水平轴风力发电整机结构三维设计

　　做这套三维结构的时候，最先要卡的是野外分布式离网供电的场景边界——这类小功率机组大多装在沿海滩涂、山区散户聚居点、牧区移动定居点这类没法拉通市电的区域，安装的时候没有大型吊装设备进场条件，所以整机拆分后的单一部件重量必须控制在两个成年运维人员能徒手搬运的范围内，塔筒段的连接法兰不能做太厚，不然螺栓预紧的时候人工用扭矩扳手很难达到设计预紧力，反而会给后期运行留下连接松动的隐患。

　　叶轮部分的设计没有盲目追求高翼型效率，选的是带一定失速特性的钝尾缘翼型，这类翼型在阵风突袭、风速瞬间超过额定值的时候，会自动产生附面层分离，不用额外加装复杂的变桨距机构就能把转速限制在安全区间，很适合无人值守的运行场景。三个叶片的安装角做了1.2度的预偏，不是完全垂直于轮毂轴线，这个小角度是为了抵消叶轮旋转时产生的轴向推力对主轴的弯矩，能减少主轴前轴承的径向载荷，延长轴承的更换周期。叶片和轮毂的连接用的是预埋螺栓套的结构，不是后期打孔穿螺栓，避免在叶片根部应力集中区域切断玻璃纤维铺层，连接强度能提升20%左右。

　　机舱内部的布局是顺着传动链排布的，叶轮主轴直接连增速齿轮箱输入端，齿轮箱输出端接发电机转子，整个传动链的同轴度公差在建模的时候就卡到了0.1mm以内，不然运行时的振动会把机舱罩的固定螺栓震松。齿轮箱选的是两级行星加一级平行轴的结构，整体体积比纯平行轴结构小三分之一，刚好能塞进直径800mm的圆柱形机舱罩里，机舱罩做了3度的向下倾斜角，下雨的时候雨水会顺着罩体流到尾部的排水槽，不会渗到机舱内部腐蚀电气元件。偏航轴承装在机舱和塔筒的连接位置，没有用电动驱动的偏航机构，而是做了被动对风的尾舵结构，尾舵长度是叶轮直径的0.6倍，这个比例是反复调整过的，太短的话对风灵敏度不够，太长的话刮侧风的时候会把机舱带得来回晃，产生不必要的交变载荷。

　　塔筒部分做的是三段式锥管结构，底部直径320mm，顶部和机舱连接的位置直径180mm，锥度1:50，这个锥度既能保证底部的抗弯强度，又能减少顶部的重量，降低整机的重心高度。塔筒底部的安装法兰做了8个长圆孔，不是圆孔，安装的时候可以微调塔筒的垂直度，不用反复打膨胀螺栓调整位置，适配野外不平整的安装基础。基础预埋板的尺寸是600mm见方，厚度12mm，四个角的地脚螺栓孔距是500mm，刚好适配市面上常见的小型水泥预制基础块，不用现场浇筑混凝土，能把安装时间压缩到4小时以内。

　　电气部分的走线全部走塔筒内部的穿线孔，从发电机出来的电缆顺着塔筒内壁的线卡一直引到底部的控制柜，没有外露的线缆，避免野外的紫外线加速线缆老化，也防止鸟类啄咬破坏绝缘层。控制柜的安装位置在塔筒底部离地面300mm的高度，防止雨季地面积水倒灌进柜内，柜门上做了一圈橡胶密封条，防护等级能达到IP54，应对野外的沙尘和小雨天气完全没问题。

　　建模的时候特意把所有易损件的安装间隙留足了，比如主轴轴承的端盖和轴承外圈之间留了0.05mm的热膨胀间隙，夏天高温运行的时候轴承不会因为热胀被卡死；叶片和轮毂的连接位置留了1mm的调整间隙，安装的时候可以微调单个叶片的安装角，保证三个叶片的气动一致性，减少运行时的动平衡振动。整个机组的额定风速设定在12m/s，切入风速3m/s，切出风速25m/s，在大部分内陆风能资源区都能达到年利用小时数1800小时以上，足够满足一户牧民或者小型野外监测站的日常用电需求。