风力发电机组设计与制造课程设计

1、 课程设计(综合实验)报告( 2012 2013 年度第二学期)名 称： 院 系： 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 成 绩： 日期：2013年 7月3日目录Ø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5五设计（实验）成果要求5六考核方式5Ø总体参数设计5一额定功率5二设计寿命5三额定风速、切入风速、切除风速5四重要几何尺寸51风轮直径和扫掠面积52轮毂高度6五总质量6六发电机额定转速和转速范围6七叶片数B6八功率曲线和Ct曲线61功率曲线62Ct曲线7九确定攻角，升力系数CL，叶尖速比，风能利用系数Cp7十风轮转速7十一其他7十二风电机

2、组等级选取7Ø叶片气动优化设计7一优化过程8二叶片优化结果8Ø主要部件载荷计算8一叶片载荷计算81作用在叶片上的离心力Fc82作用在叶片上的风压力Fv93作用在叶片上的气动力矩94作用在叶片上的陀螺力矩Mk9二主轴载荷计算9三塔架载荷计算101暴风工况风轮气动推力计算102塔架的强度设计（考虑塔架高度折减系数的强度计算）11Ø主要部件功率12一发电机13二变流器13三齿轮箱13四联轴器13五偏航13Ø风电机组布局13Ø设计总结13Ø附录15图115图216图316图416图517图617图718图818图918图1019图1119图1

3、220图1320图1420图1521Ø参考文献21Ø 任务书Ø一 设计内容风电机组总体技术设计Ø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。Ø三 主要内容每

4、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/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

5、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。Ø四 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

6、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Ø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。Ø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。Ø 总体参数设计Ø一 额定功率根据设计任务书要求，选择2.5MW进行设计。Ø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。Ø三 额定风速、切入风速、切除风速切入风速Vin=3m/s；额定风速Vr=13m/s；切除风速Vout =25m/s。&#

7、216;四 重要几何尺寸Ø1 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：D=8PrCpvr312=8×25000000.44×1.225×133××0.95×0.91=78.7m式中Pr额定输出功率，取2.5MW；1主传动系统的总效率，取0.95；2发电系统效率，发电机效率取0.96，变流器效率取0.95；Cp 风能利用系数，取0.44 ；空气密度，取1.225kg/m3；vr额定风速，13m/s。扫

8、掠面积A=×D24=×78.724=4864m2 。Ø2 轮毂高度塔架高度取60m。轮毂高度zhub=zt+H=2.25+60=62.25m 。式中zt塔顶平面到风轮扫掠面中心的距离，取2.25m;H塔架高度。Ø五 总质量机舱和风轮等总质量为m1=174t，塔架质量取160t。Ø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n1=60×f1p=1500r/min双馈异步机转速范围1±30%n1 。Ø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。

9、16;八 功率曲线和Ct曲线Ø1 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。P=0 12PrCpD24v312-C v3m/s3m/s<v13m/s13m/s<v25m/s式中C为考虑到实际情况的常数。曲线绘制见图1。Ø2 Ct曲线通过Cp求出轴向气流诱导因子a，再由a求出Ct，得到Ct曲线如图2，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（见图3）相比，趋势相同

10、，数值不一样。Cp=4a1-a2Ct=4a1-aØ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0.44，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1±30%n1，额定值前有一段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。Ø十 风轮转速风轮转速n0=60×

11、;×vr×D=60×7×1378.7=22r/min，齿轮箱传动比约为68。Ø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。Ø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)5042.537.5设计值由设计者选定A Iref (-)0.16B Iref (-)0.14C Iref(-)0.12由于已知条件，年均风速vave=7.6m/s，选取级，但是没有湍流数据，因此无从在A、B、C之间做出判别。Ø 叶片气动优化设计

12、16;一 优化过程给出r，攻角已知，CL也已知；记0=r/v1；由下式求出=13arctg0+3由下式求出kk=02+1cos由下式求出hh=1+1-k202由下式求出cot=01+h1+k叶素桨距角=-；弦长c=8rh-1cosNCLh+1。Ø二 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。计算内容见图7，弦长c和桨距角随半径变化见图8。Ø 主要部件载荷计算Ø一 叶片载荷计算Ø1 作用在叶片上的离心力Fc叶片离心力Fc=y2 r0RArrdr式中y叶片的密度，取540kg/m3；风轮转速，

13、计算得2.3rad/s；Ar半径r处对应叶素面积；r叶素所在半径。Naca翼型63418几何参数见图9，翼型几何形状见图10，可近似求出单位弦长叶素对应的面积； Ar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。求出单位弦长叶素面积Ar=0.112m2；大致求出Fc=1118kN。Ø2 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Fv=12v2r0R1+cot2CLcos+CDsincdr近似计算得出Fv=349786N；等效作用点可由下式求出rm=r0R1+cot2CLcos+CDsincrdrr0R1+cot2CLcos+CDsincdr经计算得出rm=2

14、7m。Ø3 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Mb=12v2r0R1+cot2CLsin+CDcoscrdr近似计算得Mb=54528 N·m。Ø4 作用在叶片上的陀螺力矩Mk叶片的转动惯量由下式求出J=yr0RArr2dr陀螺力矩Mk由下式求出Mk=J×k=J×2Rvsinr式中偏航转速，取1/s，即0.0175rad/s；叶尖速比，取7；R风轮半径，39.35m；v风速，取额定值13m/s；r v与的夹角，当叶片铅垂位置时，r=90，达到最大。经计算，J=3810300kgm2，Mk=308400Nm。

15、6;二 主轴载荷计算低速轴转速m=2n060=2×2260=2.30rad/s高速轴转速t=2n160=2×150060=157.1rad/s高速轴功率Pt=25000000.91=2747253W低速轴功率Pm=25000000.91×0.95=2891845W高速轴转矩Mt=Ptt=2747253157.1=17487Nm低速轴转矩Mt=Pmm=28918452.30=1257323Nm高速轴直径DH=2×32Mtfs=2×32×17487×55×106=0.1174m低速轴直径DL=2×32Mmfs

16、=2×32×1257323×55×106=0.48830m式中fs实心钢轴最大应力，取55MPa。Ø三 塔架载荷计算Ø1 暴风工况风轮气动推力计算当vave5.5ms时，vs=40ms；当5.5ms<vave5.5ms时，vs=50ms；当vave7ms时，vs=60ms。本设计年均风速7.3ms，所以vs=60ms。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。以下分别计算几种常用的方法。前苏联法捷耶夫公式Fas=0.784Abvs2N式中Ab叶片的投影面积；N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

17、轮实度取0.064，则叶片面积为Ab=AsN=D243×=104m2Fas=0.784×104×602×3=881kN荷兰ECN的公式Fas=CTqAbN式中CT推力系数，取1.5；q动态风压，与轮毂高度有对应关系，取1330N/m2；动态系数，取1.2；安全系数，取1.5。计算得Fas=1.5×1330×104×3×1.2×1.5=1109kN德国DFVLR公式Fas=CT12Abvs2N式中，CT取2.2，计算Fas=2.2×0.5×1.225×104×602&

18、#215;3=1513kN丹麦RIS公式Fas=p1Ad=300××78.724=1459kNØ2 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60m，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11，根部截面应力可表示为下式2=Fash1+H+FtsH2×100W2+G1+G22A2式中W2塔架根部抗弯截面系数，单位cm3；A2塔架根部截面积，单位cm2；G2塔架本身所受重力，单位N；2变截面塔架长度折减系数，可根据2从图12查出。而2=H2式中与塔架截面变化有关的这算长度修正系数，可

19、根据JminJmax差表（见图13）得出；Jmin、Jmax分别是塔架顶部和根部截面惯性矩，单位cm4；2塔架根部截面的惯性半径，2=JmaxA2，单位cm。计算过程：Fas取上述荷兰公式结果，即Fas=1109kN；Fts按下式求出Fts=12vr2KA塔=12×1.225×602×0.7×4+5×602=417kN式中K平面系数，平面取1，此处取0.7。h1=zt=2.25mW2=D底31-d底3D底332=×5003×1-4.9435332=436506cm3A2=4×D底2-d底2=4×5002-

20、4942=4684cm2G1=174000N;G2=160000NJmax=D底41-d底4D底464=×54×1-4.9445464=1.4463m4Jmax=D顶41-d顶4D顶464=×44×1-3.9644464=0.4952m4JminJmax=0.49521.4463=0.34取1.29；2=JmaxA2=1446325794684=175cm2=H2=1.29×6000175=44.2查图11得2=0.88（低碳钢）；最终得2=1109000×225+6000+417000×60002×1004365

21、06+174000+1600000.88×4684=186.8MPaØ 主要部件功率Ø一 发电机双馈异步发电机，功率为2.5MW，转轴直径见上述高速轴直径。Ø二 变流器变流器功率一般选为发电机额定功率的1/21/3，此处选择1MW。Ø三 齿轮箱采用一级行星齿轮两级圆柱齿轮传动，功率为上述所求低速轴功率，低速轴转速与高速轴转速也分别求出，传动比为68.2。Ø四 联轴器低速轴、高速轴联轴器功率、转速都已由上述高速轴、低速轴功率求出。Ø五 偏航类型：主动偏航；偏航轴承：4点接触球轴承；偏航驱动：4个3kW偏航电机；偏航制动：液压控制摩擦制动。Ø 风电机组布局采用主流的风电机组布置方式，如图14所示。传动系统采用双馈型风力发电机组典型的偏一字型布置，见图15。叶片变桨采取独立变桨控制。Ø 设计总结 总体参数计算部分额定功率2.5MW设计寿命20年切入风速3m/s额定风速13m/s切除风速25m/s风轮直径/扫掠面积78.