风力发电机组设计答辩用a.pptx

1、风电机组设计,风能0902 陈建宏 1091540204,主要内容,一、课程设计的内容与要求 二、总体参数设计 三、叶片气动优化设计 四、主要部件功率 五、主要部件的载荷计算 五、结构设计 六、设计总结,课程设计的目的与要求,以大型水平轴风力机组为研究对象，掌握总体设计的方法； 熟悉相关的工程设计软件； 要求：独立完成机组设计，并对其性能进行计算分析； 撰写设计报告,总体参数设计,总体参数设计,1、额定功率 根据设计任务书选定额定功率为5MW。 2、设计寿命 一般风力机组设计寿命至少为20年，这里选20年设计寿命。,3、切出风速、切入风速、额定风速 切入风速 取 Vin=3m/s 切出风速 取

2、 Vout=25m/s 对于一般变桨距风力发电机组（选5MW）的额定风速于平均风速之比为1.70左右，在70m处： 额定风速 取 Vr=13m/s Vr=1.70Vave=1.707.613m/s,总体参数设计,4、发电机额定转速和转速范围 采用双馈异步发电机，转速范围较大。 额定转速 Nr=1500r/min 转速范围 10002000r/min,总体参数设计,85000000 1.225 13 3 0.420.920.950.95,5、重要几何尺寸 （1）风轮直径和扫掠面积 由风力发电机组输出功率得叶片直径：,=,D= =114m,由直径计算可得扫掠面积：,S= 2 4 = 114 2 4

3、 =10207 2,总体参数设计,（2）、轮毂高度 轮毂高度是从地面到风轮扫掠面中心的高度，用Zhub表示 Zhub=Zt+Zj=70+2.25.=72.25m 式中Zj塔架高度； Zt塔顶平面到风轮扫掠中 心高度。,总体参数设计,6、叶片数 B=3 现代风力发电机的实度比较小，一般需要1-3个叶片。选择风轮叶片数时考虑风电机组性能和载荷、风轮和传动成本、风力机气动噪声及景观影响等因素。 3叶片较1、2叶片风轮有如下优点： 平衡简单、动态载荷小。基本消除了系统的周期载荷，输出较稳定转矩； 能提供较佳的效率； 更加美观； 噪声较小； 轮毂较简单等。 综上所述，叶片数选择3。,总体参数设计,7、功

4、率曲线和Ct曲线,(1)、功率曲线 自然界风速的变化是随机的, 符合马尔可夫过程的特征, 下一时刻的风速和上一时刻的结果没什么可预测的规律。由于风速的这种特性, 可以把风力发电机组的功率随风速的变化用如下的模型来表示： P(t)=Pstat(t)+ (t) 式中P(t)-在真实湍流风作用下每一时刻产生的功率, 它由t时刻的V(t)决定； Pstat(t)-在给定时间段内V(t)的平均值所对应的功率； (t)-表示t 时刻由于风湍流引起的功率波动。 对功率曲线的绘制, 主要在于对风速模型的处理。若假定上式表示的风模型中Pstat(t)的始终为零, 即视风速为不随时间变化的稳定值, 在切入风速到切

5、出风速的范围内按照设定的风速步长, 得到对应风速下的最佳叶尖速比和功率系数,带入式： P= 1 8 1 2 3 2 3,总体参数设计,总体参数设计,总体参数设计,从图中可以得出翼型取得最佳升阻比时攻角 5 ，此时升力系数Cl=0.904，Cd=0.007 本设计取攻角=为，此时升力系数和阻力系数分别为Cl=1.307， Cd=0.018。,总体参数设计,三叶片风力发电机组的风轮叶尖速比一般在6至8之间，本设计取7。不同攻角下的风能利用系数随叶尖速比的变化曲线即CP-曲线如图1，由Cp-曲线可得出Cp=0.44。,总体参数设计,9、风轮额定转速 风轮额定转速可由下式计算得到： nr= 60 =

6、60137 114 =15r/min 10、功率控制方式 主动变桨距控制。 11、制动系统形式 第一制动采用气动刹车，第二制动采用高速轴机械刹车。 12、风力机等级 由IEC标准，选择风力机等级为IECIIIA。,总体参数设计,叶片气动优化设计,叶片气动优化设计,1、计算各剖面的叶尖速比 将叶片分为10个叶素，每个叶素间隔0.05R，其中5%半径处叶片是筒状，10%-60%半径处采用钝后缘叶片，65%-100%半径处 采用通用风电机组叶片翼型。叶片内圈采用钝后缘翼型，外圈采用63418翼型。 根据下式求各叶素的叶尖速比,。,叶片气动优化设计,叶片气动优化设计,叶片根部处理方式：距叶根0 5m处

7、制作成直径为2m的圆柱结构处理； 且根部采用钻孔组装式结构。,叶片气动优化设计,主要部件功率,主要部件功率,1、发电机 发电机类型：双馈异步变速恒频发电机 额定功率：5MW 额定转速：1500r/min 发电机极对数为2，发电机主轴转矩T发电机主轴为：,选择刚轴推荐最大扭剪应力：,则发电机的主轴直径D发电机为：,主要部件功率,2、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2500kW。,3、齿轮箱 方式：齿轮箱选用2级行星轮+1级平行轴齿轮； 低速轴转速：nl=15r/min； 高速轴转速：nh=1500r/min 传动比：i

8、=100 齿轮箱效率： 3 0.92 =0.973 齿轮箱功率：,主要部件功率,4、联轴器 低速轴联轴器功率： Pm= P r 3 2 3 1 2 = 5000 0.950.95 3 0.92 2 =5852kW 高速轴联轴器功率： Pr= P r 3 2 = 5000 0.950.95 =5540kW 5、偏航系统 类型：主动偏航 偏航轴承：4点接触球轴承 偏航驱动：6个3kW偏航电机 偏航制动：液压控制摩擦制动,主要部件的载荷计算,主要部件的载荷计算,1、叶片载荷计算 (1)、作用在叶片上的离心力Fc Fc= 2 0 dr 其中旋转角速度由下式算得： = 2n 60 = 215 60 =1

9、.57rad/s r0叶片起始处旋转半径，约为R的1/20,即为2.85m y叶片的密度，为1.8kg/m3 Ar叶素处的叶片截面积 用matlab计算得： Fc=66760N,主要部件的载荷计算,(2)、叶轮转动时的风压力： = 1 2 2 0 (1+ct 2 I)( cosI+ sinI)Cdr 用matlab计算得： Fv= 2842551N Fv作用点距叶轮轴的距离为rm，则有： r m = r 0 R (1+ct g 2 I)( C l cosI+ C d sinI)Crdr r 0 R (1+ct g 2 I)( C l cosI+ C d sinI)Cdr 用matlab计算得：

10、 rm=37.96m,主要部件的载荷计算,(3)、作用在叶片上的陀螺力矩Mk 整个叶片的转动惯量为： I= y r 0 R F r 2 dr 此处F即Ar 用matlab计算得： I= 26199kgm 当=90时，科氏加速度最大，为 k = 2 0 V R 由matlab计算得： 由动量矩定理知，叶片受到惯性力矩Mk的作用，这个力矩称为陀螺力矩，用matlab计算得： Mk=I = 133551Nm,主要部件的载荷计算,2、风轮载荷计算 (1)、轴向诱导因子a= 1 2 (1k),周向诱导因子b= 1 2 (h1) 则作用在风轮上的轴向推力可表示为： T=4 V 2 0 R a 1a rdr

11、= V 2 0 R (1 k 2 )rdr 用matlab计算得： T= 935790N (2)作用在整个风轮上的转矩可表示为： M=4V 0 R b(1a) r 3 dr =V 0 R (h1)(k+1) r 3 dr 用matlab计算得： M= 4980888Nm,主要部件的载荷计算,3、主轴载荷计算 低速轴角速度为： =1.57rad/s 高速轴角速度为： t = 2 n r 60 = 21500 60 =157.08rad/s 低速轴功率为： Pm= P r 3 2 3 1 2 = 5000 0.950.95 3 0.92 2 =5852kW 高速轴功率为： Pt= P r 3 2

12、= 5000 0.950.95 =2216kW,主要部件的载荷计算,低速轴转矩为 = p m m = 5852000 1.57 =3727389m 高速轴转矩为： T t = P t t = 2216000 157.08 =14107Nm 低速轴直径： D L =2 3 2 T m f s =2 3 23727389 55 10 6 =0.702m 高速轴直径： D H =2 3 2 T t f s =2 3 214107 55 10 6 =0.109m,主要部件的载荷计算,4、塔架载荷计算 本机组的塔架采用等强度设计理论的锥形钢筒结构塔架。其由5段组成，段与段之间靠法兰连接，底最大直径部为5

13、m,顶部最小直径为4m，筒体壁厚由最底部的30mm过渡到顶部的20mm。塔筒的总质量为170t。 作用在塔架上的载荷有以下几类： 风轮等构件承受的空气动力载荷 重力和惯性载荷：由重力、振动、旋转以及地震等引起的静态和动态载荷。 操作载荷：在机组运行和控制过程中产生的载荷。如功率变化、偏航、变桨以及制动过程产生的载荷等。 其它载荷：诸如尾迹载荷、冲击载荷、覆冰载荷等。 下面只讨论与塔架结构强度计算有关的两种载荷，即由风轮作用的最大气动推力以及塔架本身所承受最大风压产生的载荷。,主要部件的载荷计算,、暴风工况的风轮气动推力计算,经比较选用荷兰ECN公式进行计算：,主要部件的载荷计算,(2)、塔架根部截面应力计算 塔架的受力分析如下图,塔架根部截面应力可表示为： = 1 + + 2 100+ ( 1 + 2 ) ,可算得： =241.3MPa,结构设计,结构设计,机舱结构,结构设计,轮毂结构图,结构设计,2.主传动系统布局 本设计风电机组为双馈型风力发电机组，现在其总体布置多为一字型结构，一般为下图所示的一字型布置：,3、偏航系统 选用强制外置6电机偏航。 4、变桨系统 3叶片独立变桨控制，结构布置如下图所示,结构设计,刹车系统 形式：偏航和变桨距的刹车系统均采用液压控制方式 机械刹车 机构图,机械制动器