一種調(diào)速機構(gòu)置于地面的雙葉輪發(fā)電機設(shè)計

王梓旭，姜利華，趙榮榮

(山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034)

風(fēng)能是一種清潔能源，風(fēng)力發(fā)電機可利用風(fēng)能發(fā)電。普通風(fēng)力發(fā)電機的重要部件集中于機艙內(nèi)部，而機艙處在高空位置維護困難，故障排除難度較大。為有效保障風(fēng)力發(fā)電機的穩(wěn)定運行，確保維修人員的人身安全，對風(fēng)力發(fā)電機進行了設(shè)計改良。

1 風(fēng)能及風(fēng)能發(fā)電機的設(shè)計

風(fēng)能是一種清潔無污染、取之不盡的可再生自然能源，其清潔、綠色、環(huán)保的優(yōu)勢被越來越多的國家所重視。風(fēng)力發(fā)電相較于火電、生物質(zhì)發(fā)電、核電等發(fā)電方式，其在減少有害物質(zhì)CO2、SO2的排放方面具有天然的優(yōu)勢。風(fēng)能與其它能源相比，分布廣泛，無輻射，清潔環(huán)保，可以再生，但其存在密度低、不穩(wěn)定、地區(qū)差異大缺點。風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計制造是風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。風(fēng)力發(fā)電機需充分利用風(fēng)能，彌補風(fēng)能的不足，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，因此在原有風(fēng)力發(fā)電機的基礎(chǔ)上進行了設(shè)計改良。

2 雙葉輪縱軸式風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計改良的意義

方便工作人員維修及養(yǎng)護，減少高空作業(yè)，切實保障維修人員的人身安全。

降低齒輪、軸運動過程中的摩擦系數(shù)，保證其回轉(zhuǎn)精度，大大提高了風(fēng)力發(fā)電的效率。

3 調(diào)速機構(gòu)置于地面的雙葉輪縱軸式風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計

調(diào)速機構(gòu)置于地面雙葉輪縱風(fēng)力發(fā)電機是將發(fā)電機及儲電設(shè)備設(shè)計在地面上，便于工作人員維護及維修，減少高空作業(yè)。該設(shè)備由齒輪、軸承、螺桿進行連接，在原風(fēng)力發(fā)電機的基礎(chǔ)上，在葉輪的另一端增加一組葉片。

雙葉輪縱軸式風(fēng)力發(fā)電機是通過風(fēng)帶動兩端的葉片進行工作；葉片的橫軸末端齒輪帶動立軸工作，將縱軸等分幾段，在這幾處加上軸承，降低運動過程中的摩擦系數(shù)，提高運動效率，保證回轉(zhuǎn)精度；通過縱軸傳遞的轉(zhuǎn)矩傳遞給增速器，再傳遞給發(fā)電機進行儲電。

圖1 調(diào)速機構(gòu)置于地面雙葉輪縱風(fēng)力發(fā)電機外形結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Outline structure drawing of double impeller longitudinal wind generator with speed regulating mechanism on the ground

4 設(shè)計思路

結(jié)合原有風(fēng)力發(fā)電機裝置，在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加一組葉輪，在保持裝置受力平衡的基礎(chǔ)上，提高機械效率。此項目的設(shè)計實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機頂部機艙的轉(zhuǎn)移，高效利用風(fēng)能，不僅提高了風(fēng)力發(fā)電機的工作效率，還能使維護成本降低，故障排除方便，更好地滿足了發(fā)電需求，有效提高了我國風(fēng)力發(fā)電水平。由于風(fēng)力發(fā)電機的重要部件集中于機艙內(nèi)部，而機艙處在高空位置維護困難，故障排除難度大。因此，將發(fā)電機機艙部位從高空移動至地面，降低維修難度，在原機艙位置再增加一組葉輪，可有效提高發(fā)電效率和維修效率。

5 具體設(shè)計內(nèi)容

5.1 改變機艙位置

利用兩個斜齒輪的咬合改變機械能傳遞方向，利用縱軸將機械能傳遞到地面的齒輪箱與發(fā)電機，通過該設(shè)計將機艙位置放置于地面，這樣在設(shè)備維護時避免了人員高空作業(yè)，降低了設(shè)備維護成本，有利于發(fā)電機升級改造及齒輪箱的工藝強化。

5.2 增加葉輪數(shù)量

由于將機艙移動至地面，上方原機艙位置可改變?yōu)殡p葉輪風(fēng)力發(fā)電裝置，這樣可提高風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電效率。此外，兩葉輪相互作用力可保證受力平衡。

5.3 增加機艙偏航機構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電機一般位于海邊、山頂、高原、平原等風(fēng)力充足的地方。風(fēng)的方向會因溫度、季節(jié)的變化而變化，所以在頂端機艙與立柱之間安裝了偏航機構(gòu)，達到上方機艙和葉片隨風(fēng)向轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變的目的，實現(xiàn)風(fēng)能利用的最大化。

5.4 技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標

發(fā)電機機艙移動問題。如何在保證發(fā)電量的同時，安全地將機艙移動至地面是整個項目的關(guān)鍵，因此，設(shè)計移動發(fā)電機位置是需要解決的首要問題。

裝置的安全問題。要想使發(fā)電機高效安全運行，需要準確計算各個零件的大小，確定零件的安裝位置。

整個裝置的效率問題。創(chuàng)新設(shè)計的意義在于提高效率、降低成本。因此，如何使發(fā)電機置于地面后保證機械能高效傳遞是一個十分重要的問題。

5.5 研究過程

立軸設(shè)計。利用立軸將機械能傳遞到地面的齒輪箱與發(fā)電機，對縱軸進行尺寸設(shè)計。查閱資料可知，風(fēng)力發(fā)電所用最大發(fā)電機功率為5 000 kW，葉輪轉(zhuǎn)速為10 r/min，選用45號碳鋼。利用公式① M=9 549×P/n， ② Wt=πD3/16×(1-a4) ，設(shè)計出材料為45號碳鋼，D=0.7 m ，d=0.25 m的空心光軸，安全系數(shù)為2。

錐齒輪的設(shè)計。錐齒輪為標準件，選用合適的標準齒輪即可。

風(fēng)機轉(zhuǎn)向機構(gòu)。在頂端機艙與立柱之間安裝端面軸承，令上方機艙和葉片隨風(fēng)向轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變，達到風(fēng)能利用的最大化。

6 實驗驗證

風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電效率會受到多種因素的影響，利用實驗對比法來比較調(diào)速機構(gòu)置于地面的雙葉輪發(fā)電機與普通風(fēng)力發(fā)電機效率增加量，具體實驗方法如下：

通過軟件SOLIDWORK畫出三維模型，通過實體仿真來證明調(diào)速機構(gòu)置于地面的雙葉輪發(fā)電機運轉(zhuǎn)的合理性。

通過模型對比實驗來驗證調(diào)速機構(gòu)置于地面的雙葉輪發(fā)電機與普通發(fā)電機的發(fā)電量增值。購買所需錐齒輪、光軸葉片等標準件，其余零件通過3D打印機制作。組裝模型在立軸底部安裝小型實驗發(fā)電機，給定風(fēng)速通過，測量發(fā)電機所產(chǎn)生的電流電壓來測得發(fā)電量。拆除其中一組葉輪再次進行實驗作為對比實驗。

7 設(shè)計的科學(xué)性和先進性

風(fēng)力發(fā)電機是通過自然風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能，利用機械能帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進而將機械能轉(zhuǎn)換為電能，輸出交流電的一種電力設(shè)備?；诖斯δ埽隧椖康难芯可婕耙韵聨撞糠郑?/p>

錐齒輪的原理及應(yīng)用。錐齒輪用來傳遞兩相交軸之間的運動和動力，在一般機械中，錐齒輪兩軸之間的交角等于90°(但也可以不等于90°)。因此通過錐齒輪的使用改變機械能的傳遞方向，使機械能按照設(shè)計方向傳遞。

雙葉輪的原理及應(yīng)用。在風(fēng)力發(fā)電機中，葉片的設(shè)計直接影響風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率，直接影響其年發(fā)電量，是風(fēng)能利用的重要一環(huán)。雙葉輪的使用保證了機艙置于地面后，原機艙位的受力平衡，提高了風(fēng)能的利用率。雙葉輪的使用增加了機械功，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度加快，提高電力的產(chǎn)能。

齒輪軸的原理及應(yīng)用。齒輪軸是用來支承轉(zhuǎn)動零件并與之一起回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)運動傳遞的一種機械零件。齒輪軸與錐齒輪的配合使用可使雙葉輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的機械能傳動到地面的發(fā)電機部，配合使用保證了機械能的做功效率，令發(fā)電機置于地面后不會因傳遞損耗而降低發(fā)電量。

8 市場分析和經(jīng)濟效益分析

我國為促進風(fēng)電發(fā)展制定了較多優(yōu)惠政策，對風(fēng)電配額制定了常規(guī)火電污染排放量分配比例，由全國所有省區(qū)共同分攤。風(fēng)電上網(wǎng)電價落實風(fēng)電高于火電的價差分攤到全省的平均銷售電價中。制定了按常規(guī)水電污染排放量分配比例，由全國所有省區(qū)共同分攤。按地區(qū)具體情況定出風(fēng)電最高上網(wǎng)電價的限制，并保持10年不變，促使業(yè)主充分利用資源，降低成本。

售電增值稅發(fā)電增加了新的稅源，建議參照小水電，核定風(fēng)電銷售環(huán)節(jié)增值稅率為6%；銀行貸款為降低風(fēng)電電價，減輕還貸壓力，建議適當延長風(fēng)電還貸期限，還貸期增至15年；為風(fēng)電項目提供貼息貸款。鼓勵采用國產(chǎn)化風(fēng)電機，為采用國產(chǎn)化風(fēng)電機的業(yè)主提供補貼和貼息貸款，補償開發(fā)商的風(fēng)險，幫助初期國產(chǎn)化機組進入市場，得到批量生產(chǎn)和改進產(chǎn)品的機會，以降低成本。

維護成本比較如下：

機艙放置于高空機艙放置于地面設(shè)備投入成本:4.6億設(shè)備投入成本:4.55億設(shè)備維護成本:30 000(每年)設(shè)備維護成本:26 000(每年)設(shè)備升級改造成本:280萬設(shè)備升級改造成本:200萬特殊作業(yè)費用:50 000特種作業(yè)費用:0

9 結(jié)語

高效的風(fēng)力發(fā)電機是市場發(fā)展的需要。該設(shè)計提高了風(fēng)能的利用率，提高了機械功，增大了發(fā)電量。發(fā)電機放置于地面，有利于發(fā)電機的改良，高效的風(fēng)力發(fā)電裝置將會在市場贏得先機。