风电机组设计与制造课程设计最终版

1、华升也力#管课程设计（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41 设计内容 42 目的与任务 43 主要内容 44 进度计划 75 设计（实验）成果要求 76 考核方式 8总体参数设计81 额定功率 82 设计寿命 83 额定风速、切入风速、切除风速 84 重要几何尺寸 81 风轮直径和扫掠面积 82 轮毂高度 85 总质量 96 发电机额定转速和转速范围 97 叶片数

2、B 98 功率曲线和 CT曲线 91 功率曲线 92 CT曲线 10九确定攻角A,升力系数C-,叶尖速比A,风能利用系数 C 10十风轮转速 12H一其他 12十二风电机组等级选取 12叶片气动优化设计 131 优化过程 132 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 162 主轴载荷计算 163 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 201 发电机 202

3、变流器 213 齿轮箱 214 联轴器 215 偏航 22风电机组布局 22设计总结24参考文献 25附.25任务书一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。三主要内容每人选

4、择功率范围在2MW 6MWL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 M怖6M忱间的风力机。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。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-180-0.4750.0280-179.9-0.4750.0280-177.790.0830.0390-172.180.7010.070-168.

5、550.9170.1720-165.10.6610.2680-159.590.4770.3440-154.910.6120.4260-150.610.6970.5360-145.490.7570.6810-141.270.7160.7720-134.540.6430.8290-127.580.5720.8860-124.170.5370.9380-120.560.46610-115.240.3611.0690-109.230.2871.1080-104.330.1791.1450-100.650.0941.1670-96.720.0231.1830-88.29-0.0991.180-82.73

6、-0.1921.1660-78.79-0.2611.1480-74.68-0.3321.1120-68.72-0.4371.0440-62.9-0.5381.0030-58.21-0.5970.9650-53.67-0.6560.9020-50.77-0.6730.8250-44.08-0.680.7020-38.09-0.6980.6020-32.99-0.6550.5080-29.64-0.5350.4290-24.44-0.3860.280-19-0.3540.1910-12.78-0.4630.0920-11.58-0.80.0360-11.04-0.770.0310-9-0.7450

7、.0120-8-0.6260.010-7-0.5080.010-6-0.390.0090-5-0.2630.0080-4-0.1380.0070-3-0.030.0060-20.0790.0060-10.1750.006000.3130.006010.4460.006020.5510.006030.6660.007040.7770.007050.9040.007060.9840.008071.0740.01081.170.013091.2440.0150101.3070.0180121.3950.02510141.3950.0320161.370.03902010.1850251.040.31

8、50301.020.4420400.950.680450.90.780500.820.891055.540.6971.022060.670.6261.095066.930.4951.144071.070.4011.179075.50.3031.235080.750.1991.268086.90.0991.272091.87-0.0141.265095.79-0.1121.26099.84-0.2141.2540104.93-0.3171.2050110.44-0.4271.1270115.85-0.5391.0940124.05-0.6290.9780129.73-0.6950.8720136

9、.34-0.7960.8050140.53-0.770.7320144.46-0.7290.6330145.07-0.7210.6160150.54-0.6740.4660155.32-0.5970.3080160.62-0.8430.2710163.66-1.1240.1830168.46-0.880.0730175.01-0.4750.028101179.90.0830.03901800.0830.03902.设计内容（1）确定整机设计的技术参数。设定几种风力机的 G曲线和C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

10、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 G曲线和C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 四进度计划在舁 厅P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

11、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I 田的设计寿命至少为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Vn=3m/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

12、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：! 8A !8 x3500000JCpP砰叫遇2 1042 x 1.225 X 133 X tt X 0.950.92 x 0.95=9Z 45m = 98m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;P风能利用系数，取0.42 ;P 空气密度，取1.225kg/m3;1 额定风速，13m/soji x D7- tt x 983r,扫掠面积 4 = 一7一 二5-二

13、 7542 96mZ。2 轮毂高度塔架高度取70m轮毂高度小山= 2.25 + 70 = 72.25m。式中 塔顶平面到风轮扫掠面中心的距离，取 2.25m;塔架高度。五总质量机舱和风轮等总质量为 m=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60 X fi齐 1 =-=1500r/min双馈异步机转速范围（130%）均。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

14、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。/0I 1ti2 3V 3m/sP = 24 u 仍电 C 3m/s v 13m/siPr13m/s v 2Sm/s式中C为考虑到实际情况的常数。曲线绘制见图2。静态功率曲线功功率P (kw)风速通过G求出轴向气流诱导因子a,再由a求出C,但是考虑到其他因素和实 际情况，和某风电机组C的试验结果相比，趋势相同，数值不一样。% 4n(1 - a)2Ct = 4a(l - a)I. 200L 0000. 8000, 6000. 4000, 2000. 000357911131

15、51719212325风速m/s图3-推力系数-风速曲线图九 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， C/Cd取到最大值，此处选取a为10 ,升阻比CL/Cd为72.6 ;叶尖速比人大概为7,风能利用系数G风速的关系，由于假设是变速风机，额定值前捕捉最大风能， G保持0.42,当达到额定以后，G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G是上升过程，图6为某风电机组G的试验结 果，对比发现，趋势是相同的。升阻比曲线150 18 0 0 0 05 5 01 . 1 -(gLrlRZ 1111905

16、* 5邙 4ZO5 总B9- mK 6nl 昏号 9寸31 3 S 5K000 K9O9E ITIllim叶尖速比图5Cp曲线OSCp曲线十风轮转速6。x 片 m %60 M 7 x 13风轮转速 no = 开. =-17. = 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：60 X八汁1 =-= 1500r/mm所以齿轮箱彳动比约为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InmSVref(m/S)5042.537.5设计值由设

17、叱选定AI (-)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、R 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Vn= 3m/s叶尖速比A = 7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

18、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a已知，CL也已知;记入 0= Q r/v i;由下式求出下17T5=arctgAQ + 可由下式求出k =+ Icow中由下式求出心-1-k2h = 1 +由下式求出1 + h cot（f）入町 + k叶素桨距角部U;弦长白 8仃3 -+ 1)10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 比入巾h。C0.052.450.351.1590.4242.7750.8230.6485.8420.104.900.701.2510.3841.6550.6400.4667.2320.157.351

19、.051.3170.3641.3370.5070.3336.9030.209.801.401.3640.3531.2030.4130.2396.1580.2512.251.751.3980.3471.1350.3460.1725.4160.3014.72.101.4230.3431.0950.2960.1224.7760.3517.152.451.4420.3411.0710.2580.0844.2440.4019.602.801.4560.3391.0550.2290.0543.8050.4522.053.151.4680.3381.0440.2050.033.4400.5024.503.5

20、01.4780.3371.0360.1860.0113.1350.5526.953.851.4860.3371.0290.169-0.0052.8770.6029.404.201.4930.3361.0250.156-0.0192.6560.6531.854.551.4990.3361.0210.144-0.032.4660.7034.304.901.5040.3351.0180.134-0.042.3000.7536.755.251.5080.3351.0160.125-0.0492.1540.8039.25.601.5120.3351.0140.118-0.0572.0260.8541.6

21、55.951.5150.3351.0120.111-0.0641.9110.9044.106.301.5180.3351.0110.105-0.071.8090.9546.556.651.5210.3341.0100.100-0.0751.7171.0049.007.001.5230.3341.0090.095-0.081.634二叶片优化结果现选取叶片5%100%度，步长5%g示优化结果，05%十片形状为圆筒形, 根部采用钻孔组装方式。计算内容见表7,弦长白和桨距角B随半径变化见图10c弦长c弦长C图11主要部件载荷计算1作用在叶片上的离心力Fc叶片离心力Fc = PyM I Arrdr r

22、0式中:，叶片的密度，取 540kg/m3;风轮转速，计算得1.85rad/s ;1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； 4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 A=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1 厂Fu = -pv2 J （1 + co 户 0）（口匚口岑0 + Cpsm（p）cdr近似计算得出Fv=349786N等效作用点可由下式求出=f （1 + sF）（488小 + CD

23、sm（t）crdr / f （1 + 或/巾）（05 + Csincdr r1 J 为经计算得出rm=37m3 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 ,对右=I （1 + cot24）（Qs加巾 + C）cos（l）crdr近似计算得M=54528 N mi4 作用在叶片上的陀螺力矩 M叶片的转动惯量由下式求出陀螺力矩M由下式求出2 a）A 初火=/ * 鼠=，x -vsmpr式中m偏航”专速,取im/s,即0.0175rad/s ;一叶尖速比，取7;R-风轮半径，49 m；廿一一风速，取额定值13m/s；一一 /与s的夹角，当叶片铅垂位置时，俗=9。度，达到最大

24、。经计算，/ = 3810300kg -rn2 , M* = 308400N mi主轴载荷计算低速轴转速27mo 2H x 177血=60 = -60 = L855/8高速轴转速2ml 27r x 150060-=157 Arad/s60高速轴功率3500。法百丽3低速轴功率3500P帆=；=5852K W0.95 x 0.95 xV0-92高速轴转矩Pi 3】2216000157.0 限=141O7A/ - m低速轴转矩5852000L8 =3163243/V m高速轴直径低速轴直径= 2 X,；2 X 3163243,Jir x 55 x 106入二 50mM60 m/s , o,以下分别

25、计(T 取 0.05 ,2 X 14107x 7 = CLIO9m.Jtt x 55 x 10J=0.664m式中实心钢轴最大应力，取 55MPa三塔架载荷计算1暴风工况风轮气动推力计算当心“ 5,5m/s 时%= 40m/$ ,当 5.5小力 %四 5,5m/$ 时 当网相工7mA时，% = 60加/工本设计年均风速7.3m/-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Fas = 0.7844MN式中!叶片的投影面积;:一一叶片数。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 则叶片面积为人ttD2/49=元仃=a X(T

26、= 125.716 m* I twJFas = 0.784 X 125.716 X 602 X 3 = 1 064.SEN荷兰ECN勺公式Fa、= CTcAbN(py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 ; 安全系数，取1.5。计算得:，L ： . I.， .3 一. I .德国DFVL心式1 之% = C吁人力钿式中，0取2.2 ,计算Fas = 2.2 X 0,5 X 1.225 X 125.716 x 602 X 3 = 1829.5/cN丹麦RIS公式7i x 98工Fas - Pi月4300 X 2262.9kN2 塔架的

27、强度设计(考虑塔架高度折减系数的强度计算)塔架高度70ml采用锥形钢筒结构，分段加工，顶部直径4ml壁厚20mm底部直径5ml壁厚30mm塔架受力分析见图13根部截面应力可表示为下式心如十月）+尸哼X 100 r .士+ 2）汀 2 =777+：叩2中4工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，可根据入2从表9查出。而11H式中/ eE与塔架截面变化有关的这算长度修正系数，可根据 总差表（见表）00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0m!1.651.451.331.241.181.141.1

28、01.061.031.00：:塔架根部截面的惯性半径，：17，单位cmt计算过程:凡，取上述荷兰公式结果，即F心= 1109kN；Fl、按下式求出1 , 1 、艮5=-rpvfKA = y x 1,225 x 60 x 0.7 x式中(4 4- 5) X 60=417kN平面系数，平面取1,此处取0.7/1 = 2.251W2 =n327T X 5003 x 1 -4.943、5332=436506cmTT- d,1) = g x(5OO2 - 4942) = 4684cmCi = 174000N;G2= 160000Nmaxx 54 x 1 -max64644.94、丁J=1.4463m4*

29、 /3.96巾64=0.4952m4Jrnin 0,4952fmax 1 4463=0.34口取 1.29 ;majc144632579= 175cm4684Y2=瓦得出；/mm、人小分别是塔架顶部和根部截面惯性矩，单位cm4;由 L29 X 6000 Az = r217 = 44,2查图14得牝=。8 （低碳钢）；图14最终得186,8MPa11 口9。x (225 + 6000 + 41了。口。x乂 1。口 (174000 +160000)0 2 436506+80X 468主要部件功率1、发电机发电机类型：双馈异步变速包频发电机额定功率：3.5MW额定转速：1500r/min发电机极对数

30、为2,发电机主轴转矩T发电机主轴为：235003T发电机主轴 =9550 n 11=9550山一段=23.46NJ - 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：31-T.电王轴 333.51 X101D 发电机-NX、：nr5 =2 x nx55 x io =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1750kW3、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：ni=17.7r/min ；高速轴转速：nh=1500r

31、/min传动比：i=84齿轮箱效率：.03?=0.973齿轮箱功率：Pr3500Pgb=|二。/X UL=3987kW4、联轴器低速轴联轴器功率：Pr3500Pm=q/=./. 口，9.,. L).3：=3987kW高速轴联轴器功率：Pr 3500Pr= 1, ,1I =1, J, , ut=25m/s功率控制方式主动变桨距控制额定风速V=13m/s制动形式气动刹车、机械刹车风轮额定转速nr=15r/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

32、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 低速轴转速 局速轴转速8417.7r/min1500r/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X偏航电机功率6 x 3kW叶片载荷离心力66760N风压力284255N陀螺力矩133551N- m风压力作用点距叶轮轴 距离37.96m风轮载荷轴向推力935790N转矩4980888N- m主轴载何低速轴转矩3727389N- m局速轴转矩14107NJ- m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-30 0 45生存环境温度-45 0 45发电机输出电压690V50Hz功率因数容性0.95感性0.9叶片空气动力外形63418