風力發(fā)電機組設計與制造課程設計

1、 課程設計(綜合實驗)報告( 2011 - 2012年度第 2 學期)名 稱： 風力發(fā)電機組設計與制造 題 目： 風力發(fā)電機組設計與制造 院 系： 可再生能源學院 班 級： 風能0903 學 號： 1091540307 學生姓名： 陳碩 指導教師： 田德 、 王永 設計周數： 2周 成 績： 日期：2012 年 6 月 一 設計任務要求1. 設計內容風電機組總體技術設計2. 目的與任務1.2.1.2.2.1. 主要目的以大型水平軸風力機為研究對象，掌握系統(tǒng)的總體設計方法；熟悉相關的工程設計軟件；掌握科研報告的撰寫方法。2.2. 主要任務：以大型水平軸風力機為研究對象，掌握系統(tǒng)的總體設計方法；熟

2、悉相關的工程設計軟件；掌握科研報告的撰寫方法。每位同學獨立完成風電機組總體技術設計，包括：1. 確定風電機組的總體技術參數；2. 關鍵零部件（齒輪箱、發(fā)電機和變流器）技術參數；3. 計算關鍵零部件（葉片、風輪、主軸、連軸器和塔架等）載荷和技術參數；4. 完成葉片設計任務；5. 確定塔架的設計方案。每人撰寫一份課程設計報告。二 設計正文1. 原始參數風力機的安裝場地50米高度年平均風速為7.0m/s，60米高度年平均風速為7.3m/s，70米高度年平均風速為7.6 m/s，當地歷史最大風速為48m/s，用戶希望安裝1.5 mw至6mw之間的風力機。采用63418翼型，63418翼型的升力系數、阻

3、力系數數據如表1所示?？諝饷芏仍O定為1.225kg/m3。表1 63418翼型的升力系數、阻力系數數據2. 確定整機設計的技術參數2.1. 額定功率pr：3mw2.2. 設計壽命：20年2.3. 葉片數b： 3一般來說，要得到很大的輸出扭矩就需要較大的葉片實度，現代風力發(fā)電機組實度較小，一般只需要13個葉片。3葉輪的平衡簡單，動態(tài)載荷小，通常能提供較佳的效率，而且噪聲小，從審美的角度也比較令人滿意。綜上所述，葉片數選擇3。2.4. 切入風速vin：3m/s切出風速vout：25m/s額定風速vr：vr = 1.70 vave =1.70*7.6 = 12.9m/s2.5. 葉尖速比葉尖速比是風

4、輪的葉尖線速度的與額定風速之比= rvr式中， 風輪角速度r 風輪半徑對于三葉片的風機，葉尖速比選在68的范圍內，風電機組具有較高的風能利用系數。由于風力發(fā)電機組產生的氣動噪聲正比于5，通常將陸基風力發(fā)電機組的葉尖速度限制在65m/s左右，近海74m/s。本設計取=6.5。不同攻角下的風能利用系數隨葉尖速比的變化曲線即cp-曲線如圖1，由cp-曲線可得出此時cp = 0.35。圖1不同攻角下的cp -曲線1.2.2.1.2.2.2.3.2.4.2.5.2.6. 風輪直徑 d=8prvr3cp12=8*3*1061.225*12.93*0.35*0.96*0.97=94m 式中，pr 風力機額定

5、功率，設計值為2mw （標準大氣壓）空氣密度，取1.225 kg/m3vr 額定風速，取12.9 m/s1 - 傳動系統(tǒng)效率，取0.962 - 發(fā)電機效率，取0.97cp 額定功率下風能利用系數，取0.35則葉片長度取47m風輪掃掠面積: s=d24=*9424=6940m22.7. 塔架高度由于風速與距地面高度有關，增高塔架可使風輪獲取更多風能，但制造更高的塔架就需要更多的材料，成本也會增加。大型機組塔架高度h可按下式初步確定：h = （0.81.3）d式中，d風輪直徑另外，塔架高度選擇與地形與地貌有關，考慮地貌因數的塔架最低設計高度一般可按下式估算：h = h+c+r式中，h 機組附近障礙

6、物的高度c 障礙物最高點到風輪掃掠面最低點的距離（最小去1.52.0m）綜合以上因素，取塔架高度h = 80m2.8. 輪轂高度zhub = zt + zj = 90m式中，zj 塔架高度zt 塔頂平面到風輪掃掠面中心的高度25m直徑以上的風輪，其輪轂中心高與風輪直徑的比基本為1:1。2.9. 確定風輪轉速風力發(fā)電機組產生的氣動噪聲正比于葉尖速度的5次方，通常將陸上風力發(fā)電機組的葉尖速度限制在80m/s以下，但此處由于設計要求較高的風輪利用系數，因此機組運轉過程中會產生較大的噪聲。根據葉尖速比公式= 2nrvrn= vr2r=6.5*12.9*602*47=17 rpm2.10. 功率曲線、c

7、p曲線、ct曲線的確定風電機組的設計需給出功率輸出特性曲線。如果確定了風電機組的切入風速、切出風速和額定風速，可以用下式計算輸出功率pw，pw = prv-vinvr-vin vinvvrpr vrvvout 0 vvr其中，為威布爾分布形狀參數，17m/s,所以取vs = 60m/s. 前蘇聯的法捷耶夫公式式中，ab-葉片的投影面積(m2)vs-風輪中心處的暴風風速(m/s)葉片投影面積：ab= ab式中，-風輪實度風輪實度與葉尖速比有關， = 6.5時，近似認為 = 0.05.用matlab計算得出：fas1 = 1000.3 kn 荷蘭ecn的公式式中，ct-推力系數，取ct =1.5q

8、-動態(tài)風壓(n/m2)-動態(tài)系數，取 = 1.2s-安全系數，取s =1.5q隨高度變化，風輪中心高度h=90m處對應的q = 1390(n/m2)用matlab計算得出：fas2 = 3990.3 kn 德國dfvlr公式式中，ct-推力系數，取ct = 2.2用matlab計算得出：fas3=5157.7 kn 丹麥ris公式式中，p1-風輪單位掃掠面積上的平均風壓，通常取p1 = 300(n/m2)as-風輪的掃掠面積用matlab計算得出：fas4=2126.5 knn 歐美國家塔架靜態(tài)強度設計的一般載荷條件風載條件：風速65m/s，（2s，平均）風輪停轉，葉片順槳，風向沿機艙橫向作用

9、在塔架上。正常運行工況條件的地震載荷：考慮額定風速時產生的風輪最大軸向力，同時根據均勻建筑物由地震產生的水平載荷因子，將其產生的慣性力附加在風輪軸向推力。機組的最大運行載荷：一般為額定風速正常運行載荷的2倍。n 確定塔架設計載荷的要求設計載荷需要正確的分析塔架承受的各種載荷及其作用，大致可分為三種類型設計載荷。最大極限載荷：指塔架可能承受的最大載荷疲勞載荷：指塔架構件能夠承受交變載荷次數的能力共振激勵載荷：塔架結構系統(tǒng)的共振響應3.4.5. 聯軸器載荷計算聯軸器承受的載荷主要是轉矩n 低速軸聯軸器載荷 tm=9550 pmnm=9550* 3301.7917=1854829.1 nmn 高速軸

10、聯軸器載荷 tt=9550 ptnt=9550* 3255.561500=20536.1 nm4. 塔架葉根應力截面計算塔架通常采用等強度變截面的設計，危險截面一般位于塔架根部。塔筒根部的結構強度分析是塔架整體結構尺寸的基本設計依據，以下只討論一種分析方法：考慮塔架高度折減系數的強度計算。圖15 塔架的受力分析塔架根部截面應力可表示為：式中，fas -考慮3.4.4中計算最大值，即fas = 5157.7 knfts -塔架受的風壓力，fts=12v2a=12*1.225*482*4+6*802=564.48 kn h-塔架高度，即h=80m，h1-風輪半徑的1/20，h1 = 47/20 =

11、 2.35mw-塔架根部抗彎截面模數，單位cm3，w= d31-dd432= *63*1-6-0.03*26432=0.836 m3a-塔架根部截面積，單位cm2， a= d2-d24=62-6-0.0624= 0.563 m2g1-塔頂的重量，本機組塔頂重為200噸，g1 = 10*200*1000 =2000 kng2-塔筒的重量，本機組塔頂重為180噸，g2 = 10*180*1000 =1800 kn-是變截面塔架的長度折減系數，可根據圖16來確定圖16 變截面塔架的長度折減系數= hr2式中，-與塔架截面變化有關的折算長度修正系數，可根據 jminjmax 之比取書中p141表6-6

12、的參考設計值jmin-塔架頂部截面慣性矩，單位cm4，jmin= d41-464=*54*1-2.5-0.0122.5464= 0.585m4jmax-塔架底部截面慣性矩，單位cm4， jmax= d41-464=*64*1-3-0.033464= 2.507m4故 jminjmax= 0.5852.507=0.233 ，此處 = 1.4r2-塔架根部截面的慣性半徑，r2 = jmaxa=2.5070.563=2.11m 由以上可計算得= 1.4*802.11=53.08 所以取0.85根據以上參數，可以確定，= 543mp三 參考文獻1 姚興佳、田德 風力發(fā)電機組設計與制造 華北電力大學校內

13、試用教材（第二版）.2 徐太平等著 風力發(fā)電原理3 華北電力大學力學研究組 材料力學 華北電力大學校內講義 4 賀德馨等著 風力機空氣動力學 華北電力大學校內試用教材四 附錄matlab程序：葉片優(yōu)化設計及葉片載荷計算matlab程序clccleard=ceil(sqrt(8*3e6/0.96/0.97/0.35/pi/1.225/(12.93);lambda=6.5;n=lambda*60*12.9/pi/d;a=0.05:0.1:1;b=lambda*a;psi=1/3*atan(b)+pi/3;k=sqrt(b.2+1).*cos(psi);h=sqrt(1-k.2)./b.2+1);i

14、=atan(1-k)./(1+h)./b);theta=i*180/pi-9;c=8*pi*a.*(d-3)/2).*(h-1).*cos(i)/3/1.225./(h+1);r=d/2;r=a*(d-3)/2+1.5;omega=lambda*12.9/r;y1=r.*c*3.3;fc=1.8e3*omega2*trapz(r,y1)cl=1.225;cd=0.015;y=c*cd;fv1=1/2*1.225*12.92*trapz(r,y)y=y.*r;rm1=trapz(r,y)./trapz(r,y)y2=(1+(1./tan(i).2).*(cl*cos(i)+cd*sin(i).*

15、c;fv2=1/2*1.225*12.92*trapz(r,y2)y3=y2.*r;rm2=trapz(r,y3)./trapz(r,y2)x=(1+(1./tan(i).2).*(cl*sin(i)-cd*cos(i).*c.*r;mb=1/2*1.225*12.92*trapz(r,x)x=3.3*c.*r.2;j=1.8e3*trapz(r,x);epsilon=2*0.01*lambda*12.9/r;mk=j*epsilonr1=0,r;a1=0.00001,a;b1=lambda*a1;psi1=1/3*atan(b1)+pi/3;k1=sqrt(b1.2+1).*cos(psi1);y4=(1-k