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机泵分离式风力气动提水机的设计与研究

作　者: 蔡良锥
导　师: 方文熙; 张德晖
学　校: 福建农林大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 风力气动提水机 CATIA 有限元分析隔膜泵
分类号: TK83
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

风能技术是当今世界最具发展前景的新能源技术之一，在可再生的绿色能源开发领域中占有突出的地位。风力提水作为风能利用的一种重要形式，当前国内外的研究和应用主要集中在传统的机-泵一体式风力提水系统以及机-泵分离式电动提水系统：机-泵一体式风力提水系统的最大缺陷是风力机离不开水源，而水源处可能存在障碍物或者风力条件不佳，影响提水效率；机-泵分离式电动提水系统属于风力发电的范畴，通过风力发电装置进行发电，将电能储存在蓄电池里，后带动电动水泵抽水，在人员流动较频繁的山地果、茶园环境中布置线路需注意用电安全。本文以FS4.4-QZY-L型风力气压自控扬水机为参照，设计了一种机泵分离式风力气动提水机，它将风能转化为机械能，带动风力压缩机内的空压泵产生压缩气体，通过输气管线将压缩空气输送到山下水源处的气动提水泵中，再通过水泵将水提至山上的蓄水池中，它可以与山地自压微灌技术系统结合起来，解决果、茶园自压微喷灌、施肥、喷药等问题。本论文通过Profili软件对叶片翼型进行气动分析和改进设计；采用CATIA软件的零部件设计模块、线框和曲面设计模块、装配件设计等模块对叶片、风轮、风力压缩机等零部件进行结构改进设计和干涉分析；基于CATIA结构有限元模块对叶片、风轮轴、风力压缩机箱体等关键零部件进行有限元静力分析和模态分析；最后，采用电动活塞式空压机来模拟风力气动提水机的风力压缩机，验证了不同出气压力、出气流量下，与之配套的QBY-40气动隔膜泵的提水性能（出水流量、出水压力等参数）。从仿真和试验结果可知：本文中设计的机泵分离式风力气动提水机的空气动力学性能较好（叶片），结构合理，强度符合要求，提水效果良好，可以为中小型风力提水机的研制提供一定的参考依据。

全文目录

摘要  8-9
ABSTRACT  9-10
1 绪论  10-14
  1.1 研究背景  10
  1.2 国内外研究现状  10-12
    1.2.1 国内研究现状  10
    1.2.2 国外研究现状  10-11
    1.2.3 存在的主要问题  11-12
  1.3 研究目的和内容  12-14
    1.3.1 研究目的  12
    1.3.2 研究内容  12-14
2 机泵分离式风力气动提水系统总体方案  14-18
  2.1 系统原理  14
  2.2 主要技术参数  14-16
    2.2.1 拟设计风力气动提水机的技术参数  14-15
    2.2.2 风轮直径D  15
    2.2.3 叶片数z及叶尖速比λ  15-16
    2.2.4 叶片工作转速  16
  2.3 小结  16-18
3 基于Profili的叶片翼型气动分析与改进设计  18-31
  3.1 Profili软件简介  18
  3.2 描述叶片翼型的几何参数  18-19
  3.3 翼型绕流的空气动力学模型  19-20
  3.4 影响翼型升力系数Cl和阻力系数Cd的主要因素  20-21
  3.5 常用风力机叶片翼型  21
  3.6 基于Profili的NACA4412、NACA23012翼型的空气动力学分析  21-26
    3.6.1 NACA4412与NACA23012翼型在风速为5m/s、海拔为300m的空气动力学性能  21-23
    3.6.2 NACA4412与NACA23012翼型在其他给定条件下的空气动力学性能  23-26
  3.7 基于Profili的NACA4412翼型改进设计  26-29
    3.7.1 NACA4412-HobieHawk新翼型的生成  26-27
    3.7.2 NACA4412-HobieHawk新翼型与NACA4412翼型的空气动力学分析  27-29
  3.8 小结  29-31
4 基于CATIA的机泵分离式风力气动提水机结构设计  31-46
  4.1 CATIA软件简介  31
  4.2 叶片结构设计与三维建模  31-36
    4.2.1 计算各叶素弦长和安装角  31-32
    4.2.2 参数修改  32-34
    4.2.3 数据导入与建模  34-36
  4.3 FS4.4-QZY-L型风力压缩机的改进设计与三维建模  36-39
    4.3.1 FS4.4-QZY-L型风力压缩机的结构原理  36
    4.3.2 应用于福建山地果、茶园自压微灌技术系统示范基地中存在的问题  36-37
    4.3.3 风力压缩机的改进设计  37
    4.3.4 三维建模  37-38
    4.3.5 干涉分析  38-39
  4.4 FS4.4 -QZY-L型风轮的改进设计  39-41
    4.4.1 FS4.4-QZY-L型风轮的结构特点与在台风天气的损毁情况  39-40
    4.4.2 风轮的改进设计  40-41
  4.5 尾翼装置  41-42
  4.6 塔架和基底  42
  4.7 气动提水泵  42-44
    4.7.1 FS4.4-QZY-L型扬水泵  42-43
    4.7.2 QBY-40型气动隔膜泵  43-44
  4.8 小结  44-46
5 基于CATIA的关键零部件结构有限元分析  46-58
  5.1 有限元分析的基本思想  46
  5.2 CATIA结构有限元分析概述  46
  5.3 基于CATIA的关键零部件结构静力分析  46-53
    5.3.1 叶片静力分析  46-51
    5.3.2 风轮轴静力分析  51-53
  5.4 基于CATIA的关键零部件结构模态分析  53-56
    5.4.1 叶片模态分析  53-55
    5.4.2 风力压缩机箱体模态分析  55-56
  5.5 小结  56-58
6 QBY-40气动隔膜泵的提水性能试验  58-62
  6.1 试验目的  58
  6.2 试验地点  58
  6.3 试验设备  58
  6.4 试验原理  58-59
  6.5 试验方法  59
  6.6 数据及结果  59-61
  6.7 小结  61-62
7 总结与展望  62-65
  7.1 全文总结  62-63
  7.2 后续工作展望  63-65
参考文献  65-67
附录  67-78
  附录1  67-68
  附录2  68-69
  附录3  69-71
  附录4  71-73
  附录5  73-74
  附录6  74-75
  附录7  75-76
  附录8  76-78
致谢  78-79
攻读研究生期间发表的论文及参加的科研课题  79

机泵分离式风力气动提水机的设计与研究

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