学位论文-—风力发电机组设计与制造课程设计

课程设计(综合实验)报告( 2012 – 2013 年度第二学期)名称：风力发电机组设计与制造题目：风电机组总体技术设计院系：可再生能源学院班级：风能1002 班学号：1101540209学生姓名：刘凤魁指导教师：田德、王永设计周数：19周-20周成绩：日期：2013年7 月10 日目录课程设计任务书 (1)第一章风电机组整体参数设计 (5)1.1 额定功率 (5)1.2 设计寿命 (5)1.3 切出风速、切入风速、额定风速 (5)1.4 发电机额定转速和转速范围 (5)1.5 重要几何尺寸 (6)1.5.1 风轮直径和扫掠面积 (6)1.5.2 轮毂高度 (7)1.6 叶片数 (7)1.7 风轮转速 (8)1.8 功率曲线、Cp曲线、Ct曲线、攻角ɑ (8)1.9 功率控制方式 (14)1.10 制动系统形式 (14)1.11 风力机等级 (14)第二章风电机组气动特性初步计算 (14)2.1 叶片的设计理论 (14)2.1.1 动量理论 (14)2.1.2 叶素理论 (15)2.2 叶片设计 (16)第三章机组及部件载荷计算 (18)3.1 叶片载荷计算 (18)3.1.1 作用在叶片上的离心力F C (18)3.1.2 作用在叶片上的风压力F V (18)3.1.3 作用在叶片上的气动力矩M b (19)3.1.4 作用在叶片上的陀螺力矩M K (19)3.2 风轮轮毂的载荷计算 (19)3.3 主轴载荷计算 (20)3.5 塔架载荷计算 (20)3.5.1 暴风工况的风轮气动推力计算 (21)3.5.2 欧美国家塔架静态强度设计的一般载荷条件 (22)3.5.3 确定塔架设计载荷的要求 (22)3.6 联轴器载荷计算 (23)第四章主要部件技术参数 (23)4.1 齿轮箱 (23)4.2 发电机 (24)4.3 变流器 (24)4.4 联轴器 (24)4.5 偏航执行机构 (25)4.6 变桨距执行机构 (25)4.7 塔架根部截面应力计算 (26)风力机总体布局图： (28)参考文献： (28)课程设计任务书一、设计内容风电机组总体技术设计二、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。

6. 每人撰写一份课程设计报告。

三、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49m/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）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。

四、进度计划序号设计(实验)内容完成时间备注1 风电机组整体参数设计 2.5天2 风电机组气动特性初步计算2天3 机组及部件载荷计算2天4 齿轮箱、发电机、变流器技术参数 1.5天4 塔架根部截面应力计算1天5 报告撰写 1.5天6 课程设计答辩 1.5天五、设计（实验）成果要求1．提供设计的风电机组的性能计算结果；2．绘制整机总体布局工程图。

六、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。

2013年6 月28 日风力发电机组设计与制造课程设计表1 63418翼型的升力系数和阻力系数攻角升力系数阻力系数扭矩系数-180 -0.475 0.028 0 -179.9 -0.475 0.028 0 -177.79 0.083 0.039 0 -172.18 0.701 0.07 0 -168.55 0.917 0.172 0 -165.1 0.661 0.268 0 -159.59 0.477 0.344 0 -154.91 0.612 0.426 0 -150.61 0.697 0.536 0 -145.49 0.757 0.681 0 -141.27 0.716 0.772 0 -134.54 0.643 0.829 0 -127.58 0.572 0.886 0 -124.17 0.537 0.938 0 -120.56 0.466 1 0 -115.24 0.361 1.069 0 -109.23 0.287 1.108 0 -104.33 0.179 1.145 0 -100.65 0.094 1.167 0 -96.72 0.023 1.183 0 -88.29 -0.099 1.18 0 -82.73 -0.192 1.166 0 -78.79 -0.261 1.148 0 -74.68 -0.332 1.112 0 -68.72 -0.437 1.044 0 -62.9 -0.538 1.003 0 -58.21 -0.597 0.965 0 -53.67 -0.656 0.902 0 -50.77 -0.673 0.825 0 -44.08 -0.68 0.702 0 -38.09 -0.698 0.602 0 -32.99 -0.655 0.508 0 -29.64 -0.535 0.429 0 -24.44 -0.386 0.28 0 -19 -0.354 0.191 0 -12.78 -0.463 0.092 0 -11.58 -0.8 0.036 0 攻角升力系数阻力系数扭矩系数-11.04 -0.77 0.031 0 -9 -0.745 0.012 0-8 -0.626 0.01 0-7 -0.508 0.01 0-6 -0.39 0.009 0-5 -0.263 0.008 0-4 -0.138 0.007 0-3 -0.03 0.006 0-2 0.079 0.006 0-1 0.175 0.006 00 0.313 0.006 01 0.446 0.006 02 0.551 0.006 03 0.666 0.007 04 0.777 0.007 05 0.904 0.007 06 0.984 0.008 07 1.074 0.01 08 1.17 0.013 09 1.244 0.015 010 1.307 0.018 012 1.395 0.025 014 1.395 0.032 016 1.37 0.039 020 1 0.185 025 1.04 0.315 030 1.02 0.442 040 0.95 0.68 045 0.9 0.78 050 0.82 0.891 055.54 0.697 1.022 060.67 0.626 1.095 066.93 0.495 1.144 071.07 0.401 1.179 075.5 0.303 1.235 080.75 0.199 1.268 0攻角升力系数阻力系数扭矩系数86.9 0.099 1.272 0 91.87 -0.014 1.265 0 95.79 -0.112 1.26 0 99.84 -0.214 1.254 0 104.93 -0.317 1.205 0 110.44 -0.427 1.127 0 115.85 -0.539 1.094 0 124.05 -0.629 0.978 0 129.73 -0.695 0.872 0 136.34 -0.796 0.805 0 140.53 -0.77 0.732 0 144.46 -0.729 0.633 0 145.07 -0.721 0.616 0 150.54 -0.674 0.466 0 155.32 -0.597 0.308 0 160.62 -0.843 0.271 0 163.66 -1.124 0.183 0 168.46 -0.88 0.073 0 175.01 -0.475 0.028 0 179.9 0.083 0.039 0 180 0.083 0.039 0第一章 风电机组整体参数设计1.1 额定功率根据《设计任务书》选定额定功率为3MW 。

1.2 设计寿命风力发电机组安全等级I ～III 的设计寿命至少为20年。

这里选20年设计寿命。

1.3 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3MW ）的额定风速羽平均风速之比为1.70左右。

1.4 发电机额定转速和转速范围应用高速发电机的风力发电机组多为异步发电机。

根据电机学理论，当异步发电机接入频率恒定的电网上时，由定子三相绕组中的电流产生的旋转磁场的同步速取决于电网的额定频率和发电机绕组的极对数，三者关系为pf n 1160=， 其中：n 1—同步转速，单位为r/min ； f 1—电网频率，单位为Hz ； P —发电机绕组的极对数。

异步发电机中旋转场和转子之间的相对转速为21n n n -=∆，相对转速与同步速的比值称为异步发电机的转差率，用s 表示，即%10011⨯-=n nn s 。

当异步发电机的转子在风力机的拖动下，以高于同步速旋转时，发电机运行在发电状态，发电机中的电磁转矩为制动转矩，阻碍发电机旋转，此时发电机需要从外部吸收无功电流建立磁场（如由电容提供无功电流），而将从风力机中获得的机械能转化为电能提供给电网。

喜事发电机的转差率为负值，一般其绝对值在2%~5%之间，并网运行的较大容量的异步发电机的转子转速一般在（1~1.05）n 1之间。

应用双馈式发电机，转子转速一般在（1±30%）n 1之间变化。