机械毕业设计论文风力发电机组刹车及偏航系统设计全套图纸.docx

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1、第一章绪论1.1引言风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大,全球的风能约为2.74X109MW,其中可利用的风能为2义107MW,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。A3-制动器刹车夹闸任务书设计说明书摘要+目录工作原理图A3全套图纸，加153893706由于风能是一种不消耗矿物燃料的可再能源。风电的使用，相当于节省相同数量电能所需的矿物燃料。其对环境的明显正面影响为：(1)减少向大气排放粉尘，CO2、NOx、SOXo我们以煤电为例，根据我国当前最普遍使用的30万千瓦蒸汽轮发电机组现状。每发1万kwh的电，消耗约4吨标准煤；向大气排放粉尘约0.5吨；CO2约1

2、0吨；NoX约0.05吨；SOX约0.08to到2015年若风电的发电量占全国所需电量的5%,即约4000亿kwh,风电的装机容量约为1.5亿千瓦(风电的容量系数小，相当于煤电的装机容量0.7亿千瓦)，则每年可节省约1.6亿吨标准煤，可减少向大气排放粉尘约2000万吨；CO2约4亿吨；NOX约200万吨；SoX约320万吨。(2)减少因开发一次能源如煤、石油、天然气，所造成的环蝇问题。一次能源的开采除了在砂漠地区外，通常要毁坏森林，良田和原有的各种植被。而海上油田的开采往往给海洋生态带来不可恢复的破坏。与同样是可再生能源的水电相比较，风电没有水电所存在的问题。(4)风力发电场比燃煤电厂可节省大

3、量淡水资源，减少水环境污染。特别是对缺少淡水资源的沿海及干旱地区更重要。(5)旅游区风力机群也是一道风景线，可在一定程度上反映经济、文化、环境相融洽的程度，为我国旅游业添加新活力。(6)通过风电场开发建设的实物教育，可增强公众开发自然资源、保护环境的意识。(7)促进风力发电及相应的产业链条发展，如：风电设备制造、运输安装等。1.2 风力发电行业发展现状1.2.1 世界风力发电行业发展现状在过去的5年间，风电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快能源的地位。2005年以来，全球风电累计装机容量年平均增长率为27.3%,新增装机容量年平均增长率为36.1。根据丹麦BTM咨询公司报

4、告，2009年全球有超过3810.3万kW的新增装机容量并入电网，营业总额达到500亿欧元。截至2009年底，全世界风电累积装机总容量约为1.6亿kW,同比上年增长31%.目前，风电的年发电量约3400亿kWh,风力发电量已经占到世界总发电量的2%以上。在累计装机容量上，欧洲仍然是风力发电市场的领导者，截至2009年底，其累积装机总容量为7655.3万kW,占全世界风电总装机的47.9%,提前超额完成了到2010年风电装机容量达到4000万kW的目标。但是，在2009年新增装机容量方面，欧洲只占28.2%,北美洲达到39.3%,亚洲达到30%0,欧洲已经失去其领先的地位了，中国和美国成了推动全

5、球风电产业的火车头。目前，德国、西班牙和意大利三国的风电机组的装机容量约占到欧洲总量的65。近年来，在欧洲大力发展风电产业的国家还有法国、英国、葡萄牙、丹麦、荷兰、奥地利、瑞典、爱尔兰。欧洲之外，发展风电的主要国家有美国、中国、印度、加拿大和日本。迄今为止，世界上已有82个国家在积极开发和应用风能资源。风电在未来20年内将是世界上发展最快的能源。根据丹麦RlSy国家研究实验室对安装在丹麦的风电机组所进行的评估，从1981-2002年间，风电成本由15.8欧分/kWh下降到4.04欧分/kWh,预计2010年度电成本下降至3欧分/kWh,2020年降低至2.34欧分/kWh。海上风力资源条件优于

6、陆地，陆地适于安装风电机组的场址有限，以及在陆地安装风电机组对景观造成影响，产生的噪音可能影响周围的居民。将风电场从陆地向近海发展在欧洲已经成为一种新的趋势。有人把风电的发展规划为3步曲，陆上风电技术（当前技术）一近海风电技术（正研发技术）一海上风电技术（未来发展方向）。目前近海风电场的开发主要在欧洲的丹麦、英国、荷兰、瑞典、德国等国家。到2009年底，已有834台共211万kW的风电机组在海上风电场投入运行，约占全球累计风电装机容量的1.3%.2009年新增海上风电场9个，新增海上装机容量68.9万kW,新增海上风电机组224台，最小单机功率为2MW,最大装机功率5MW。其中：英国新建3个海

7、上风电场（30.6万kW）、丹麦一个（20.7万kW）德国一个（6万kW）。这些海上风电场60%都在浅海区。近海风电场市场广阔，成为欧洲发展风电产业的新动力。预计在2010年以后，英国、丹麦、瑞典和德国将把风力发电发展重点移师海上。欧洲风能协会预测欧洲近海风电装机容2010年达到100O万kW,2020年可达到7000万kW。丹麦BTM咨询公司预测：到2015年，全球海上风电场累计装机容量将达到1849万kW到2425万kW之间。当前国外风电市场上的主力机型是1.3MW,2009年全世界新装机组的单机平均功率为1.6兆瓦。2009年全世界兆瓦级的风电机组当年装机容量占到了总装机容量的91.4%

8、,单机容量逐步增大已成为国际风电市场发展的必然趋势。随着海上风电的迅速发展，单机容量为3ti6MW的风电机组已经开始进行商业化运行。美国7MW风电机组已经研制成功，正在研制IOMW机组；英国IOMW机组也正在进行设计，挪威正在研制14MW的机组，欧盟正在考虑研制20MW的风电机组，全球各主要风电机组制造厂家都在为未来更大规模的海上风电场建设做前期开发。1.2.2 中国风力发电行业发展现状自1986年建设山东荣成第一个示范风电场至今，经过近23年的努力，风电场装机规模不断扩大。在中国风能协会发布的2010年中国风电装机容量统计报告中显示，2010年中国新增安装风电机组12904台，装机容量189

9、27.99兆瓦，年同比增长37.1%,已超过美国排名全球第一。累计安装风电机组34485台，装机容量44733.29兆瓦，年同比增长73.3%。同期，累计风电装机容量达2580.5万千瓦，全球排名升至第二位。1月27日由中国工业节能与清洁生产协会公布的2010中国节能减排产业发展报告显示，2010年，中国风力发电新开工重大施工项目378个，项目总投资额高达近3000亿元。而与快速发展的光伏产品市场形成鲜明对比的是，中国光伏发电产品的市场应用还很少，国内仍处于“有产业、无市场”的局面。报告显示，中国风能资源可开发量约为7-12亿千瓦；从中国风能资源看风电完全可能成为火电、水电之后的第三大电源。1

10、.3 风力发电机技术的发展1.3.1 概述在目前技术条件下风电与火电、水电相比从造价、电能质量、设备制造和控制技术等领域存在劣势,我国风电领域的理论和应用研究与发达国家存在很大差距。国内对风电机组系统设计技术的研究十分薄弱,风电机组的大型化、变桨距控制、变速恒频等先进风电技术还远未解决,致使我国大型风力机几乎全部为进口产品。因此,深入研究风力发电机组系统设计技术对于持久开发风能和实现风电机组国产化具有重要理论意义和工程应用价值。风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学等多学科的综合性高技术系统工程。目前,风力发电机组的研究难点是风电机组大功率、高可靠性、高效率、低成本。为攻克这

11、些难点,国内外的研究热点是系统优化设计和先进控制策略。由于所受工况瞬态多变且工作环境恶劣,所以风力发电机组是一个复杂、多变量、非线性的不确定系统。1.3.2 风力发电刹车系统的发展风力发电机一般位于较偏远、环境较恶劣区域，这就要求我们在控制上达到无人值守及远程监控。刹车系统是风力发电机上一个很重要的系统，所以刹车系统需要具有很高的安全性和可靠性。因为风力发电存在风速不稳、风机故障及电网异常等一系列问题，在这一过程中就需要刹车系统发挥其重要作用。根据不同的工作要求，刹车装置分别处于开与关的状态。当前的风机系统多采用盘式液压驱动式机械刹车，且采用两级刹车系统，刹车盘安装在高速轴上。1.4 研究内容

12、现今对风力发电的研究基本上都是对电气部分的研究，对机械部分的相关研究很少。风力发电机是典型的机电一体化设备，机械部分又是风力发电机工作的主体。所以对风力发电技术的研究不能只是局限于电气部分，应该对机械部分也进行相应的研究。这样才能使风力发电技术均衡的发展。由于风速的不定性而引起风力发电机经常性的刹车，因此本文对风力发电机的刹车系统进行了一定的研究。针对风力发电机在运行过程中，由于风速不稳、风机故障及电网异常等问题需要刹车系统。刹车时齿轮箱经常受到较大的冲击而引起破坏，缩短了风力发电机的使用周期。针对这一问题，提出把汽车中运用较成熟的防抱死制动系统(ABS)应用到风力发电机刹车系统的设想。主要研

13、究内容：(1)根据空气动力学，对风力发电机刹车部分的建模进行了初步探讨。(2)对风力发电机刹车时的受力进行了分析。(3)简要介绍了汽车的ABS系统，提出了将其应用于风力发电机刹车系统的设想，并对ABS应用于刹车系统进行了研究。(4)根据刹车时的特点，对应用ABS之后的刹车系统的控制进行了研究。并根据其要求给出了传感器、电磁阀等部件的选择。对风力发电机刹车装置的液压系统就行了设计分析，对主要液压元件就行了设计、选型。设计了刹车系统的控制系统图，并对控制过程进行了复分析。第二章风力发电系统简介2.1 基本理论2.1.1 葛劳渥(GlaIlert)理论对于有限长的叶片，风轮叶片下游存在着尾迹涡，它形

14、成两个主要的涡区：一个在轮毂附近，一个在叶尖。当风轮旋转时，通过每个叶片尖部的气流的迹线为一螺旋线，凶此，每个叶片的尾变涡形成一螺旋形。在轮毂附近也存在同样的情况，每个叶片都对轮毂涡流产生一定的作用。此外，为了确定速度场，可将个叶片的作用用以边界涡代替。2.1.2 贝茨理论贝茨理论是在假定风轮是“理想”的基础上建立的，这种，理想”的风轮全部接收风能，叶片无限多，对空气流没有阻力。空气流是连续的，不可压缩的，叶片扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的。设风轮前方的风速为K,V为实际通过风轮的风速，匕为叶片扫掠后的风速，通过风轮叶片前的风速面积为E,叶片

15、扫掠后的风速面积为S2。风吹到叶片上所作的功是将风的动能转化为叶片转动的机械能，则必须匕乂忑S?,如图2.1贝茨理论计算简图于是SM=S2%=sv,风作用在叶片上的力由欧拉定理求得F=/95l(v2-vi)式中。为空气密度风轮接受的功率为N=FV=psv1(v2-v1)风经过叶片的动能变化AWwMF)N=ArU=X2因此，风作用在风轮叶片上的力F和风轮输出功率N分别为尸时)N=；PSM一项化+匕)风速K是给定的，N的大小取决于匕，N是匕的函数，对N微分求最大值，得患%仅5也收)令其等于0,解方程得%=gh,Nnux=psV=psV-令=0.593127为Cp,有Na=3Cppsv：=CPTQ=0.593说明风吹在叶片上，叶片上所获得的最大功率为风吹过扫掠面积的风能的59.3%。贝茨理论说明，理想风能对风轮叶片做功的最高效率为593%,其损失的功率为留在尾流中的旋转动能。如果定义轴向诱导因子。=(K-V)”,则V=(l-6f)v;K=(I-2)匕风能利用系数O=4(l-4当CP=O.593时，诱导因子实际功率F=Cpps(V2-2)=Cpp11D2V=0.5931.253.14602122=134KN其中S=1.11D24输出功率1OO7V=-p5(V2-2)(+)=p5V;3=-1.253.4602123=1.8MW2.2风力发电机各组成部分简介2.2.1 发电