小型家用立軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙昕 霍斌

摘要：本文介紹小型家用立軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)背景及重要意義，進(jìn)行了傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力;發(fā)電機(jī);立軸

0引言

隨著全球能源危機(jī)、環(huán)境問題的不斷凸顯，越來越多的國(guó)家及地區(qū)開始重視風(fēng)電的開發(fā)與利用。風(fēng)能作為一種清潔能源，具有蘊(yùn)藏量豐富、可再生、分布廣、無污染等特性，使之成為可再生能源發(fā)展的重要方向。

相比大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)簡(jiǎn)單、體型小、可靠性更高，并能在低風(fēng)甚至無風(fēng)的情況下繼續(xù)工作，是山區(qū)、牧區(qū)、農(nóng)村等偏遠(yuǎn)地區(qū)可靠的供電途徑，解決當(dāng)?shù)赜脩粲秒娦枨?。在中?guó)大部分的區(qū)域，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)特別適合在平均風(fēng)速為3m/s缺電的山區(qū)和偏遠(yuǎn)地區(qū)。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)僅使用有限的材料和較少的土地，滿足了居民的電力需求，改善了農(nóng)村的生活條件，縮小了城鄉(xiāng)差距。隨著國(guó)家不斷出臺(tái)相關(guān)扶植政策，小型家用風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為分布式電源的一種，以其小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發(fā)電模式成為一種新型的、具有廣闊發(fā)展前景的發(fā)電方式和能源綜合利用方式。

1 立軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

通過研究小型家用立軸發(fā)電機(jī)組的適用環(huán)境，探討立軸風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，分析該風(fēng)機(jī)在一定速度的風(fēng)流中綜合受力情況和風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩的變化情況，提出一種新型家用立軸風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)。

本設(shè)計(jì)為一種小型家用立軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、調(diào)向器、塔架、限速安全機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能裝置和逆變器等構(gòu)件組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，故障率低，維護(hù)方便;能夠解決農(nóng)村、牧區(qū)、山區(qū)用戶用電需求，具有廣闊發(fā)展前景。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵零部件強(qiáng)度校核

該小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理為：在風(fēng)的吹動(dòng)下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來，使空氣動(dòng)力能轉(zhuǎn)變成了機(jī)械能（轉(zhuǎn)速+扭矩）。通過增速系統(tǒng)和離合器使轉(zhuǎn)矩和扭矩傳遞到風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸上，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，從而使永磁三相發(fā)電機(jī)發(fā)出三相交流電。風(fēng)速的不斷變化、忽大忽小，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流和電壓也隨著變化。發(fā)出的電經(jīng)過控制器的整流，由交流電變成了具有一定電壓的直流電，并向蓄電池進(jìn)行充電。從蓄電池組輸出的直流電，通過逆變器后變成了220伏的交流電，供給用戶的家用電器。

采用帆翼式風(fēng)葉，帆翼式是英國(guó)發(fā)展的一種立軸帆翼式風(fēng)力機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能較高。由于其制造簡(jiǎn)單，成本低，性能好，所以適于推廣使用。

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是安裝在樓頂或屋頂上的，所以盡量選擇體積小、重量輕、性能穩(wěn)定的設(shè)備。行星傳動(dòng)是風(fēng)電齒輪箱中較為常見的傳動(dòng)方案。其優(yōu)點(diǎn)主要有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，重量比較輕，傳動(dòng)比大可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的合成和分解，效率較高，功率損失小，齒輪傳動(dòng)穩(wěn)定，抗沖擊振動(dòng)能力強(qiáng)。根據(jù)所提供的參數(shù)，經(jīng)過方案的對(duì)比，選擇一級(jí)行星傳動(dòng)+兩級(jí)平行軸傳動(dòng)的方案。確認(rèn)其傳動(dòng)方案后，進(jìn)行對(duì)齒輪箱太陽輪，行星輪和平行軸齒輪的相關(guān)設(shè)計(jì)和材料的選擇，對(duì)各個(gè)齒輪進(jìn)行幾何尺寸設(shè)計(jì)和主要參數(shù)進(jìn)行一系列計(jì)算，并對(duì)其校核，對(duì)齒輪箱進(jìn)行潤(rùn)滑和密封選擇，從而完成增速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作環(huán)境惡劣，受力情況復(fù)雜，所以對(duì)所選的材料除了要滿足機(jī)械強(qiáng)度的條件外，還應(yīng)該考慮在溫差較大和惡劣環(huán)境的條件下，材料所具有的特性選擇合適的材料。綜合考慮選擇球磨鑄鐵作為齒輪箱的箱體，其他箱體部分材料選擇QT600-2，軸承座的箱體的材料選擇40Cr。選擇太陽輪和行星輪的材料為18CrNiMo7。

3 結(jié)論

針對(duì)山區(qū)、牧區(qū)、農(nóng)村等偏遠(yuǎn)地區(qū)用戶可靠用電的需求，設(shè)計(jì)了一種新型的小型家用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。研究小型家用發(fā)電機(jī)組的適用環(huán)境，分析該風(fēng)機(jī)在風(fēng)流中綜合受力情況和風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩的變化情況，提出一種新型家用立軸風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，并完成了相關(guān)零部件的強(qiáng)度校核計(jì)算。

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基金項(xiàng)目：大連科技學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（X202013207101），小型家用立軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)

作者簡(jiǎn)介：趙昕（1987-），女，遼寧省大連市，大連科技學(xué)院，副教授，研究方向風(fēng)電齒輪箱、激光焊接工藝。

大連科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連?116052