水平轴风力机课程设计

沈阳航空航天大学课程设计说明书题目水平轴风力机的设计班级学号一学生姓信指导教师沈阳航空航天大学课程设计任务书课程名称风能利用技术院（系）专业班级学号姓名课程设计题目课程设计时间:年—月—日至年月—日一、课程设计的目的及任务1主要目的：（1）以大型水平轴风力机为研究对象，掌握系统的总体技术参数计算方法；（2）熟悉水平轴风力机的总体设计方法；（3）掌握科研报告的撰写方法。2主要任务：（1）确定风力机的总体技术参数；（2）计算关键零部件（叶片、风轮）载荷和技术参数；（3）完成叶片设计任务；（4）确定总体设计方案；（5）撰写一份课程设计报告。二、课程设计的主要内容选择功率范围在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7.6m/s，当地历史最大风速为49m/s，用户希望安装1.5MW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、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、风轮）；根据载荷和功率确定所选定机型主要部件的技术参数。以上内容建议用计算机编程实现，确定风力机的主要技术参数。（3）最后提交有关的分析计算报告。_年—_月__日_年__月__日_年—_月__日指导教师负责教师学生签字沈阳航空航天大学课程设计成绩评定单课程名称风能利用技术院/系能源与环境学院专业新能源科学与工程课程设计题目水平轴风力机的设计学号姓名答辩日期年—月—日指导教师（答辩组）评语：课程设计成绩：指导教师（答辩组）签字：年—月—日目录TOC\o"1-5"\h\z一、设计概述.1\o"CurrentDocument"1我国发展风能的趋势及优势1\o"CurrentDocument"2风力机概述12.1风力机类型12.2风力机的结构和组成1\o"CurrentDocument"3大功率水平轴风力机发展的意义2\o"CurrentDocument"4国内外风力机技术的现状24.1国内风力机技术现状24.2国外风力机技术现状3\o"CurrentDocument"5风力机叶片设计的理论基础35.1简化叶素理论设计方法35.2Glauert理论设计方法4\o"CurrentDocument"二、设计内容5\o"CurrentDocument"1风力机额定功率、寿命、相关速度参数及叶片数等的确定51.1额定功率51.2设计寿命51.3切入风速、切出风速、额定风速51.4叶片数51.5各部分效率5\o"CurrentDocument"2风力机几何参数的确定62.1叶轮直径和扫掠面积62.2叶轮扫掠面积6\o"CurrentDocument"3风力机叶尖速比、转速的确定63.1叶尖速比的确定63.2转速的确定7\o"CurrentDocument"4功率曲线，风能利用系数CF曲线，推力系数CT曲线7\o"CurrentDocument"5功率控制方式，传动系统，制动系统的选择105.1功率控制方式105.2传动系统115.3制动系统11\o"CurrentDocument"6塔架高度11\o"CurrentDocument"7设计标准及风力机等级127.1设计标准127.2风力机等级12\o"CurrentDocument"8关键部件气动载荷计算12\o"CurrentDocument"8.1利用Glauert理论设计14\o"CurrentDocument"三、设计结果.16\o"CurrentDocument"四、相关图片及设计程序.17\o"CurrentDocument"1相关图片17\o"CurrentDocument"2Glauert理论程序18\o"CurrentDocument"五、结论20\o"CurrentDocument"1设计命题的合理性20\o"CurrentDocument"2设计的理论基础20\o"CurrentDocument"3设计运用的工具20\o"CurrentDocument"4设计中的不足与展望20参考文献22一、设计概述1我国发展风能的趋势及优势1973年发生的石油危机，特别是世界范围内化石燃料能源的大量消耗产生一系列的环境问题，给人类生存环境造成的危害日趋明显，风力发电才逐渐被重视起来，尤其到90年代，由于科学技术的进步，风力发电从新能源中脱颖而出，成为一种最具工业开发规模的新能源。风能是一种可再生能源，它资源丰富，是一种永久性的本地资源，可为人类提供长期稳定的能源供应；它安全、清洁，没有燃料燃烧所产生的危害，更不会在使用过程中污染环境。因此，世界各国都在加快风力发电技术的研究，以缓解越来越重的能源与环境压力。中国具有丰富的风能资源，风电产业的发展具有良好的资源基础。据估计，内地及近海风资源可开发量约为10亿千瓦，主要分布在东南沿海及附近岛屿、内蒙古、新疆和甘肃河西走廊，以及华北和青藏高原的部分地区。中国政府将风力发电作为改善能源结构、应对气候变化和能源安全问题主要能源替代技术之一，给予有力的扶持。确定了2010年和2020年风电装机容量分别达到1000万千瓦和1亿〜1.2亿千瓦的目标，制定了风电设备国产化相关政策，并辅以“风电特许权招标”等措施，推动技术创新、市场培育和产业化发展。2风力机概述2.1风力机类型目前用于风力发电的风力机按风轮结构和在气流中的位置主要分为两种：一种是水平轴风力机，一种是垂直轴风力机，两种风力机相比各有各的特点。2.2风力机的结构和组成风力发电机组主要由叶轮、传动系统、偏航系统、控制系统、发电机、机舱、塔架与基础组成。叶轮是由叶片和轮毂组成，其功能是将风能转换为机械能。其中，叶片是风力机的关键部件之一，其主要作用是将风能转化为机械能，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证风力机正常稳定运行的决定因素。传动系统一般包括低速轴、高速轴、增速齿轮箱、联轴节和制动器等。偏航系统的功能是跟踪风向变化，驱动机舱围绕塔架中心线旋转，使风轮扫掠面与风向保持垂直。控制系统是风力机在各种自然条件与工况下正常运行的保障，包括调速、调向和安全控制。发电机是将风轮的机械能转换为电能。机舱由底盘和机舱罩组成，底盘上安装除了控制器以外的主要部件。塔架支撑叶轮达到所需要的高度，它除了要承受风力机的重力外，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行的动载荷。基础为钢筋混凝土结构，其中心位置与塔架连接在一起，保证风力发电机组牢牢固定在基础上。3大功率水平轴风力机发展的意义大型水平轴风力机因其技术特点突出，特别是具有风能利用率高、机构紧凑等方面的优势，已经成为当前风力机发展的主要方向。因为传统垂直轴风机自启动性能差、主轴易引起谐振、刹车制动难度大、效率低、并网困难等缺点，相较于垂直轴风力机而言，水平轴风力机的技术相对成熟，所以，水平轴风力机已经形成了大规模商业化生产。4国内外风力机技术的现状4.1国内风力机技术现状2005年之前，国内只能制造600千瓦以下风电设备，零部件配套能力也很差，关键部件依赖进口，750千瓦以上风机全部依赖进口。2005年《可再生能源法》颁布之后，在政策激励和市场拉动的双重作用下，风电设备制造和设计技术加速发展，开始形成自主制造能力，2005年750千瓦的国产风力机问世，成为2006年、2007年的主流机型。2006年1.5兆瓦的国产风机问世，2007年开始大批量供应国内市场，2007年底，2兆瓦的风电设备开始下线调试，2008年开始批量供应市场。目前，我国虽然制造出兆瓦级的风力机，但是从根本上来说我们还没有自主设计开发的能力。而自主设计开发对我国风电事业的长期发展是非常重要的，它不仅可以使我们摆脱从国外进口风力机的局面，而且可以从根本上解决我国的风机行业的“瓶颈”问题，促进我国风电行业快速发展。4.2国外风力机技术现状国外风电企业起步较早，上世纪末，风电机组主流机型是750千瓦，到2002年主流机型已经达到1.5兆瓦以上。2003年全球安装的风电机组平均单机容量达到1.2兆瓦，美国已经研制成功7兆瓦风力机，而英国正在研制10兆瓦的巨型风力机。随着机组大型化的发展，兆瓦级以上的机组技术普遍采用了变桨距和变速恒频的先进技术。欧洲是全世界风力发电发展速度最快、装机容量最多的地区。国外建立了完善的风力发电机组设计、制造和监控体系，在风力发电机组运行、维护和管理方面积累了丰富的经验，大型风力发电机组质量、运行可靠性和效率都处于领先地位。5风力机叶片设计的理论基础5.1简化叶素理论设计方法根据贝茨理论的叶轮最大功率条件下，不考虑叶片涡流的分布和影响，经推倒，叶素r处有:"t8n1~=~X~9AJA+1e=coti(1.54)又有:一般取冲角a是在升阻比Cl/Cd最大值附近，称为最佳冲角。从而可以分别推到求出叶素r出的弦长t和叶素安装角6。

5.2Glauert理论设计方法Glauert设计方法考虑了风轮后涡流流动的叶素理论（即考虑了轴向诱导因子a和切向诱导因子b），但在另一方面，该方法忽略了叶片翼型阻力和翼梢损失的影响，因为这两者对叶片外形设计的影响较小，但对风能利用系数&的影响较大。经公式推到，叶素r处有：Czt8“（1—k）1i+k九黑ei±^)i+k九黑ei±^)2+i

r1+k\kr1+R1+九0=COt—1*4|3=0—a便可分别推到求出Glauert理论下叶素r出的弦长t和叶素安装角6。二、设计内容1风力机额定功率、寿命、相关速度参数及叶片数等的确定1.1额定功率根据设计任务书取额定功率：Pr=2.0MW1.2设计寿命一般风力机组的设计寿命至少为20年，这里选20年设计寿命。1.3切入风速、切出风速、额定风速切入风速取vin=3m/s切出风速取vout=25m/s额定风速取％=12m/s1.4叶片数一般风轮叶片数取决于风轮的尖速比入。目前用于风力发电一般属于高风速发电机组，即入=4-7左右，叶片数一般取2—3。此外，叶片数目的确定应与实度一起考虑，既要考虑风能利用系数，也要考虑启动性能，总之要达到最多的发电量为目的。由于三叶片的风力发电机运行和输出功率较平稳，目前风力发电机采用三叶片较多。所以叶片数取：B=31.5各部分效率传动系统效率缶取0.95

2风力机几何参数的确定2.1叶轮直径和扫掠面积风力机额定功率：P「=2魅叫3町1扫掠面积：f=m4其中：Pr——风力发电机组的额定输出功率，取2.0MW，^眨.0X106W；Cp——额定功率下风能利用系数，取0.35；p——空气密度，取1.225Kg/m3；F——叶轮扫掠面积；D——叶轮直径；匕额定风速，取12m/s；幻——传动系统效率，取0.95。由以上公式，可以计算出:叶轮直径:I叫=[-\兀Cppu‘3^]N兀x0.35x1.225x123x0.958X2.0X106就85.06m为了便于计算，取D=85m。2.2叶轮扫掠面积扫掠面积：F=四2=些42=5674.5m2443风力机叶尖速比、转速的确定3.1叶尖速比的确定对于三叶片风力机，叶尖速比选在6左右，风电机组具有较高的风能利用技术。由于风力发电机组产生的气动噪声正比于K，通常将陆基风力发电机组的叶尖速度限制在65m/s左右，近海74m/s左右。所以，本设计取入=5.5。3.2转速的确定根据叶尖速比公式：入K=*vr60%所以，转速为：n=60四=60x5.5x12=i4.83rpm2兀R2X兀X8524功率曲线，风能利用系数。^曲线，推力系数&曲线风力机的设计需给出功率输出特性曲线，在给定风力机的切入风速、切出风速和额定风速后，可以用下式计算输出功率。PX竺一^^II(v<V<V)%=」iTWiWiII<i<Iii)IIIIIIII(〃曲iiiiiii<u或u>u：屈其中k为威布尔分布形状参数1<k<3,此处取k=2风能利用系数&的计算公式为：&="嚣丛据查阅相关资料，还需使用的公式如下：Cp=4q(1-Q)2IIIIIJ=4L(1I-Q)其中，a为轴向诱导因子。利用上述公式，由EXCEL的函数运算，计算得到随着风速的变化％、q和&的值的变化。

表格1风力机基本参数风速v(m/s)输出功率Pw（kW）风能利用系数Cp轴向诱导因子a推力系数Ct叶尖速比30.000000.000000.000000.0000021.989594444103.703700.491000.183990.6005516.492195835237.037040.574600.266780.7824413.193756676400.000000.561140.248040.7460610.994797227592.592590.523510.208870.660969.4241119058814.814810.482230.178680.587008.24609791791066.666670.443370.155400.524997.329864815101348.148150.408510.137580.474626.596878333111659.259260.377750.122710.430605.997162121122000.000000.350710.111050.394875.497398611132000.000000.275840.081840.300575.074521795142000.000000.220860.062910.235804.712055952152000.000000.179560.050010.190034.397918889162000.000000.147960.040260.154544.123048958172000.000000.123350.033020.127733.880516667182000.000000.103910.027490.106933.664932407192000.000000.088360.023160.090493.472041228202000.000000.075750.019710.077303.298439167212000.000000.065440.016690.065663.141370635222000.000000.056910.014490.057142.998581061232000.000000.049810.012650.049962.868207971242000.000000.043840.011110.043962.748699306252000.000000.038790.009820.038882.638751333ooO

ODO505221

输出功率静态功率曲线ooOoOO51输出功率Pw(Kw)1113151719212325风速v(m/s)图一静态功率曲线风能利用系数Cp随风速的变化风能利用系数210■■■o风能利用系数210■■■ooO风能利用系数Cp1113151719212325风速v(m/s)图二风能利用系数随风速变化曲线推力系数Ct随风速的变化图三推力系数随风速变化曲线推力系数Ct图四风能利用系数随叶尖速比变化曲线风能利用系数推力系数Ct叶尖速比8.255.073.662.879921-90076543210■■■■■■■■■■OOOOOOOOOO推力系数风能利用系数Cp随叶尖速比的变化图四风能利用系数随叶尖速比变化曲线风能利用系数推力系数Ct叶尖速比8.255.073.662.879921-90076543210■■■■■■■■■■OOOOOOOOOO推力系数推力系数Ct随叶尖速比的变化图五推力系数随叶尖速比变化曲线此时，从表格或风能利用系数随叶尖速比的变化曲线中可以看出，当在额定风速％=12m/s时，即功率系数约为0.351时的叶尖速比约为5.50，则切向速度为66m/s，设计合理。5功率控制方式，传动系统，制动系统的选择5.1功率控制方式功率控制方式选取当今应用较为广泛的变浆距控制。这种机组当风速过高时，通过减小叶片翼型上合成气流与翼型几何弦的夹角（攻角），改变风力发电机组获得的空气动力转矩，能使功率输出保持稳定。同时，风机在起动过程也需要通过变浆距来获得足够的起动转矩。采用变浆距技术的风力发电机组还可以使叶片和整机的受力状况大为改善，这对于大型风力发电机组十分的有利。5.2传动系统传动系统选定由以下四部分组成：主轴系统、增速传动系统（齿轮箱）、轴系的支撑与连接（如轴承和联轴器）、制动装置。5.3制动系统制动系统的形式以空气动力制动和机械制动为主。6塔架高度由于风速与距地面高度有关，增加塔架高度可使风轮获取更多的风能，但制造更高的塔架也需要更多的材料，使其造价相应增加。大型机组的塔架高度H可以按公式计算初步确定。塔架的高度参数的选择与地形和地貌有关，如陆地与海上风电机组会有所不同。陆地的地表性对粗糙且风速随高度变化缓慢，可能需要较高的塔架；而海平面较光滑，风速沿着高度方向变化梯度大。一般而论，即使相同容量的机组，在近海安装的机组塔架高度相对较低。考虑地貌因素的塔架最低设计高度一般可用下式估算：H=h+C+R式中：H——机组附近的障碍物高度，单位m；C障碍物最高点到叶轮扫掠面的距离（最小取1.5—2.0m），单位m；R叶轮半径。单位m。综上考虑，塔架高度H取70m。7设计标准及风力机等级7.1设计标准设计标准为IEC61400-1。7.2风力机等级50m高度处的年平均风速为7m/s。取IECIIIA，参考下表:表格2风力机等级标准风力机组等级第I级第II级第III级第W级参考风速％-5匕逾(m/s)5042.537.530年平均风速％(m/s)108.57.56湍流强度等级A£150.180.180.180.18a2222B£150.160.160.160.16b33338关键部件气动载荷计算这部分关键是进行叶轮叶片的气动设计。翼型采用NACA63418翼型。数据如下：

图六翼型的升阻比随冲角变化曲线攻角与升阻力系数之间的关系攻角与升力系数

攻角七阻力条敷图七攻角与升阻力系数曲线图六翼型的升阻比随冲角变化曲线攻角与升阻力系数之间的关系攻角与升力系数

攻角七阻力条敷从图中可以看出，攻角约等于13°时升力系数最大，大约为1.400左右。攻角约等于9°时，升力系数约为最大升力系数的0.9倍，为1.244,此时的阻力系数为0.015。当攻角为5°时升阻比最大，此时升力系数为0.904。在叶片处选择10段截面，位置x分别在10%R、20%R、30%R……90%R、100%R处。为减小轮毂附近叶素的弦长，这10个叶素的设计冲角o分别为：9°、8°、7°、6°、5°……5°，查图，其分别对应的升力系数为：9°—1.244,8°—1.135，7°—1.013，6°—0.943，5°—0.904。8.1利用Glauert理论设计由相关公式可分别计算出各叶素处的半径r、叶素叶尖速比久、系数6,速率倍数k、转率倍数h、叶素倾角e，叶素安装角6、并根据系数匹分别计算出最佳r弦长和设计弦长、各叶素处的气流相对速度w、推力参数启、转矩参数血,、功率系数参数P,等等。所需公式如下：(1)r=xR0=1tani^r+-k=cos©J42+1h=J1+%N外2e=coti(a或vr1+P6=ea突=弑1*)x1r1+fc11+^Z1+^)2_mfM1+J+1w="r(1+"2sin6H=冬九+1E1以片Kmr=(1+k)2Hcot^(r)2p,=(1+k)3Hcot仞检将以上公式进行编程计算。计算结果如下:

表格3设计风力机的Glauert理论计算结果1位置叶素安装角6叶素倾角e最佳弦长设计弦长七2气流相对速度w/(m/s)4.2531.7928140.792819.567706.9527312.836628.520.1824628.182469.338517.4379017.3024912.7513.8122720.812277.709806.8802222.771731710.2959716.295976.329286.0675228.7065721.258.3220713.322075.299325.2993234.8770725.56.2389311.238934.531824.5318241.1794029.754.706859.706853.947113.9471147.56186343.536188.536183.490423.4904253.9963038.252.614137.614133.125413.1254160.4662742.51.869906.869902.827772.8277766.96153表格4设计风力机的Glauert理论计算结果II推力参数转矩参数位置参数k参数hfrmr功率参数Pr4.250.397751.944940.084180.007260.039958.50.361941.310790.173800.018620.1024312.750.348491.150090.263570.030060.16530170.342511.087370.353080.041290.2270821.250.339421.056880.442400.052380.2880825.50.337651.039880.531600.063380.3485929.750.336551.029480.620720.074320.40878340.335811.022660.709780.085230.4687538.250.335301.017950.798810.096110.5285942.50.334941.014570.887820.106970.58831

三、设计结果表格5主要设计结果叶片数3叶尖速比5.5切入风速3m/s功率控制变桨距控制切出风速25m/s制动系统形式空气动力制动和机械制动额定风速12m/s塔架高度70m额定功率2.0MW设计寿命20年风能利用系数0.35设计标准IEC61400叶轮转速14.83rpm风力机等级IECIIIA叶轮直径85m四、相关图片及设计程序1相关图片图八总体布置参考图

2Glauert理论程序#include<stdio.h>#include<math.h>voidmain()(floatX,r,v,i1,i2,i3,t1,t2,w,a1,a2,a3,pi=3.1415926;inti;FILE*p;p=fopen("D:\\123.txt","w+");for(i=0;i<10;i++)(printf("输入叶素位置x(0.1-1.0)：");scanf("%f",&x);r=x*42.5;v=x*5.5;i1=atan((double)(1/(1.5*v)))*(180/pi);a1=sqrt((double)(2.25*v*v+1));a2=(8*pi)/(3*v*a1);/*a2=(cl*z*t)/r*/t1=(a2*r)/(0.904*3);a3=sin((double)(i1*pi/180));w=(2*12)/(3*a3);if(x<0.2)(i2=9;i3=i1-i2;t2=(a2*r)/(1.244*3);}elseif(x<0.3)(i2=8;/*输入叶素位置*//*此处叶素半径*//*此处叶素叶尖速比*//*叶素倾角seita*//*最佳弦长*//*切向气流速度*//*叶素安装角beita*//*设计弦长*/i3=i1-i2;t2=(a2*r)/(1.135*3);}elseif(x<0.4)(i2=7;i3=i1-i2;t2=(a2*r)/(1.013*3);}elseif(x<0.5)(i2=6;i3=i1-i2;t2=(a2*r)/(0.943*3);}else(i2=5;i3=i1-i2;t2=t1;}printf("叶素位置x=%f\n半径r=%f\n叶尖速比v=%f\n叶素倾角i1=%f\n冲角i2=%f\n叶素安装角i3=%f\n系数Cl*z*t/r=%f\n最佳弦长t1=%f\n设计弦长t2=%f\n气流相对速度w=%f\n\n",x,r,v,i1,i2,i3,a2,t1,t2,w);fprintf(p,"叶素位置x=%f\n半径r=%f\n叶尖速比v=%f\n叶素倾角i1=%f\n冲角i2=%f\n叶素安装角i3=%f\n系数Cl*z*t/r=%f\n最佳弦长t1=%f\n设计弦长t2=%f\n气流相对速度w=%f\n\n",x,r,v,i1,i2,i3,a2,t1,t2,w);}}五、结论/*输入叶素位置*//*此处叶素半径*//*此处叶素叶尖速比*//*叶素倾角seita*//*最佳弦长*//*切向气流速度*//*叶素安装角beita*//*设计弦长*/本次课设的命题较为合理，在现如今新能源大力倡导的背景下，作为本专业的学生，展开风力机的设计十分必要，通过本次课程设计，能让我从风力机的角度更加深入的了解风能利用技术这门课程，也对风力机的设计有了一个较为全面的认识。2设计的理论基础在本次课程设计中，对风力机叶片的设计主要运用了叶素理论、动量理论以及Glauert理论，此三种理论基本可以满足对所选取的2.0MW的风力机的叶片设计，设计结果也较为合理，可以满足叶片的气动需求。3设计运用的工具本次设计主要运