风力发电机组设计与制造课程设计精选报告.docx

《风力发电机组设计与制造》

课程设计报告

院系：可再生能源学院

班级：风能 0902 班

姓名：陈建宏

学号： 1091540204

指导老师：田德、王永

提交日期：

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/m 3。

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

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

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

2、设计寿命

5MW。

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）的额定风速羽平均风速之比为 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=

8P r

==114m V r3 C p 1 2 3

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/m 3；r13m/s；

V -- 额定风速，取

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。