一種調(diào)速機(jī)構(gòu)置于地面的雙葉輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

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(jī)可利用風(fēng)能發(fā)電。普通風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要部件集中于機(jī)艙內(nèi)部，而機(jī)艙處在高空位置維護(hù)困難，故障排除難度較大。為有效保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，確保維修人員的人身安全，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)改良。

1 風(fēng)能及風(fēng)能發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)

風(fēng)能是一種清潔無(wú)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(shì)被越來(lái)越多的國(guó)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(shì)。風(fēng)能與其它能源相比，分布廣泛，無(wú)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(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)制造是風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)需充分利用風(fēng)能，彌補(bǔ)風(fēng)能的不足，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，因此在原有風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了設(shè)計(jì)改良。

2 雙葉輪縱軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)改良的意義

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

降低齒輪、軸運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)置于地面的雙葉輪縱軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

調(diào)速機(jī)構(gòu)置于地面雙葉輪縱風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將發(fā)電機(jī)及儲(chǔ)電設(shè)備設(shè)計(jì)在地面上，便于工作人員維護(hù)及維修，減少高空作業(yè)。該設(shè)備由齒輪、軸承、螺桿進(jìn)行連接，在原風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)是通過風(fēng)帶動(dòng)兩端的葉片進(jìn)行工作；葉片的橫軸末端齒輪帶動(dòng)立軸工作，將縱軸等分幾段，在這幾處加上軸承，降低運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)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(jī)進(jìn)行儲(chǔ)電。

圖1 調(diào)速機(jī)構(gòu)置于地面雙葉輪縱風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jì)思路

結(jié)合原有風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)械效率。此項(xiàng)目的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)頂部機(jī)艙的轉(zhuǎn)移，高效利用風(fēng)能，不僅提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作效率，還能使維護(hù)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(guó)風(fēng)力發(fā)電水平。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要部件集中于機(jī)艙內(nèi)部，而機(jī)艙處在高空位置維護(hù)困難，故障排除難度大。因此，將發(fā)電機(jī)機(jī)艙部位從高空移動(dòng)至地面，降低維修難度，在原機(jī)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(jì)內(nèi)容

5.1 改變機(jī)艙位置

利用兩個(gè)斜齒輪的咬合改變機(jī)械能傳遞方向，利用縱軸將機(jī)械能傳遞到地面的齒輪箱與發(fā)電機(jī)，通過該設(shè)計(jì)將機(jī)艙位置放置于地面，這樣在設(shè)備維護(hù)時(shí)避免了人員高空作業(yè)，降低了設(shè)備維護(hù)成本，有利于發(fā)電機(jī)升級(jí)改造及齒輪箱的工藝強(qiáng)化。

5.2 增加葉輪數(shù)量

由于將機(jī)艙移動(dòng)至地面，上方原機(jī)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(jī)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(jī)艙偏航機(jī)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(huì)因溫度、季節(jié)的變化而變化，所以在頂端機(jī)艙與立柱之間安裝了偏航機(jī)構(gòu)，達(dá)到上方機(jī)艙和葉片隨風(fēng)向轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變的目的，實(shí)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(biāo)

發(fā)電機(jī)機(jī)艙移動(dòng)問題。如何在保證發(fā)電量的同時(shí)，安全地將機(jī)艙移動(dòng)至地面是整個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵，因此，設(shè)計(jì)移動(dòng)發(fā)電機(jī)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(jī)高效安全運(yùn)行，需要準(zhǔn)確計(jì)算各個(gè)零件的大小，確定零件的安裝位置。

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

5.5 研究過程

立軸設(shè)計(jì)。利用立軸將機(jī)械能傳遞到地面的齒輪箱與發(fā)電機(jī)，對(duì)縱軸進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)。查閱資料可知，風(fēng)力發(fā)電所用最大發(fā)電機(jī)功率為5 000 kW，葉輪轉(zhuǎn)速為10 r/min，選用45號(hào)碳鋼。利用公式① M=9 549×P/n， ② Wt=πD3/16×(1-a4) ，設(shè)計(jì)出材料為45號(hào)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(jì)。錐齒輪為標(biāo)準(zhǔn)件，選用合適的標(biāo)準(zhǔn)齒輪即可。

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

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率會(huì)受到多種因素的影響，利用實(shí)驗(yàn)對(duì)比法來(lái)比較調(diào)速機(jī)構(gòu)置于地面的雙葉輪發(fā)電機(jī)與普通風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率增加量，具體實(shí)驗(yàn)方法如下：

通過軟件SOLIDWORK畫出三維模型，通過實(shí)體仿真來(lái)證明調(diào)速機(jī)構(gòu)置于地面的雙葉輪發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的合理性。

通過模型對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證調(diào)速機(jī)構(gòu)置于地面的雙葉輪發(fā)電機(jī)與普通發(fā)電機(jī)的發(fā)電量增值。購(gòu)買所需錐齒輪、光軸葉片等標(biāo)準(zhǔn)件，其余零件通過3D打印機(jī)制作。組裝模型在立軸底部安裝小型實(shí)驗(yàn)發(fā)電機(jī)，給定風(fēng)速通過，測(cè)量發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電流電壓來(lái)測(cè)得發(fā)電量。拆除其中一組葉輪再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

7 設(shè)計(jì)的科學(xué)性和先進(jìn)性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是通過自然風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，利用機(jī)械能帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，輸出交流電的一種電力設(shè)備。基于此功能，此項(xiàng)目的研究涉及以下幾部分：

錐齒輪的原理及應(yīng)用。錐齒輪用來(lái)傳遞兩相交軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，在一般機(jī)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(jī)械能的傳遞方向，使機(jī)械能按照設(shè)計(jì)方向傳遞。

雙葉輪的原理及應(yīng)用。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，葉片的設(shè)計(jì)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(jī)艙置于地面后，原機(jī)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(jī)械功，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)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(lái)支承轉(zhuǎn)動(dòng)零件并與之一起回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞的一種機(jī)械零件。齒輪軸與錐齒輪的配合使用可使雙葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能傳動(dòng)到地面的發(fā)電機(jī)部，配合使用保證了機(jī)械能的做功效率，令發(fā)電機(jī)置于地面后不會(huì)因傳遞損耗而降低發(fā)電量。

8 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益分析

我國(guó)為促進(jìn)風(fēng)電發(fā)展制定了較多優(yōu)惠政策，對(duì)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(guó)所有省區(qū)共同分?jǐn)偂ｏL(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)落實(shí)風(fēng)電高于火電的價(jià)差分?jǐn)偟饺〉钠骄N售電價(jià)中。制定了按常規(guī)水電污染排放量分配比例，由全國(guó)所有省區(qū)共同分?jǐn)偂０吹貐^(qū)具體情況定出風(fēng)電最高上網(wǎng)電價(jià)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(jià)，減輕還貸壓力，建議適當(dāng)延長(zhǎng)風(fēng)電還貸期限，還貸期增至15年；為風(fēng)電項(xiàng)目提供貼息貸款。鼓勵(lì)采用國(guó)產(chǎn)化風(fēng)電機(jī)，為采用國(guó)產(chǎn)化風(fēng)電機(jī)的業(yè)主提供補(bǔ)貼和貼息貸款，補(bǔ)償開發(fā)商的風(fēng)險(xiǎn)，幫助初期國(guó)產(chǎn)化機(jī)組進(jìn)入市場(chǎng)，得到批量生產(chǎn)和改進(jìn)產(chǎn)品的機(jī)會(huì)，以降低成本。

維護(hù)成本比較如下：

機(jī)艙放置于高空機(jī)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(hù)成本:30 000(每年)設(shè)備維護(hù)成本:26 000(每年)設(shè)備升級(jí)改造成本:280萬(wàn)設(shè)備升級(jí)改造成本:200萬(wàn)特殊作業(yè)費(fèi)用:50 000特種作業(yè)費(fèi)用:0

9 結(jié)語(yǔ)

高效的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是市場(chǎng)發(fā)展的需要。該設(shè)計(jì)提高了風(fēng)能的利用率，提高了機(jī)械功，增大了發(fā)電量。發(fā)電機(jī)放置于地面，有利于發(fā)電機(jī)的改良，高效的風(fēng)力發(fā)電裝置將會(huì)在市場(chǎng)贏得先機(jī)。