风力发电机组偏航机构三维建模毕业论文.doc 45页

'风机偏航系统的三维建模指导教师：缪磊、杨树人-III- 摘要风力发电机组是利用风能转化电能的能量转化装置，近年来，随着全球经济的飞速发展，各主要工业国家及发展中国家对于能源的需求已经出现巨大瓶颈，化石能源石油天然气的开采也出现危机，而且全球变暖，气候变化，大气污染严重而导致的物种灭绝，化石能源的开采及利用使人类付出巨大的环境的恶化的代价，警示我们对于不可再生能源要冷静思考，从而开发利用绿色可再生的能源成为近年来的热点，风能作为取之不尽，用之不竭的绿色能源的代表，其应用技术已趋成熟。本文从国家十五计划863项目MW级风力发电组的设计课题中出发，主要探讨风力发电机组的偏航系统执行机构。由于大气的湍流影响，风场风速随着风场空间及时间瞬时变化，风力发电机组的偏航，就是风力发电机组在非定常风场中随着风速方向变化而经控制系统控制偏航机构执行风轮对准风向的动作过程，实现最大捕捉风能，使机组获得更高效率发电的目的，本文主要从风力发电机组的结构及运行原理介绍偏航系统的结构，然后运用传统计算方法和有限元分析方法对偏航小齿校核，探讨偏航机构的设计过程。本课题运用三维建模软件Solidworks2007进行偏航机构建模，偏航减速器零件及其装配体建模，对其运行原理过程制作仿真动画。关键词：风力发电机组；偏航机构；三维建模-III- AbstractWindturbineisaenergyconversiondevicewhichmakeswindenergyintoelectricityenergy,Atrecentyears,Alongwiththehighleveldevelopmentofworldeconomic,manyindustrialcountriesanddeveloppingcountrieshavefacedahugeenergyproblem,theexploitationanduseingoffossilenergyincludepetroleumandgashavebeenintroublecondition,andtheglobalwarming,climatechangeandTheairpollutionleadtokindsofanimalsdyingout,wemusttakeinhandthedisasteroftheenviroment,alarminguswiselytomakeenergypolicy,andthetopicoftakingadvantageoftherenewableenergyhasbecomeahotone.windpowercanbeuseunlimitedlyandnon-pollution,thetechnologyoftheusingwindpowerhasbeendeveloptedrapidly,thisthesisisgivenbasedonnational863projectofMega-wattvariablespeedconstantfrequencywindturbine.Tohavearesearchonthewindturbineyawsystemmachine.Fortheturbulenceoftheairinthewindmill,thechangeofwindvelocitydirectionfollowstimeandspace,theyawsystemactionofwindturbinethatistheyawcontrolsystemtocontrolwindturbinetofacetherightdirectionbyyawmachineintheunsteadyaerodymicsenviromentcondition,tomakemoreefficiencyfromthewindenergyconversionprocess,maxingtheenergyinput.Thisthesismainlybeginsattheoperationprincipiumofawindturbine,andtointroducetheyawmachine,includingthevalidateofyawgearsystem,todiscussthedesignprocessoftheyawmachine.andthenusethe3-DModelingsoftwaresolidworkstobuildthemodelofeverypartsandassemblethemtogether.Keywords:windturbine;yawmachine;3-Dmodeling-III- 目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1引言11.2国际风力发电技术的发展71.3我国风电技术的发展81.4本课题的目的及其意义10第2章风力发电机组偏航系统122.1风机主要结构介绍122.1.1风力发电机组主要型式结构122.1.2水平轴风力发电机组结构132.2风机设计技术142.2.1总体设计142.2.2总体参数162.1.3动力学设计182.2.4可靠性设计192.3风机偏航系统的技术要求202.3.1一般要求202.3.2偏航机构的组成21第3章风力发电机组偏航机构校核计算243.1偏航机构小齿轮校核计算243.2偏航机构小齿轮有限元强度分析29第4章风力发电机组的Solidworks建模344.1风力发电机组三维建模344.2各部件装配体模型34第5章结论39参考文献40致谢41-IV- 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）第1章绪论1.1引言近年来随着可持续发展的需要、技术的进步、环境保护意识的增强和有关政策的制定，风力发电技术有了长足的进步，风电产业已发展成为每年有数十亿美元的世界性大市场，世界总装机容量已超过13000MW，近几年更是以超过30%的速度增长，是发展最快的一种新能源技术。随着风力发电技术的推广、建设规模的扩大和风力发电产业市场化的深入，在风电设备制造、风电场运行管理、电能质量控制、风电环保问题以及风电与其它形式能源的联合使用等方面还存在一系列技术问题。要使风力发电成为人类发展的一种主要能源，有赖于这些问题的解决。我国风力发电研究已有基础，风力发电制造业也有一定规模，目前已与国外公司合作开发600~1500KW的风力发电机组，且国产化率不断提高，对叶片和数控系统等研制也取得一定突破，但大型并网型发电机组以及关键技术还有赖进口。加强关键技术研究，采用完全自有知识产权制造技术，以提高风力发电设备的发电效率和改善风电电能质量，是我国风电事业跻身世界先进风电技术行列的契机[1]。1、风电成本的降低目前制约风电技术推广应用的一个主要因素是风电投资成本较高，由于风的间歇性及风速、风向的变化性，风力发电设备并不能保证全年发电或满额发电。在风电投资中，主要是风电机组的投资约占80%，降低风电投资成本应从提高风力发电设备的制造技术水平和风力发电效率两方面着手。（1）风电设备制造技术a.柔性结构目前塔架采用的是刚性结构，如采用轻型柔性结构可大大降低成本。许多文献探讨了两叶片、下风向结构的轻型柔性风力发电机组的设计和动态特性分析问题。但柔性结构引起的高自由度将导致塔架结构的计算和设计困难，这有赖于高精度的空气弹性特性的计算机仿真技术的发展。b.新型风力发电机组和直接驱动41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）采用可低速运行的发电机组直接与风力机匹配，省去齿轮箱和高速传动装置，在提高几个百分点效率的同时，可减轻系统重量，降低噪声和高速机械磨损，其低成本和维修少的优点，尤其适用于海上风电场。风力发电的低速运行特性，要求发电机组采取特殊结构，目前多为多级结构的永磁同步发电机组，导致发电机组直径增大。如Enercon公司的E-40型500KW无齿轮风电机组，有84极，电机直径达到了4.8M，使机舱有凸出部，影响了空气动力特性。采用垂直轴结构风电机组，因可将多级发电机组安装在地面基座，无空间限制，安装调试容易，可方便地实现无齿轮传动，但过长的力矩传动轴会降低系统刚度，影响系统动态特性。另一种垂直轴型无齿轮风电机组是将多级发电机组安装在叶片处，虽然可避免力矩传动轴过长的缺陷，但同时破坏了安装和调试的方便性。永磁电机的功率因数较差，需通过逆变器或专门的滤波器来补偿，多极小极距导致制造困难，且由于永磁材料价格高昂，限制了这种风电机组的推广。双馈发电机因为能实现变速恒频控制和最大风能捕获控制，可以调节有功和无功功率在风电系统中得到了应用，其特点是由一个交-交循环变流器进行电压分配以及同步和相位控制，并网时基本无电流冲击。变流器因其功率较小，控制绕组可以通过变频器来变频，在实现无齿轮传动方面有一定优势，但其绕线式定子结构限制了这种电机的实际应用，目前对采用新型结构的无刷双馈电机的结构和特性以及变流器和控制方法的研究成为一个热点。风电机组采用柔性结构会使其动态复杂化，加之风的随机变化性，要求控制算法对未建模动态和参数变化具有强鲁棒性，以适应变化较宽的工作条件。c.并网风电机组的大型化风电机组的大型化有利于提高风能利用效率和占地使用效率，降低了单位功率造价。20世纪90年代后，500~750kw的机组已成为风电场的主导机型，其中变浆距型机组已达750kw，国外研制的兆瓦级巨型风力发电机组已在商品化进程中。但大于800kw后，增大容量对降低制造成本已无明显影响，但大型化有助于维修和降低运行成本。(2)风电运行成本的降低41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）运行成本的降低可通过提高效率和运行管理技术水平来实现。应用计算机监控系统对风电场进行管理，可有效提高风力发电能力。而采用新材料和更符合空气动力特性的叶片翼形以及利用可变螺旋桨叶片原理设计的风力机叶片，可提高风力发电机的应用风速范围和风能利用效率。当发电机组采取速度可调节的运行方式时，在高风速情况下，系统以高速转动惯量方式储存能量，在低风速时以转动惯量补偿风力的不足，可提高发电量20~30%，并可使传动系统具有更平滑的转矩动态，减小了对机械部件的瞬态冲击，延长了主要机械部件的使用寿命。结合变速恒频控制方案，还可对风电质量进行控制。有两种调速实现方式，即变桨距方式和变速方式。变桨距方式通过采用液压机构调节桨距角，从而改变作用在叶片上的空气动力转矩，这种方式叶片制造复杂，增加了成本，只适用于中大型风力发电机组。由于空气动力特性的描述很复杂，目前都是采用风力机的静态空气动力特性，这使变桨距的快速性和控制精度难于保证，且是以牺牲部分风能为代价。变速控制是通过调节发电机的电磁转矩实现，适于定浆距型风力机，但定浆距风力发电系统的调速需用变流装置，控制方案的实施比较困难，但因使系统具有“柔性”，减小了应力和空气噪声且成本低，得到了越来越多的研究和应用，为使其能在更宽的风速范围内运行，也有两种方法共用的，西班牙半数以上的风电机组为变速控制式。2、风力机设计与制造根据贝兹理论，可从流动空气中捕获的理论极限空气功率为59.3%，目前的风力机叶片在静态条件下捕获功率比例在8,6左右，在风速和风向扰动下还达不到该比例，这方面还有较大提升空间。风速、风向的变化使作用在叶片上的空气动力特性很复杂，水平轴风力机是典型的旋转流体机械，涉及到流体三维旋转边界层理论、三维紊流流出数值计算和动态旋转流场测量等技术。提高风力机风能捕获效率，优化风力机叶片结构，要从深入研究风的本质结构入手，尤其是风的紊流和极值特性。由于失速效应，目前风力机应用的空气动力转矩理论公式与实测值在高风速时有较大差异，静态失速效应可通过加入影响因子的方法来修正，目前所采取的修正方法存在局限性，有待从理论上找到更适用的解决方法。空气动态负荷对风力机叶片有决定性影响，由于限制条件较多，还没有找到通用可靠的动态负荷计算方法，要通过空气动力学与结构力学的结合加以解决。41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）叶片的设计要综合考虑空气动力和结构弹性特性，以及负载与成本间的指标函数，这有赖于更精确的数字优化计算软件的开发，,20世纪.90年代初开发的第一代叶片数字设计方法，主要以最大风能捕获为设计目标，而最近开发的第二代数字优化设计方法则直接将目标对准了风力机的每23造价。随着风力发电技术的广泛应用，风力机的噪声也是一个必须面对的问题，依据空气声学原理，结合更先进的叶片制造工艺和消声材料的应用，风力机所产生的噪声有望减小到可以接受的程度。另外，风电机组的外形设计可以根据周围环境，因地制宜的选型和设计，以避免风电机组给人以千篇一律的视觉印象。现在的风力机多采用水平轴式（约占97%），垂直轴风力机较少应用的原因是其不能改变叶片攻角，调速困难，且需钢索拉撑，无自启动能力，但其结构易于实现无齿轮传动。现代电力电子技术和控制技术的发展，通过电力变流器来实现变速运行是完全可行的。风力机多为三叶片式，三叶片式与二叶片式相比有更平滑的输出功率和平衡回转力矩，功率系数可增加5%，但是造价却增加了50%。因此，从功率系数、叶尖速比、造价、机舱重量、结构动态和偏航速度等综合考虑，二叶片式有更多的优越性。3、风电并网与电能质量控制风电在电力中的比例逐年增加，风电的特殊性质对电力规划和调度来说，是需认真解决的新问题。另外，在风力资源丰富地区，电网往往较弱，风电对电网间的影响也是应该考虑的问题。(1)风电的可靠性由于风资源的间歇性特点，风电的可靠性受到置疑。风电可靠性的准确计算，对于确定风电场建设规模，最大限度的利用风力资源和保护常规能源等至关重要。用电力不足概率法（LOLP）可以较客观地评价风电的可靠性，在电力不足概率法中，将一年分成若干具有等概率分布的区间，在计及平均风速、风速变化量、风电在总电力需求中所占比率、不同风电场间风速的相关性以及风速与电力负荷间的相关性等因素下，通过计算平均每天的电力不足概率得到总的电力不足概率。在风电小容量（10%以下）时，因大型风电场风机数量多和空间分布广，平均作用使电力容量可信度与风电机组的容量系数相同，41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）约20%~40%。当风电比例提高时，风电容量可信度将下降为风电机组容量系数的50~75%。由于风电和电力需求的变化性，风电装机容量为50%-时，风力发电量就可能超过总电力需求，多余的电能要有相应的解决措施，同时要求配备反应快的其它发电或调节设施。虽然风力发电无法规划，但可根据风力短期预测来减少不确定性。丹麦计划2030年风电将满足总电力需求的50%，其国家实验室的风能研究中心基于数字气象模型，并根据风电场的具体情况对数字气象模型做了必要的修正，可以基于4小时前的数据提前预测34小时的风力发电量，这对于风电进入电力市场至关重要。（2）风电对电网的影响随着风电容量的增加，尤其是当风机采取变速运行方式时，风电对并网电能品质的影响越来越不容忽视。风电国际标准对风电机组发电功率、谐波、固定时间内启动的机组台数、电压闪变等都做了规定。a、对电网电压影响由于风电的有功功率，一般会使电压上升，但无功功率的消耗（风电机组多为感应电机），又会使电压降低。兆伏级变电站通常装有电压调节装置，风电只影响接入点到变电站的线路电压。对于这种影响，可通过电压型功率调节来补偿。当高风速引起过电压过高时，可用断开风电的方法调节。阵风还会引起电网电压的闪变，对于风电机组数量较多的大风电场，由于风电机组的平均作用，阵风引起的电压闪变较小，可以忽略。但对于功率大而数量少的风电场，则必须考虑电压闪变的影响。b、对无功功率的影响感应电机消耗无功功率，大电网基于减小损失而限制无功功率，弱电网则需考虑无功功率消耗对电压的影响。对于弱电网，无功功率的消耗会减少风电的输出，评价弱电网的稳定性也必须考虑无功功率的影响。现代风电机组多为感应电机，一般采用电容器组对无功功率进行补偿。C、风电注入的谐波影响41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）对于机组数量较多的风电场，由于风电机组的空间分布和平均作用，直接接入电网的定转速运行式感应风电机组所引起的谐波通常可忽略，但对于变速运行式风电机组，尤其是通过电力变流装置实现变速的风电机组，转速的变化以及电力电子器件所带来的谐波，都会引起电压谐波畸变。因高压侧电流小，在电网侧采用PWM变流器有利于消谐。采用强迫换流的半导体开关器件构成的PWM电力变流器，可将谐波分量转换为高频分量，从而可方便地滤除。D、风电电能质量控制风力发电机组与电网并联运行时，要求风电频率、电压与电网一致，需在风电机组与电网间加装电力变流装置。采用在定子侧的全额变频器，会使成本、重量和体积增加。无刷双馈发电机励磁可调节励磁电流频率、幅值和相位调节励磁电流频率，可实现变速恒频控制；改变励磁电流幅值和相位，可达到调节输出有功和无功的目的；其最大优点是变频器位于控制绕组与电网之间，变频器容量只是主机容量的1/3~1/4。另外，其双绕组和变频结构使发电机定子结构和变频器经适当设计，能低转速运行，从而实现发电机与风力机的无齿轮直接驱动。4、独立运行风电机组、储能设备以及与其它形式能源联合发电独立运行风力发电机组可充分利用风力资源，因地制宜地解决边远地区或一些特殊场合的用电问题。独立运行风电机组只有与储能装置以及其它形式的能源配合使用，才能提供稳定可靠的电力供应。基于从完全清洁能源的角度考虑，风力=太阳能混合发电系统是一种较理想的搭配。风力与太阳能有着天然的互补效应，采用风<光互补发电结构形式，可以减少储能装置（如蓄电池）容量，有效降低运行成本。在这种混合式发电系统中，多种不可控能源发电的效率控制是个难题，现有研究成果还不能令人满意。另外，基于多种能源发电设备、储能设备的能量管理需要的数据采集系统也是一个需要研究的内容，该系统可优化、谐调各部分运行状况，对储能设备进行智能化充电管理，以尽量延长储能设备的使用寿命。对于风力资源的综合利用，如为电动汽车蓄电池充电，风电制氢技术也值得研究。近15年来，风力发电技术无论是在基础理论研究，还是在实验手段和生产制造上，都取得了长足进步。风力发电技术要具备与传统发电技术相当的竞争力，成为人类发展的主要能源，除了人类环保意识的增强和有关鼓励政策的出台外，首先在技术上要更进一步，在包括空气动力学、空气弹性力学、新型风力发电机、并网技术、变速恒频技术及相关的电力电子技术和现代控制技术等领域进行广泛深入的研究，以建设我国具有自主知识产权的风电产业。41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）1.2国际风力发电技术的发展随着国际社会对环境关注程度的不断提高，风力发电越来越受到了各国的重视，国外政府纷纷制定优惠政策，鼓励企业和个人积极参与风力发电事业，加大风电的开发力度。如法国、德国等欧洲发达国家都将风电定为优先发展级别。1999年10月5日，欧洲风能协会的一项国际能源研究报告指出：到2020年，风能可提供世界电力需求10%，创造170万个就业机会，并在全球范围减少100多亿吨二氧化碳废气。风电技术经过20年的开发日益成熟，商业化机组的单机容量从55kW增加到6000kW，风电成本从20美分/kWh持续下降到3美分/kWh，运行可靠性的发电成本接近于常规火电，迅速发展为初具规模的新兴产业[1]。国外风电发展速度非常快，装机容量以每年30％的速度增长。例如欧洲风能协会和绿色和平组织签署的《风力12—关于2020年风电达到世界电力总量的12％的蓝图》的报告中，指出期望并预测2020年全球的风力发电装机将达到12.31亿千瓦这是2002年世界风电装机容量的38.4倍，年安装量达到1.5亿千瓦，风力发电量将占全球发电总量的12％。就目前情况看，欧洲的风力发电机研发水平最高，其中以德国与丹麦发展风力发电机最为积极。丹麦是开发风电最早的国家，而且当前在风电机组技术和生产方面仍处于领先地位，2002年初丹麦全国风电装机2714MW，占发电总装机容量的11.09%；德国风电装机8753MW，超过美国(4245MW)居世界第一；风电装机超过100MW的国家还有西班牙(3335MW)、意大利(197MW)等，己经达到了16个之多。欧盟2001年实际已装机17361MW，风电发展规划目标是2010年要达到40GW，2020年达到100GW，届时风电的比例将超过10%[9]。亚洲的风电事业也蓬勃兴起，到2002年初，装机总容量达到2220MW占世界风电装机总容量的9.1%。其中印度发展最为迅速，在短短几年时间进入世界装机总量前五名[10]。    目前国外变桨距机构主要应用于MW级以上的大型风力发电机上，多采用两种方案：液压执行机构和电机执行机构。两者都以应用到2.5到6MW风力发电机上。在海上风力发电机也用到这两种方案。液压执行机构以其响应频率快、扭矩大、便于集中布置和集成化程度高等优点在目前的变桨距机构中占有主要的地位，它特别适合于大型风力机的场合；而电机执行机构以其结构简单、能对桨叶进行单独控制，也受到许多厂家的青睐。41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）国外厂商开发的变距型风力发电机组的变距机构从驱动控制形式上可分为一个液压缸推动三片桨叶同步运行的结构形式；三个液压缸分别驱动三片桨叶的驱动形式和采用三个电动机通过减速器分别驱动三片桨叶的驱动形式，其中以VESTAS的一个液压缸驱动三片桨叶的变距系统最具有代表性。现在这三种变桨距结构在国外均有商品化机型，但是生产制造这种机型的国家基本上只有丹麦、德国、美国、西班牙等几个国家，如世界著名厂商NORDEX，VESTAS，DEWIND等这些公司均开发了大型变距型风力发电机组，并以实现了商业化运行。1.3我国风电技术的发展一、历史自70年代第二次世界石油危机以来，我国许多大学，研究院所和生产厂商尝试在我国开发并网型风力发电机组。浙江机电院和上海电力院等单位于70年代未开发了我国第一台现代工业概念的18kW风力发电机组。随后我国各单位又先后开发了20kW、30kW、40kW和50kW的风力发电机样机。这些机组的主要特点为：3桨叶、退役直升机桨叶、变桨距调节、同步或异步发电机、继电控制。18kW风力发电机组于79年投入运行，前后共运行10年之久，运行时间约5万小时，发电约20万度。1990年我国又在18kW的技术基础上，制造了5台30kW风力发电机，这5台30kW风力发电机组成我国第一个国产化的风电场。从90年运行至2000年，已安全运行9年，发电量约80万度。1983年，我国引进了3台55kWVestas风电机，从此中国打开国门，吸引了许多发达国家的技术人员来我国考察访问，同时大量中国技术人员赴发达国家学习、考察国际先进风力发电技术。通过技术交流与合作、我国于90年代先后开发成功了55kW、120kW、200kW和300kW风电机组。这些机组基本上是3桨叶、定桨距失速调节、玻璃钢桨叶、微机控制。这里有引进国外技术，中外合资及在国外先进技术的基础上消化吸收自主开发等各种方式进行技术开发。值得欣慰的是在国家科技部的支持下我国自行开发成功200kW风力发电机组。其国产化率达90%以上并拥有完全的知识产权。二、现状我国现在具备整机技术开发能力的单位约七家，其技术开发能力及其风电机运行概况如表1-1所示：41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）表1-1国内风电机整机开发单位情况单位名称开发能力机组情况新疆金风科技97年引进德国Jacobs600kW风电机技术，现已生产100余台。2003年开发成功750kW风电机，2004年投放市场600kW已完全国产化。750kW已有60%国产化浙江运达风力发电工程有限公司曾开发成功18kW、20kW、30kW、40kW风电机与丹麦BONUS合作生产120kW风电机，独立开发成功200kW、250kW风电机；200kW及250kW机组90%以上采用国产部件。拥用完全自主知识产权。2003年开发成功750kW风电机，2004年投放市场5台30kW、风电机从90年投入运行至今，10台120kW风电机从96年投入运行至今，200kW风电机从96年开始先后投入至今已有30余台投入运行。沈阳工业大学85～90年开发75kW风电机，90年后参加东北电管局200kW风电机控制系统开发工作。现在已开发1.5MW风力发电机组。75kW机组在丹东运行多年，1MW机组自2005年并网发电。万电公司97年从奥地利引进600kW风电机技术，已生产6台。2台安装在辉腾，4台安装在锡林西安维德97年根据丹麦Nordtank300kW样机与技术，开发生产了二台300kW风电机，除控制与液压为进口外，其余部件均为国产。98年3月安装在南澳运行至今。我国可开发利用的风能资源为2.53亿kW，新疆、内蒙至东北和东南沿海两大主风带有效风能密度大于200W/m2，有效风力时间百分率在70%以上。可以说，我国开发风能具有良好的自然环境和资源条件。近几年来，随着我国电网覆盖程度的提高，在各级政府、电力部门和国外政府及金融组织的援助下，我国在新疆、内蒙、广东、福建、辽宁等地区建立了20座风力发电场，总装机容量达302MW，对缓解当地电力供应矛盾，提高供电质量起到了很好的作用。风力发电场的建设，加速了我国能源结构改革的进程，风能已成为真正的补充能源和发挥规模效益的生力军。41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）我国风力发电起步较晚，但发展较快。自80年末引进大型风力发电机以来，经过十多年的不断引进、消化、吸收，积累了一定的经验。我国并网型风力发电技术在80年代中期开始进行试验、示范，经过十多年的努力，现逐步转向规模开发。我国从“六五”、“七五”、“八五”到“九五”一直进行风力发电机组的研制，已经研制出55KW,200KW,300KW,600KW的风力机样机。其中新疆风能公司引进消化吸收的600KW风力发电机组已经有十几台投入商业运行，并具备了投入批量化生产的技术条件，为今后进行国产化风力发电机组的规模化生产打下了一定的基础，同时也为推动国家风电产业化进程做出了努力。“十五”期间，拟研制容量更大的新型变速恒频风力机。但遗憾的是，作为世界上的风能大国，我国尚不具备独立开发风力机尤其是大型风力机的能力，迄今为止国内已投入运行的风力机绝大部分是进口风力机。设计水平是主要的制约因素，与此相关的基础研究、实验研究和新技术应用等方面与国外存在着较大的差距，有些领域国内甚至是空白。尤其是目前主流的大型风力机，我国基本上是依靠从国外引进生产技术来仿制。这不但受到成本、运输、售前售后等方面的制约，还要消耗大量的资金，而且将使我国对风力机组的研制水平日益落后于国际先进水平，从根本上来说不利于我国风电产业的发展。更何况从国外引进的风机由于在设计时针对国外的风况和有一些特殊的环保要求，并不能和国内的情况非常吻合，不能很好地达到预期的性能。因此，必须以提高我国风力机的设计和研究水平为目标来实现“国产化”。目前我国虽然以96%的国产化率造出了600KW的风力机，但是从根本上来说我们还没有自主设计开发的能力。而自主设计开发对十我国风电事业的长期发展是非常重要的，它不仅可以使我们摆脱从国外引进生产许可制造风机的被动局面，而且可以从根本上解决我国风能行业发展的“瓶颈”，促进风电行业的健康发展。1.4本课题的目的及其意义随着社会的发展，工业化进程的加速，能源与环境问题成为当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。为了解决常规能源短缺的问题，可再生能源的开发和41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）利用越来越受到各国的高度重视。风能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，是可再生能源中最具有发展潜力的能源之一。发展风力发电，不仅可以节约常规能源，而且有利于环保，是改善能源结构，减少环境污染的有效途径之一，可带来直接的经济效益、社会效益和环境效益。本课题从风机运行的基本原理出发，选择其偏航机构作为研究对象，对其进行三维建模，并对该系统关键部件进行校核计算，研究风机设计过程，为整机的设计积累分析计算资料。41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）第2章风力发电机组偏航系统2.1风机主要结构介绍2.1.1风力发电机组主要型式结构从能量转换的角度看,风力发电机组由两大部分组成。其一是风力机,它的功能是将风能转换为机械能;其二是发电机,它的功能是将机械能转换为电能。风力机的种类和式样很多。但由于风力机将风能转变为机械能的主要部件是受风力作用而旋转的风轮,因此,风力机依风轮的结构及其在气流中的位置大体上可分为两大类:一类为水平轴风力机,一类为垂直轴风力机。图2-1水平轴风力机主要结构水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转,工作时,风轮的旋转平面与风向垂直,如图2-1所示。风轮上的叶片是径向安置的,与旋转轴相垂直,并与风轮的旋转平面成一角度(安装角)。垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转,如图2-2所示。其主要优点是可以接受来自任何方向的风,因而当风向改变时,无需对风。由于不需要调向装置,使它们的结构设计简化。垂直轴风力机的另一个优点是齿轮箱和发电机可以安装在地面上。41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）图2-2垂直轴风力机2.1.2水平轴风力发电机组结构风力发电机的样式虽然很多,但其原理和结构总的说来还是大同小异的。这里以水平轴风力发电机为例作一介绍,它主要由以下几部分组成:风轮、主轴图2-3水平轴风力发电机组内部结构增速箱、发电机、机舱底盘、机舱，塔架、偏航机构、变距机构等,如图2-3所示。下面简要介绍风力机的风轮、传动机构、变桨距机构、和偏航机构等部分,风轮：风力机区别于其他机械的最主要特征就是风轮。风轮一般由2～3个叶片和轮毂所组成,其功能是将风能转换为机械能。41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）传动机构：风力机的传动机构一般包括低速轴（主轴）、齿轮箱、联轴器和制动器等(图2-4)。但不是每一种风力机都必须具备所有这些环节。有些风力机的轮毂直接连接到齿轮箱上,不需要低速传动轴。也有一些风力机(特别是小型风力机或直驱型)设计成无齿轮箱的,风轮直接连接到发电机。在整个传动系中除了齿轮箱其它部件基本上一目了然。图2-4风力发电机组传动机构塔架：风力机的塔架除了要支撑风力机的重量,还要承受吹向风力机和塔架的风压,以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系,如果说塔架对小型风力机影响还不太大的话,对大、中型风力机的影响就不容忽视。偏航机构：风力发电机组在风场中运行时，风速随着时间的变化，风电机组必须发挥其最大效能，跟踪风的方向准确对风，偏航控制系统控制偏航机构工作，塔架以上部分（包括风轮，机舱及机舱罩内所有零部件）绕塔架轴线旋转，变距机构：2.2风机设计技术2.2.1总体设计一、气动布局方案包括对各类构形、型式和气动布局方案的比较和选择、模型吹风，性能及其他气动特性的初步计算，确定整机和各部件（系统）主要参数，各部件相对位置等。最后，绘制整机三面图，并提交有关的分析计算报告。41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）二、整机总体布置方案包括整机各部件、各系统、附件和设备等布置。此时要求考虑布置得合理、协调、紧凑，保证正常工作和便于维护等要求，并考虑有效合理的重心位置。最后绘制整机总体布置图，并编写有关报告和说明书。三、整机总体结构方案包括对整机结构承力件的布置，传力路线的分析，主要承力构件的承力型式分析，设计分离面和对接型式的选择，和各种结构材料的选择等。整机总体结构方案可结合总体布置一起进行，并在整机总体布置图上加以反映，也可绘制一些附加的图纸。需要有相应的报告和技术说明[10]。四、各部件和系统的方案应包括对各部件和系统的要求、组成、原理分析、结构型式、参数及附件的选择等工作。最后，应绘制有关部件的理论图和有关系统的原理图，并编写有关的报告和技术说明。五、整机重量计算、重量分配和重心定位包括整机总重量的确定、各部分重量的确定、重心和惯量计算等工作。最后应提交有关重量和重心等计算报告，并绘制重心定位图。六、配套附件整机配套附件和备件等设备的选择和确定，新材料和新工艺的选择，对新研制的部件要确定技术要求和协作关系。最后提交协作及采购清单等有关文件。总体设计阶段将解决全局性的重大问题，必须精心和慎重地进行，要尽可能充分利用已有的经验，以求总体设计阶段中的重大决策建立在可靠的理论分析和试验基础上，避免以后出现不应有重大反复。此阶段的结果是应给出风力发电机组整机三面图，整机总体布置图，重心定位图，整机重量和重心计算报告，性能计算报告，初步的外负载计算报告，整机结构承力初步分析报告，各部件和系统的初步技术要求，部件理论图，系统原理图，新工艺、新材料等协作要求和采购清单等，以及其他有关经济性和使用性能等应有明确文件。2.2.2总体参数在风轮气动设计前必须先确定下列总体参数。一、风轮叶片数B41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）一般风轮叶片数取决于风轮的尖速比λ。目前用于风力发电一般属于高速风力发电机组，即λ＝4～7左右，叶片数一般取2～3。用于风力提水的风力机一般属于低速风力机，叶片数较多。叶片数多的风力机在低尖速比运行时有较低的风能利用系数，即有较大的转矩，而且起动风速亦低，因此适用于提水。而叶片数少的风力发电机组的高尖速比运行时有较高的风能利用系数，且起动风速较高。另外，叶片数目确定应与实度一起考虑，既要考虑风能利用系数，也要考虑起动性能，总之要达到最多的发电量为目标。由于三叶片的风力发电机的运行和输出功率较平稳，目前风力发电机采用三叶片的较多。二、风轮直径D风轮直径可用下行公式进行估算(2-1)式中P—风力发电机组设计（额定）风况输出电功率（kW）：—空气密度，一般取标准大气状态；（kg/m3）—设计风速（风轮中心高度）（m/s）：—风轮直径（m）：—发电机效率：—传动效率：—风能利用系数。在计算时，一般应取额定风速下的值。三、设计风速风轮设计风速（又称额定风速）是一个非常重要的参数，直接影响到风力发电机组的尺寸和成本。设计风速取决于安装风力发电机组地区的风能资源。风能资源既要考虑到平均风速的大小，又要考虑风速的频度。知道了平均风速和频度，就可以确定风速的大小，如可以按全年获得最大能量为原则来确定设计风速。也有人提出以单位投资获得最大能量为原则来选取设计风速。41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）四、尖速比λ风轮的尖速比是风轮的叶尖速度和设计风速之比。尖速比是风力发电机组的一个重要设计参数，通常在风力发电机组总体设计时提出。首先，尖速比与风轮效率是密切相关的，只要风力发电机没有超速，运转处于较高尖速比状态下的风力发电机，风轮就具有较高的效率。对于特定的风轮，其尖速比不是随意而定的，它是根据风力发电机组的类型、叶尖的形状和电机传动系统的参数来确定的。不同的尖速比意味所选用或设计的风轮实度具有不同的数值。设计要求的尖速比，是指在此尖速比上，所有的空气动力学参数接近于它们的最佳值，以及风轮效率达到最大值。在同样直径下，高速风力发电机组比低速风力发电机组成本要低，由阵风引起的动负载影响亦要小一些。另外，高速风力发电机组运行时的轴向推力比静止时大。高速风力发电机组的起动转矩小，起动风速大，因此要求选择最佳的弦长和扭角分布。如果采用变桨距的风轮叶片，那么在风轮起动时，变距角要调节到较大值，随着风轮转速的增加逐渐减小。当确定了风力发电机组尖速比范围之后，要根据风轮设计风速和发电机转速来选择齿轮箱传动比，最后再用公式λ=Rω/V进行尖速比的计算，确定其设计参数。五、实度σ风轮的实度是指风轮的叶片面积之和与风轮扫掠面积之比。实度是和尖速比密切相关的另一个重要设计参数。对风力提水机，因为需要转矩大，因此风轮实度取得大；对风力发电机，因为要求转速高，因此风轮实度取得小。自起动风力发电机组的实度是由预定的起动风速来决定的，起动风速小，要求实度大。通常风力发电机组实度大致在5%~20%这一范围。实度的大小的确定要考虑以下两个重要因素：（1）风轮的力矩特性，特别是起动力矩：（2）风轮的转动惯用量及电机传动系统特性决定。六、翼型及其升阻比翼型的选取对风力发电机组的效率十分重要。翼型的升力/阻力比（L/D）值愈高则风力发电机组的效率愈高。同时要考虑翼型的失速特性，避免由于失速而产生的瞬间抖动现象。七、其他（一）风轮中心离地高度。是指风轮中心离安装处地面高度。41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）（二）风轮锥角。风轮锥角是叶片相对于和旋转轴垂直平面的倾斜度。锥角的作用是：在风轮运行状态下离心力起卸荷作用，以减少气动力引起的叶片弯曲应力和防止叶片梢部与塔架碰撞。（三）风轮仰角。风轮仰角是风轮相对于和旋转轴平行平面的倾斜度，倾角的作用主要是减少和防止叶片梢部与塔架碰撞。2.1.3动力学设计风力发电机组的主要动力学问题大体有振动负载、振动及动力稳定性等三个方面。一、动负载作用于风轮叶片上的周期性气动负载会引起叶片的动响应，而此响应又反馈于外部气动负载，因此这实质上是一个气弹耦合的响应问题，是风轮疲劳问题的根源。各片叶片的动负载合成为风轮的动负载，又是风力发电机组振动的主要振源。二、振动风轮的振动负载作用在机体上引起其振动响应，风力发电机组在运行时始终要承受持续的周期性的振动。因此，除风轮外，电机、传动系统及其支撑结构等设计都应考虑振动问题。因为振动会引起结构的疲劳、降低设备的可靠性，以至增加维护工作量[3]。三、动力稳定性多方面的复杂的耦合关系导致了各种动力稳定性问题。在风力发电机组发展史上，运行时风轮/机体耦合的机构不稳定性问题（即所谓整机动力不稳定性）造成了许多严重的后果。风轮的动力不稳定性，包括变距/挥舞不稳定性（经典颤振）、变距/摆振不稳定性及挥舞/摆振不稳定性等。2.2.4可靠性设计风力发电机组可靠性量化指标是以机组运行可利用率来度量，并属于广义可靠性，包括风力发电机组可靠性和维修性。因此，风力发电机组可利用率是固有可靠性和使用管理可靠性的综合度量指标。风力发电机可利用率计算方法如下：41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）（2-2）式中—累积停机时间（h）—计划维修时间（h）—使用维护人员操作失误造成停机时间（h）—365×24=8760(h)—非维修时间（h）=++（2-3）式中—电网故障—不可抗力造成停机如战争、地震、洪水等—气候限制导致的停机如覆冰、气温超过规定的运行极限温度等总体设计阶段，对重要零部件和系统应规定可靠性量化指标的要求，可以采用串联模型法，确定有关零部件的可靠性定量要求，即：（2-4）式中—整机可利用率—第i个零部件或系统可利用率41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）对系统包括电控系统，安全系统和液压系统等元器件选择应考虑平均故障间隔时间（MTBF）或平均维修间隔时间（MTBM）和平均维修时间，以满足整机可靠性要求。对重要承力零部件，总体还应规定使用寿命，使用寿命是可靠性要求不可缺少的指标。为保护风力发电机组的安全，对重要的安全系统可以采取冗余设计。2.3风机偏航系统的技术要求2.3.1一般要求一、偏航系统应满足以下要求：a)风力发电机组偏航系统设计应符合本部分的要求，应按照规定的程序批准的图样及设计文件制造；b)偏航系统应符合GB18451.1的有关规定，且采用失效安全设计；c)对重要控制功能，如电缆扭绞检测和解缆等，为保证安全，应采取冗余设计；d)各零部件的安装应符合其安装使用说明书或相关规定。二、工作环境温度常温型：-20℃～+50℃低温型：-30℃～+50℃三、质量偏差实际质量与设计质量偏差不得超过3%四、结构形式并网型风力发电机组，宜采用主动偏航系统；并网型风力发电机组的偏航系统应采用齿轮驱动形式：齿轮驱动形式的偏航系统应由偏航轴承、偏航齿轮及减速装置和驱动电机（或液压马达）及偏航制动器组成。机舱偏航由驱动电动机或液压马达驱动，驱动力由偏航轴承传至塔体。五、解缆和扭缆保护偏航动作可能会导致机舱和塔架之间的连接电缆扭绞，应采用与方向有关的计数装置或类似程序对电缆的扭绞程度进行测量。对于主动偏航系统，在达到规定的扭绞角度前应触发解缆动作；偏航系统应具有扭缆保护功能。41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）六、偏航转速对于并网型风力发电机组的运行状态来说，风轮轴和叶片轴在机组的正常运行时不可避免的产生陀螺力矩七、偏航阻尼为避免风力发电机组在偏航过程中产生过大的振动而造成整机的共振，偏航系统在机组偏航时必须具有合适的阻尼力矩。八、方位检测风力发电机组偏航系统应设有地理方位检测装置。2.3.2偏航机构的组成偏航机构由偏航轴承、制动器、摩擦盘、偏航计数器、扭缆缆保护装置、偏航液压回路等组成[11]。如图2-1所示MW级风机的偏航机构的结构。1、结构形式偏航轴承的轴承内外圈分别与机组的机舱和塔架用螺栓连接，轮齿可采用内齿或外齿形式。图2-1偏航系统结构简图外齿形式是轮齿位于偏航轴承的外圈上，加工相对来说比较简单；内齿形式是轮齿位于偏航轴承的内圈上，啮合受力效果较好，结构紧凑。具体采用内齿形式或外齿形式应根据机组的具体结构和总体布置进行选择。2、偏航轴承设计计算[12]41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）（1）偏航齿圈的轮齿强度计算方法参照DIN3990.和GB3480-1997《渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法》及GB6413－1986《渐开线圆柱齿轮胶合承载能力计算方法》进行计算。在齿轮的设计上，轮齿齿根和齿表面的强度分析，应使用以下系数，静强度分析。对齿表面接触强度，安全系数S>1.0；对轮齿齿根断裂强度，安全系数S>1.2；疲劳强度分析：对齿表面接触强度，安全系数S＞0.6；对轮齿齿根断裂强度，安全系数S>1.0；一般情况下，对于偏航齿轮，其疲劳强度计算用的使用系数K=1.3。（2）偏航轴承部分的计算方法参照DIN281或;JB/T2300－1999《回转支承》来进行计算，偏航轴承的润滑应使用制造商推荐的润滑剂和润滑油，轴承必须进行密封。轴承的强度分析应考虑两个主要方面，第一是在静态计算时，轴承的极端载荷应大于静态载荷的1.1倍；轴承的寿命应按风力发电机组的实际运行载荷计算。此外，制造偏航齿圈的材料还应在－３℃条件下进行V型切口冲击能量试验，要求三次试验平均值不小于27J。3、润滑偏航轴承应使用制造商推荐的润滑剂和润滑油。轴承应密封，以保证相邻组建间的运动不会产生有害的影响。4、偏航驱动装置驱动装置一般由驱动电动机或驱动马达、减速器、传动齿轮、轮齿间隙调整机构等组成。驱动装置的减速器一般可采用行星减速器或蜗轮蜗杆与行星减速器串联；传动齿轮一般采用渐开线圆柱齿轮。传动齿轮的齿面和齿根应采取淬火处理，一般硬度值应达到HRC55~62。传动齿轮的强度分析和计算方法与偏航齿圈的分析和计算方法基本相同；轴静态计算应采用最大载荷，安全系数应大于材料屈服强度的!倍；轴的动态计算应采用等效载荷并同时考虑使用系数K=1.3的影响，安全系数应大于材料屈服强度的1倍。偏航驱动装置要求起动平稳，转速均匀无振动现象。偏航驱动的结构形式分为：a)电动机驱动偏航齿轮由偏航驱动电机通过减速器驱动；41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）b)液压驱动偏航齿轮由液压马达通过减速器驱动41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）第3章风力发电机组偏航机构校核计算3.1偏航机构小齿轮校核计算1MW风机偏航机构齿轮参数：模数：，分度圆螺旋角：，分度圆压力角：，基圆螺旋角：，齿顶高系数：=1mm，齿顶隙系数：分度圆直径：（3-1）将数据代入上式：dmm，mm为变位时(标准齿轮传动)的中心距公式：（3-2）由上式计算得出：a=1332mm齿根圆径：（3-3）由上式计算得：d=279mm,d2295mm齿顶圆直径：（3-4）由上式计算得：d=360mm,d=2376mm41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）齿顶高公式：（3-5）由上式计算得：mm齿根高公式为：（3-6）由上式计算得：mm齿高公式为：（3-7）由上式计算得：mm基圆直径公式为：（3-8）由上式计算得：304.16mmmm齿顶压力角：（3-9）由上式计算得：41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）32.25mm偏航电机的功率为P=3kW，960r/min偏航角速度为0.5387°/秒，则偏航速度为：R×0.5387=r×（3-10）式中：R—大齿轮半径；r—小齿轮半径；V—小齿轮偏航啮合线回转线速度；P—电动机功率；F—齿轮啮合圆周力。R=1179mmr=162mm解得：=3.92°/s，V==0.635m/s由P=F×V解得：F=4594.18N由资料查得：[]=（3-11）式中：[]—齿轮传动许用应力；S—疲劳强度安全系数。K由根据相关资料查得：K=1.2，K=1.3根据机械设计手册查得：=700MP公式：41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）=·Y（3-12）式中：K—考虑应力循环次数影响的系数；—齿轮的接触疲劳极限值；—齿轮的弯曲疲劳极限试验校正值；—齿轮的接触疲劳极限计算值；Y—试验齿轮的应力校正系数。由根据相关资料查得：=580MPa由公式(3-12)计算得[]=464MPa[]=513.3MPa式中：[]—弯曲疲劳强度许用应力；[]—接触疲劳强度许用应力；根据相关资料查得公式：=（3-13）式中：K=（3-14）由机械设计手册查得：=1.00=1.1=1.1式中：41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）K—载荷系数；—使用系数；—动载荷系数；—齿间载荷分配系数；—齿向载荷分配系数；—弯曲应力值。由根据相关资料查得：=1.16上式中：—齿形系数；—应力校正系数。由公式（3-14）计算得：K==1.3673由公式（3-13）计算得：=14.698MPa比较[]与，可得<[]所以小齿轮符合弯曲疲劳强度要求。公式：=（3-15）式中：b—齿轮设计工作宽度；d—齿轮分度圆直径；u—两轮齿廓曲率半径比；—接触疲劳强度值。=K=式中：根据相关资料查得=1.00；41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）—动载荷系数；—齿间载荷分配系数，根据相关资料查得=1.1；—齿向载荷分配系数，根据相关资料查得=1.1。根据相关资料查得==1.12+经计算得=1.20K==1.452由公式（3-15）计算得：=222.3MPa比较和[]的大小：<[]所以所设计的小齿轮符合接触疲劳强度要求。3.2偏航机构小齿轮有限元强度分析随着计算机技术的日益普及和FEA技术的蓬勃发展,人们已广泛采用计算机有限元仿真分析来作为齿轮强度校核的方法。随着齿轮传动向重载、高速、低噪、高可靠性方向发展,现代齿轮设计对齿轮传动系统的静、动态特性提出了更高的要求。齿轮设计的主要内容之一是强度设计,而强度设计的重点研究对象是轮齿。因此,建立比较精确的分析模型,准确地掌握轮齿应力的分布特点和变化规律具有重要的意义。本论文以偏航小齿为分析对象，以solidworks/cosmosworks为分析平台对其进行强度分析，其结果作为强度校核的的参考资料。一、创建有限元模型偏航小齿模数：，分度圆螺旋角：，分度圆压力角：，基圆螺旋角：，齿顶高系数：=1mm，齿顶隙系数：分度圆直径：dmm，如图3-1所示。41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）图3-1偏航小齿轮的三维模型二、选择材料及网格单元划分选择齿轮的材料为40Cr进行分析,其力学性能为弹性模量:1.9e+011N/m^2,泊松比:0.26,抗剪模量:7.9e+010N/m^2,质量密度:7700kg/m^3,热扩张系数1.5e-005/Kelvin,热导率:37W/(m.K),比热520J/(kg.K),对齿轮进行智能网格划分,可利用实体模型线段长度、曲率自行进行最佳网格化,在应力集中的地方网格加密一倍。网格划分后的单元数是:44411个,节点数:68497个。41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）图3-2偏航小齿的有限元网格模型三、约束条件和施加载荷本文中对于实体结构的齿轮,当边界条件取得足够大之后,即可以认为边界节点在x方向或y方向的位移为零,作为固定的铰支点来进行计算。齿轮是靠外界输入转矩而转动的,轮齿在啮合时,沿啮合线作用在齿面上的法向载荷Fn垂直于齿面。为了加载方便,将法向载荷Fn在接触线上分解为2个相互垂直的力,即圆周力Ft与径向力Fr,对应于中加载到x和y方向。这里取Fn=4837N,Ft=FncosA=4545N,Fr=-FnsinA=-1654N。四、计算求解及后处理由于齿轮中心已被约束,通过加载转动力矩使轮齿产生变形,利用Cosmos/works的求解功能,可以求解出每个节点的应力和应变,并通过不同的颜色反映在实体模型上,计算的结果可以从应力图图3-3及应变图图3-4上看出，数值结果表3-1所示。41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）表3-1计算结果名称类型最小位置最大位置应力VON:vonMises应力0.464283N/m^2节:58648(43.8613mm,-140.488mm,120.366mm)24953.5N/m^2节:52857(69.6613mm,85.652mm,-115.872mm)应变ESTRN:对等应变2.40679e-012单元:26460(-33.4296mm,-139.266mm,117.885mm)1.09865e-007单元:25265(66.953mm,84.0667mm,-115.553mm)图3-3偏航小齿应力图41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）图3-4偏航小齿应变图五、结论该机组偏航小齿轮在加载理论的常规计算公式所得到的值偏大,即常规计算是偏安全的。从图3-3～图3-4有限元计算结果图形可以看出轮齿的应力集中主要发生在齿根圆角处,齿轮啮合过程中此处最易折断,这是齿轮的主要失效形式，这与理论计算结果一致。41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）第4章风力发电机组的Solidworks建模4.1风力发电机组三维建模设计研究平台采用美国Solidworks公司推出的基于windows操作系统开发的机械设计软件Solidworks，该软件具有全Windows界面、全参数化特征造型、图象界面简洁友好、易用性和高效性等特点。在技术内核上它采用先进的ParaSolid图形语言平台。主要功能有：零件设计建模，装配设计，工程图绘制，Solidworks软件的集成，在单一的Windows界面上无缝集成各种专业功能，包括有限元结构分析Cosmos/works,制造加工CAMworks,运动和动力分析Motionworks等。Solidwork软件是行业普及率较高的一款三维建模软件，用其对风力发电机组进行三维建模，运用其强大的三维建模功能，完成了对风机的主要零部件的建模，并进行装配，在此基础上完成偏航系统运行的仿真动画，使机构运行原理更加直观。4.2各部件装配体模型以下各图均采用Solidworks软件建模生成三维立体，分别有1MW机舱罩外形，齿轮箱结构，轴承座，机舱底盘，整机布局、偏航机构系统，整机效果，如下各图所示。41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）图4-11MW机舱罩外形图4-2齿轮箱结构41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）图4-3偏航减速器图4-41MW风力发电机组机舱底盘41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）图4-5主轴承座图4-61MW风力发电机组总体布局41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）图4-71MW风力发电机组偏航系统图4-8整机效果41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）第5章结论本文对风机整体结构和总体设计做了简单介绍，对风机的偏航机构的重要部件进行了校核，并深入研究风机偏航系统的三维建模工作原理，在此基础上运用Solidworks进行三维建模。工作量主要在于对风机的三维建模，为后续的风力发电机组的有限元强度分析，动力学分析以及性能载荷求解工作准备了可靠的计算分析模型，从机械设计角度出发，对偏航机构的关键部件偏航小齿进行强度校核计算顺利完成对偏航机构的设计校核工作。41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）参考文献[1]易跃春.风力发电现状、发展前景及市场分析.国际电力,2004,8(5):18-22.[2]贺德馨.我国风能利用现状.太阳能学报,2003,14(2):102-113.[3]姜香梅，曾杰.风力机及其零部件载荷的确定方法.新疆农业大学学报,2002,25(2):74-77[4]王承煦,张源.风力发电.北京:中国电力出版社,2002.[5]宫靖远.风电场工程技术手册.北京:机械工业出版社,2004.[6]贺德馨.风工程与工业空气动力学.北京:国防工业出版社,2006.[7]李本立,贺德馨.风力机结构动力学.北京:北京航空航天大学出版社,1999.[8]孙恒，陈作模．机械原理，北京：高等教育出版社，2001：307[9]AmericanWindEnergyAssociation.GlobalWindEnergyMarketReport.WindEnergyConversion,2005:37-45.[10]DonaldS，Zinger，EduardMuljadi.AnnualizedWindEnergyImprovementUsingVariableSpeeds.IEEE,1997,33(6):1444-1447.[11]TheGlobalWindEnergyCouncil.GlobalWindPowerContinuesExpansionPaceofInstallationNeedstoAcceleratetoCombatClimateChange.WindEnergyConversion,2005:134-169.[12]濮良贵，纪名刚．机械设计，北京：高等教育出版社，2001[13]施鹏飞.2005年中国风电场装机容量统计.中国风能,2006(1):7.[14]许洪华,郭金东,鄂春良.世界风电技术发展趋势和我国未来风电发展探讨.中国风能2005(2):40-41.[15]R.DavidRichardson,GeraldM.WindEnergySystem.IEEEProc.-Electr.PowerAppl,1993(3):15-18.[16]徐甫荣.大型风电场及风电机组的控制系统.自动化博览,2001(6):21-26.41 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）致谢在论文完成之际，深深地感谢那些曾经教导和帮助过我的老师、朋友和同学。论文的选题、研究及撰写工作无不凝聚着导师缪磊和杨树人教授的心血，尤其在课题的研究工作中，老师悉心指导，帮助突破难关，解决技术难题，从而使我得以在课题的研究中进展顺利。期间老师们师给予我无微不至的关心和照顾，我将终生难忘。在论文进展过程中得到了沈阳工业大学风能技术研究所的资助和所里各位老师的帮助，特别是杨树人、单光坤、邢作霞、陈雷等老师的悉心指点和帮助，同时也得到了研究生工作站中各位学长的帮助，在此深深表示感谢。41'