东华理工大学长江学院毕业设计 测试平台的计算以及结构设计
3 测试平台的计算以及结构设计
3.1 风力发电机功率系数
根据动能计算公式可以得出质量为m，速度为V的物体具有的动能
12mV。
而密度为ρ，体积为AL（面积A*距离L）的空气在以速度v运动时所具有的动能，可以用下式表示：
EW?12?ALV2
当空气在t时间内通过距离L时，空气速度可以写成V=L/t，那么上式就可以表示为：
EW?12?AVt3
因此，单位时间内通过面积A的风的能量Pw（W）[J/s]为
如果将风力发电机组从风中可获得的单位时间内的能量称为功率P，那么风力发电机组的功率P与风的功率之比称为功率系数，用CP表示：
CP?P12
3?AV 功率系数是衡量在风所具有的能量中，风力发电机组到底能从中获取多少能量的性能评价指标，H轴风力发电机属于升力型，从《风能技术》一本书中可以查到升力型功率系数的特性曲线，取CP=0.3，参考《风能技术》如图3.1所示。
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图3-1 Cp-λ曲线图
3.2 力矩系数
使风力发电机组旋转的转矩，称为力矩Q(N.m)，CQ称为力矩系数：
CQ?Q12?AV2R
式中，R（m）为风轮半径。力矩系数是衡量在由风所产生的旋转力中，风力发电机组到底能从中获得多少可以作为力矩来利用性能评价指标，参考文献查阅《风能技术》第44页图4.6。
3.3 叶尖速度比
叶片尖端的速度即圆周速度VR(m/s)与风速V(m/s)的比称为叶尖速度比，简称为尖速比。 ??VRV?2?RnV
风力发电机组种类不同，尖速比也有很大不同。比如螺旋桨型的升力型风力发电机组的尖速比一般在3~10之间，但是对于阻力型风力发电机组，一般小于1。查阅《风能技术》第56页图5.11可以取?=3.2。
根据上述公式以及各参数取值可以得出不同功率的发电机的参数，如表3.3所示。
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功率 额定风速V（m/s） 风叶直径D（m） 风叶高度H(m)
100W 6 1.6 1.6 200W 167 6 2.2 2.2 300W 136 6 2.7 2.7 500W 212 8 2.3 2.3 1000W 153 8 3.0 3.0 额定转速n（r/min） 230 表2.1.3 不同功率发电机各参数
3.4 H轴风力发电机组测试平台结构
该测试平台主要有塔架、风轮装置、发电机、可调电动机、可调主轴、齿轮传动组成。
（1）风轮装置是整个风力发电机组的重要部分，它是把风能转化为电能的主要装置，主要由叶片，主轴，支持翼组成。主轴组件为整个风力发电机组重要的承力构件 ,传递横向风荷载，并且承受扭矩。对只受转矩或以承受转矩为主的传动轴，应该按照扭转强度条件计算轴的直径。扭转强度约束条件为： ?T?TWT?9550?10P/nWT3?[?T]
（式3.4.1）
式中?——轴的扭转应力； （MPa） T——轴所传递的转矩（N.mm）；
WT（mm——轴的抗扭截面模量
3），可有机械设计附表8查的；
P——轴所传递的功率（KW）; N——轴的转速（r/min）；
[?T]——轴的许用扭转应力，可由表3.4.1查得。 （MPa） 对于实心圆周，WT条件：
d?3??d/16?d/533，以此带入式2.2.1，可得轴的直径约束
5??9550?10??T??3P?P?mm??C3n?n? 式3.4.2
式中 C——取决于轴材料的许用扭转应力??T?的系数，其值可以查阅表 3.4。当弯矩相对转矩很小时，C取较小值，??T?取较大值；反之，C取较大值，
??T?取较小值。
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表3.4 .1 几种轴材料的??T?和C值
轴的材Q235 料 1Cr18Ni9Ti 35 45 40Cr，35SiMn，2Cr13，20CrMnTi ??T? C
12~20 12~25 20~30 135~118 30~40 118~107 40~52 107~98 160~135 148~125 应用式3.4.2求出的d值，一般作为轴最细处的直径，所以实际求出的d值要比计算得出来的要粗点。主轴采用45号钢，去??T?为30，计算出各不同功率发电机的主轴直径如表3.4.2。
表3.4.2 不同功率发电机所匹配的主轴直径
额定功率P（KW） 额定转速n（r/min） 直径d（mm）
100 230 9 200 167 12 300 136 15 500 212 16 1000 153 22 该测试平台要求主轴可调，并可以同时满足不同功率发电机的需要，所以主轴直径应该选取较大值，取d=30mm。
3.5 支持翼的设计与计算
支持翼选取铝合金结构，避免承重小。因为支持翼可调，所以设计成两段，通过螺栓来固定，达到可调。支持翼一端与轮毂相连，一端与风轮相连，以此实现支撑与传递扭转力。风轮直径张开比较大的时候，旋转会产生很大离心力，所以要求叶片和连接杆的重量，在满足强度要求的前提下，达到尽可能轻；并且它们都暴露在空气中，要求有很好的防腐蚀能力。综合考虑重量、腐蚀问题，叶片和连接杆采用铝合金材料。查材料手册，考虑叶片和连接杆都需要切削加工，选常用耐腐蚀铝合金 5A02，密度为??2.68g/cm3 ，屈服强度为?0.254Mpa?215Mpa,
并且考虑到安全系数，则取许用弯曲应力??-1??。
（1） 计算风对叶片的力以及支持翼、叶片的重力
考虑到极限情况下，单风向时，风所产生的力只发生在一个叶片上，根据公式
P?M???F叶?D/2??，而经转速转换得额定角速度??18.8rad/s，那我们
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就可以求出作用在中点的风对叶片的力F叶（2） 经计算测出叶片横截面大约为S叶V叶?S?H?3780cm3?18N3。
?21cm，则叶片体积
，叶片重力为99.2N。则叶片支持翼截面面积为
2S杆???2?bh?16.5cm，求出支持翼重力为62N。叶片的支持翼受到垂直和水
?47.2MPa???-1平两个方向的力，可求得支持翼上的最大应力为?总力要求。
?，符合受
3.6 锥齿轮的设计
因为要实现水平轴与垂直轴的传递运动，所以设计一个锥齿轮来传递。由于垂直轴风力发电机风速不稳定，对材料的要求略高，故选用材料38CrMoAlA合金钢，经过调质， 表面处理，渗氮处理，齿芯部硬度为255~321HBS，齿面硬度>850HV。 查机械设计图 10-22[14]，取精度等级7级（GB 10095-88）。 直齿锥齿轮的载荷系数K?KAKVK?K?,其中KA是使用系数，查《机械设计》
?1.1。
表3-1可取KA=1.00；KV为动载系数，计算得最大转速为v=0.1m/s，取KVKA为齿间载荷分配系数，直齿锥齿轮按接触疲劳极限计算时的齿间载荷分配系
?1;
数KH?和按弯曲疲劳极限计算时的齿间载荷分配系数KF?均可取为1，K?查机械设计表取轴承系数KH?be?1.5，直齿锥齿轮按接触疲劳极限计算时的齿向
载荷分配系数KH?和按弯曲疲劳极限计算时的齿向载荷分配系数KF?均为1.5倍的轴承系数KH?be，即可得齿向载荷分配系数K??2.25，则可求得载荷系数
K=2.8。小齿轮齿数为24，为了实现同级传动，大齿轮齿数也为24，查机械设计表可取齿形系数YF??2.3，应力校正系数YS??1.72?0.25~0.35。
通常取齿宽系数?R，取?R?0.355。
设置齿轮工作寿命 20 年，即LH?1.8?10h，齿轮每转一圈，同一齿面啮
h合次数 j=1，根据齿轮的工作应力循环次数N?60njL，则N为109的数量级，
查机械设计图可得调质钢的弯曲疲劳寿命系数KFN
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?0.9;查机械设计图可得调质