垂直轴风力机锥齿轮式变桨距结构的优化研究

发布时间：2020-05-19 23:58

【摘要】：风能的利用是解决化石能源枯竭和环境问题的有效手段之一,而风力机是风能利用中最重要的能量转换装置。垂直轴风力机由于具有不需要调向机构,便于维护和成本低等优点,而广泛应用于市政设施、偏远地区等。本文拟针对H型垂直轴风力机风轮中的变桨距结构进行优化研究。其研究的内容主要有以下四个方面: (1)提出一种电动机直驱锥齿轮式变桨距机构,该机构可以自动调节叶片的攻角,以适应不同的风速。 (2)中心轴是锥齿轮式变桨距结构中连接轮毂和叶片的重要零件,是拉弯复合状态;采用ANSYS对变桨距结构中心轴的变形过程、应力及应变等进行分析研究,并比较确定出合适的中心轴截面形状。 (3)在第二项内容的基础上,使用MATLAB再对所选定的中心轴进行减振降重双目标优化设计。 (4)本文涉及的中心轴是一个细长杆结构,因此有必要对其进行模态分析。 本文完成所得到的研究成果: (1)在分析比较现有垂直轴风力机变桨距结构性能特点的基础上,用锥齿轮系传动结构来实现本文垂直轴风力机的变桨距结构。 (2)通过分析比较中心轴的变形、应力、应变等得出圆形比方形更宜做变桨距中心轴的截面形状。 (3)安装中心轴时,对其施加预应力可有效降低风力机与变桨距中心轴发生共振的可能性。 (4)对中心轴进行减振降重双目标优化得到中心轴各节点振动速度都有所降低,达到预期的优化目标。
【图文】：

这种合页式变桨距的结构很简单，利于实现和维护，经济成本低，使用性能强。但是，这种结构也有诸多的缺点。首先，这种变桨距结构中缺少控制叶片及时准确张合的控制装置，因此在风力发电机工作时叶片的张合是影响变桨距效果好坏的主要因素，这点是此装置的最主要缺点；此种装置的风能利用率不高，因为它不能充分利用大于设计风速的风能。1.6.4 锥齿轮式变桨距结构澳大利亚的 Paul Cooper 和 Oliver Kennedy[31]提出一种利用锥齿轮实现变桨距的结构。这种结构的思路很新颖，，风力机的叶轮结构也可以容易实现。因此，这是一种比较优良的结构。此结构如图 1.8 所示。但是，这个思路只是原理性的。并且，在原理图 1.8 中风力机叶片变桨距的动力是由主轴顶端的风向标提供，这个动力从风向标传出通过锥齿轮再传给叶片，因此动力要驱动风力机的三个或者更多的叶片是有困难的；此种思路没有考虑风力机受到极限风速以上的风力图 1.7 合页式风力机变桨距结构图 图 1.8 锥齿轮式风力机变桨距结构原理图

这种合页式变桨距的结构很简单，利于实现和维护，经济成本低，使用性能强。但是，这种结构也有诸多的缺点。首先，这种变桨距结构中缺少控制叶片及时准确张合的控制装置，因此在风力发电机工作时叶片的张合是影响变桨距效果好坏的主要因素，这点是此装置的最主要缺点；此种装置的风能利用率不高，因为它不能充分利用大于设计风速的风能。1.6.4 锥齿轮式变桨距结构澳大利亚的 Paul Cooper 和 Oliver Kennedy[31]提出一种利用锥齿轮实现变桨距的结构。这种结构的思路很新颖，风力机的叶轮结构也可以容易实现。因此，这是一种比较优良的结构。此结构如图 1.8 所示。但是，这个思路只是原理性的。并且，在原理图 1.8 中风力机叶片变桨距的动力是由主轴顶端的风向标提供，这个动力从风向标传出通过锥齿轮再传给叶片，因此动力要驱动风力机的三个或者更多的叶片是有困难的；此种思路没有考虑风力机受到极限风速以上的风力图 1.7 合页式风力机变桨距结构图 图 1.8 锥齿轮式风力机变桨距结构原理图
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK83

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本文编号：2671680