风电机组设计与制造课程设计最终版

1、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课程设计报告院系：可再生能源学院班级：风能 xxxxx 班学号：xxxxxxxxxxxx学生姓名：xxxxxx指导教师：田德、王永设计周数：2成绩：日期： 20xx 年 x 月 x 日目录任务书 4一 设计内容 4二 目的与任务 4三 主要内容 4四 进度计划 7五 设计（实验）成果要求 7六 考核方式 8总体参数设计 8一 额定功率 8二 设计寿命 8三 额定风速、切入风速、切除风速 8四 重要几何尺寸 81 风轮直径和扫掠面积 82 轮毂高度 8五 总质量 9六 发电机额定转速和转速范围 9

2、七 叶片数 B 9八 功率曲线和 CT 曲线 91功率曲线 92CT 曲线 10九 确定攻角 ，升力系数CL，叶尖速比 ，风能利用系数 CP 10十风轮转速 12十一其他 12十二风电机组等级选取 12叶片气动优化设计 13一 优化过程 13二 叶片优化结果 14主要部件载荷计算 14一 叶片载荷计算 151作用在叶片上的离心力 FC 152作用在叶片上的风压力 FV 153 作用在叶片上的气动力矩. 164 作用在叶片上的陀螺力矩MK 16二 主轴载荷计算 16三 塔架载荷计算 171暴风工况风轮气动推力计算 . 172塔架的强度设计（考虑塔架高度折减系数的强度计算） 18主要部件功率 20

3、一发电机 20二变流器 21三 齿轮箱 21四 联轴器 21五 偏航 22风电机组布局 22设计总结 24参考文献 25附.25任务书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

4、。三 主要内容每人选择功率范围在 2MW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/m 3。表 1-63418 翼型的升力系数、阻力系数数据攻角升力系数阻力系数扭矩系数-180-0.4750.0280-179.9-0.4750.0280-177.790

5、.0830.0390-172.180.7010.070-168.550.9170.1720-165.10.6610.2680-159.590.4770.3440-154.910.6120.4260-150.610.6970.5360-145.490.7570.6810-141.270.7160.7720-134.540.6430.8290-127.580.5720.8860-124.170.5370.9380-120.560.46610-115.240.3611.0690-109.230.2871.1080-104.330.1791.1450-100.650.0941.1670-96.720.

6、0231.1830-88.29-0.0991.180-82.73-0.1921.1660-78.79-0.2611.1480-74.68-0.3321.1120-68.72-0.4371.0440-62.9-0.5381.0030-58.21-0.5970.9650-53.67-0.6560.9020-50.77-0.6730.8250-44.08-0.680.7020-38.09-0.6980.6020-32.99-0.6550.5080-29.64-0.5350.4290-24.44-0.3860.280-19-0.3540.1910-12.78-0.4630.0920-11.58-0.8

7、0.0360-11.04-0.770.0310-9-0.7450.0120-8-0.6260.010-7-0.5080.010-6-0.390.0090-5-0.2630.0080-4-0.1380.0070-3-0.030.0060-20.0790.0060-10.1750.006000.3130.006010.4460.006020.5510.006030.6660.007040.7770.007050.9040.007060.9840.008071.0740.01081.170.013091.2440.0150101.3070.0180121.3950.0250141.3950.0320

8、161.370.03902010.1850251.040.3150301.020.4420400.950.680450.90.780500.820.891055.540.6971.022060.670.6261.095066.930.4951.144071.070.4011.179075.50.3031.235080.750.1991.268086.90.0991.272091.87-0.0141.265095.79-0.1121.26099.84-0.2141.2540104.93-0.3171.2050110.44-0.4271.1270115.85-0.5391.0940124.05-0

9、.6290.9780129.73-0.6950.8720136.34-0.7960.8050140.53-0.770.7320144.46-0.7290.6330145.07-0.7210.6160150.54-0.6740.4660155.32-0.5970.3080160.62-0.8430.2710163.66-1.1240.1830168.46-0.880.0730175.01-0.4750.0280179.90.0830.03901800.0830.03902. 设计内容（1）确定整机设计的技术参数。设定几种风力机的 Cp曲线和 Ct 曲线，风力 机基本参数包括叶片数、风轮直径、额定

10、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 Cp曲线和 Ct 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

11、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。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。总体参数设计一 额定功率根据设计任务书要求，选择 3.5MW进行设计。二 设计寿命风力发电机组安全等级 的设计寿命至少为 20 年。故设计寿命为 20年。 三 额定风速、切入风速、切除风速切入风速 Vin =3m/

12、s；额定风速 Vr =13m/s；切除风速 Vout =25m/s 。四 重要几何尺寸1 风轮直径和扫掠面积风轮直径决定机组在多大的范围内获取风中蕴含的能量。 直径应根据不同风 况与额定功率匹配， 以获得最大的年发电量和最低的发电成本。 风轮直径有下述 简单计算公式：式中额定输出功率，取 3.5MW；主传动系统的总效率，取 0.92 ； 发电系统效率，发电机效率取 0.95 ，变流器效率取 0.95 ； 风能利用系数，取 0.42 ； 空气密度，取 1.225kg/m 3；额定风速， 13m/s。扫掠面积2 轮毂高度 塔架高度取 70m。轮毂高度 式中塔顶平面到风轮扫掠面中心的距离，取 2.2

13、5m;塔架高度五 总质量机舱和风轮等总质量为 m1=174t ，塔架质量取 160t。六 发电机额定转速和转速范围采用双馈异步发电机，极对数 p=2，额定转速由下式求出双馈异步机转速范围 。七 叶片数 B叶片数 B取 3，三叶片风电机组有其显著的优势，是目前风电市场主流。八 功率曲线和 Ct 曲线1 功率曲线由于风速具有波动的特征， 所以功率曲线也会有细微波动， 此处采取平均风 速绘制功率曲线。风速未达到切入风速的时候， P=0；风速达到切入风速之后， 机组启动，以最大 Cp 捕捉风能；达到额定风速后，采取控制策略，限制功率在 额定功率附近。式中 C 为考虑到实际情况的常数 曲线绘制见图 2。

14、图22 Ct 曲线通过 Cp求出轴向气流诱导因子 a，再由 a 求出 Ct，但是考虑到其他因素和实 际情况，和某风电机组 Ct 的试验结果相比，趋势相同，数值不一样。图 3- 推力系数 - 风速曲线图九 确定攻角 ，升力系数 CL，叶尖速比 ，风能利用系数 Cp根据已知翼型数据，求出升阻比，绘制升阻比曲线见图 4，发现为 5时，CL/CD取到最大值，此处选取为10，升阻比 CL/CD为72.6 ；叶尖速比大概为7，风能利用系数 Cp 风速的关系，由于假设是变速风机， 额定值前捕捉最大风能，Cp保持 0.42 ，当达到额定以后， Cp下降，见图 5，实际上，双馈异步机转速范围为 ，额定值前有一段

15、 Cp是上升过程，图 6 为某风电机组 Cp的试验结 果，对比发现，趋势是相同的。图4图5图6十 风轮转速风轮转速 17.7r/min ，双馈异步发电机，极对数 p=2，额定转速有上面计算知：所以齿轮箱传动比约为 84。十一 其他上风向主动偏航， 偏航变桨均采用电动机驱动， 制动方式第一制动为气动制 动，第二制动为高速轴机械制动。十二 风电机组等级选取风力发电机组安全等级基本参数风力发电机组安全等级Svref(m/s)5042.537.5AI ref (-)0.16设计值由设计者选定BI ref (-)0.14CI ref (-)0.12由于已知条件，年均风速 vave=7.6m/s ，选取级

16、，但是没有湍流数据，因此 无从在 A、B、C 之间做出判别。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=98m额定输出功率P=3.5MW轮毂高度Z hub=70m设计寿命20年风能利用系数C p=0.42切入风速Vin= 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nr =17.7r/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 器叶片气动优化设计优化过程给出 r，攻角 已知， CL也已知； 记 0= r/v 1；由下式求出由下式求出由下式求出

17、由下式求出叶素桨距角 = ；弦长叶片气动特性通过 excel 计算，得到表 9：表 9- 叶片气动特性数据位置%半径 r(m/s)叶尖速比h0.052.450.351.1590.4242.7750.8230.6485.8420.104.900.701.2510.3841.6550.6400.4667.2320.157.351.051.3170.3641.3370.5070.3336.9030.209.801.401.3640.3531.2030.4130.2396.1580.2512.251.751.3980.3471.1350.3460.1725.4160.3014.72.101.4230.

18、3431.0950.2960.1224.7760.3517.152.451.4420.3411.0710.2580.0844.2440.4019.602.801.4560.3391.0550.2290.0543.8050.4522.053.151.4680.3381.0440.2050.033.4400.5024.503.501.4780.3371.0360.1860.0113.1350.5526.953.851.4860.3371.0290.169-0.0052.8770.6029.404.201.4930.3361.0250.156-0.0192.6560.6531.854.551.499

19、0.3361.0210.144-0.032.4660.7034.304.901.5040.3351.0180.134-0.042.3000.7536.755.251.5080.3351.0160.125-0.0492.1540.8039.25.601.5120.3351.0140.118-0.0572.0260.8541.655.951.5150.3351.0120.111-0.0641.9110.9044.106.301.5180.3351.0110.105-0.071.8090.9546.556.651.5210.3341.0100.100-0.0751.7171.0049.007.001

20、.5230.3341.0090.095-0.081.634叶片优化结果现选取叶片 5%100%长度，步长 5%展示优化结果， 05%叶片形状为圆筒形， 根部采用钻孔组装方式。 计算内容见表 7，弦长 和桨距角 随半径变化见图 10。图 11主要部件载荷计算一 叶片载荷计算1 作用在叶片上的离心力 Fc 叶片离心力式中叶片的密度，取 540kg/m3；风轮转速，计算得 1.85rad/s ；半径 r 处对应叶素面积；r 叶素所在半径。翼型 63418 几何参数见上图图 1，翼型几何形状见图 11，可近似求出单位弦 长叶素对应的面积； 与弦长平方成正比，所以可以用数值积分的方法近似求 出上式。求出

21、单位弦长叶素面积 Ar=0.112m2；大致求出 Fc=1118kN。图 122 作用在叶片上的风压力 Fv 作用在叶片上的风压力 Fv 由下式给出近似计算得出 Fv=349786N；等效作用点可由下式求出经计算得出 r m=37m。3 作用在叶片上的气动力矩Mb是一个叶片产生的转动力矩，可由下式求出近似计算得 Mb=54528 Nm。4 作用在叶片上的陀螺力矩 Mk叶片的转动惯量由下式求出陀螺力矩 Mk 由下式求出式中偏航转速，取 1m/s，即 0.0175rad/s ；叶尖速比，取 7；R风轮半径， 49 m；风速，取额定值 13m/s； 与 的夹角，当叶片铅垂位置时， 度，达到最大。经计

22、算， ，308400N m。主轴载荷计算低速轴转速高速轴转速高速轴功率低速轴功率高速轴转矩低速轴转矩高速轴直径低速轴直径式中；。以下分别计取 0.05 ，实心钢轴最大应力，取 55MPa。三 塔架载荷计算1 暴风工况风轮气动推力计算当 时， ；当 时， 当 时， 。本设计年均风速 ，所以暴风条件的风轮气动推力目前有几种计算方式， 结果相差较大 算几种常用的方法。前苏联法捷耶夫公式式中叶片的投影面积； 叶片数。叶片投影面积可根据风轮扫掠面积与风轮实度求出，风轮实度 则叶片面积为荷兰 ECN的公式式中推力系数，取 1.5 ；动态风压，与轮毂高度有对应关系，取 1330N/m2；动态系数，取 1.2

23、 ；安全系数，取 1.5 。计算得德国 DFVLR公式式中， 取 2.2 ，计算丹麦 RIS 公式2 塔架的强度设计（考虑塔架高度折减系数的强度计算）塔架高度 70m，采用锥形钢筒结构，分段加工，顶部直径4m，壁厚 20mm，底部直径 5m，壁厚 30mm。塔架受力分析见图 13根部截面应力可表示为下式式中塔架根部抗弯截面系数，单位 cm3；塔架根部截面积，单位 cm2；塔架本身所受重力，单位 N；变截面塔架长度折减系数，可根据 2从表 9 查出。而式中与塔架截面变化有关的这算长度修正系数，可根据 差表（见表）0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.61.41.31.2

24、1.11.11.11.01.01.05534840630得出； 、 分别是塔架顶部和根部截面惯性矩，单位 cm4；塔架根部截面的惯性半径，单位 cm。计算过程：取上述荷兰公式结果，即 ；按下式求出式中平面系数，平面取 1，此处取 0.7查图 14 得（低碳钢）；图 14最终得主要部件功率1、发电机 发电机类型：双馈异步变速恒频发电机 额定功率： 3.5MW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 =23.46N m选择刚轴推荐最大扭剪应力： fs 55MPa 则发电机的主轴直径 D 发电机 为：D 发电机 =2

25、=0.1295m=0.13m2、变流器变流器功率通常为风力发电机组的 1/21/3 ，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 1750kW。3、齿轮箱 方式：齿轮箱选用 2 级行星轮 +1级平行轴齿轮； 低速轴的转速等于风轮的转速 低速轴转速： nl=17.7r/min ； 高速轴转速： nh=1500r/min传动比： i=84齿轮箱效率： =0.973齿轮箱功率：PGB= =3987kW4、联轴器低速轴联轴器功率：Pm= =3987kW高速轴联轴器功率 ：Pr= = =3878kW5、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

26、偏航电机 偏航制动：液压控制摩擦制动 风电机组布局采用主流的风电机组布置方式顺序依次为：叶轮、传动系统、齿轮箱、发电机、机舱、 偏航系统、控制系统、塔架、基础传动系统采用双馈型风力发电机组典型的偏置一字型布置，见图 15叶片变桨采取独立变桨控制图 15设计总结1、总体参数总体参数设计值总体参数设计值叶片数B=3风轮直径D=98m额定输出功率P=3.5MW轮毂高度Z hub=70m设计寿命20年风能利用系数C p=0.42切入风速Vin= 3m/s叶尖速比切出风速Vout =25m/s功率控制方式主动变桨距控制额定风速Vr =13m/s制动形式气动刹车、机械刹车风轮额定转速nr =15r/min

27、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2、功率、气动特性和载荷计算总结气动特性攻角10升力系数1.307阻力系数0.018发电机发电机额定功率3.5MW发电机额定转速1500r/min发电机轴直径0.14m齿轮箱形式齿轮箱选用 2级行星轮 +1 级平行轴齿轮齿轮箱传动比84低速轴转速17.7r/min高速轴转速1500r/min齿轮箱功率3987kW联轴器低速轴联轴器功率3987kW高速轴联轴器功率3878kW变流器变流器功率1750kW偏航电机数量 偏航电机功率叶片载荷离心力66760N风压力284255N陀螺力矩133551Nm风压力作用点距叶轮轴距离

28、37.96m风轮载荷轴向推力935790N转矩4980888Nm主轴载荷低速轴转矩3727389Nm高速轴转矩14107Nm低速轴直径0.664m高速轴直径0.109m塔架载荷作用在塔架上载荷Fas=1543kN作用在在塔架上风压力Fts=694975N塔架根部截面应力241.3MPa3、其余部分设计总结机组运行环境温度-3045生存环境温度-4545发电机输出电压690V频率50Hz功率因数容性 0.95 感性 0.9叶片空气动力外形63418翼型圆锥体叶尖 1.5m 处预弯材料玻璃纤维增强树脂控制系统控制方式PLC+远程监控塔筒类型钢制锥形塔筒七、参考文献1 风力发电机组设计与制造 . 华北电力大学 , 姚兴佳 , 田德 校内试用 教材(第二版)2 风力发电原理 . 华北电力大学 . 徐大平等著3 风力机空气动力学出版社 : 北京大学出版社 ; 第 1 版 (2011 年 10