风力发电机扭转型风轮的Solidworks建模课程设计.docx
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风力发电机扭转型风轮的Solidworks建模课程设计
摘要
本文主要介绍扭转型垂直轴风力发电机风轮的设计计算及SolidWorks建模过程。
包括当今世界及国内风力发电研究的现状,垂直轴风力发电机研究的兴起。
本文中详细说明了扭转型风力发电机风轮三维零件图、装配图以及工程图的绘制过程。
关键词:
风力发电垂直轴扭转型SolidWorks
目录
前言……………………………………………………………………1
一、小型风力发电机概述……………………………………2
1.1风电发电机分类………………………………………………2
1.2世界风力发电现状……………………………………………3
1.3国内风力发电发展概况………………………………………4
1.4设计思想及计算………………………………………………4
二、Solidworks2006概述 ………………………………6
2.1软件安装 ……………………………………………………6
2.2界面介绍 ……………………………………………………6
三、风轮三维零件图 ………………………………………8
3.1草图绘制及步骤说明 ……………………………………………8
3.2草绘特征及操作说明 ……………………………………………9
3.3完成三维实体建模及输出 ………………………………………9
四、风轮三维装配图 …………………………………………10
4.1分析装配及传动方案,绘制装配零件 …………………………10
4.2建装配体及操作说明,输出装配图 ……………………………12
4.3装配动画(爆炸视图)制作及制作说明 ………………………12
五、风轮工程图 …………………………………………………13
六、设计小结 ……………………………………………………14
七、致谢 …………………………………………………………15
附录:
课程设计任务书、A4风轮三维零件图、A4风轮三维装配图、A4风轮工程图
前言
随着能源短缺和环境污染的日趋严重,无污染无成本的风能已成为当今全球性的热门研究课题。
然而,近几十年对风能的利用均以水平轴的风力机为主,其结构庞大,单位面积效率低,且需复杂的启动装置。
本论文设计的垂直轴式风力机结构简单,启动、切入风速要求低,体积小,重量轻、安装携带都非常方便。
采用Solidworks软件实现风力发电机的三维建模,结构清晰,可以很好地展示垂直轴风力发电机的结构特征。
1.设计任务与要求
1.1课题任务
200W扭转型风力发电机风轮的Solidworks建模。
要求按照输出功率及设计参数确定风力发电机风轮尺寸,借助Solidworks软件平台实现风轮的三维建模。
1.2设计参数
垂直轴风力发电机风轮设计风速ν=10m/s,风能利用系数Cp=0.28,转矩系数Cm=0.32,尖速比λ=0.86。
1.3设计流程
(1)了解任务书,明确设计任务,收集和阅读相关资料,分析装配及传动方案,计算风力发电机设计尺寸;
(2)熟悉Solidworks软件平台的操作应用,绘制零件图,完成风轮的三维建模;
(3)编写设计说明书。
2.三维建模工具Solidworks2006简介
SolidWorks软件是由美国SolidWorks公司在Windows平台上研制开发的一套三维机械CAD软件,功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点,使其成为领先的、主流的三维CAD解决方案。
应用SolidWorks,通过带控制线的扫描、放样、填充以及拖动可控制的相切操作产生复杂的曲面,并且可以直观地对曲面进行修剪、延伸、倒角和缝合等曲面的操作,这样就可以很方便地实现风力发电机风轮的实体建模设计。
一.小型风力发电机概述
1.1风力发电机分类
风力发电机是一种机电能量转换装置将风能转换成电能。
其原理是:
天然风吹转叶片,带动发电机的转子旋转而发电。
风力发电机分类法很多,按叶片数量分,有单叶片,双叶片,三叶片,四叶片和多叶片;按主轴与地面的相对位置分,有水平轴、垂直轴(立轴)式;按桨叶工作原理可分为升力型和阻力型。
1.1.1水平轴风力发电机
水平轴风力发电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,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个角度。
水平轴风力发电机因具有风能利用效率高和理论研究成熟的优点成为目前商业化风力发电的主要形式。
1.1.2垂直轴风力发电机
垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转,其主要优点是无需对风、结构简单以及维修维护方便,垂直轴风力机可分为利用空气阻力做功和利用翼型的升力做功两类,分别称为阻力型和升力型。
1.1.2.1阻力型垂直轴风力发电机
典型的阻力型垂直轴风力发电机组是芬兰工程师萨窝纽斯(Savonius)在20世纪20年代发明的萨窝纽斯型(Savoniustype)风力发电机组,选用的是S型风轮。
它由两个半圆筒形叶片组成,两圆筒的轴线相互错开一段距离。
其优点是起动转矩较大,启动性能良好,但是它的转速低,风力发电机组风能利用系数低于水平轴风力发电机组,并且在运行中围绕着风轮会产生不对称气流,从而产生侧向推力。
特别是对于较大型的风力发电机组,因为受偏转与安全极限应力的限制,采用这种结构形式是比较困难的。
萨窝纽斯型风力发电机组的尖速比不可能大于1,所以它的转速低,风能利用系数也低于高速型的其他垂直轴风力发电机组,缺乏市场竞争力。
图1—1S型风轮
1.1.2.2升力型垂直轴风力发电机
升力型垂直轴风力发电机组利用翼型的升力做功,最典型的是由法国工程师达里厄(G•J•M•Darrieus)发明的达里厄型(Darrieustype)风力发电机组,他于1931年获得专利,但一直未被重视。
20世纪后期,经加拿大国家空气动力实验室和美国Sandia实验室进行了大量的试验研究,结果认为与所有垂直轴风力发电机组相比,该机的风能利用系数最高。
根据叶片的形状,达里厄风力发电机组可分为直叶片和弯叶片两种,叶片的翼形剖面多为对称翼形。
弯叶片(Φ型)主要是使叶片只承受张力,不承受离心力,但其几何形状固定不变,不便采用变桨距方法控制转速,且弯叶片制造成本比直叶片高。
直叶片一般都采用轮毂臂和拉索支撑,以防止离心力引起过大的弯曲应力,但这些支撑会产生气动阻力,降低效率。
如图5所示,达里厄型风力发电机组有多种形式,H型,Δ型,◇形,Y型和Φ型等,其中以H型和Φ型风力发电机组最为典型。
图1—2达里厄型风力发电机组的类型
1.2世界风力发电的现状
目前,中、大型风力发电机组已在世界上40多个国家陆地和近海并网运行,风电增长率比其它电源增长率高的趋势仍然继续。
截止2005年12月31日世界装机容量已达58,982MW,年装机容量为11,310MW,增长率为24%;风力发电量占全球电量的1%,部分国家及地区已达20%甚至更多。
2005年国际风电市场份额的分布多样化进程呈持续发展趋势:
有11个国家的装机容量已高于1,000MW,其中7个欧洲国家(德国、西班牙、意大利、丹麦、英国、荷兰、葡萄牙),3个亚洲国家(印度、中国、日本),还有美国。
亚洲正成为发展全球风电的新生力量,其增长率为48%[5]。
1.3国内风力发电发展概况
我国是世界上风力资源较为丰富的国家之一,据估计,中国近海风能资源约为陆地的3倍,所以,中国可发风能资源总量约为10亿千瓦,其中青海、甘肃、新疆和内蒙可开发的风能储量分别为1143万千瓦、2421万千瓦、3433万千瓦和6178万千瓦,是中国大陆风能储备最丰富的地区。
近年来,我国共建成32处风电场,总容量约46.8万千瓦,相当于美国20年前的装机容量,不及德国2002年底累计装机容量的4%。
目前,我国积极加紧风力发电设备国产化,降低设备生产和风场建设成本,并取得一定的进展,600千瓦机组已具备一定的生产能力。
1.4设计思想及计算
1.4.1设计思想
一般的Savonius阻力型风力机,如图1.1所示,主要由两个半圆柱面型桨叶构成。
研究表明,若将桨叶进行扭曲可以在一定程度上增大风力机的输出功率P。
本论文设计的扭转型风轮即是在Savonius型风轮的基础上,将桨叶顶端弦线与低端弦线扭转一定角度。
这样设计的风轮机桨叶,无论来风方向如何,风力机处于哪个方位,都能处于一个极佳的受风位置。
在Savonius风力机运行时,桨叶的凹下部分接受风力驱动风轮旋转,凸起的部分阻碍风轮旋转;可以看到采用着这种扭转方式,一支桨叶的上半部分与另一支的下半部分总能同时处于受风的位置,因此无论来风的方向怎样变化都能保证风力机受到同样的驱动力,特别是对于风机在微风情况下的启动极为有利。
桨叶在设计时为了增大风能的利用效率,本论文设计为三叶片扭转型风轮。
1.4.2风轮计算与尺寸选定
风力发电机的输出功率为
(1)
A=
(2)
式中
为风轮利用系数,
为空气密度,A为风力发电机扫风面积,
为风速,H为桨叶高度,d为桨叶直径,a为风轮中心转轴直径。
尖速比
为:
(3)
式中为
风轮角速度,R为风轮半径
风力发电机的转矩系数
为:
(4)
式中M为转矩,D为风轮直径
风力发电机设计转速
(5)
分别代入设计参数得到以下数据:
H=1700mm
A=1.107m2
d=219mm
N=375r/min
二.Solidworks2006概述
2.1软件安装
使用安装向导可以很方便地实现Solidworks2006的安装
2.2界面介绍
整个界面主要分为标题栏、菜单栏、工具栏、FeatureManager设计树、绘图区、任务面板等几部分。
SolidWorks软件在用户界面方面的方便程度是世界公认的,去掉了一些多余的对话框,而以隐含的右键菜单所代替,最明显的是能够将特征管理器沿水平拆分。
这使得进行某些特殊命令操作时,如检查装配关系,而不会迷失在特征树的位置。
这对于大型装配体和复杂零件的操作也非常重要,因为零件复杂以后,特征管理树会很长,有时很难同时观察特征树的最上端和特征树的最下端。
有了特征管理器的拆分功能,这一切都成为可能。
SolidWorks软件的菜单非常少,一共只有六十几个命令,其余所有的命令与Windows的命令是相同的;下拉菜单一般只有二层(有三层的不超过五个);图形菜单设计简单明快,非常形象化,一看即知。
系统的所有参数设置全部集中在一个选项(option)中,容易查找和设置。
动态导引具有智能化,一般情况下不需要用户去修改。
特征树独具特色,所有的实体及光源均可在特征树中找到,操作特征非常方便。
实体的建模和装配完全符合于自然的三维世界。
特别是装配约束的概念非常简单且容易理解。
对实体的放大,缩小和旋转等操作全部是透明命令,可以在任何命令过程中使用,实体的选取非常容易和方便。
三、风轮三维零件图
3.1草图绘制及步骤说明
(1)单击标准工具栏上的[新建],打开一张空白的新工作图文件,进行新建零件图,并将文件命名为“风轮”。
(2)添加基准面1
单击【视图】,选择【上视】作为添加新的基准面的参照标准,距离设为1700mm,再单击【完成】,完成基准面1的设定
(3)添加基准面2
在单击【视图】,选择【基准面1】作为添加新的基准面的参照标准,距离设为“——”,单击【完成】,完成添加基准面2的操作
(4)选择【基准面1】,单击【草图绘制】,开始绘制草图,如图3—1:
图3—1
得到草图1。
单击【退出草图】。
(5)选择基准面2,单击草图绘制,得到草图2,如图3—2
图3—2
退出草图。
3.2草绘特征及操作说明
(1)单击【视图】,选择【等轴测】。
(2)单击特征工具栏上的【放样凸台/基体】。
(3)在【草图】工具下选择【链轮廓】。
(4)在图形区域中,依次在草图1、草图2轮廓的同一位置附近(如又上侧)单击。
(5)预览实体效果,如无误,单击【完成】。
3.3完成三维实体建模及输出
可根据需要对得到实体进行细节修改与渲染,如添加【圆角】、【编辑颜色】等;
在设计树窗口中选择【材料编辑】目录下,选择【塑料】,完成风轮三维实体建模。
四、风轮三维装配图
4.1分析装配及传动方案,绘制装配零件
经过分析,并根据本论文设计需要,拟定如下风轮装配方案:
图4.1分轮机装配及传动方案示意图
需要绘制的装配图零件有中间轴、联轴器、连接键、连接销、圆锥滚珠轴承、轴承套筒、轴承盖、连接螺栓、螺母、垫片。
基于风轮设计转速N=375r/min,电机选择专用多级电机。
现简单说明主要零件的绘制过程:
4.1.1中间轴绘制
(1)选择【前视】基准面,绘制草图1,如图4—2所示
图4—2
【退出草图】。
(2)选择特征工具栏中的【旋转凸台/基体】,得到实体
(3)使用【拉伸凸台/基体】,添加键槽;必要的地方需添加【倒角】,单击【完成】
4.1.2圆锥滚珠轴承
(1)新建一张空白的工作图文件,选择【前视】基准面
(2)查阅机械设计手册,确定所需轴承的基本几何尺寸
(3)单击【绘制草图】,按照几何尺寸绘制的初步草图如图4.3所示:
图4—3
(4)单击【旋转凸台/基体】,选择草图中对应于轴承外圈部分的轮廓线,完成旋转后,可得到如图4—4所示实体
图4—4
(5)依次选择滚珠、轴承内圈所对应轮廓,分别执行旋转操作
(6)选择特征工具栏上的【圆周阵列】,阵列滚珠,效果如图4—5(图示轴承内圈已隐藏)
图4—5
(7)在轴承中与滚珠相对应的面产生圆角,以便安装,减少磨损。
得到轴承的最终结果。
4.2建装配体及操作说明,输出装配图
在SolidWorks2006中,可以建立由许多零部件组成的复杂装配体。
装配体的零部件可以包括独立的零件和其他装配体(称为子装配体),这些零部件被链接到装配体文件中。
SolidWorks2006装配体中可以选择的配合类型有重合、垂直、相切、同轴心、平行、距离、角度等。
建立装配体操作过程如下:
(1)单击【文件】→【新建】命令,选择【装配体】模板,创建空白的装配体文件。
(2)单击【插入】→【零部件】→【已有零部件】命令,显示“插入零部件属性管理器,然后通过浏览、打开零部件来进行所需零部件的添加。
(3)根据装配后个零部件的方位,运用【视图】工具和【标准视图】工具设定视图到适当位置,必要时使用【旋转零部件】命令。
(4)单击装配体工具栏中的【配合】工具,显示“配合”属性管理器
(5)单击选择需要配合的不同零部件上的面(线),选择可能的配合类型,单击【确定】按钮,完成配合操作。
4.3装配动画(爆炸视图)制作及制作说明
SolidWorks可以再装配体中生成爆炸视图,用来形象的表现各个零部件之间的装配关系。
装配体生成爆炸视图的操作步骤如下:
(1)单击【打开】工具,打开已有的装配体文件。
(2)单击装配体工具栏中的【爆炸视图】工具,显示“爆炸”属性管理器。
(3)设定有关选项,如爆炸步骤的零部件、爆炸方向、爆炸距离,可以单击【应用】按钮预览爆炸步骤所进行的更改,知道满意为止。
(4)单击【完成】按钮完成爆炸装配体操作,单击【保存】工具,保存该文件。
五、风轮工程图
在SolidWorks2006的工程图中包含一个或多个有零件/装配体生成的视图。
可以从零件/装配体直接生成工程图,或者新建工程图后插入零件/装配体视图中。
在SolidWorks2006系统中,通过设定工程图相关的系统选项和文件属性,可自定义工程图以符合用户的标准及打印机或绘图机的要求。
影响工程图的选项包括“系统选项”标签中的“工程图”选项、“文件属性”、标签中的“出详图”、“尺寸”、“注释”等选项。
SolidWorks2006通常在生成零部件特征的同时生成尺寸,可以将这些尺寸插入工程图中。
建立工程图的步骤操作如下:
(1)单击【文件】→【新建】,选择【工程图】模板。
(2)弹出“图纸格式/大小”对话框,标准的A4-横向。
(3)单击【工具】→【选项】命令,在“系统选项-工程图”对话框中设定工程图选项。
(4)鼠标右键单击工程图纸上的任何位置,选择【编辑图纸格式】命令,根据要求编辑图纸格式状态。
(5)单击【插入】→【工程图】→【模型】,根据需要添加模型视图等需要的工程视图
(6)插入模型项目等,对工程图进行标注。
保存该工程图文件
六、设计小结
接到扭转型风轮的SolidWorks建模这个课题后,我马上开始了各项准备工作。
到图书馆借阅各类书刊,查阅论文数据库,了解风力发电机的发展进程及设计风轮所需的各项数据、计算公式,并进行必要的计算。
有与以前对于这方面的知识接触得比较少,这样一个课题,对我来说是完全陌生的,开始的确很困难。
经过一个星期的摸索,掌握了风力发电机设计的基本知识后,SolidWorks建模才正式开始。
这个软件实现了二维图到三维图的转换,可以比较直观的看到设计的模型。
在熟悉这个软件的初始阶段也碰到过不少麻烦,草图绘制要求非常严谨,画出完全准确的草图之后才能开始下一步实体特征的绘制。
扭转型风轮叶片曲面的准确造型也琢磨了很久才弄懂,通过扫描或者放样特征都可以得到理想的风轮叶片。
在此,感谢老师给了我一个学习风电知识和SolidWorks制图软件的机会,感谢老师在此期间给予的悉心指导以及各位同学的无私帮助!
致谢
本论文是在老师的精心指导下完成的。
从论文的选题到SolidWorks制图软件的入门指导,相关资料与信息的收集直至最后论文的撰写和修改,都是在老师的悉心指导和帮助下完成的。
老师渊博的知识,严谨的工作作风和真诚待人的态度给我留下了深刻的印象。
值此论文完成之际,向罗廉老师表示衷心的感谢和诚挚的敬意!
课题进行中,等同学在SolidWorks软件的运用技巧和资料收集上给与了无私的帮助,多次进行深入的交流,在此同样表示衷心的感谢!
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