300W小型垂直轴风力发电机的设计.docx

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

Abstract

Key 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
(4.3)
其中
——阀杆轴向力(N)
——密封力(N)
——介质力(N)

密封力
(4.4)
由设计结构初定
阀座密封面平均直径
阀座密封面宽度
又密封必需比压 (p为储气压力)
所以

介质力
　　 (4.5)
即
所以阀杆的最大轴向力

2 阀杆力矩计算
阀杆力矩
(4.6)
其中
——阀杆力矩()
——关闭时阀杆螺纹摩擦力矩()
——关闭时阀杆头部与阀瓣接触面的摩擦力矩()

关闭时阀杆螺纹摩擦力矩
(4.7)
由结构初定关闭时阀杆螺纹的摩擦半径
所以

关闭时阀杆头部与阀瓣接触面的摩擦力矩
(4.8)
由结构知，阀杆头部球面半径
由阀杆材料知，阀杆材料弹性模数
所以

故截止阀力矩

3 阀杆强度校核
由阀杆材料为1Cr13 查得
许用拉伸应力
许用扭转应力
许用合成应力

阀杆所受拉伸应力
(4.9)
即

阀杆所受扭转应力
(4.10)

即

阀杆所受合力应力
(4.11)
即
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，爆破片公称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。

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。

达到安全泄放满足条件
(4.12)
其中
W——设计泄放量()
——安全泄放量()

安全泄放量
(4.13)
式中
压力源进口管内径
介质密度
介质流速
所以

设计泄放量
(4.14)
式中
额定泄放系数
气体特性系数
设计爆破面积
气体摩尔质量
气体压缩系数
进气口温度
爆破压力
所以

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。
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。
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

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

时序仿真概念
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。

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
消耗率
最大功率
风力密度
故消耗量
(5.1)
即

所以若风力时，风力的消耗量
(5.2)
即

所以风力的流量
(5.3)
即

风力的质量流

即 (5.4)
取

1 阀口参数设计
因为临界压力比　

减压比

所以流通面积
(5.5)
式中
进口压力
介质系数
摩尔质量
绝对温度
压缩比
所以

取
故实际流通面积

阀瓣高度满足条件
(5.6)
(5.7)
又阀口直径　　　　
所以

取
所以设计 阀口直径 阀瓣高度
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。

2 应力校核
膜片所受的最大应力
(5.8)

其中
材料的弹性模数
膜片的厚度
膜片的有效直径
所以

满足要求。
5．1．4 弹簧设计
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：
切变模量 弹性模数 许用应力
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
弹簧中径 钢丝直径 弹簧变形量
阀座弹簧
弹簧中径 钢丝直径 弹簧变形量
安全阀弹簧
弹簧中径 　 钢丝直径 　 弹簧变形量

对密封膜片受力分析如图5.3所示。

——调节弹簧作用力 ——阀座弹簧作用力　——介质作用力
图5.3 密封膜片受力
由图知
(5.9)
设阀座弹簧的弹簧刚度
则　

故
所以调节弹簧刚度

安全阀弹簧作用力
(5.10)
其中
泄放压力
有效面积
所以

安全阀弹簧刚度
3 弹簧强度校核
钢丝直径
(5.11)
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)
旋绕比
(5.12)
曲度系数
(5.13)

对调节弹簧
旋绕比
即曲度系数
所以

满足条件。

对阀座弹簧
旋绕比
即曲度系数
所以

满足条件。

对于安全阀弹簧
旋绕比
即曲度系数
故

满足要求。

４　 弹簧其它参数设计选择
弹簧的有效圈数
(5.14)
对于阀座弹簧

取支承圈数
则总圈数
故取弹簧自由高度
则压缩高度

对于调节弹簧

取
取支承圈数
则总圈数
故取弹簧自由高度
则压缩高度

对于安全阀弹簧
弹簧有效圈数

取支承圈数
则总圈数
取弹簧自由高度
则压缩高度
表5.1 减压调节器所选用弹簧各参数表
弹
簧
种
类
弹
簧
参
数

弹簧中径

钢丝直径

变形量

自由高度

压缩高度

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

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。

总 结
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，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。

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。

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