风力发电机设计与制造课程设计

风力发电机设计与制造

课程设计

集团档案编码：[YTTR-YTPT28-YTNTL98-UYTYNN08]

一．总体参数设计

总体参数是设计风力发电机组总体结构和功能的基本参数，主要包括额定功率、发电机额定转速、风轮转速、设计寿命等。

1.额定功率、设计寿命

=；一般风力机组设计寿命至少为20年，这里选根据《设计任务书》选定额定功率P

20年设计寿命。

2.切出风速、切入风速、额定风速

= 3m/s

切入风速取 V

切出风速取 V

= 25m/s

out

= 12m/s（对于一般变桨距风力发电机组（选）的额定风速与平均风速之比额定风速 V

为左右,V

==×≈12m/s）

3.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：

其中：

——风力发电机组额定输出功率，取；

——空气密度（一般取标准大气状态），取m3；

——额定风速，取12m/s；

D——风轮直径；

η——传动系统效率，取；

η——发电机效率，取；

η——变流器效率，取；

——额定功率下风能利用系数,取。

由直径计算可得扫掠面积：

综上可得风轮直径D=104m，扫掠面积A=84822

4.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：

)(t P ——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;

)(t P stat ——在给定时间段内V(t)的平均值所对应的功率；

)(△t P ——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：

1η——传动系统效率，取； 2η——发电机效率，取； 3η——变流器效率，取；

——空气密度（一般取标准大气状态），取m 3； V r ——额定风速，取12m/s ； D ——风轮直径；

C p ——额定功率下风能利用系数,取。

由以上公式，使用excel 计算出不同风速对应的功率值,见表1

表1 风速功率关系

风速（m/s ） 3 4 5 6 7 8

11 功率（w ） 54744 129763 253444 437952 695452 1038109 1478090 2027558 2698680 风速（m/s ） 12 13 14

20 功率（w ） 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000

风速（m/s ） 21 22 23

功率（w ）

3500000

3500000 3500000 3500000

将得到的数据对绘制成静态风功率曲线，如图一

图1 P —v 静态功率曲线

5. 风轮额定转速

三叶片风力发电机组的风轮叶尖速比0λ一般在6至8之间，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 ?0λ曲线如图?。

图????C P ?0λ曲线

由C p ?0λ曲线可得出0λ =，则风轮额定转速可由下式计算得到： 6. 叶片数

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、功率控制方式、制动系统形式

功率控制方式选择主动变桨距控制；制动系统形式为第一制动采用气动刹车，第二制动采用高速轴机械刹车。 8、风力机等级

由IEC 标准，如表2，选择风力机等级为IECIIIA 。

WTGS 等级 I II III S

设计值由设计者选定

A B C

表2 风机等级规范表

注：表中数据为轮毂高度处值，其中：A?表示较高湍流特性级；参考风速Vref?为10min?平均风速；?B?表示中等湍流特性级；I?15风速为15m/s?时的湍流强度特性值。?C?表示较低湍流特性级；除表基本参数外，在风力发电机组设计中，还需要某些更重要的参数来规定外部条件。对风力发电机组IA ～IIIC?级，统称为风力发电机组的标准等级。

阶段性总结表

总体参数设计值总体参数设计值叶片数

B=3

风轮直径

D=104m

二．叶片设计

1. 叶片材料选择

叶片选用T-700碳纤维，相比玻璃纤维，叶片密度较小，发电效率更高，密度为

3/1800m kg 。

2. 计算各剖面的叶尖速比

将叶片分为20个叶素，每个叶素间隔，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63415翼型。根据下式求各叶素的叶尖速比λ。

叶素位置和叶尖速比数值见下表2：

表2 不同叶素位置的叶尖速比

3. 根据翼型确定叶片最佳攻角α，升力系数C l ，C d

风力机翼型为NACA63-415，图3

图3 NACA63-415翼型图

计算雷诺数Re

在20℃，压强为标准大气压时，空气的动力粘度6109.17-?=μ 根据所得雷诺数查得Cl/Cd 、Cl/alpha ，见图4

图4 C l -C d 曲线和C l -alpha 曲线

图5 C l/C d ——alpha 图

从图中可以得出翼型取得最大升阻比时，最佳攻角 25.5=α，此时升力系数C l =，C d =，最佳升阻比7.118/=d l C C ,本次设计选取最佳攻角 25.5=α，则升力系数和阻力系数分别为C l =，C d =。叶片每个截面的升力系数相同，为C l =。 4. 叶片弦长计算步骤

通过下面的计算，可以得到沿叶片各径向位置r 上的弦长C 和叶素桨距角β，即可完成叶片的初步设计，但要是想对叶片进一步优化，还需对翼型、叶根、叶尖风进行气动优化设计和工艺优化设计，在本次设计报告中，只对叶片作了初步设计。如下：（1）求ψ利用公式

（2）求轴向干扰因子k 利用公式（3）求切向干扰因子h 利用公式 (4）求入流角φ利用公式（5）求叶素桨距角β （6）计算叶片弦长C

叶片气动特性通过excel 计算，得到叶片各个截面气动特性参数，如表3：

表3 叶片气动特性参数

5. 叶片根部载荷计算与材料选择

叶片根部处理方式：距叶根0 ~ 5m 处制作成直径为3m 的圆柱结构处理，且根部采用金属法兰连接。见图 6

图6 金属法兰连接

表4 增强材料力学性能

根据表4 材料选择为T700碳纤维，抗拉强度为

∴ 取[]pa pa 991047.1109.43.0?=??=σ

取min 1

555.311.72

121d m c d ≥=?== 所以风轮根部直径选择

三. 确定主要部件

1．发电机

发电机类型：双馈异步变速恒频发电机；额定功率：；

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：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：取发电机主轴直径D 为. 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1500kW 。 3．齿轮箱

方式：行星齿轮传动两级NGW ；

低速轴转速：l n =min 高速轴转速：h n =1500r/min 传动比：i = 90

齿轮箱效率：983.095.0331===ηη 齿轮箱功率： 4．联轴器

低速轴联轴器功率高速轴联轴器功率： 5．主轴

低速轴角速度为：高速轴角速度为：低速轴功率为：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：

综上可得，低速轴直径取，高速轴直径取。 6．偏航系统

类型：主动偏航，并选用强制外置6电机偏航；偏航范围：o 800-——o 800+ 偏航角速度：s o /6.0 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；大齿轮齿数：135；小齿轮齿数：16 减速箱传动比：i=140 结构简图见图7

图7 偏航机构结构简图

7．变桨系统

根据调整桨距角调整风能利用系数，桨距角与风能利用系数曲线见图8

图8 风能利用系数与桨距角关系曲线

变桨类型：3叶片独立变桨控制，采用电动驱动装置。供电方式：超级电容供电

发电机转速：永磁电动机1500r/min ，电机功率：3?10kw 变桨范围：0—90o （主要变桨范围0—30o ）变桨速度：7o /s 传动方式：齿形带传动变桨机构结构图见图 9

图9 变桨机构结

四．风机载荷计算

1．叶片载荷计算

（1）作用在叶片上的离心力F c

叶片绕风轮旋转时，有离心力作用在叶片上。方向是自旋转中心沿半径想外。在半径r 处，从叶片上取长为dr 的一个叶素，该叶素上的离心力为dF c ，则叶片上的离心力为：

其中：

ω——风轮角速度；

0r ——叶片起始处旋转半径，约为R 的1/20,即为；

y ρ——叶片的密度，叶片内部为空心梁结构，查得碳纤维密度为1800kg/m 3，

取

900kg/m 3；

r A ——叶素处的叶片截面积；翼型为NACA63-415,取21.0c A r ?=

用matlab 计算得： N F c 4139100= （2）叶轮转动时的风压力F v ：

风压力是作用在叶片上沿风速方向的气动力。其中：

c ——叶素的弦长，单位为m ；

φ——来流角；

设F v 作用点距叶轮轴的距离为m r ，则有：用matlab 计算得：（3）作用在叶片上的气动力矩Mb

Mb 是使风轮转动的力矩，可由下式求出（4）作用在叶片上的陀螺力矩M k

M k 是风轮对风调向时产生的惯性力矩。当风向改变时，风轮除以角速度ω绕水平主轴转动外，还以角速度w ω垂直于水平主轴并通过塔筒的轴线转动。整个叶片的转动惯量为：

其中：

y ρ——叶片的密度，为900kg/m 3

；

r A ——叶素处的叶片截面积，根据翼型图得21.0c A r ?=，单位为m 2

；

设科氏加速度为：其中：

x ρ

——惯性半径，值为

；

r β——r V 与w ω的夹角，r V =0

v R

ρλ；

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： J = m 4

2．风轮载荷计算（1）轴向诱导因子)1(21k a -=

，周向诱导因子)/();1(2

h k h b -= 则作用在风轮上的轴向推力T 可表示为：用matlab 计算得：（2）作用在整个风轮上的转矩M 可表示为：

用matlab 计算得：

阶段性总结表

五．塔架设计

1．塔架高度

塔架高度参数的选择与地形和地貌有关，陆地和海上风机组会有所不同，陆地地表相对粗糙，风速随高度变化缓慢，需要高的塔架，相反海平面较光滑，风速沿高度变化梯度大。此外，随着风轮直径的增大，塔架高度逐渐减小，对于风轮直径25m以上的机组，轮毂中心高与风轮直径为1:1，所以选取塔架高度为90m。

轮毂高度是从地面到风轮扫掠面中心的高度，用Z

表示

hub

z—塔顶平面到风轮扫掠面中心的高度；

H —塔架高度。

2. 塔架的基本结构形式

塔架形式主要分为钢筋混凝土、桁架、钢筒三种结构，目前大型风机组主要采用钢筒结构，钢筒结构中又分为直通和锥筒，在满足相同的要求的前提下，锥筒可以减少材料消耗，降低成本，所以本设计选取锥形钢筒结构。同时采用柔性塔，可以降低塔架质量和成本，柔塔即塔架固有频率在风轮旋转与叶片通过频率之间。

3．塔架的结构尺寸、重量和材料

连接方式：法兰连接；

材料：Q460c，屈服强度是460MPa；

机组质量：m

=220t；

塔筒质量：m

= 200t；

塔筒壁厚：从根部到顶部选用壁厚由30-20mm过渡；

塔筒根部外径：D

= 6000mm；

塔筒顶部外径：d

= 4000mm；

塔筒根部内径：D

2 = 5940mm;塔筒顶部内径：d

= 3960mm；

参照上海电气风电设备有限公司研发的的风机，额定风速12m/s，风轮直径116m，机舱重150t，塔筒分为三段，上塔筒重约，中塔筒重约，下塔筒重约，叶片54t，轮毂38t，机组重量。塔筒根部外径5056mm，顶部外径3815mm。，

4.塔架载荷分析

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；

5. 塔架强度校核

塔架根部为最危险截面，接下来将对根部进行受力分析和强度校核。为了确保在暴风作用条件下塔架不倾倒，校核强度时均要按照暴风工况考虑风轮的气动推力和塔架的风压力。

暴风工况下最大风速V

s 和年平均风速V

ave

有关。如下表5：表5 年平均风速和最大风速关系

本次设计中，V

ave =s>7m/s，所以选取V

=60m/s。

（1）塔架的受力分析如下图10：

图10 塔架受力塔架根部截面应力可表示为：

其中：

as F ——塔架风压力，单位N ； ts F ——塔架气动推力,单位N ；

2W ——塔架根部抗弯截面系数,单位为m 3

；

2A ——塔架根部截面积，单位为m 2

；

2G ——塔架自重，单位为N ；

1G ——机舱总成质量，单位为N ；

2?——变截面塔架的长度折减系数，可根据22

μλγ=

从图11得到图11 2λ--2?关系曲线

μ——与塔架截面变化有关的折算长度修正系数，可根据

max

min

J J 之比由表6的选择参考设计值，min J 为塔架顶部截面惯性矩，单位为m 4，max J 为塔架根部截面惯性矩，单位为m 4；

表 6 μ--

max

min

J J 关系表 2γ——塔架根部的截面惯性半径，单位为m ，γ=

H ——是塔架高度，即H=90m ，h 1是轮毂高度，由前面知道为h 1=；（2）塔架风压力as F ，有以下几种计算方式:

① 前苏联的法捷耶夫公式: 其中：

A b ——叶片的投影面积，单位m 2。B

A A b σ

=，其中σ为风轮实度，风轮实度与叶尖速比有关，0λ= 时，近似认为σ=；

V s ——风轮中心处的暴风风速 ,单位为m/s ； ② 荷兰ECN 的公式其中：

C t ——推力系数，取 1.5t C =；

q ——动态风压,单位为m N /，q 随高度变化，风轮中心高度Z hub =处对应的q=1410N/m 2。

——动态系数，取

=；

S —安全系数，取 1.5S =； ③ 丹麦RIS 公式其中：

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 ——风轮的扫掠面积。单位为m 2；（3）塔架气动推力F ts

其中：

ρ——空气密度，m 3；

t A ——气动推力作用于塔筒的面积，单位为m 2

；

?——取；

V s ——风轮中心处的暴风风速 ,单位为m/s ；（4）计算过程

①气动推力作用于塔筒的面积 211450902

62m H d D A t =?+=?+=

②叶片的投影面积 2251.1413

405

.0104m B A A b =???=?=πσ ③抗弯截面系数 835.0694.5132613243

4123

2=????

??????? ??-??=???

????????? ??-=ππD D D W ④塔架根部截面积 ()()222222125623.094.564

4m D D A =-=-=π

⑤塔架顶部截面惯性矩 44441241min 495.0496.31644164m d d d J =??????????? ??-??=???

????????? ??-=ππ ⑥塔架根部截面惯性矩 4

444

124

1max

506.2694.51646164m D D D J =??????????? ??-??=???

????

??-=ππ

⑦

197.0970

.0424

.0max min ==J J 查表6得μ=，114.25603

.0506

.22max ===

A J γ,则73.61114.29045.122=?==γμλH ,材料为低合金钢，根据图5得变截面塔架的长度折减系数2?=

⑧机组的总重量为G 1=2200000N ，塔架的总重量为G 2=2000000N

苏联的法捷耶夫公式：N B v A F s b as 119819336051.141784.0784.0221=???== 荷兰ECN 的公式： N S B qA C F b t as 161618575.12.1351.14114105.1=?????==?

丹麦RIS 公式： N A p F d as 2547168523002

1=??==π

⑨选取丹麦RIS 公式得出的as F = ⑩塔架气动推力:N A v F t s ts 6112263967.060225.12

12122

=????==?ρ 代入计算得：强度校核：

所以塔架最危险截面，即根部满足要求。

六．风电机组布局

见附录整机工程图

七．设计总结

1．总体参数

风机总体设计参数总结，如表7

表7 总体参数表

2．功率、气动特性和载荷计算总结

风机的功率、叶片气动特性和载荷总结，如表8

表8 风机的功率、叶片气动特性和载荷

3．其余部分设计总结

整机部分设计总结，如表9

图9 整机部分设计形式

八．总结

为期两周的课程设计即将结束，期间经历了很多事。第一周主要是打公式计算，一开始也不知道如何选择翼型，感觉完全找不到方向，而后查阅相关设计经验进行参考，在不断的尝试下才选出了我认为最佳的风机部件。

感谢老师在我们设计及画图时都积极提供帮助，老师组建了QQ群解答我们的问题。提醒我们要注意的地方。如果当时老师不提示，我也不会用到matlab计算，也不会用visio 画图，如此一来，此次设计的收获便大打折扣。并且在我们犯错误后及时纠正我们。再次感谢老师的指导与帮助。

总之，在这次风电机组总体设计中，我学到了很多，对风机外部以及内部结构有了深刻的理解，还是相关工具的使用以及交流合作的重要性，总之这次课程设计是我大学生活中一次美好的经历。

九．附录

1．风机载荷计算的MATLAB程序

clc

clear

D=ceil(sqrt(8*3e6/pi/(12^3)));

lambda=;

n=lambda*60*12/pi/D;

a=[::1];

b=lambda*a;

psi=1/3*atan(b)+pi/3;

k=sqrt(b.^2+1).*cos(psi );

h=sqrt((1-k.^2)./b.^2+1);

I=atan((1+k)./(1+h)./b);

beta=I*180/;

C=8*pi*a.*(D/2).*(h-1).*cos(I)/3/./(h+1);

R=D/2;

r=a*R;

omega=lambda*12/R;

y1=r.*C*.C*;

Fc=900*omega^2*trapz(r,y1);‘计算叶片离心力’

cl=;

cd=;

y2=(1+(1./tan(I)).^2).*(cl*cos(I)+cd*sin(I)).*C;

Fv=1/2**12^2*trapz(r,y2);‘叶轮转动风压力’

y3=y2.*r;

Rm=trapz(r,y3)./trapz(r,y2);‘作用点距轴距离’

y22=(1+(1./tan(I)).^2).*(cl*cos(I)-cd*sin(I)).*C.*r; Mb=trapz(r,y22);‘计算起动力矩’

y4=y1.*r;

J=900*trapz(r,y4);

epsilon=2*omega*lambda*12/R;

Mk=J*epsilon;‘计算陀螺力矩’

r1=[0,r];

a1=[,a];

b1=lambda*a1;

psi1=1/3*atan(b1)+pi/3;

k1=sqrt(b1.^2+1).*cos(psi1);

y5=(1-k1.^2).*r1;

T=pi**12^2*trapz(r1,y5);‘计算轴向推力’

h1=sqrt((1-k1.^2)./b1.^2+1);

y6=(h1-1).*(k1+1).*r1.^3;

M=pi**omega*12*trapz(r1,y6);‘计算风轮转矩’

2．参考文献

(1)? 《风力发电机组设计与制造》. 姚兴佳、田德编.机械工业出版社,2012版.

(2)? 《风力设计理论及方法》. 赵丹平、徐宝清编.北京大学出版社.2012版.

(3)? Airfoil?Tools[HTML]. .

(4) 《风力发电原理》.徐大平、杨勇平、田德编.机械工业出版社,2011版.

(5)? 《风力发电机组设计》. 芮小明、柳亦兵、马志勇编.机械工业出版社,2010版.

(6) 《风力机设计制造与运行》. 何显富、卢霞、杨跃进、刘万琨编.化学工业出版

社,2009.

(7)? 《风力发电机组设计指导》. Risφ国家实验室,挪威船级社编.机械工业出版社,2011.

(8)? 《风力机空气动力学》. Martin?O.?L.?Hansen编.?中国电力出版社,2009版.

(9)? 《风力发电机组理论与设计》. 姚兴佳编.机械工业出版社,2013版.

(10) 安占国.3MW风机变桨距驱动系统设计.（硕士学位论文），沈阳，沈阳工业大学,.

(11) 高文元.MW级风力发电机组的偏航系统控制策略.兰州，兰州理工大学，.

(12) 《风力发电机叶片》. 蔡新、潘盼、朱杰、顾荣蓉编.中国水利水电出版社,2014版.

(13) 费金凡.复合材料风力叶片结构的有限元分析.（硕士学位论文），武汉，武汉理工大学，.

(14) 陈亚军.风力发电机组叶片材料综述.南通，南通大学，.

3．整机工程图