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1、挑战杯产品设计说明书多向储风聚能隧道照明系统一 序言自古人类对对风的追追求和研研究，就就从来没没有停止止过步伐伐。从古古代用风风车来研研磨，到到现在利利用风能能来发电电，一步步步的诠诠释着风风的力量量。而如如今，随随着绿色色能源的的倡导，全全世界的的焦点都都在研究究怎么开开发出一一种新的的能源。而而对风能能的研究究，更是是首当其其冲。但但风能应应用的领领域还不不是十分分的广泛泛，不具具有一定定的普遍遍性。因因此对风风能的研研究还具具有很大大的发展展空间，鉴鉴于这点点，我们们提出了了多向储储风聚能能隧道照照明系统统。二 作品的的创意 现今一般般的风力力发电，都都设置在在特定的的场合，而而且针对对
2、性单一一，受到到自然条条件和设设备的限限制，更更重要的的是不能能最大限限度的利利用风能能。对于于再次利利用能源源没有可可行性的的措施，针针对以上上的缺点点，我们们加以改改进，设设计了具具有以下下特点的的风力发发电装置置。 任何机机动装置置在行进进的过程程中，都都会产生生一定的的气流，而而这些机机动车辆辆必须消消耗一定定的能源源。我们们可以利利用我们们的风力力发电装装置可以以再次收收集，使使之发挥挥到最大大。我们们可以安安装在任任何可能能出现或或有这种种形式的的气流的的地方，我我们要强强调的是是，也可可以收集集自然风风。这样样就可以以机车提提供相应应的次贷贷服务，比比如说火火车进隧隧道的时时候，
3、我我们就可可以不用用再特定定的为其其安装照照明系统统，可以以利用列列车本身身前进产产生的气气流来发发电，节节约了能能源。以以此，可可以利用用在很多多类似的的场合。而而且我们们利用的的是多方方向，更更大限度度的利用用了风能能。三 作品概概述（一）作品品设计、发发明的目目的：随随着科技技的发展展，新能能源的提提出，人人类正一一步步的的向低碳碳的生活活靠近。在当前以石化能源为主体的能源结构中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然气占2%，其余为水电等其它资源，利用风能相对极限。总而言之，我们的设计的主要的目的是合理利用绿色能源，倡导低碳的生活。（二）基本本思路：利用任任何不稳稳定的风风场或气气流
4、来发发电（三）创新新点：利用任任何不稳稳定的风风场或气气流来发发电，也也适用于于自然风风；利用声声控进行行开关控控制；多变、瞬瞬态、多多方向利利用风能能。（四）技术术关键：在紊乱乱多变的的气流中中，应用用集中的的收集系系统发电电。采用多多方向控控制，更更大程度度的提高高了收集集率。安装在在相对复复杂恶劣劣的环境境中。 （五五） 主主要技术术指标：叶片直直径，7760mmm。叶片数数目，三三片。叶片材材料，高高强度低低密度的的复合材材料。叶片利利用系数数为1.启动风风速，33-5mm/s。停机风速,15-35m/s。输出功率，4-7W。直流发电机。塔架高度，可协调高度。四 技术关关键的说说明（一
5、） 汽车外流场场数值仿仿真的研研究1 基本方方程和紊紊流模型型所需常数如如下所列列该模型考虑虑了紊流流切应力力的输运运，不但但能够对对来流进进行准确确的预测测，还能能在各种种压力梯梯度下精精确的模模拟分离离现象，并并且综合合了k-模型在在近壁模模拟和kk-模型在在外部区区域计算算的各自自优点。2 计算域域的网格格生成采用Dellaunnay 三角形形方法在在整个计计算流域域生成非非结构化化空间网网格， 同时在在汽车外外表面及及地面生生成与来来流方向向垂直的的半结构构化网格格， 用用以提高高附面层层的计算算精度。图图1为汽汽车外流流场的空空间网格格图。主控方程用用有限体体积法来来离散，对对流项采
6、采用基于于Roee的FDDS上风风差分方方法，扩扩散项采采用中心心差分格格式， 非常数数源项采采用线性性化处理理。3 计算实实例及与与试验结结果 图2 汽汽车后窗窗部位截截面速度度矢量分分部图3 汽车车尾部截截面速度度矢量分分部4 结结论(1)SSST 紊紊流模型型在汽车车外流场场的数值值仿真中中相对于于其他紊紊流模型型能进行行更为准准确的模模拟，尤尤其是在在气流分分离方面面，从而而指导车车身的气气动造型型设计。(2)所使使用的网网格生成成系统采采用Deelauunayy方法生生成，可可以根据据全局变变量的变变化梯度度自适应应地在计计算域内内生成网网格，从从而提高高网格的的经济性性和实用用性；
7、并并且能够够在汽车车附面层层生成棱棱柱形网网格，从从而保持持网格与与来流的的正交性性，提高高附面层层的计算算精度。(3)计算算结果中中，汽车车尾涡、流流线的模模拟结果果与现实实的物理理现象及及试验结结果非常常相近。（二）声控控开关设设置发电机经过过电刷后电电流波形形已不再再是理想想的正弦弦波,但但它仍然然具有周周期性,故需要要进行滤滤波。滤滤波器是是一种使使用信号号通过而而同时抑抑制无用用频率电电信的电电子装置置，由于于发电机机输出的的是脉动动电流，在在电子电电路中，通通常都需需要电压压稳定的的直流电电源供电电 利用用二极管管的单向向导电性性,将电电压变成成一个单单方向的的脉动电电压,通通过滤
8、波波电路,滤掉其其中的脉脉动成分分从而得得到比较较平稳的的直流电电压所以以用大小小两个电电容进行行滤波，大大电容用用来稳定定输出，因因为电容容两端电电压不能能突变，因因此可以以使输出出平滑。小小电容是是用来滤滤除高频频干扰的的，是使使输出电电压纯净净，电容容越小谐谐振频率率越高，可可滤除的的干扰频频率越高高。恒流源电路路就是要要能够提提供一个个稳定的的电流以以保证其其它电路路稳定工工作的基基础。即即要求恒恒流源电电路输出出恒定电电流，因因此作为为输出级级的器件件应该是是具有饱饱和输出出电流的的伏安特特性。 图441，恒流电电路的设设计如图33所示，由由稳压管管VZ11、晶体体管VTT1、电电阻
9、R11、电容容C2构构成的晶晶体管电电流源提提供恒定定电流，取稳压管电压为5 V，R1为30，此时IC1OO mA，作为电路的充电电流。 图55 恒流流源电路路2 声控电电路 图图6 声控控电路图图压电陶瓷片片B与晶晶体三极极管VTT1，电电阻R11，和电电阻R22等组成成了声控控脉冲触触发电路路，时基基集成电电路ICC与电阻阻R3，电电容器CC等组成成了典型型单稳态态延时电电路，晶晶体三极极管VTT2，VVT3和和电阻RR4，RR5等组组成了LLED灯灯H的功功率驱动动放大电电路。由于晶晶体三极极管VTT1的偏偏流电阻阻R1取取值较大大，所以以VT11趋于截截止状态态，其集集电极输输出电压压
10、高于11/3VVDD=1.55V,与与之相连连的时基基集成电电路ICC的低电电位触发发端2脚脚处于高高电平，单单稳态电电路处于于稳态。电电容器两端通通过ICC的7，11脚被IIC内部部导通的的三极管管短路，IIC的33脚输出出低电平平，VTT2，VVT3均均无偏流流而截止止，LEED灯HH不发光光。当在有有效距离离范围内内拍一下下手掌时时，突发发的声波波被压电电陶瓷片片B接收收，并转转换成微微弱的电电信号，该该信号的的正半周周经VTT1放大大后，从从其集电电极输出出负脉冲冲，时基基集成电电路ICC的2脚脚获得瞬瞬间低于于1/33VDDD=1.5V 的低电电平触发发信号,使ICC组成的的单稳态态
11、电路受受触发进进入暂稳稳态(即即延时状状态),IC的的3脚输输出高电电平,VVT2获获得适合合的偏流流而导通通,VTT3进入入完全饱饱和导通通状态,LEDD灯发出出亮光，随随着ICC的3脚脚变成高高电平，IIC内部部导通的的三极管管截止，解解除对电电容器CC的短路路，电池池GB通通过电阻阻R3向向电容器器C开始始充电，当当C两端端的充电电电压（即即IC的的高电位位触发端端6脚电电位）达达到2/3VDDD=33V时，单单稳态电电路翻转转恢复稳稳态，IIC内部部三极管管重新导导通，CC通过IIC的77，1脚脚放电并并被再次次短路，IIC的33脚重新新输出低低电平，导导通到VVT2，VVT3失失去偏
12、流流而截止止，H断断电自动动熄灭。电电路中，LLED灯灯每次延延时点亮亮的时间间器C的的时间：T=11.1RR3C。按按图选择择R3和和C的值值，H延延时点亮亮的时间间约为 1miin。3元器器件选择择IIC选用用静态功功耗很小小NE5555时时基集成成电路，VVT1，VVT2 均选用用90114（集集电极允允许最大大电流IICM=0.11A，集集电极最最大允许许功耗PPCM=3100mW）或或3DGG8型硅硅NPNN小功率率三极管管，要求求VT11的电流流放大系系数2000，VVT2的的电流放放大系数数1000，VVT3选选用90012（IICM=-0.5A,PCMM=6225mWW)或33
13、CG223型硅硅PNPP中功率率晶体三三极管,电流放放大系数数500。 RR1-RR5均选选用RTTX-11/8WW型碳膜膜电阻器器。C用用漏电很很小的优优质CDD11-10VV 型电电解电容容器。BB用27mmm压电电陶瓷片片。RR2阻值值选择110K。由于采采用了谐谐振频率率较高（约约 4KK左右）的的压电陶陶瓷片BB作为声声波传感感器，所所以对猝猝发的击击掌声，硬硬物相碰碰撞声反反应灵敏敏，而对对于人们们的讲话话声以及及环境其其他低频频率的嘈嘈杂声，却却反应不不灵敏。这这就是说说，电路路具有比比较好的的防误触触发性能能。当然然，将电电路声控控灵敏度度调得比比较高时时，防误误触发能能力就会
14、会相应降降低。由由于整个个电路平平时静态态耗电很很小，实实测静态态总电流流小于1130A，故故电路末末设置电电源开关关。4 电源短短路保护护接通直流电电源Vccc发光光二极管管发绿光光。指示示直流电电源正常常。电源源短路保保护功能能：按下下轻触开开关K11三极管管BGII基极经经限流电电阻R22得到高高电平，BBG1饱饱和导通通，继电电器J吸吸和，其其常开触触点J闭闭合，端端正常输输出直流流电源，发发光二极极管发红红光。在在继电器器吸和和的同时时，三极极管基极极也被拉拉下成低低电平，导导通，整整个电路路正常工工作。当OUT端端发生短短路时。VVcc电压压被拉下下成近似似为零伏伏，三极极管BGG
15、1 退退出饱和和导通状状态，继继电器JJ释放。从从而达到到电路保保护作用用。 图图7 电源源短路保保护五 结构分分析（一） 风叶设计叶片核心设设计包括括：计算算风轮直直径D，确确定叶片片数B，选选取各叶叶素翼型型，计算算各叶素素的孩长长C和安安装角BB。叶片片分析设设计的基基本流程程如图88 所示示。图 8 叶片设设计基本本步骤33叶片片重要参参数的选选取1 尖速比00风轮的尖速速比0等于风风轮的叶叶尖线速速度和设设计风速速之比。尖速比与风风轮效率率密切相相关，在在风力机机没有超超速的条条件下，运运转于高高尖速比比状态下下的风力力机具有有较高的的风轮效效率。通通常，高高速风力力机尖速速比一般般
16、在6-8级，风风力机具具有较高高的风能能利用系系数2叶片数数B风轮的叶片片数取决决于叶片片的尖速速比以，目目前用于于风力发发电的风风力机一一般属于于高速风风力机，即即05。虽虽然三叶叶片的风风力机存存在制造造成本高高等缺点点，但三三叶片的的风力机机运行和和输出功功率较为为平稳。因因而，目目前风力力发电机机采用三三叶片的的较多。3翼型翼型的选取取对风力力机的效效率十分分重要。一一种较好好的翼型型应该是是在某一一攻角范范围内升升力系数数CL较较高，而而相应的的阻力系系数CDD较小，它它所适应应的雷诺诺数与风风力机实实际运行行情况的的雷诺数数相近，且且具有良良好的制制造工艺艺性。由由于叶片片根部各各
17、翼型力力臂较小小，对风风力机风风轮输出出扭矩贡贡献不大大，所以以叶片根根部对风风力机性性能影响响较小，主主要考虑虑NT方方便和强强度问题题。在尖尖部采用用薄翼型型以满足足高升阻阻比的要要求根部部采用相相同翼型型或较大大升力系系数翼型型的较厚厚形式，以以满足结结构强度度需要。综合上述条条件，根根据大概概的风速速，选择择，风轮轮直径DD为355mm,尖速比比为2.8，叶叶片数目目为3。（二） 轴承设计考虑轴受力力较小且且主要是是径向力力，故选选用的是是单列深深沟球轴轴承。轴302207两两个，轴轴302207两两个，(GB/T2997-119944) 寿命计计算：轴 1.查机械械设计课课程设计计表
18、8-1599，得深深沟球轴轴承3002077 2.查机机械设计计得 X=11, Y=003.计算轴轴承反力力及当量量动载荷荷：在水平面内内轴承所所受得载载荷 在水平面内内轴承所所受得载载荷 所以轴承所所受得总总载荷由于基本只只受轴向向载荷，所所以当量量动载荷荷：4.已知预预期得寿寿命 110年，两两班制基本额定动动载荷所以轴承3302007安全全，合格格4.已知预预期得寿寿命 110年，两两班制基本额定动动载荷所以轴承3302008安全全，合格格。中间轴上轴轴承得校校核，具具体方法法同上，步步骤略，校校核结果果轴承3302007安全全，合格格。（三） 齿轮设计1.试算小小齿轮分分度圆直直径，代
19、代入中较较小的值值。2.计算圆圆周速度度。 计算齿宽bb 计算齿宽与与齿高之之比b/h模数 齿高 3.计算载载荷系数数查表10-2得使使用系数数=1.0;根根据、由由图100-8得动载系数数 直齿齿轮；由由表100-2查查的使用用系数查表10-4用插插值法得得7级精精度查机机械设计计，小小齿轮相相对支承承非对称称布置由b/h=9.3331 由图110-113得故故载荷系系数 4.校正分分度圆直直径由机械设设计5.计算齿齿轮传动动的几何何尺寸1.计算模模数 2.按齿根根弯曲强强度设计计，公式式为1.确定定公式内内的各参参数值1.由机机械设计计图110-220c查查得小齿齿轮的弯弯曲疲劳劳强度极极
20、限；大大齿轮的的弯曲强强度极限限；2.由机机械设计计图110-118取弯弯曲疲劳劳寿命系系数，3.计算弯弯曲疲劳劳许用应应力；取弯曲疲劳劳安全系系数 SS=1.4，应应力修正正系数,得4.计算载载荷系数数K5.查取齿齿形系数数、和应力力修正系系数、由机械设设计表表查得；6.计算大大、小齿齿轮的并并加以比比较； 可以看出大大齿轮大大。7.设计计计算 对比计算结结果，由由齿轮面面接触疲疲劳强度度计算的的模数大大于由齿齿根弯曲曲疲劳强强度计算算的模数数，由于于齿轮模模数m的的大小主主要取决决于弯曲曲强度所所决定的的承载能能力，而而齿面接接触疲劳劳强度所所决定的的承载能能力，仅仅与齿轮轮直径（即即模数
21、与与齿数的的乘积）有有关，可可取由弯弯曲强度度算得的的模数11.3558并就就进圆整整为标准准值=22mm 接触强强度算得得的分度度圆直径径=433.6668mmm，算出出小齿轮轮齿数大齿轮 取这样设计出出的齿轮轮传动，即即满足了了齿面接接触疲劳劳强度，又又满足了了齿根弯弯曲疲劳劳强度，并并做到结结构紧凑凑，避免免浪费。2 .几何何尺寸设设计1.计算分分圆周直直径、 2.计算中中心距 3.计算齿齿轮宽度度 取，。（四） 轴设计1.初选轴轴的最小小直径选取轴的材材料为445号钢钢，热处处理为正正火回火火。 1轴 ，考考虑到联联轴器、键键槽的影影响，取取d1=302轴 ，取取d2=223轴 ,取d
22、33=4222.初选轴轴承1轴选轴承承为30020772轴选轴承承为30020773轴选轴承承为3002088各轴承参数数见下表表：轴承代号基本尺寸/mm安装尺寸/mm基本额定/kNdDBdaDa动载荷Crr静载荷Coor302077357217426254.263.5302088408018476963.074.0（五） 箱体设计名称符号参数设计原则箱体壁厚80.0255a+33 88箱盖壁厚180.02aa+3 =88箱座肋厚m80.85轴承旁联接接螺栓直直径d1M120.75 df连接螺栓的的间距l1601502200为了保证发发电机的的正常工工作，除除了对齿齿轮、轴轴、轴承承组合和和箱
23、体的的结构设设计给予予足够的的重视外外，还应应考虑到到为减速速器润滑滑油池注注油、排排油、检检查油面面高度。（六） 棘轮设计图1为棘轮轮和棘爪爪的尺寸寸关系。棘棘齿工作作面倾角角a 的的大小应应根据齿齿根强度度选定，通通常a角角为正值值。设计计时应先先定a值值，然后后根据选选定的 角，从从棘齿工工作面法法线肌向向外偏离离 角的的方位线线上确定定轴心00 的位位置，保保证满足足自动啮啮紧条件件，同时时使受力力情况较较好。图 9 棘棘轮和棘棘爪的尺尺寸1) 不对称梯形形齿棘轮轮齿形：参见图图1，其其齿形生生成过程程如下：先以dda, ddf为直径径作顶圆圆和根圆圆，然后后将顶圆圆分成zz等分，在在
24、某等分分点A作作AB与与半径002A成成a角并并与根圆圆交于BB点。由由B点作作BC，使使 ABBC= ，C为为BC与与顶圆的的交点。以以齿根角角半径rr连接 与BBC，即即得棘轮轮轮齿的的齿形.2)棘爪：参见图图1，过过A点作作nn垂垂直ABB，根据据自动啮啮合条件件选定 角生成成棘爪方方位线AAO1，在其其上截取取AO11=L为为棘爪长长，011即为棘棘爪轴心心。在 BA线线上从BB 点起起截取hh1为棘爪爪工作三三面边长长。自BB点引一一直线与与BA成成1角，在在此直线线上从BB点起取取a1为棘爪爪非工作作面边长长。在OO1 点作作棘爪轴轴毂d11，最后后光滑连连接爪部部与轴毂毂间的轮轮
25、廓线。连连接时要要注意避避免棘爪爪的非工工作面部部分与棘棘轮轮齿齿发生干干涉。3)三角形形棘齿：棘齿形形状若为为三角形形，则其其齿高hh与齿形形有关，见见图2。(图10 三三角形棘棘齿的齿齿高六 适应范范围、推推广前景景及市场场分析和和经济效效益根据WWEEA（世世界风能能协会）公公布的数数据，风风电产业业在过去去10年年间平均均每年以以25%的速度度增长，009年装装机量达达1599，2113MWW，比008年增增长了331。77%，未来还还会以每每3年翻翻一翻的的趋势持持续增长长。目前前风能发发电占全全球电消消费的22%，从从风电产产能看，美美国排第第一，中中国和德德国分列列第二，第第三。
26、很很多国家家都规划划风能在在未来110年内内的发电电量占用用电总量量的200%。在在AWEEASMAALLWINNDTUBBINEECOMMMITTTEEE（美国国风能协协会小型型风力发发电机委委员会）公公布的分分析报告告中指出出，由于于全球猛猛涨的电电价和公公众对风风能技术术及贡献献的意识识提高，008年世世界小型型风力发发电机（1100KKW以下下）的装装机量比比07年年增长了了53%，美国国增长了了78%。100KW以以下的微微型风力力发电机机行业才才刚刚起起步，没没有找到到单独的的统计数数据。根根据市场场几个主主要品牌牌的销量量估计年年装机量量约为2220MMW，出出货在330万台台左
27、右。近近两年，中中国地方方政府一一为提高高新能源源的公众众意识，二二为提升升城市形形象，已已经招标标多个风风力发电电机景观观路灯项项目（如如青岛奥奥帆基地地，广交交会会展展中心，南南宁国际际会展中中心，甬甬台高速速公路等等）。竞竞争方面面，目前前大多数数国内外外微型风风力发电电机制造造商成立立不久，没没有丰富富的经验验；行业业标准也也不完善善，提前发发展的企企业有话话语权。随随着技术术的成熟熟和公众众对风能能利用意意识的提提高，微微型风力力发电设设备的市市场将会会非常广广阔。七 当前前国内外外同类课课题研究究水平概概述在众多新型型可再生生能源中中，风能能分布范范围广泛泛，风力力发电技技术比较较
28、成熟而而且成本本相对较较低，最最具有大大规模开开发和商商业化发发展前景景，因此此风力发发电在改改善能源源结构以以及节能能减排方方面的作作用受到到了人们们越来越越多的关关注，成成为目前前国际上上可再生生能源领领域发展展最快的的清洁能能源。以以欧美等等发达国国家为代代表，全全球风电电呈现出出规模化化的发展展态势，据据GWEEC预测测，未来来五年，全全球风电电仍将保保持200以上上增长速速度，到到20112 年年，全球球风电装装机容量量将达到到2.44亿kWW，年发发电50000亿亿kWhh，风电电约占全全球电力力供应的的3。 国外风电技技术发展展迅速，水水平轴风风电机组组技术成成为主流流，占到到9
29、5以上的的市场份份额；风风电机组组单机容容量持续续增大，世世界上主主流机型型已经从从20000年的的 5000110000kW增增加到220077年的225MMW；变变桨距功功率调节节方式由由于载荷荷控制平平稳、安安全和高高效等优优点得到到迅猛发发展，在在大型风风电机组组上得到到广泛采采用；风风能的大大规模开开发今后后将更多多依赖于于规模化化、系列列化和标标准化，以以降低成成本提高高效益；随着关关键技术术和装备备的逐渐渐成熟，海海上风电电开发将将是未来来发展的的一个重重要方向向，MWW级海上上风电机机组的商商业化已已经成为为世界风风能利用用的新趋趋势。与与此同时时，各种种新技术术和新装装备的应
30、应用、标标准与规规范的完完善、产产品质量量的提升升和风电电市场的的规范，也也为风电电产业长长远持续续发展奠奠定了坚坚实的基基础。国内主要的的进展包包括：新新疆金风风公司11.5MMW直驱驱式风力力发电机机组的生生产；沈沈阳工业业大学11MW变变速恒频频风力发发电机组组的研制制生产；湘电集集团2MMW直驱驱型风力力发电机机组的研研制生产产、东方方汽轮机机厂、大大连重工工集团以以及广东东明阳11.5MMW变速速恒频风风力发电电机组生生产。 另一方面面，由于于风力发发电装备备是一项项跨学科科、跨领领域、跨跨部门的的系统工工程，加加上国内内在相关关领域基基础薄弱弱，我国国风电产产业的自自主发展展也存在
31、在基础技技术研究究和自主主创新实实力匮乏乏、产业业化程度度低等问问题，还还远远不不能满足足风力发发电发展展的要求求，加快快自主风风电产业业的建设设是当前前和未来来一段时时期风力力发电发发展的核核心任务务。由于于国内对对风力发发电的研研究相对对国外还还比较薄薄弱。仍仍然存在在以下问问题： （1）风风力发电电装备企企业大多多仍处于于产业化化初期阶阶段。（2） 体系逐渐健健全但仍仍需解决决瓶颈问问题。（3） 基础技术研研究和自自主创新新实力还还比较薄薄弱。八，参考文文献【1】 苏苏绍禹，风风力发电电机设计计与运行行维护M.中国电电力出版版社220033【2】濮良良贵, 机械械原理 M. 高高等教育育出版社社 第八八版 220033 第1145-1800.【3】王学学永 硕硕士学位位论文D 风力发发电机叶叶片设计计及三维维建模 【4】 吴吴 军，钟志华华，谷正气气等。 汽车外外流场数数值仿真真的进一一步研究究22