机电一体化毕业设计（论文）-风机控制系统的整体设计.doc

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1、山山 东东 英英 才才 学学 院院 毕毕业业设设计计 题题 目目 风机控制系统的整体设计风机控制系统的整体设计 专专 业业 机电一体化机电一体化 姓姓 名名 指导教师指导教师 二 O 一 O 年一月十日 摘 要 在我们的日常生活中，风机设备应用广泛，诸如锅炉燃烧系统和烘干系统等。传统 的风机控制是全速运转，即不论生产工艺的需求大小，风机都提供数值的风量，而生产 工艺往往需要对炉膛压力。风速、风量及温度等指标进行控制和调节，最常用的方法是 调节风门或档板开度的大小来调整受控对象，这样就是能量从风门、档板的节流中损失 掉了。统计资料显示，在工业生产中，风机的风门，挡板及其相关设备的节流损失以及 维

2、护，维修费用占到生产的 725.这不仅造成大量的能源浪费和设备损耗，而且控制精度 也受到限制，直接影响产品质量和生产效率。因此有必要对风机进行合理的改造。 变频调速是上世纪 80 年代初发展起来的新技术，具有易操作，免维护，控制精度高 等优点。普通电动机采用变频调速技术后，在其拖动负载无须任何改动的情况下，就可 以按照生产工艺要求调整转速。因此，风机设备完全可以用变频驱动方案取代风门，挡 板控制方案，从而降低电机功耗，达到系统高效运行的目的。因此，正确掌握风机的设 计，对保证风机的正常经济运行是很重要的。 关键词关键词：风机性能；风机控制；风机设计；变频调整；变频器等。 Abstract In

3、 our daily lives, fan equipment, widely used, such as the boiler combustion system. Ventilation systems and drying systems. Traditional fan control is at full speed, that is, regardless of the size of the production process needs, fans provide a fixed value of air flow, while the production process

4、is often the need for furnace pressure, wind speed, air volume and temperature control and adjustment indicators, the most commonly used method is regulating damper or baffle opening to adjust the size of the controlled object, so that the energy from the throttle, the throttle on duty lost out. Sta

5、tistics show that in industrial production, fan damper, baffle and its associated equipment, throttle loss and maintenance, maintenance costs, accounting for production 7 to 25. This is not only caused a great deal of energy waste and equipment wear and tear, and the control accuracy also limited di

6、rect impact on product quality and production efficiency. It is essential to the transformation of rational fans. Frequency is the early 80s of last century developed a new technology, with easy to operate, maintenance-free, control and high precision. Ordinary motor using frequency control technolo

7、gy, in its drag the load without any changes to the case, you can adjust the speed of the production process requirements. Therefore, the fan device can use the program to replace the inverter-driven throttle, baffles control program, thereby reducing electrical power consumption, efficient operatio

8、n to achieve the purpose of the system. Therefore, the correct grasp the fan design, ensuring the normal fan is very important to the economy. Key Words: fan performance; fan control; fan design; frequency conversion; converter and so on 目 录 第一章 概述 .1 1.1 风机简述.1 1.2 风机的分类 .1 1.3 风机的用途 .3 1.4 风机的主要性能

9、参数 .3 1.5 风机机械部分的组成 .4 1.6 风机控制系统的发展及方案论证 .4 1.6.1 风机控制系统的发展 4 1.6.2 风机控制系统的方案论证 6 第二章 风机的机械部分的设计8 2.1 电动机的选择方法 .8 2.2 风机测试传感器的设计选用 .9 2.3 压差测量 .9 2.4 风机静压测量与传感器 12 2.5 风机工作轮的设计计算与选型 12 2.6 风机叶片的设计与选型 15 2.7 风机进出气机壳的设计计算与选型 17 2.8 风机轴承的设计计算及选型 18 2.9 连轴器的选型与计算 20 2.10 风机传动组的设计计算 .20 第三章 风机控制系统的设计 27

10、 3.1 风机变频器的选择与设计 27 3.2 总体设计 30 致 谢 32 参考文献 .33 山东大学自学考试毕业设计（本科） 1 第一章 概述 1.1 风机简述风机简述 风机已有悠久的历史。中国在公元前许多年就已制造出简单的木制砻谷风车，它的 作用原理与现代离心风机基本相同。1862 年，英国的 varber 发明离心风机，其叶轮、机 壳为同心圆型，机壳用砖制，木制叶轮采用后向直叶片，效率仅为 40左右，主要用于 矿山通风。1880 年，人们设计出用于矿井排送风的蜗形机壳，和后向弯曲叶片的离心风 机，结构已比较完善了。 1892 年法国研制成横流风机；1898 年，爱尔兰人设计出前向叶片的

11、西罗柯式离心风 机，并为各国所广泛采用；19 世纪，轴流风机已应用于矿井通风和冶金工业的鼓风，但 其压力仅为 100300 帕，效率仅为 1525，直到二十世纪 40 年代以后才得到较快的 发展。 1935 年，德国首先采用轴流等压风机为锅炉通风和引风；1948 年,丹麦制成运行中动 叶可调的轴流风机；旋轴流风机、子午加速轴流风机、斜流风机和横流风机也都获得了 发展。 风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体 机械。 风机广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷 却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风

12、；谷 物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气和推进等。 风机的工作原理与透平压缩机基本相同，只是由于气体流速较低，压力变化不大， 一般不需要考虑气体比容的变化，即把气体作为不可压缩流体处理。 1.2 风机的分类风机的分类 1.风机按使用材质分类可分为多种，如铁壳风机（普通风机） 、玻璃钢风机、塑料风 机、铝风机、不锈钢风机等等。 山东大学自学考试毕业设计（本科） 2 2.按出口压力（升压）分为：通风机（1.5 万 Pa） ，鼓风机（1.535 万 Pa） ，压缩 机（35 万 Pa） 。其中，通风机多为民用，其他两类多用于工业、矿业场合。 3.按工作原理分为：透平式（离心式、轴流式、混流式、横

13、流式）和容积式（如罗茨 风机等） 。 离心式风机（气流轴向流入旋转叶道，在离心力作用下被抛向叶轮外缘，具有较 高的压力系数、相对低的流量流量系数） 根据压力高低分为高压（150003000Pa） 、中压（30001000Pa） 、低压 （1000Pa） 。 根据叶片出口安装角不同离心风机分为前向、径向、后向离心风机，其中前向风机 又分为一般前向和前向多翼风机两种。 离心风机一般由叶轮、机壳、集流器、电机和传动件（如主轴、带轮、轴承、三角 带等）组成。叶轮由轮盘、叶片、轮盖、轴盘组成。机壳由蜗板、侧板和支腿组成。 柜式离心风机属于前向多翼风机是前向风机中的一种，他具有高压力系数和大流量 系数及低

14、噪声特点，其叶片数很多（一般为 4080） ，叶片很窄，前向多翼风机特别适于 在空调系统中使用。 市场上一般离心风机多由联合设计组设计的“三化”风机，如 4-72、4-73、5-47、5- 48、9-19、9-26 等系列产品。前向多翼风机系列模板主要是国外机型为主，如科禄格（新 加坡） 、LAU 牌（美国）和尼科达（意大利） ；国内机型为 11-62 和 YDW-11/12 等系列以 及众多上述进口机型的仿制品。 轴流风机（气体轴向进入旋转叶道被加压后再轴向排出，具有低压、大流量、高 效特点） 。 轴流风机按压力高低分为高压（5005000Pa） 、低压（500Pa） 。低压主要用于一 般场

15、所的通风换气用。 轴流风机一般由叶轮、机壳、集流器和电机组成，叶轮由叶片和轮毂组成，机壳由 风筒、机架板和支架组成。 市场品种主要有 T30、T35、T40（工排） 、CDZ、SF、DZ、降温风机（APB 系列） 等。 山东大学自学考试毕业设计（本科） 3 混流风机（气体以与主轴成一定角度进入旋转叶道，具有高压大流量的特点） 混流风机介于轴流和离心之间，其结构与轴流相似，一般由叶轮、机壳、集流器和 电机组成。其机壳由风筒、导流内筒、导叶等组成。 市场上主流的混流风机产品系列主要有：SWF（HWF-） ，SJG（HWF-） 、HL3- 2A、 （HWF-V） 。 横流（贯流）风机（气体横贯旋转叶

16、道进入再横贯流出，出口气流扁平，风速高） 风幕机（空气幕）是横流风机中的代表产品，它可有效阻隔室内外空气的对流，因 而风幕机在有空调或有异味的公共场所应用广泛。 1.3 风机的用途风机的用途 风机一般用于锻冶炉及高压强制通风，亦可广泛用于输送物料、空气及无腐蚀性、 不自然、不含粘性物质之气体。介质温度一般不超过 50（最高不超过 80） ，介质中 尘土及硬质颗粒物含量不大于 150mg/m3。 1.4 风机的主要性能参数风机的主要性能参数 风机性能试验是以测试试验数据，绘制风机性能曲线为主，所以正确理解风机主要 性能参数和性能曲线尤为重要。风机的主要性能参数有流量、全压、功率、转速及效率。 (

17、1)轴功率:原动机传递给风机转轴上的功率，即为输入功率，又称为轴功率，以 p 表 示单位为 kw。 (2)效率:风机输入功率不可能全部传给被输送气体，其中必有一部分能量损失，被输 送的气体实际所得到的功率比原动机传递至风机轴端的功率要小，他们的比值称为风机 的效率，以几表示。风机效率越高，则气体从风机中得到的能量有效部分就越大，经济 性就越高。 (3)流量:单位时间内风机所输送的流体量称为流量。常用体积流量 Q 表示，其单位为 “耐/s”或“m3/h” 。严格地讲，风机的流量，特指风机进口处容积流量。 (4)有效功率:单位时间内通过风机的气体所获得的总能量称为有效功率，单位为 山东大学自学考试

18、毕业设计（本科） 4 kw。 (5)全压:单位体积的气体在风机内所获得的能量称为全压或风压，以 P 表示，单位为 Pa。 (6)转速:风机轴每分钟的转数称为转速，以 n 表示，单位为 r/min。风机的各性能参数 一般都不是在试验台上直接测量的，而是通过对试验数据进行计算而得到。得到风机性 能参数后，绘制风机的性能曲线为风机性能试验的最终结果，风机的性能曲线有两种， 包括有因次性能曲线和无因次性能曲线。 (7)有因次性能曲线:将风机在各工况下的性能参数值用曲线连接起来，绘制在直角坐 标系中，用以表示风机流量、功率、效率、全压与静压之间的关系曲线。 (8)无因次性能曲线:为了选择、比较和设计风机

19、，经常采用一系列无因次参数。风机 的无因次性能曲线是去掉各种计量单位的物理性质而表示的风机流量、功率、效率、全 压与静压之间的关系曲线。因为这些性能参数去除了计量单位的影响，所以对每一种型 式的风机，仅有一组无因次性能曲线。无因次性能曲线与计量单位、几何尺寸、转速、 气体密度等因素无关，所以使用起来十分方便。无因次性能曲线在风机的选型设计计算 的应用中尤为广泛。 1.5 风机机械部分的组成风机机械部分的组成 N07.116 主要由叶轮、机壳、进风口、传动组等组成。 叶轮：9-19 型风机叶片为 12 片，19-26 型风机叶片为 16 片。均属前向弯曲型。叶轮 扩压器外缘最高圆周线速度不得超过

20、 140m/s。叶轮成型后经静、动平衡校正和超速运转 实验，故运转平稳。 机壳：用普通钢板焊接成蜗壳形整体。 进风口：做成收敛式流线型整体结构，用螺栓固定于前盖板上。 传动组：由主轴、轴承箱、联轴器等组成。主轴由优质钢制成，轴承箱整体结构， 采用滚动轴承，用轴承润滑脂润滑。 山东大学自学考试毕业设计（本科） 5 1.6 风机控制系统的发展及方案论证风机控制系统的发展及方案论证 1.6.1 风机控制系统的发展风机控制系统的发展 风机的控制系统是风机的重要组成部分，它承担着风机监控、自动调节、实现最大 风能捕获以及保证良好的电网兼容性等重要任务，它主要由监控系统、主控系统、变桨 控制系统以及变频系

21、统（变频器）几部分组成。各部分的主要功能如下： 监控系统（SCADA）：监控系统实现对全风场风机状况的监视与启、停操作，它包 括大型监控软件及完善的通讯网络。 主控系统：主控系统是风机控制系统的主体，它实现自动启动、自动调向、自动调 速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、 保护功能。它对外的三个主要接口系统就是监控系统、变桨控制系统以及变频系统（变 频器） ，它与监控系统接口完成风机实时数据及统计数据的交换，与变桨控制系统接口完 成对叶片的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，与变频系统（变频器）接口实现对 有功功率以及无功功率的自动调节。 变桨控制系统：

22、与主控系统配合，通过对叶片节距角的控制，实现最大风能捕获以 及恒速运行，提高了风力发电机组的运行灵活性。目前来看，变桨控制系统的叶片驱动 有液压和电气两种方式，电气驱动方式中又有采用交流电机和直流电机两种不同方案。 究竟采用何种方式主要取决于制造厂家多年来形成的技术路线及传统。 变频系统（变频）器：与主控制系统接口，和发电机、电网连接，直接承担着保证 供电品质、提高功率因素，满足电网兼容性标准等重要作用。 从我国目前的情况来看，风机控制系统的上述各个组成部分的自主配套规模还相当 不如人意，到目前为止对国外品牌的依赖仍然较大，仍是风电设备制造业中最薄弱的环 节。而风机其它部件，包括叶片、齿轮箱、

23、发电机、轴承等核心部件已基本实现国产化 配套（尽管质量水平及运行状况还不能令人满意） ，之所以如此，原因主要有： (1)我国在这一技术领域的起步较晚，尤其是对兆瓦级以上大功率机组变速恒频控制 技术的研究，更是最近几年的事情，这比风机技术先进国家要落后二十年时间。前已述 及，我国风电制造产业是从 2005 年开始的最近四年才得到快速发展的，国内主要风机制 造厂家为了快速抢占市场，都致力于扩大生产规模，无力对控制系统这样的技术含量较 高的产品进行自主开发，因此多直接从 MITA、Windtec 等国外公司采购产品或引进技术。 山东大学自学考试毕业设计（本科） 6 (2)就风机控制系统本身的要求来看

24、，确有它的特殊性和复杂性。从硬件来讲，风机 控制系统随风机一起安装在接近自然的环境中，工作有较大振动、大范围的温度变化、 强电磁干扰这样的复杂条件下，因此其硬件要求比一般系统要高得多。从软件来讲，风 机要实现完全的自动控制，必须有一套与之相适应的完善的控制软件。主控系统、变桨 系统和变频器需要协同工作才能实现在较低风速下的最大风能捕获、在中等风速下的定 转速以及在较大风速下的恒频、恒功运行，这需要在这几大部件中有一套先进、复杂的 控制算法。国内企业要完全自主掌握确实需要一定时间。 (3)风机控制系统是与风机特性高度结合的系统，包括主控、变桨和变频器在内的控 制软件不仅算法复杂，而且其各项参数的

25、设定与风机本身联系紧密，风机控制系统的任 务不仅仅是实现对风机的高度自动化监控以及向电网供电，而且还必须通过合适的控制 实现风能捕获的最大化和载荷的最小化，一般的自动化企业即使能研制出样机，也很难 得到验证，推广就更加困难。而中小规模的风机制造商又无力进行这样的开发。 即便如此，国内企业通过这几年的努力，已经在控制系统主要部件的开发上取得了 积极进展，已基本形成了自主的技术开发能力，所欠缺的主要是产品的大规模投运业绩 以及技术和经验积累。比如，作为风机控制系统中技术含量最高的主控系统和变频器， 国内企业在自主开发上已取得重要进展。东方自控经过几年的努力，已成功开发出 DWS5000 风机控制系

26、统，并已完成各种测试及风机运行验证，实现了规模化生产，基本 形成了自主开发能力。科诺伟业也研制出了兆瓦级机组的控制系统。在变频器方面，东 方自控、合肥阳光、清能华福、科诺伟业等一批企业也异军突起，开发出了大功率双馈 及直驱机型的变频器，产品已有小批量在风场投运，呈献出可喜的发展势头。 1.6.2 风机控制系统的方案论证风机控制系统的方案论证 随着国内企业所开发风机容量越来越大，风机控制技术必须不断发展才能满足这一 要求，如叶片的驱动和控制技术、如更大容量的变频器开发，都是必须不断解决的新的 课题，这里不进行详细阐述。当前，由于风力发电机组在我国电网中所占比例越来越大， 风力发电方式的电网兼容性

27、较差的问题也逐渐暴露出来，同时用户对不同风场、不同型 号风机之间的联网要求也越来越高，这也对风机控制系统提出了新的任务。 (1)采用统一和开放的协议以实现不同风场、不同厂家和型号的风机之间的方便互联。 目前，风机投资用户和电网调度中心对广布于不同地域的风场之间的联网要求越来越迫 切，虽然各个风机制造厂家都提供了一定的手段实现风机互连，但是由于采用的方案不 同，不同厂家的风机进行互联时还是会有很多问题存在，实施起来难度较大。因此，实 山东大学自学考试毕业设计（本科） 7 现不同风机之间的方便互联是一个亟待解决的重要课题。 (2)需要进一步提高低电压穿越运行能力（LVRT） 。风力发电机组，尤其是

28、双馈型风 机，抵抗电网电压跌落的能力本身较差。当发生电网电压跌落时，从前的做法是让风机 从电网切出。当风机在电网中所占比例较小时，这种做法对电网的影响还可以忽略不计。 但是，随着在网运行风机的数量越来越大，尤其是在风力发电集中的地区，如国家规划 建设的六个千万千瓦风电基地，这种做法会对电网造成严重影响，甚至可能进一步扩大 事故。欧洲很多国家，如德国、西班牙、丹麦等国家，早就出台了相关标准，要求在这 种情况下风机能保持在网运行以支撑电网。风机具有的这种能力称为低电压穿越运行能 力（LVRT） ，有的国家甚至要求当电网电压跌落至零时还能保持在网运行。我国也于今 年 8 月由国家电网公司出台了风电场

29、接入电网技术规定 ，其中规定了我国自己的低电 压穿越技术要求，明确要求风电机组在并网点电压跌落至 20%额定电压时能够保持并网 运行 625ms、当跌落发生 3s 内能够恢复到额定电压的 90%时，风电机组保持并网运行的 低电压穿越运行要求。应该说，这还只是一个初步的、相对较低的运行要求。在今后可 能还会出台更为严格的上网限制措施。这些要求的实现，主要靠控制系统中变频器算法 及结构的改善，当然和主控和变桨系统也有密切联系。 (3)实现在功率预估条件下的风电场有功及无功功率自动控制。目前，风电机组都是 运行在不调节的方式，也就是说，有多少风、发多少电，这在风电所占比例较小的情况 下也没有多大问题

30、。但是，随着风电上网电量的大幅度增加，在用电低谷段往往是风机 出力最大的时段，造成电网调峰异常困难，电网频率、电压均易出现较大波动。当前， 电网对这一问题已相当重视，要求开展建设风电场功率预测系统和风电出力自动控制系 统，实现在功率预测基础上的有功功率和无功功率控制能力。事际上，这个系统的建设 不是一件容易的事情，涉及到很多方面的技术问题。但是，无论如何说，序幕已经拉开。 山东大学自学考试毕业设计（本科） 8 第二章 风机的机械部分的设计 2.1 电动机的选择方法电动机的选择方法 在现代化工农业生产中，各种生产机械都广泛应用电动机来驱动，正确地选用与机 械负载配套的电动机，可以使电动机在最经济

31、、最合理的方式下运行，从而达到降低能 耗、提高效率的目的。 选择电动机有以下几种方法: 根据电源电压、使用条件、拖动对象选择电动机。要求电源电压与电动机额定电 压相符。 根据安装地点和工作环境选择不同型式的电动机。 根据容量、效率、功率因数、转数选择电动机。 如果容量选择过小,就会发生长期过载现象,影响电动机寿命甚至烧毁。 如果容量选择过大,电动机的输出机械功率不能充分利用,功率因数也不高。因为电动 机的功率因数和效率是随着负载变化的。 电动机在恒定负载运行下,功率计算公式如下： 1 1 P P 式中：电动机的功率（KW） ； P 生产机械功率（KW） ； 1 P 生产机械本身效率； 1 电动

32、机效率 上式计算出的功率不一定与产品规格相同,所以选择电动机的额定功率(P1)应等于或稍 大于计算所得的功率。 当改变大气压力 pb、温度 t 时的换算式： 山东大学自学考试毕业设计（本科） 9 P PP P tP P PP smqqv a b b tFtF v 0 0 0 3 0 )( 273 20273 )/( 0 0 0 )( 273 20273 KW tP P PP b b 按该公式换算为标准状态下的参数。注脚“0”表示标准状态下或性能表中的参数， 无“0”表示风机实际工作条件下的参数，所选电动机不低于所需功率。 在所选系列风机性能曲线上，可以根据流量对应的压力，选出风机的转速，在标准

33、 状态下的轴功率加上电动机储备系数得出电动机功率。 计算比转数大小，在已有系列产品中查找比转数相等或相近的通风机。 2.2 风机测试传感器的设计选用风机测试传感器的设计选用 本系统采用的传感器包括压差传感器、压力传感器和扭矩传感器。压差传感器主要 用于检测流量，压力传感器主要用于检测静压，扭矩传感器主要用于检测功率信号。 2.3 压差测量压差测量 差压式流量计(以下简称 DPF 或流量计)是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、 已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。DPF 由一次装置(检测件) 和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常以检测件的型式对 DPF 分类，如

34、孔扳 流量计、文丘里管流量计及均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式 差压计，差压变送器和流量显示及计算仪表，它已发展为三化(系列化、通用化及标准化) 程度很高的种类规格庞杂的一大类仪表。差压计既可用于测量流量参数，也可测量其他 参数(如压力、物位、密度等)。 压差测量工作原理 充满管道的流体，当它流经管道内的节流件时，如图 2-1 示，流速将在节流件处形成 局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。流体流量愈 大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动连续 性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)为基础的。压差的大

35、小不仅与流量还 山东大学自学考试毕业设计（本科） 10 与其他许多因素有关，例如当节流装置形式或管道内流体的物理性质(密度、粘度)不同时， 在同样大小的流量下产生的压差也是不同的。 图2-1压差测量工作原理 1 2 4 2 4 1 pd C qm / mv qq 式中 qm-质量流量，kg/s; qv-体积流量，m3/s; C-流出系数； -可膨胀性系数； -直径比，=d/D; d-工作条件下节流件的孔径，m； D-工作条件下上游管道内径，m； P-差压，Pa； 1-上游流体密度，kg/m3。 山东大学自学考试毕业设计（本科） 11 由上式可见，流量为 C、d、P、 6 个参数的函数，此 6

36、个参数可分为实测 量d，P，(D)和统计量(C、)两类。 风机压差测量方式 此测试系统采用法兰取压的标准板孔如图 2-2。 图2-2标准板孔的法兰取压 压差测量传感器 由以上论述看出，通过孔板的流体的流量与孔板两端的压力差的平方根成正比。本 试验装置中，此压差信号由压差式变送器测量。压差式流量传感器是目前工业上技术最 成熟、使用最多的一种，其使用量约占全部流量测量仪表的 70-80%。他不仅可以用来显 示，而且可以经压差变送器转换成统一的标准信号为 20mA(或 l-5V)以便送到单元组合仪 表及计算机进行上业过程控制。差压式节流装置的特点是:结构简单，使用寿命长，适应 能力强，几乎能测量各种

37、工作状态(包括高温、高压)下。 山东大学自学考试毕业设计（本科） 12 本测试装置采用气压传感器 C268、RANGE:+/-1000Pa。 2.4 风机静压测量与传感器风机静压测量与传感器 压力传感器用来测量管道的静压。压力传感器的种类繁多，本系统采用电容式微压 传感器不，其特点如下: (1)测量范围大。金属应变丝的极限一般为 l%，而半导体应变片可达 20%，电容传感 器相对变化量大于 100%。 (2)灵敏度高。如用比率变压器电桥可测出电容值，其相对变化量可达 IE-7 (3)动态响应时间短。由于电容式传感器可动部分质量小，因此其固有频率很高，可 月 J 几动态信号的测量。 (4)机械损

38、失小。电容式传感器极间相互吸引力非常微小，又不存在摩擦，故其自热 坟应极微，可保证电齐式传感器具有较高的精度。结构简单，适应性强。电容式传感器 一般使用金属材料做电极，以无机材料做绝缘支撑，故能承受很大的温度变化和各种形 式的强辐射作用，适合在恶劣环境中工作。电容式传感器一般可分为三种形式:变截面型、 变介质介电常数型、变极板间距型。本系统选用变截面接口静压传感器，其型号为: C268、RANGE:0-50Pa，技术指标如下: 作温度:-18-+65 测量介质:空气或类似的非导电性气体 输入电源:9-3V DC 输出电流:4-20mA 量程:0-5OPa 接线方式为两线式，传感器采用 24V

39、直流电源供电，数据采集卜的模拟输入通道采 集 25O 精密电阻两端的电压信号，此电压信号进入到计算机中进行计算。 2.5 风机工作轮的设计计算与选型风机工作轮的设计计算与选型 初选叶轮大径 D2=0.405m 作为设计基准。叶轮如图 2-3。 山东大学自学考试毕业设计（本科） 13 风机叶轮周速： sm nD U/32.30 60 2 2 风机全压系数： 3 2 2 49 10 82.45 11 1.29330.32 22 tf P u 图2-3风机叶轮示意图 风机的比转数： 334 4 88.93 5.545.54 143022.68 49000 v s tf q nn p 风机进口轴向速度

40、： 0.270.27 0 8.9268.926 88.9329.98/ v vqm s 风机进口当量直径： . 0 44 88.93 0.251 606029.98 3.14 v o e q Dm v 风机流量系数： 山东大学自学考试毕业设计（本科） 14 22 2 2 88.93 4 22.78 0.40530.32 4 v q D u 内孔直径： . 0.11(1) 0.70.11 9 0.7 0.2510.174 aho e dNDm 其中Nah =8。 风机叶轮轮毂外径： 0 1.21.20.1740.209ddm 风机工作轮进口直径： 2222 0.0 0.2510.2090.326

41、 o e DDdm 风机工作轮密封处外径： 0 1.11.1 0.3260.359DDm 风机叶片进口直径： 10 1.0851.085 0.3260.354DDm 风机叶片进口线速度： 1 1 0.354 1430 26.50/ 6060 Dn um s 风机叶轮叶片数： 5 3 2 1212 1.44 100.3835 2 sin() sinsin8.89 2.8 10 10101012 1/1/1 0.354/0.405 s A k n Z DDDD 风机叶片厚度： 0.2340.234 2/10002 88.93/10000.003 v qm 山东大学自学考试毕业设计（本科） 15 根

42、据以上计算可以通过风机设计手册选型为 S1064.25 叶轮，并且确定为 型轴盘。 2.6 风机叶片的设计与选型风机叶片的设计与选型 以最小的叶片重量获得最大的叶片面积，使得叶片具有更高的捕风能力，叶片的优 化设计显得十分重要，尤其是符合空气动力学要求的大型复合材料叶片的最佳外形设计 和结构优化设计的重要性尤为突出，它是实现叶片的材料工艺有效结合的软件支撑。另 外，计算机仿真技术的应用也使得叶片的结构与层合板设计更加细化，有力的支持了最 佳工艺参数的确定。 早在 1920 年，德国的物理学家 Albert Betz 就对风力发电叶片进行过详细的计算。基 于当时的计算条件和对风力发电叶片的认识，

43、Betz 在叶片计算时采用了一些假设条件。 随着计算机技术发展，计算手段的显著提高，风力发电技术的快速发展，人们对风力发 电叶片的认识和理解也在逐渐深入。尤其是近十年来，经过研究人员对风力发电叶片进 行的多次现场载荷、声音和动力测量以后，发现叶片的理论预测值与实际记录值有较大 的偏离。这可能是由于过多的相信了风洞实验，而对叶片服役期间可能遇到的较强动态 环境和湍流条件考虑不足造成的。因此，一些相关人员对当时的叶片计算采用假设条件 提出了质疑。 流体动力学计算和软件的改进使得研究人员能够更精确的模拟叶片实际的受力状态。 在此基础上，进一步改善叶片的空气动力学特征，即使叶片在旋转速度降低 5的情况

44、下， 捕风能力仍可以提高 5；随着叶片旋转速度的降低，叶片运行的噪音大约可以降低 3dB。同时，较低的叶片旋转速度要求的运行载荷也较低，旋转直径可以相应的增加。在 此项研究的基础上，德国的 Enercon 公司将风力发电机的旋转直径由 30 米增加到 33 米， 复合材料叶片也随着相应的增加。由于叶片长度的增加，叶片转动时扫过的面积增大， 捕风能力大约提高 25。 Enercon 公司还对 33 米叶片进行了空气动力实验，经过精确的测定，叶片的实际气 动效率为 56，比按照 Betz 计算的最大气动效率低约 34 个百分点。为此，该公司对 大型叶片外形型面和结构都进行了必要的改进：包括为了抑制

45、生成扰流和旋涡，在叶片 端部安装“小翼” ；为改善和提高涡轮发电机主舱附近的捕风能力，对叶片根茎进行重新 改进，缩小叶片的外形截面，增加叶径长度；对叶片顶部和根部之间的型面进行优化设 计。在此基础上，Enercon 公司开发出旋转直径 71 米的 2MW 风力发电机组，改进后叶 片根部的捕风能力得异提高。 Enercon 公司在 4.5MW 风力发电机设 山东大学自学考试毕业设计（本科） 16 计中继续采用此项技术，旋转直径为 112 米的叶片端部仍安装的倾斜“小翼” ，使得叶片 单片的运行噪音小于 3 个叶片(旋转直径为 66 米)运行使产生的噪音。 丹麦的 LM 公司在 61.5 米复合材

46、料叶片样机的设计中对其叶片根部固定进行了改进， 尤其是固定螺栓与螺栓空周围区域。这样，在保持现有根部直径的情况下，能够支撑的 叶片长度可比改进前增加 20。另外，LM 公司的叶片预弯曲专有技术也可以进一步降 低叶片重量和提高产能。 风机叶片强度计算 因为在此设计的风机叶片与叶轮前后盘的连接为焊接，所以叶片的最大弯矩应产生 在梁的两端。叶片受力如图 2-4。 当叶轮以角速度 旋转时单个叶片因本身质量产生的离心力 F 为： 2 Fbl RCbl R 其中 =7.85103 kg/m3 为叶轮角速度 b 为叶片长=141mm L 为叶片宽度 =82mm 为叶片厚度=3mm R 为叶片重心到叶轮中心的

47、距离=296mm。C=2 钢 的 C=86.08n2 。 RblnF 2 08.86 NN25.1807296 . 0 003 . 0 082 . 0 141 . 0 143008.86 2 图2-4风机叶片受力示意图 如图叶片的重心假定在叶片工作面的 O 点，将 F 分解成沿叶片的法向力 F1 和切向力 F2。 山东大学自学考试毕业设计（本科） 17 叶片在 F1 和 F2 的作用下，在相应的方向弯曲。由 F2 产生的弯曲应力，因叶片的抗 弯截面模量大，故可忽略。只计算 F1 产生的弯曲应力。叶片弯矩如图 2-5。 1 sin1807.25 sin451277.92FFN 叶片的抗弯截面模量

48、为： 22 3 141 3 211.5 66 b Wmm 叶片的最大弯矩： 1 max 1277.92 0.082 8.73 1212 Fl MN m A 图2-5叶片受力及弯矩图 叶片的最大弯曲应力： MPa5545 1 钢的许多弯曲应力 MPaMPaMPa W M 55 3 . 41 10 5 . 211 73 . 8 1 9 max max 2.7 风机进出气机壳的设计计算与选型风机进出气机壳的设计计算与选型 蜗室横截面积当量直径的计算： 山东大学自学考试毕业设计（本科） 18 . 0.95 360 c o eD DDN . 1 441.4 o e Dmm . 2 525 o e Dmm . 3 620.4 o e Dmm . 4 735.6 o e Dmm 风机进风管直径： 长度：L=3500mm。375mm 风机近风口的选型： 根据风机设计手册选择 ST070104 2.8 风机轴承的设计计算及选型风机轴承的设计计算及选型 风机轴承：主要包括偏航轴承总成（660PME047） 、风叶主轴轴承（24044CC） 、变速 器轴承、发电机轴承等，轴承的结构形式主要有四点接触球轴承、交叉滚子轴承、圆柱 滚子轴承、调心滚子轴承、深沟球轴承