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：一班 级：学 号：学生姓名：指导教师：设计周数：成 绩：日期：2013年7月3日目录任务书设计内容风电机组总体技术设计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

2、 .每人撰写一份课程设计报告。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、

3、 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 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.

4、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、变流器技木参数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。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。总体参数设计额定功率根据设计任务书要求，选择 2.5MW进行设计。设计寿命风力发电机组安全等级I m的设计寿命至少为20年。故设计寿命为20年。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/so重要几何尺寸风轮直径和扫掠面积风轮直径决定

5、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：/8?加撅百/8 X 2500000-；=78.7?0.44 X 1.225 X133 x?x0.95 X0.91式中R 额定输出功率，取 2.5MW;耳一一主传动系统的总效率，取0.95;72 发电系统效率，发电机效率取 0.96,变流器效率取0.95;?风能利用系数，取0.44 ;一一一空气密度，取1.225kg/m3;?额定风速，13m/so扫掠面积？?= ?= 7 = 4864?2 。44轮毂高度塔架高度取60m。轮毂高度 z?= ?+ ?= 2.

6、25 + 60 = 62.25?。式中z?塔顶平面到风轮扫掠面中心的距离，取 2.25m;?-塔架高度。总质量机舱和风轮等总质量为 m=174t,塔架质量取160to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60 X?=- = 1500?/?1?双馈异步机转速范围(1 30%)? o叶片数B叶片数B取3,三叶片风电机组有其显着的优势，是目前风电市场主流功率曲线和Ct曲线 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

7、后，采取控制策略，限制功率在额定功率附近。0 ？?& 3?/?1?p = 2 ?3?- ?3?/? r? 13?/?13?/? ?右 25?/?式中C为考虑到实际情况的常数。曲线绘制见图1。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，数值不一样。C?= 4?1 - ?2C?= 4?1 - ?确定攻角a,升力系数Cl,叶尖速比入，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a为50时，Cl/Cd取到最大值，此处选取a为10 ,升阻比Cl/Cd为72.6

8、;叶尖速比人大概为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%)?,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。 风轮转速风轮转速？0= 60FJ? 60sp3= 22?/?轮箱传动比约为68 ? X ?70.7?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 制动为高速轴机械制动。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InmSVref(m/S)5042.537.5设计值由

9、设叱选定AI ref (-)0.16BI ref (-)0.14CI ref (-)0.12由于已知条件，年均风速Vave=7.6m/s,选取m级，但是没有湍流数据，因此无从在A、 B、C之间做出判别。叶片气动优化设计优化过程给出r,攻角a已知，Cl也已知；记 1=Qr/v1；由下式求出?1?= 一?+?33由下式求出?= 7? + 1?由下式求出？1 - ?= V1+ ?由下式求出1 + ? ?01 + ?叶素桨距角由-a；弦长？?= 8?- 1)?4?+ 1)。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

10、洲桨距角B随半径变化见图8。主要部件载荷计算叶片载荷计算作用在叶片上的离心力Fc叶片离心力?= ?d2 / ?(?式中?叶片的密度，取540kg/m3;Q风轮转速,计算得2.3rad/s；?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；？?万弦长平方成正比，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。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1 ?F?= - ?/ (1 + ?/+?2 ?近似计算得出Fv=349786N;等效作

11、用点可由下式求出? = f (1 + ?+?s)?(1 + ?2?+?经计算得出rm=27m。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1 ?产一?/(1 + ?2?+?2?2 ?近似计算得Mb=54528 N m 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2?= ? ?= ?+?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 力从图12查出式中? ?=?与塔架截面变化有关的这算长度修正系数，可根据出；?铭*分别是塔架顶部和根部截面惯性

12、矩，单位?一塔架根部截面的惯性半径，?= J丝？单位cm?萼差表（见图13）得的？一 4cm ；计算过程：?裁上述荷兰公式结果，即 普?= 1109kN ;?按下式求出1皮?= 2?糊？?？=1.225 X602 X0.7(4+ 5) X60义=417?式中?-平面系数，平面取1,此处取0.7。?1 = ?= 2.25?(1 - 万)?X 5003 X(1 -?2 =32324.943.53 ) =436506?0 O ? CC.? = 4 X(?2r ?1)= 4 X(5002 - 4942) = 4684?= 174000?;? = 160000?尸64心?4?(1 - 说)一/4 944

13、?X 54 X(1 - 494-)641.4463?4?广64?X 44 X(1 -攀)640.49520.4952?4?取 1.29;- =0.34? 1.4463?=175?4684?2 = 2?查图11得？ = 0.88 （低碳钢）；最终得? 1.29 X6000=44.2175?=1109000 X(225 + 6000) + 417000 X6000 X100+(174000 + 160000)4365060.88 X4684=186.8MPa主要部件功率 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。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

14、1MW。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。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。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。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。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78.7m/4864M轮毂

15、高度62.25m总质量334t发电机转速(1 30%) n1 (1500r/min )叶片数3功率曲线和C 曲线攻角10升力系数1.307阻力系数0.018风能利用系数0.44 （额定）风轮转速22r/min偏航上风向主动偏航制动气动、高速轴机组等级m*叶片气动优化部 分详见图表主 要叶小 荷计算戈叶片离心力1118kN风压力340kN等效作用点27m气动力矩54528 Nm最大陀螺力矩308400Nm主轴计算低速轴转速2.30rad/s局速轴转速157.1rad/s高速轴功率2747kW1-5低速轴功率2892kW高速周转矩17487 Nm何 1+ 算 部 分低速轴转矩1257kNm高速轴直径117.4mm低速轴直径488mm塔架载 荷计算舁 泰风风 况气 动推 力计 算苏联法 捷耶夫881kN荷兰ECN1109kN德国DFVLR1513kN丹麦RIS1459kN塔架强度设计（根部截面应力）186.8MPa发电机2.5MWK 馈变流器1