《风力发电机组设计与制造》课程设计报告_图文

《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

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

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：

D=3

r p 123

8P V C r

πρηηη==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。

(2)、C t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：

n r =

=

=15r/min

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 。 WTGS 等级 I II III IV S

v ref [m/s] 50 42.5 37.5 30 由设计者规定各参数

v ave [m/s] 10 8.5 7.5 A

I 15 0.18 0.18 0.18 0.18 a

2 2 2 2 B

I 15 0.16 0.16 0.16 0.16 a

3

3

3

3

阶段性总结

总体参数 设计值 总体参数 设计值 叶片数 B=3 风轮直径 D=114m 额定输出功率 P=5MW 轮毂高度 Z hub =70m 设计寿命 20年 风能利用系数 C p =0.44

切入风速 V in=3m/s 叶尖速比

切出风速 V out =25m/s 功率控制方式 主动变桨距控制 额定风速

V r =13m/s

制动形式

气动刹车、机械刹

车

风轮额定转速

n r =15r/min

传动系统

高传动比齿轮箱

传动

风力机等级

IECIIIA

电气系统

双馈发电机+变流

器

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：

位置%半径r(m/s)叶尖速比λ

y

k h j βC(修正后)0.050 2.8500.350 1.1590.424 2.7750.8230.648 5.8420.100 5.7000.700 1.2510.384 1.6550.6400.4667.2320.1508.550 1.050 1.3170.364 1.3370.5070.333 6.9030.20011.400 1.400 1.3640.353 1.2030.4130.239 6.1580.25014.250 1.750 1.3980.347 1.1350.3460.172 5.4160.30017.100 2.100 1.4230.343 1.0950.2960.122 4.7760.35019.950 2.450 1.4420.341 1.0710.2580.084 4.2440.40022.800 2.800 1.4560.339 1.0550.2290.054 3.8050.45025.650 3.150 1.4680.338 1.0440.2050.030 3.4400.50028.500 3.500 1.4780.337 1.0360.1860.011 3.1350.55031.350 3.850 1.4860.337 1.0290.169-0.005 2.8770.60034.200 4.200 1.4930.336 1.0250.156-0.019 2.6560.65037.050 4.550 1.4990.336 1.0210.144-0.030 2.4660.70039.900 4.900 1.5040.335 1.0180.134-0.040 2.3000.75042.750 5.250 1.5080.335 1.0160.125-0.049 2.1540.80045.600 5.600 1.5120.335 1.0140.118-0.057 2.0260.85048.450 5.950 1.5150.335 1.0120.111-0.064 1.9110.90051.300 6.300 1.5180.335 1.0110.105-0.070 1.8090.95054.150 6.650 1.5210.334 1.0100.100-0.075 1.7171.000

57.0007.000

1.523

0.334

1.009

0.095

-0.080 1.634

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 1.5

C=；

t

q——动态风压；

j=；

——动态系数，取 1.2

S=。

S——安全系数，取 1.5

q随高度变化，风轮中心高度Z hub=70m处对应的q=1120N/m2。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/m2

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，

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

1.65 1.45 1.33 1.24 1.18 1.14 1.10 1.06 1.03 1.00 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：