风力发电机设计与制造课程设计

1一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、设计寿命根据设计任务书选定额定功率 Pr =3.5MW；一般风力机组设计寿命至少为 20 年，这里选 20 年设计寿命。2. 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 Vr = 12m/s（对于一般变桨距风力发电机组（选 3.5MW）的额定风速与平均风速之比为 1.70 左右,V r=1.70Vave=1.707.012m/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：mCVPDpr 10495.60.45125.38833213 其中：Pr风力发电机组额定输出功率，取 3.5MW；空气密度（一般取标准大气状态），取 1.225kg/m3；Vr额定风速，取 12m/s；D风轮直径；传动系统效率，取 0.95；1发电机效率，取 0.96；2变流器效率，取 0.95；3Cp额定功率下风能利用系数,取 0.45。由直径计算可得扫掠面积： 2228404mDA2综上可得风轮直径 D=104m，扫掠面积 A=8482 2m4. 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：)()()(tPttPsta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;)(tP在给定时间段内 V(t)的平均值所对应的功率；sta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 Pstat(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：3212381DVCPrP传动系统效率，取 0.95；1发电机效率，取 0.96；2变流器效率，取 0.95；3空气密度（一般取标准大气状态），取 1.225kg/m3；Vr额定风速，取 12m/s；D风轮直径；Cp额定功率下风能利用系数,取 0.45。3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 9 10 11功率（w） 54744 129763 253444 437952 695452 1038109 1478090 2027558 2698680风速（m/s） 12 13 14 15 16 17 18 19 20功率（w） 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000风速（m/s） 21 22 23 24 25功率（w） 3500000 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 Pv 静态功率曲线45. 风轮额定转速三叶片风力发电机组的风轮叶尖速比 一般在 6 至 8 之间，不同攻角下的风能利用系0数随叶尖速比的变化曲线即 CP 曲线如图。0图C P 曲线0由 Cp 曲线可得出 =7.5，则风轮额定转速可由下式计算得到： 00min/5.160425.76603rDVnRrrr 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；5 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)/(smvref50 42.5 37.5A refI 0.16B ref 0.14C refI 0.12设计值由设计者选定 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 IAIIIC 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额定输出功率 P=3.5MW 轮毂高度 Zhub=106.25m设计寿命 20 年 风能利用系数 Cp=0.45切入风速 Vin=3m/s 叶尖速比 5.7切出风速 Vout=25m/s 功率控制方式 主动变桨距控制额定风速 Vr=12m/s 制动形式 气动刹车、机械刹车风轮额定转速 nr=16.5r/min 传动系统 高传动比齿轮箱传动6风力机等级 IECIIIA 电气系统 双馈发电机+变流器二叶片设计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。3/180mkg2. 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 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 63415 翼型。 根据下式求各叶素的叶尖速比 。0rR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叶素位置/% 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50叶尖速比 0.375 0.750 1.125 1.500 1.875 2.250 2.625 3.000 3.375 3.750叶素位置/% 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100叶尖速比 4.125 4.500 4.875 5.250 5.625 6.000 6.375 6.750 7.125 75003. 根据翼型确定叶片最佳攻角 ，升力系数 Cl，C d风力机翼型为 NACA63-415，图 37图 3 NACA63-415 翼型图计算雷诺数 Re在 20，压强为标准大气压 101.325kPa 时，空气的动力粘度 6109.7761028.109.752ieVLR根据所得雷诺数查得 Cl/Cd、Cl/alpha，见图 4图 4 Cl-Cd 曲线 和 Cl-alpha 曲线8图 5 Cl/Cdalpha 图从图中可以得出翼型取得最大升阻比时，最佳攻角 ，此时升力系数25.Cl=0.9461，C d=0.00791，最佳升阻比 ,本次设计选取最佳攻角 ，则升7.18/dl 25.力系数和阻力系数分别为 Cl=0.9461，C d=0.00791。叶片每个截面的升力系数相同，为Cl=0.9461。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 ，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 利用公式3arctn31（2）求轴向干扰因子 利用公式kcos12k（3）求切向干扰因子 利用公式h21kh9(4）求入流角 利用公式 )1cot(khar（5）求叶素桨距角 （6）计算叶片弦长 C )1(cos8hBCrl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 叶片气动特性参数位置(%)半径r(m)叶尖速比 k h C(修正)5 2.6 0.375 1.167 0.420 2.619 0.808 0.716 7.11610 5.2 0.75 1.262 0.380 1.588 0.618 0.527 8.52215 7.8 1.125 1.329 0.361 1.299 0.484 0.393 7.94720 10.4 1.5 1.375 0.351 1.179 0.392 0.300 6.98525 13 1.875 1.407 0.346 1.118 0.327 0.235 6.08630 15.6 2.25 1.431 0.342 1.084 0.279 0.187 5.33535 18.2 2.625 1.449 0.340 1.062 0.243 0.151 4.72140 20.8 3 1.464 0.339 1.048 0.215 0.123 4.22145 23.4 3.375 1.475 0.337 1.038 0.192 0.100 3.80950 26 3.75 1.484 0.337 1.031 0.174 0.082 3.46655 28.6 4.125 1.492 0.336 1.026 0.159 0.067 3.17760 31.2 4.5 1.498 0.336 1.022 0.146 0.054 2.9301065 33.8 4.875 1.503 0.335 1.019 0.135 0.043 2.71870 36.4 5.25 1.508 0.335 1.016 0.125 0.034 2.53475 39 5.625 1.512 0.335 1.014 0.117 0.026 2.37380 41.6 6 1.516 0.335 1.012 0.110 0.018 2.23085 44.2 6.375 1.519 0.335 1.011 0.104 0.012 2.10490 46.8 6.75 1.522 0.334 1.010 0.098 0.006 1.99195 49.4 7.125 1.524 0.334 1.009 0.093 0.001 1.889100 52 7.5