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挑战杯产品设计说明书
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——————多向储风聚能隧道照明系统
一序言
自古人类对风的追求和研究，就从来没有停止过步伐。
从古代用风车来研磨，到现在利用风能来发电，一步步的诠释着风的力量。
而如今，随着绿色能源的倡导，全世界的焦点都在研究怎么开发出一种新的能源。
而对风能的研究，更是首当其冲。
但风能应用的领域还不是十分的广泛，不具有一定的普遍性。
因此对风能的研究还具有很大的发展空间，鉴于这点，我们提出了多向储风聚能隧道照明系统。
二作品的创意
现今一般的风力发电，都设置在特定的场合，而且针对性单一，受到自然条件和设备的限制，更重要的是不能最大限度的利用风能。
对于再次利用能源没有可行性的措施，针对以上的缺点，我们加以改进，设计了具有以下特点的风力发电装置。
任何机动装置在行进的过程中，都会产生一定的气流，而这些机动车辆必须消耗一定的能源。
我们可以利用我们的风力发电装置可以再次收集，使之发挥到最大。
我们可以安装在任何可能出现或有这种形式的气流的地方，我们要强调的是，也可以收集自然风。
这样就可以机车提供相应的次贷服务，比如说火车进隧道的时候，我们就可以不用再特定的为其安装照明系统，可以利用列车本身前进产生的气流来发电，节约了能源。
以此，可以利用在很多类似的场合。
而且我们利用的是多方向，更大限度的利用了风能。
三作品概述
（一）作品设计、发明的目的：
随着科技的发展，新能源的提出，人类正一步步的向低碳的生活靠近。
在当前以石化能源为主体的能源结构中，煤炭占%，石油占%，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）基本思路：
利用任何不稳定的风场或气流来发电
（三）创新点：
利用任何不稳定的风场或气流来发电，也适用于自然风；
利用声控进行开关控制；
多变、瞬态、多方向利用风能。
（四）技术关键：
在紊乱多变的气流中，应用集中的收集系统发电。
采用多方向控制，更大程度的提高了收集率。
安装在相对复杂恶劣的环境中。
（五）主要技术指标：
叶片直径，760mm。
叶片数目，三片。
叶片材料，高强度低密度的复合材料。
叶片利用系数为1.
启动风速，3-5m/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。
四技术关键的说明
（1）汽车外流场数值仿真的研究
1基本方程和紊流模型
所需常数如下所列
该模型考虑了紊流切应力的输运，不但能够对来流进行准确的预测，还能在各种压力梯度下精确的模拟分离现象，并且综合了k-ω模型在近壁模拟和k-ε模型在外部区域计算的各自优点。
2计算域的网格生成
采用Delaunay三角形方法在整个计算流域生成非结构化空间网格，同时在汽车外表面及地面生成与来流方向垂直的半结构化网格，用以提高附面层的计算精度。
图1为汽车外流场的空间网格图。
主控方程用有限体积法来离散，对流项采用基于Roe的FDS上风差分方法，扩散项采用中心差分格式，非常数源项采用线性化处理。
3计算实例及与试验结果
图2汽车后窗部位截面速度矢量分部
图3汽车尾部截面速度矢量分部
4结论
（1）SST紊流模型在汽车外流场的数值仿真中相对于其他紊流模型能进行更为准确的模拟，尤其是在气流分离方面，从而指导车身的气动造型设计。
（2）所使用的网格生成系统采用Delaunay方法生成，可以根据全局变量的变化梯度自适应地在计算域内生成网格，从而提高网格的经济性和实用性；并且能够在汽车附面层生成棱柱形网格，从而保持网格与来流的正交性，提高附面层的计算精度。
（3）计算结果中，汽车尾涡、流线的模拟结果与现实的物理现象及试验结果非常相近。
（二）声控开关设置
发电机经过电刷后电流波形已不再是理想的正弦波,但它仍然具有周期性,故需要进行滤波。
滤波器是一种使用信号通过而同时抑制无用频率电信的电子装置，由于发电机输出的是脉动电流，在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电利用二极管的单向导电性,将电压变成一个单方向的脉动电压,通过滤波电路,滤掉其中的脉动成分从而得到比较平稳的直流电压所以用大小两个电容进行滤波，大电容用来稳定输出，因为电容两端电压不能突变，因此可以使输出平滑。
小电容是用来滤除高频干扰的，是使输出电压纯净，
电容越小谐振频率越高，可滤除的干扰频率越高。
恒流源电路就是要能够提供一个稳定的电流以保证其它电路稳定工作的基础。
即要求恒流源电路输出恒定电流，因此作为输出级的器件应该是具有饱和输出电流的伏安特性。
图4
1，恒流电路的设计
如图3所示，由稳压管VZ1、晶体管VT1、电阻R1、电容C2构成的晶体管电流源提供恒定电流，
取稳压管电压为5V，R1为30Ω，此时IC≈1OOmA，作为电路的充电电流。
图5恒流源电路
2声控电路
图6声控电路图
压电陶瓷片B与晶体三极管VT1，电阻R1，和电阻R2等组成了声控脉冲触发电路，时基集成电路IC与电阻R3，电容器C等组成了典型单稳态延时电路，晶体三极管VT2，VT3和电阻R4，R5等组成了LED灯H的功率驱动放大电路。
由于晶体三极管VT1的偏流电阻R1取值较大，所以VT1趋于截止状态，其集电极输出电压高于1/3VDD=,与之相连的时基集成电路IC的低电位触发端2脚处于高电平，单稳态电路处于稳态。
电容器Ｃ两端通过IC的7，1脚被IC内部导通的三极管短路，IC的3脚输出低电平，VT2，VT3均无偏流而截止，LED灯H不发光。
当在有效距离范围内拍一下手掌时，突发的声波被压电陶瓷片B接收，并转换成微弱的电信号，该信号的正半周经VT1放大后，从其集电极输出负脉冲，时基集成电路IC的2脚获得瞬间低于1/3VDD=的低电平触发信号,使IC组成的单稳态电路受触发进入暂稳态（即延时状态）,IC的3脚输出高电平,VT2获得适合的偏流而导通,VT3进入完全饱和导通状态,LED灯发出亮光，随着IC的3脚变成高电平，IC内部导通的三极管截止，解除对电容器C的短路，电池GB通过电阻R3向电容器C开始充电，当C两端的充电电压（即IC的高电位触发端6脚电位）达到2/3VDD=3V时，单稳态电路翻转恢复稳态，IC内部三极管重新导通，C通过IC的7，1脚放电并被再次短路，IC的3脚重新输出低电平，导通到VT2，VT3失去偏流而截止，H断电自动熄灭。
电路中，LED灯每次延时点亮的时间器C的时间：
T=。
按图选择R3和C的值，H延时点亮的时间约为1min。
3 元器件选择
IC选用静态功耗很小NE555时基集成电路，VT1，VT2均选用9014（集电极允许最大电流ICM=，集电极最大允许功耗PCM=310mW）或3DG8型硅NPN小功率三极管，要求VT1的电流放大系数β>200，VT2的电流放大系数β>100，VT3选用9012（ICM=,PCM=625mW）或3CG23型硅PNP中功率晶体三极管,电流放大系数β>50。
R1-R5均选用RTX-1/8W型碳膜电阻器。
C用漏电很小的优质CD11-10V型电解电容器。
B用φ27mm压电陶瓷片。
R2阻值选择10K。
由于采用了谐振频率较高（约4K左右）的压电陶瓷片B作为声波传感器，所以对猝发的击掌声，硬物相碰撞声反应灵敏，而对于人们的讲话声以及环境其他低频率的嘈杂声，却反应不灵敏。
这就是说，电路具有比较好的防误触发性能。
当然，将电路声控灵敏度调得比较高时，防误触发能力就会相应降低。
由于整个电路平时静态耗电很小，实测静态总电流小于130μA，故电路末设置电源开关。
4电源短路保护
接通直流电源Vcc发光二极管发绿光。
指示直流电源正常。
电源短路保护功能：
按下轻触开关K1三极管BGI基极经限流电阻R2得到高电平，BG1饱和导通，继电器J吸和，其常开触点J闭合，ＯＵＴ端正常输出直流电源，发光二极管发红光。
在继电器Ｊ吸和的同时，三极管ＢＧ２基极也被拉下成低电平，ＢＧ２导通，整个电路正常工作。
当OUT端发生短路时。
Vcc电压被拉下成近似为零伏，三极管BG1退出饱和导通状态，继电器J释放。
从而达到电路保护作用。
图7电源短路保护
五结构分析
（1）风叶设计
叶片核心设计包括：
计算风轮直径D，确定叶片数B，选取各叶素翼型，计算各叶素的孩长C和安装角B。
叶片分析设计的基本流程如图8所示。
图8叶片设计基本步骤
3．3叶片重要参数的选取
1．尖速比λ0
风轮的尖速比λ0等于风轮的叶尖线速度和设计风速之比。
尖速比与风轮效率密切相关，在风力机没有超速的条件下，运转于高尖速比状态下的风力机具有较高的风轮效率。
通常，高速风力机尖速比一般在6-8级，风力机具有较高的风能利用系数．
2．叶片数B
风轮的叶片数取决于叶片的尖速比以，目前用于风力发电的风力机一般属于高速风力机，即λ0》5。
虽然三叶片的风力机存在制造成本高等缺点，但三叶片的风力机运行和输出功率较为平稳。
因而，目前风力发电机采用三叶片的较多。
3．翼型
翼型的选取对风力机的效率十分重要。
一种较好的翼型应该是在某一攻角范围内升力系数CL较高，而相应的阻力系数CD较小，它所适应的雷诺数与风力机实际运行情况的雷诺数相近，且具有良好的制造工艺性。
由于叶片根部各翼型力臂较小，对风力机风轮输出扭矩贡献不大，所以叶片根部对风力机性能影响较小，主要考虑NT方便和强度问题。
在尖部采用薄翼型以满足高升阻比的要求根部采用相同翼型或较大升力系数翼型的较厚形式，以满足结构强度需要。
综合上述条件，根据大概的风速，选择，风轮直径D为35mm,尖速比为，叶片数目为3。
（2）轴承设计
考虑轴受力较小且主要是径向力，故选用的是单列深沟球轴承。
轴Ⅰ30207两个，轴Ⅱ30207两个，（GB/T297-1994）
寿命计算：
轴Ⅰ
1.查机械设计课程设计表8-159，得深沟球轴承30207
2.查《机械设计》得
X=1,Y=0
3.计算轴承反力及当量动载荷：
在水平面内轴承所受得载荷
在水平面内轴承所受得载荷
所以轴承所受得总载荷
由于基本只受轴向载荷，所以当量动载荷：
4.已知预期得寿命10年，两班制
基本额定动载荷
所以轴承30207安全，合格
4.已知预期得寿命10年，两班制
基本额定动载荷
所以轴承30208安全，合格。
中间轴上轴承得校核，具体方法同上，步骤略，校核结果轴承30207安全，合格。
（3）齿轮设计
1.试算小齿轮分度圆直径
，代入
中较小的值。
2.计算圆周速度
。
计算齿宽b
计算齿宽与齿高之比b/h
模数
齿高
3.计算载荷系数
查表10-2得使用系数
=;根据
、由图10-8
得动载系数
直齿轮
；由表10-2查的使用系数
查表10-4用插值法得7级精度查《机械设计》，小齿轮相对支承非对称布置
由b/h=
由图10-13得
故载荷系数
4.校正分度圆直径
由《机械设计》
5.计算齿轮传动的几何尺寸
1.计算模数
2.按齿根弯曲强度设计，公式为
1>.确定公式内的各参数值
1.由《机械设计》图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限
；大齿轮的弯曲强度极限
；
2.由《机械设计》图10-18取弯曲疲劳寿命系数
，
3.计算弯曲疲劳许用应力；
取弯曲疲劳安全系数S=，应力修正系数
得
4.计算载荷系数K
5.查取齿形系数
、
和应力修正系数
、
由《机械设计》表查得
；
；
；
6.计算大、小齿轮的
并加以比较；
可以看出大齿轮大。
7.设计计算
对比计算结果，由齿轮面接触疲劳强度计算的模数
大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数并就进圆整为标准值
=2mm接触强度算得的分度圆直径
=，算出小齿轮齿数
大齿轮
取
这样设计出的齿轮传动，即满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。
2.几何尺寸设计
1.计算分圆周直径
、
2.计算中心距
3.计算齿轮宽度
取
，
。
（4）轴设计
1.初选轴的最小直径
选取轴的材料为45号钢，热处理为正火回火。
<取C=110，[г]=30~40>
1轴
，考虑到联轴器、键槽的影响，取d1=30
2轴
，取d2=22
3轴
取d3=42
2.初选轴承
1轴选轴承为30207
2轴选轴承为30207
3轴选轴承为30208
各轴承参数见下表：
轴承代号
基本尺寸/mm
安装尺寸/mm
基本额定/kN
d
D
B
da
Da
动载荷Cr
静载荷Cor
30207
35
72
17
42
62
30208
40
80
18
47
69
（5）箱体设计
名称
符号
参数
设计原则
箱体壁厚
δ
8
+3>8
箱盖壁厚
δ1
8
+3>=8
箱座肋厚
m
8
δ
轴承旁联接螺栓直径
d1
M12
df
连接螺栓的间距
l
160
150~200
为了保证发电机的正常工作，除了对齿轮、轴、轴承组合和箱体的结构设计给予足够的重视外，还应考虑到为减速器润滑油池注油、排油、检查油面高度。
（6）棘轮设计
图1为棘轮和棘爪的尺寸关系。
棘齿工作面倾角a的大小应根据齿根强度选定，通常a角为正值。
设计时应先定a值，然后根据选定的β角，从棘齿工作面法线肌向外偏离角的方位线上确定轴心0的位置，保证满足自动啮紧条件，同时使受力情况较好。
图9棘轮和棘爪的尺寸
1）不对称梯形齿棘轮齿形：
参见图1，其齿形生成过程如下：
先以da,df为直径作顶圆和根圆，然后将顶圆分成z等分，在某等分点A作AB与半径02A成a角并与根圆交于B点。
由B点作BC，使
ABC=Ψ，C为BC与顶圆的交点。
以齿根角半径r连接γ与BC，即得棘轮轮齿的齿形.
2）棘爪：
参见图1，过A点作nn垂直AB，根据自动啮合条件选定β角生成棘爪方位线AO1，在其上截取AO1=L为棘爪长，01即为棘爪轴心。
在BA线上从B点起截取h1为棘爪工作三面边长。
自B点引一直线与BA成Ψ1角，在此直线上从B点起取a1为棘爪非工作面边长。
在O1点作棘爪轴毂d1，最后光滑连接爪部与轴毂间的轮廓线。
连接时要注意避免棘爪的非工作面部分与棘轮轮齿发生干涉。
3）三角形棘齿：
棘齿形状若为三角形，则其齿高h与齿形有关，见图2。
（
图10三角形棘齿的齿高
六适应范围、推广前景及市场分析和经济效益
根据WWEA（世界风能协会）公布的数据，风电产业在过去10年间平均每年以25%的速度增长，09年装机量达159，213MW，比08年增长了31。
7%，?
未来还会以每3年翻一翻的趋势持续增长。
目前风能发电占全球电消费的2%，从风电产能看，美国排第一，中国和德国分列第二，第三。
很多国家都规划风能在未来10年内的发电量占用电总量的20%。
在AWEA?
SMALL?
WIND?
TUBINE?
COMMITTEE（美国风能协会小型风力发电机委员会）公布的分析报告中指出，由于全球猛涨的电价和公众对风能技术及贡献的意识提高，08年世界小型风力发电机（100KW以下）的装机量比07年增长了53%，美国增长了78%。
10KW以下的微型风力发电机行业才刚刚起步，没有找到单独的统计数据。
根据市场几个主要品牌的销量估计年装机量约为220MW，出货在30万台左右。
近两年，中国地方政府一为提高新能源的公众意识，二为提升城市形象，已经招标多个风力发电机景观路灯项目（如青岛奥帆基地，广交会会展中心，南宁国际会展中心，甬台高速公路等）。
竞争方面，目前大多数国内外微型风力发电机制造商成立不久，没有丰富的经验；行业标准也不完善，?
提前发展的企业有话语权。
随着技术的成熟和公众对风能利用意识的提高，微型风力发电设备的市场将会非常广阔。
七当前国内外同类课题研究水平概述
在众多新型可再生能源中，风能分布范围广泛，风力发电技术比较成熟而且成本相对较低，最具有大规模开发和商业化发展前景，因此风力发电在改善能源结构以及节能减排方面的作用受到了人们越来越多的关注，成为目前国际上可再生能源领域发展最快的清洁能源。
以欧美等发达国家为代表，全球风电呈现出规模化的发展态势，据GWEC预测，未来五年，全球风电仍将保持20％以上增长速度，到2012年，全球风电装机容量将达到亿kW，年发电5000亿kWh，风电约占全球电力供应的3％。
国外风电技术发展迅速，水平轴风电机组技术成为主流，占到95﹪以上的市场份额；风电机组单机容量持续增大，世界上主流机型已经从2000年的500～1000kW增加到2007年的2～5MW；变桨距功率调节方式由于载荷控制平稳、安全和高效等优点得到迅猛发展，在大型风电机组上得到广泛采用；风能的大规模开发今后将更多依赖于规模化、系列化和标准化，以降低成本提高效益；随着关键技术和装备的逐渐成熟，海上风电开发将是未来发展的一个重要方向，MW级海上风电机组的商业化已经成为世界风能利用的新趋势。
与此同时，各种新技术和新装备的应用、标准与规范的完善、产品质量的提升和风电市场的规范，也为风电产业长远持续发展奠定了坚实的基础。
国内主要的进展包括：
新疆金风公司直驱式风力发电机组的生产；沈阳工业大学1MW变速恒频风力发电机组的研制生产；湘电集团2MW直驱型风力发电机组的研制生产、东方汽轮机厂、大连重工集团以及广东明阳变速恒频风力发电机组生产。
另一方面，由于风力发电装备是一项跨学科、跨领域、跨部门的系统工程，加上国内在相关领域基础薄弱，我国风电产业的自主发展也存在基础技术研究和自主创新实力匮乏、产业化程度低等问题，还远远不能满足风力发电发展的要求，加快自主风电产业的建设是当前和未来一段时期风力发电发展的核心任务。
由于国内对风力发电的研究相对国外还比较薄弱。
仍然存在以下问题：
（1）风力发电装备企业大多仍处于产业化初期阶段。
（2）体系逐渐健全但仍需解决瓶颈问题。
（3）基础技术研究和自主创新实力还比较薄弱。
八，参考文献
【1】苏绍禹，风力发电机设计与运行维护[M].中国电力出版社．2003
【2】濮良贵,机械原理[M].高等教育出版社第八版2003第145-180.
【3】王学永硕士学位论文[D]风力发电机叶片设计及三维建模
【4】吴军，钟志华，谷正气等。
汽车外流场数值仿真的进一步研究
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