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31 设计内容42 目的与任务43 主要内容44 进度计划45 设计（实验）成果要求56 考核方式5总体参数设计51 额定功率52 设计寿命53 额定风速、切入风速、切除风速54 重要几何尺寸51 风轮直径和扫掠面积52 轮毂高度65 总质量66 发电机额定转速和转速范围67 叶片数B68 功率曲线和CT曲线61 功率曲线62 Ct曲线79 确定攻角A,升力系数Cl,叶尖速比A,风能利用系数C7十风轮转速7H一其他7十二风电机组等级选取7叶片

2、气动优化设计81 优化过程82 叶片优化结果8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Mk92 主轴载荷计算103 塔架载荷计算111 暴风工况风轮气动推力计算112 塔架的强度设计（考虑塔架高度折减系数的强度计算）12主要部件功率131 发电机142 变流器143 齿轮箱144 联轴器145 偏航14风电机组布局14设计总结14附录17图117图217图318图418图518图619图719图820图920图1020图1121图1221图1321图1422图1522参考文献22任务书一

3、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。三主要内容每人选择功率范围在1.5MW出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

4、,60米高度年平均风速为7.3m/s,70米高度年平均风速为7.6m/s,当地历史最大风速为49m/s,用户希望安装1.5MWE6MWt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

5、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

6、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2.5MW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：I8PrI8x2500000D1JJ.7877nJC

7、pP评Ei42J0.44x1,225X133XttX0.95x0.91式中1 额定输出功率，取2.5MWM主传动系统的总效率，取0.95;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;P空气密度，取1.225kg/m3;1额定风速，13m/so,、TTX炉?rX78,7q扫掠面积A=一=-=4864m上。2轮毂高度塔架高度取60m轮毂高度为山=+=2.25+60=6225m。式中,一一塔顶平面到风轮扫掠面中心的距离，取2.25m;3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

8、=2,额定转速由下式求出60X/irti=-=1500r/min双馈异步机转速范围（130%，O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。(0n1广也工3_v3m/sp=24v仍小3m/sv13m/siPr13m/sv2Sm/s式中C为考虑到实际情况的常数。曲线绘制见图1。2Ct曲线通过G求出轴向气流诱导因子a,再由

9、a求出C,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C的试验结果(见图3)相比，趋势相同，数值不一样。Cp=4cz(l-a)2Ct=4q(1-li)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，Cl/Cd取到最大值，此处选取口为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0.44,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(130%)%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

10、发现，趋势是相同的。十风轮转速60xAxr60x7x3风轮转速门0=7r乂D=7氏%=22r/m的,齿轮箱传动比约为68。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设计值由设叱选定AIref(-)0.16BIref(-)0.14CIref(-)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、RC之间做出判别。叶片气动优化设计一优化过程给出r,攻角a已知，CL也已知；记入0=

11、Qr/vi;由下式求出1n5=-arctgAo+-由下式求出k=、以0*+1匚。由下式求出：K1+由下式求出,1+hcot（p入町+支叶素桨距角丹力一弦长c=_1）的.时|川VGS+1）。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。计算内容见图7,弦长c和桨距角B随半径变化见图8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fR=pyLl2IArrdrr0式中:叶片的密度，取540kg/m3;风轮转速，计算得2.3rad/s;1 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

12、何形状见图10,可近似求出单位弦长叶素对应的面积；小与弦长平方成正比，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=1118kNL2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=-pv2J（1+cot20）（Q+Ci）sm（f）cdr近似计算得出Fv=349786N等效作用点可由下式求出/E=J（1+cotCLcosf）+CDsm（p）crdr/I。+匚讹2Mg亦4+Csincdr经计算得出rm=27m3 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=pvzJ（1+c口t2曲（QrE+Cfjcos（p）c

13、rdr近似计算得M=54528N-m,4 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xelJx-vsinpr式中偏航”专速,取1?/s,即0.0175rad/s;一叶尖速比，取7;R-风轮半径，39.35m；营风速，取额定值13m/s；匕与口的夹角，当叶片铅垂位置时，斗=9。？，达到最大。经计算，/=3810300kg.n?,M比=308400Nm,主轴载荷计算低速轴转速2江门。2ti X 2260高速轴转速=230rad/s27ml 27r x 15006077;= 157Arad/s60高速轴功率2500000Pt= nQ1 =2747253W U h n J.低

14、速轴功率2500000Pm91X695 = 2891845 卬高速轴转矩Pt 2747253一 =174877V - m b)t 157.1低速轴转矩Prn 2891845嬴二 230=1257323N m高速轴直径Dh = 2 x2 X 17487十二2 X * i-7 = 0.1174th nfs Jtt x 55 X 10h低速轴直径% = 2 x12 M2 X 12573233Jtt x 55 x 10=0.48830m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为近53也用时，%=40m纭;当5.5血/Vave7血上时，%=60m/s本设计年均风速7

15、.3m/s,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Fqs=0.7844优用式中!叶片的投影面积;二叶片数。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4tfDz/4.=a=-xer=104m% = 50啊5 .60%，以下分别计(T 取 0.064 ,Fas=0.784x104x602x3=881k/V荷兰ECN勺公式Fas=CTqAbN(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/R; 动态系数，取1.2; 安全系数，取1.5。计算得I.JI.：I.I德国DFVL心式也.=%

16、pAb氏N式中，0取2.2,计算Fas=22x（ISX1.225x104x60?x3=1513/c/V丹麦RIS公式7ix78*7?Fas=p遇d=300X-=1459攵N2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60ml采用锥形钢筒结构，分段加工，顶部直径4nl壁厚20mm底部直径5ml壁3030mm塔架受力分析见图11,根部截面应力可表示为下式用式抬+H）+FtsX100上J+口”u2%+平2A工式中生塔架根部抗弯截面系数，单位cm； 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从图12查出。而11H=K2式中 与塔架截面变

17、化有关的这算长度修正系数，可根据件差表（见图13）得出；分别是塔架顶部和根部截面惯性矩，单位cm4；JJmai九一一塔架根部截面的惯性半径，力=,单位cm计算过程:凡5取上述荷兰公式结果，即F1109kN .?F口按下式求出1 。 1 、F& = pvKA = x 1,225 x 60x 0,7 x(4 4- 5) X 60=417 kN式中平面系数，平面取 1,此处取0.7。加=zt 2.25th7T X 5OO3 X 1 -4.9党3232r35 /=436506CJTLj42 = - x(D1-d点)=x(5OO2 - 4942) 4684cm2Gi = 174000N;G2 = 160

18、000N7T x 54 x 1 -4.94巾max646454 j =1.4463m464Jmln 0.4952Imax 1-4463=0.347T x 44 x 11 -3.964464=0.4952m4口取 1.29 ;丁 口 175cm4684I1H 1.29 X 6000175= 44,2600 口1109000 x (225 + 6000) + 417000 x 丁查图11得例二0-88（低碳钢）；x10n(174000+16000。)436506+0,80x4684=186*8MPa主要部件功率一发电机双馈异步发电机，功率为2.5MWW转轴直径见上述高速轴

19、直径。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。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。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。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。设计总结分额定功率2.5MW设计寿命20年切入风速3m/s总体参额定风速13m/s切除

20、风速25m/s数计算风轮直径/扫掠面积278.7m/4864m部轮毂高62.25m度总质量334t发电机转速(130%)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部件载荷计算部分叶片载荷计算叶片离心力1118kN风压力340kN等效作用点27m气动力矩54528Nm最大陀螺力矩308400Nm主轴计算低速轴转速2.30rad/s高速轴转速157.1rad/s高速轴功率2747kW低速轴功率2892kW高速周转矩1748

21、7N-m低速轴转矩1257kN?m高速轴直径117.4mm低速轴直径488mm塔架载荷计算风风况气动推力计算暴苏联法捷耶夫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2.5MWR馈变流器1MW齿轮箱一级行星齿轮两级圆柱齿轮（传动比68.2）功率为上述所求低速轴功率联轴器低速轴、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。图2偏航4个3kW偏航电机/液压控制摩擦制动风电机组布局米用主流风电机组布局方式传动系统采用双馈型风力发电机组典型的偏一字型布置附录0,800210,6。0.4000.2000,0

22、0011风速m.s五联会译升阻比曲线序号9寸WIS3寸的56WO8K9O9S582rIIII119QLT185邙险06总.89-3r第5000500500011-1一1一Ef8曲线0.6图6ratior驾k忙申30.051.9680.3481.1590.4242.7870.8244.0430.6490.13.9350.6961.2500.3841.6610.6425.0180.4670.155.9031.0441.3160.3641.3400.5094.7990.3350.27.8701.3921.3630.3531.2050.4154.2860.2410.259.8381.7401.3970

23、.3471.1360.3483.7730.1730.311.8052.0891.4220.3431.0960.2983.3280.1230.3513.7732.4371.4410.3411.0720.2602.9590.0850.415.7402.7851.4560.3391.0560.2302.6530.0550.4517.7083.1331.4680.3381.0440.2062.3990.0310.519.6753.4811.4780.3371.0360.1862.1870.0120.5521.6433.8291.4860.3371.0300.1702.007-0.0040.623.61

24、04.1771.4920.3361.0250.1571.853-0.0180.6525.5784.5251.4980.3361.0210.1451.720-0.0300.727.5454.8731.5030.3351.0190.1351.605-0.0400.7529.5135.2211.5080.3351.0160.1261.503-0.0480.831.4805.5701.5120.3351.0140.1181.414-0.0560.8533.4485.9181.5150.3351.0130.1121.334-0.0630.935.4156.2661.5180.3351.0110.1061

25、.262-0.0690.9537.3836.6141.5210.3341.0100.1001.198-0.074139.3506.9621.5230.3341.0090.0951.140-0.079图7弦长桨距角6.0005.0004.000居 3.000 长2.0001.0000.0000.7000 6000 5000.4000.3000.2000.1000 000 -0.100 -0.200桨距角(弧度)半径弦长位置110.998930.995720.99039-0.982960.97347匚0.96194-0.94844-0.93301-0.91573-0.89668-0.87592叶片厚度J04.00E-050.0