杆轴向力(N) FZ Q ——密封力(N) MJ Q ——介质力(N)密封力MF m m p MF q b D Q π=(4.4)由设计结构初定阀座密封面平均直径mm D m p 6= 阀座密封面宽度mm b m 2=又密封必需比压p q MF 2=MPa 40202=⨯= (p 为储气压力) 所以N Q MF 1507402614.3≈⨯⨯⨯=介质力p D Q mp MJ 24π=(4.5)即MJ Q 206414.32⨯⨯=N 565≈ 所以阀杆的最大轴向力MJ FZ FZ Q Q Q +=5651507+=N 2072=2阀杆力矩计算阀杆力矩FD FL F M M M += (4.6)其中F M ——阀杆力矩(m N ⋅)FL M ——关闭时阀杆螺纹摩擦力矩(m N ⋅)FD M ——关闭时阀杆头部与阀瓣接触面的摩擦力矩(m N ⋅)关闭时阀杆螺纹摩擦力矩FM FZ FL R Q M = (4.7)由结构初定关闭时阀杆螺纹的摩擦半径mm R FM 10= 所以mm N M FL ⋅=⨯=20720102072关闭时阀杆头部与阀瓣接触面的摩擦力矩32132.0ER Q Q M OFZ FZ FD = (4.8) 由结构知，阀杆头部球面半径mm R O 15=由阀杆材料知，阀杆材料弹性模数MPa E 310210⨯= 所以331021015207222072132.0⨯⨯⨯⨯⨯=FD M mm N ⋅≈182 故截止阀力矩FD FL F M M M +=mm N ⋅=+=20902182207203 阀杆强度校核由阀杆材料为1Cr13 查得 许用拉伸应力[]MPa 5.122=σ 许用扭转应力[]MPa 5.73=τ 许用合成应力[]MPa 147=εσ阀杆所受拉伸应力AQ FZ=σ (4.9) 即22⎪⎭⎫ ⎝⎛==d Q A Q FZ FZ πσ[]σ<≈⎪⎭⎫⎝⎛⨯=MPa 1821214.320722阀杆所受扭转应力tFW M =τ (4.10)即32.0dM W M F t F ==τ[]τ<≈⨯=MPa 60122.0209023阀杆所受合力应力224τσσε+= (4.11)即224τσσε+=[]εσ<≈+=MPa 121601822 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，以保护气瓶。

由GB8337-1996《气瓶用易熔合金塞》知，易熔合金熔化温度为C o 5100±，爆破片公称爆破压力为水压试验压力h P ，允差为%5±。

风力为可风力体，按国家标准螺纹为左旋。

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。

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mm d 4=。

达到安全泄放满足条件s W W ≥ (4.12)其中W ——设计泄放量(h kg /)s W ——安全泄放量(h kg /)安全泄放量u d W s ρ231083.2⨯= (4.13)式中压力源进口管内径mm d 20= 介质密度3/78.0m kg =ρ 介质流速s m u /13= 所以1378.0201083.223⨯⨯⨯⨯=s W h kg /5.11≈设计泄放量ZTMCAPW λ8.55= (4.14) 式中额定泄放系数62.0=λ 气体特性系数5.0=C设计爆破面积22⎪⎭⎫ ⎝⎛=d A π2256.122414.3mm =⎪⎭⎫⎝⎛⨯=气体摩尔质量kmol kg M /16= 气体压缩系数5.1=Z进气口温度k T 300= 爆破压力MPa P 33= 所以3005.1163356.125.062.08.55⨯⨯⨯⨯⨯⨯=W s W h kg >≈/1352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。