《风力发电机组设计与制造》课程设计报告

《风力发电机组设计与制造》

课程设计报告

一、设计任务书

1、设计内容

风电机组总体技术设计

2、目的与任务

主要目的：

1)以大型水平轴风力机为研究对象，掌握系统的总体设计方法；

2)熟悉相关的工程设计软件；

3)掌握科研报告的撰写方法。

主要任务：

每位同学独立完成风电机组总体技术设计，包括：

1)确定风电机组的总体技术参数；

2)关键零部件（齿轮箱、发电机和变流器）技术参数；

3)计算关键零部件（叶片、风轮、主轴、连轴器和塔架等）载荷和技术参数；

4)完成叶片设计任务；

5)确定塔架的设计方案。

每人撰写一份课程设计报告。

3、主要内容

每人选择功率范围在1.5MW至6MW之间的风电机组进行设计。

1）原始参数：风力机的安装场地50米高度年平均风速为7.0m/s，60米高度年平均风速为7.3m/s，70米高度年平均风速为7.6 m/s，当地历史最大风速为48m/s，用户希望安装1.5 MW至6MW之间的风力机。采用63418翼型，63418翼型的升力系数、阻力系数数据如表1所示。空气密度设定为1.225kg/m3。

2）设计内容

（1）确定整机设计的技术参数。设定几种风力机的C p曲线和C t曲线，风力机基本参数包括叶片数、风轮直径、额定风速、切入风速、切出风速、功率控制方式、传动系统、电气系统、制动系统形式和塔架高度等，根据标准确定风力机等级；

（2）关键部件气动载荷的计算。设定几种风轮的C p曲线和C t曲线，计算几种关键零部件的载荷（叶片载荷、风轮载荷、主轴载荷、连轴器载荷和塔架载荷等）；根据载荷和功率确定所选定机型主要部件的技术参数（齿轮箱、发电机、变流器、连轴器、偏航和变桨距电机等）和型式。以上内容建议用计算机编程实现，确定整机和各部件（系统）的主要技术参数。

（3）塔架根部截面应力计算。计算暴风工况下风轮的气动推力，参考风电机组的整体设计参数，计算塔架根部截面的应力。最后提交有关的分析计算报告。4、进度计划

5、 设计（实验）成果要求

提供设计的风电机组的性能计算结果； 绘制整机总体布局工程图。 6、 考核方式

每人提交一份课程设计报告；准备课程设计PPT ，答辩。

二、总体参数设计 1、额定功率

根据《设计任务书》选定额定功率为5MW 。 2、设计寿命

一般风力机组设计寿命至少为20年，这里选20年设计寿命。

3、切出风速、切入风速、额定风速 切入风速 取 V in =3m/s 切出风速 取 V out =25m/s 额定风速 取 V r =13m/s

对于一般变桨距风力发电机组（选5MW ）的额定风速与平均风速之比为1.70左右，在70m 处：

V r =1.70V ave =1.70×7.6≈13m/s 4、发电机额定转速和转速范围 5、重要几何尺寸

（1）风轮直径和扫掠面积

由风力发电机组输出功率得叶片直径：

==114m

其中：

P r--风力发电机组额定输出功率，取5000kW；

--空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m3；

V r--额定风速，取13m/s；

D--风轮直径；

--传动系统效率，取0.92；

--发电机效率，取0.95；

--变流器效率，取0.95；

C p--额定功率下风能利用系数,取0.44。

由直径计算可得扫掠面积：

S===10207

综上可得风轮直径D=114m，扫掠面积S=10207。

（2）轮毂高度

轮毂高度是从地面到风轮扫掠面中心的高度，用Z hub表示

Z hub=Z t+Z j=70+2.25.=72.25m

式中Z j—塔架高度；

Z t—塔顶平面到风轮扫掠中心高度。

6、叶片数B=3

现代风力发电机的实度比较小，一般需要1-3个叶片。选择风轮叶片数时考虑风电机组性能和载荷、风轮和传动成本、风力机气动噪声及景观影响等因素。

3叶片较1、2叶片风轮有如下优点：

●平衡简单、动态载荷小。基本消除了系统的周期载荷，输出较稳定转矩；

●能提供较佳的效率；

●更加美观；

●噪声较小；

●轮毂较简单等。

综上所述，叶片数选择3。

7、功率曲线和C t曲线

(1)、功率曲线

自然界风速的变化是随机的, 符合马尔可夫过程的特征, 下一时刻的风速和上一时刻的结果没什么可预测的规律。由于风速的这种特性, 可以把风力发电机组的功率随风速的变化用如下的模型来表示：

P(t)=P stat(t)+(t)

式中P(t)--在真实湍流风作用下每一时刻产生的功率, 它由t时刻的V(t)决定;

P stat(t)--在给定时间段内V(t)的平均值所对应的功率；

(t) 表示t 时刻由于风湍流引起的功率波动。

对功率曲线的绘制, 主要在于对风速模型的处理。若假定上式表示的风模型中P stat(t)的始终为零, 即视风速为不随时间变化的稳定值, 在切入风速到切出风速的范围内按照设定的风速步长, 得到对应风速下的最佳叶尖速比和功率系数,带入式：

式中：

--传动系统效率，取0.92；

--发电机效率，取0.95；

--变流器效率，取0.95；

C p--额定功率下风能利用系数,取0.44；

--空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m3；

D—风轮直径，取114m；

V—风速，单位m/s。

由以上公式，使用excel计算出不同风速对应的功率值, 将得到的数据对绘制成风速-功率曲线图, 该曲线图即是机组的静态功率曲线。

计算并参考相关数据得到C t曲线如下：

8、确定攻角α，升力系数C l，叶尖速比λ，风能利用系数C p

风力机翼型为63418,根据翼型的气动数据得到升阻比随攻角变化的曲线见下

图：

从图中可以得出翼型取得最佳升阻比时攻角，此时升力系数C l=0.904，C d=0.007本设计取攻角为，此时升力系数和阻力系数分别为C l=1.307，C d=0.018。

三叶片风力发电机组的风轮叶尖速比一般在6至8之间，本设计取7。不同攻角下的风能利用系数随叶尖速比的变化曲线即C P-曲线如图1，由C p-曲线可

得出C p=0.44。

9、风轮额定转速

风轮额定转速可由下式计算得到：

===15r/min

n

r

10、功率控制方式：主动变桨距控制。

11、制动系统形式：第一制动采用气动刹车，第二制动采用高速轴机械刹车。

12、风力机等级

由IEC标准，如下表，选择风力机等级为IECIIIA。

阶段性总结

三、叶片气动优化设计 1、计算各剖面的叶尖速比

将叶片分为10个叶素，每个叶素间隔0.05R ，其中5%半径处叶片是筒状，10%-60%半径处采用钝后缘叶片，65%-100%半径处 采用通用风电机组叶片翼型。叶片内圈采用钝后缘翼型，外圈采用63418翼型。 根据下式求各叶素的叶尖速比λ。

r R λλ=

叶素位置和叶尖速比数值见下表：

2、叶片攻角及弦长优化设计计算步骤 ⑴求ψ利用公式

3

arctan 31πλ+=ψ

⑵求轴向干扰因子k 利用公式

k =ψ

⑶求切向干扰因子h 利用公式

h =

⑷求入流角φ利用公式

)11cot(k

h

arc ++=λ

φ

⑸求叶素桨距角β

αφβ-=

⑹计算叶片弦长C

)

1(cos )1(8+-=

h BC h r C l φ

π

叶片气动特性通过excel 计算，得到：

叶片根部处理方式：距叶根0 ~ 5m 处制作成直径为2m 的圆柱结构处理； 且根部采用钻孔组装式结构。 四、主要部件功率 1、发电机

发电机类型：双馈异步变速恒频发电机 额定功率：5MW 额定转速：1500r/min

发电机极对数为2，发电机主轴转矩T 发电机主轴为：

T 发电机主轴=9550

=9550

=33.51N ·m

选择刚轴推荐最大扭剪应力：MPa f s 55 则发电机的主轴直径D 发电机为：

D 发电机==2

=0.14m

2、变流器

变流器功率通常为风力发电机组的1/2~1/3，为保证机组可靠性，通常为额定功率的1/2,所以变流器功率为2500kW 。 3、齿轮箱

方式：齿轮箱选用2级行星轮+1级平行轴齿轮； 低速轴转速：n l =15r/min ； 高速轴转速：n h =1500r/min 传动比：i=100

齿轮箱效率：=0.973

齿轮箱功率：

P GB =

==5694kW

4、联轴器

低速轴联轴器功率：

P m =

==5852kW

高速轴联轴器功率：

5、偏航系统

类型：主动偏航

偏航轴承：4点接触球轴承

偏航驱动：6个3kW偏航电机

偏航制动：液压控制摩擦制动

五、主要部件的载荷计算

1、叶片载荷计算

(1)、作用在叶片上的离心力F c

F c=

其中旋转角速度由下式算得：

r0—叶片起始处旋转半径，约为R的1/20,即为2.85m —叶片的密度，为1.8kg/m3

y

A r—叶素处的叶片截面积

用matlab计算得：

F c=66760N

(2)、叶轮转动时的风压力：

用matlab计算得：

F v= 2842551N

F v作用点距叶轮轴的距离为r m，则有：

用matlab计算得：

r m=37.96m

(3)、作用在叶片上的陀螺力矩M k

整个叶片的转动惯量为：

此处F即A r

用matlab计算得：

I= 26199kg·m

当β时，科氏加速度最大，为

由matlab计算得：

由动量矩定理知，叶片受到惯性力矩M k的作用，这个力矩称为陀螺力矩，用matlab计算得：

M k=I= 133551N·m

2、风轮载荷计算

(1)、轴向诱导因子,周向诱导因子

则作用在风轮上的轴向推力可表示为：

T=4

用matlab计算得：

T= 935790N

(2)作用在整个风轮上的转矩可表示为：

用matlab计算得：

M= 4980888N·m

3、主轴载荷计算

低速轴角速度为：

高速轴角速度为：

低速轴功率为：

P m===5852kW 高速轴功率为：

低速轴转矩为

高速轴转矩为：

低速轴直径：

高速轴直径：

4、塔架载荷计算

本机组的塔架采用等强度设计理论的锥形钢筒结构塔架。其由5段组成，段与段之间靠法兰连接，底最大直径部为5m,顶部最小直径为4m，筒体壁厚由最底部的30mm过渡到顶部的20mm。塔筒的总质量为170t。

作用在塔架上的载荷有以下几类：

1)风轮等构件承受的空气动力载荷

2)重力和惯性载荷：由重力、振动、旋转以及地震等引起的静态和动态载荷。

3)操作载荷：在机组运行和控制过程中产生的载荷。如功率变化、偏航、变桨

以及制动过程产生的载荷等。

4)其它载荷：诸如尾迹载荷、冲击载荷、覆冰载荷等。

5)下面只讨论与塔架结构强度计算有关的两种载荷，即由风轮作用的最大气动

推力以及塔架本身所承受最大风压产生的载荷。

⑴、暴风工况的风轮气动推力计算

因为>7m/s,所以取V s=60m/s。

前苏联的法捷耶夫公式:

式中，A b ——叶片的投影面积；

V s ——风轮中心处的暴风风速；

叶片投影面积：

其中为风轮实度，风轮实度与叶尖速比有关，时，近似认为

。

可算得： F as =1440kN 荷兰ECN 的公式

式中，C t ——推力系数，取 1.5t C =； q ——动态风压；

——动态系数，取 1.2j =；

S ——安全系数，取 1.5S =。

q 随高度变化，风轮中心高度Z hub =70m 处对应的q=1120N/m 2。求得： F as =1543kN 丹麦RIS 公式

式中，P l ——风轮单位扫掠面积上的平均风压，通常取P l =300N/m 2 A s ——风轮的扫掠面积。 算得 F as =3062k N

5.5塔架根部截面应力计算

塔架的受力分析如下图

塔架根部截面应力可表示为：

F as考虑前面计算合理值，

即F as=1543kN，

F ts是塔架受的风压力

H是塔架高度，即H=70m，

h1是轮毂高度，由前面知道为h1=1.5m，W为塔架根部抗弯截面模数

A是塔架根部截面积，

G1是塔顶的重量，本机组塔顶重为180t，则：

，

G2是塔筒的重量，

是变截面塔架的长度折减系数，可根据图10变截面塔架的长度折减系数来确

定。

式中:

与塔架截面变化有关的折算长度修正系数，可根据之比由下表的选择参考设计值，

J min是塔架顶部截面惯性矩，由下式计算：

J max是塔架底部截面惯性矩,由下式计算得：