《風力發(fā)電機組設(shè)計與制造》課程設(shè)計報告

1、風力發(fā)電機組設(shè)計與制造課程設(shè)計報告 一、設(shè)計任務(wù)書1、 設(shè)計內(nèi)容風電機組總體技術(shù)設(shè)計2、 目的與任務(wù)主要目的：1) 以大型水平軸風力機為研究對象，掌握系統(tǒng)的總體設(shè)計方法；2) 熟悉相關(guān)的工程設(shè)計軟件；3) 掌握科研報告的撰寫方法。主要任務(wù)：每位同學獨立完成風電機組總體技術(shù)設(shè)計，包括：1) 確定風電機組的總體技術(shù)參數(shù)；2) 關(guān)鍵零部件（齒輪箱、發(fā)電機和變流器）技術(shù)參數(shù)；3) 計算關(guān)鍵零部件（葉片、風輪、主軸、連軸器和塔架等）載荷和技術(shù)參數(shù)；4) 完成葉片設(shè)計任務(wù)；5) 確定塔架的設(shè)計方案。每人撰寫一份課程設(shè)計報告。3、 主要內(nèi)容每人選擇功率范圍在1.5MW至6MW之間的風電機組進行設(shè)計。1）原始

2、參數(shù)：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?shù)貧v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(shù)、阻力系數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示?？諝饷芏仍O(shè)定為1.225kg/m3。2）設(shè)計內(nèi)容（1）確定整機設(shè)計的技術(shù)參數(shù)。設(shè)定幾種風力機的Cp曲線和Ct曲線，風力機基本參數(shù)包括葉片數(shù)、風輪直徑、額定風速、切入風速、切出風速、功率控制方式、傳動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、制動系統(tǒng)形式和塔架高度等，根據(jù)標準確定風力機等級；（2）關(guān)鍵部件氣動載荷的計算。設(shè)定幾種風輪的Cp曲線和Ct

3、曲線，計算幾種關(guān)鍵零部件的載荷（葉片載荷、風輪載荷、主軸載荷、連軸器載荷和塔架載荷等）；根據(jù)載荷和功率確定所選定機型主要部件的技術(shù)參數(shù)（齒輪箱、發(fā)電機、變流器、連軸器、偏航和變槳距電機等）和型式。以上內(nèi)容建議用計算機編程實現(xiàn)，確定整機和各部件（系統(tǒng)）的主要技術(shù)參數(shù)。（3）塔架根部截面應(yīng)力計算。計算暴風工況下風輪的氣動推力，參考風電機組的整體設(shè)計參數(shù)，計算塔架根部截面的應(yīng)力。最后提交有關(guān)的分析計算報告。4、 進度計劃序號設(shè)計(實驗)內(nèi)容完成時間備注1風電機組整體參數(shù)設(shè)計2.5天2風電機組氣動特性初步計算2天3機組及部件載荷計算2天4齒輪箱、發(fā)電機、變流器技術(shù)參數(shù)1.5天4塔架根部截面應(yīng)力計算1天

4、5報告撰寫1.5天6課程設(shè)計答辯1.5天5、 設(shè)計（實驗）成果要求提供設(shè)計的風電機組的性能計算結(jié)果；繪制整機總體布局工程圖。6、 考核方式每人提交一份課程設(shè)計報告；準備課程設(shè)計PPT，答辯。二、總體參數(shù)設(shè)計1、額定功率根據(jù)設(shè)計任務(wù)書選定額定功率為5MW。2、設(shè)計壽命一般風力機組設(shè)計壽命至少為20年，這里選20年設(shè)計壽命。3、切出風速、切入風速、額定風速切入風速 取 Vin=3m/s切出風速 取 Vout=25m/s額定風速 取 Vr=13m/s對于一般變槳距風力發(fā)電機組（選5MW）的額定風速與平均風速之比為1.70左右，在70m處：Vr=1.70Vave=1.70×7.613m/s4

5、、發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速范圍5、重要幾何尺寸（1）風輪直徑和掃掠面積 由風力發(fā)電機組輸出功率得葉片直徑：D=8×50000001.225×133××0.42×0.92×0.95×0.95=114m其中：Pr-風力發(fā)電機組額定輸出功率，取5000kW；-空氣密度（一般取標準大氣狀態(tài)），取1.225kg/m3；Vr-額定風速，取13m/s；D-風輪直徑；1-傳動系統(tǒng)效率，取0.92；2-發(fā)電機效率，取0.95；3-變流器效率，取0.95；Cp-額定功率下風能利用系數(shù),取0.44。由直徑計算可得掃掠面積：S=D24=10207m2綜

6、上可得風輪直徑D=114m，掃掠面積S=10207m2。（2）輪轂高度輪轂高度是從地面到風輪掃掠面中心的高度，用Zhub表示Zhub=Zt+Zj=70+2.25.=72.25m式中Zj塔架高度；Zt塔頂平面到風輪掃掠中心高度。6、葉片數(shù) B=3現(xiàn)代風力發(fā)電機的實度比較小，一般需要1-3個葉片。選擇風輪葉片數(shù)時考慮風電機組性能和載荷、風輪和傳動成本、風力機氣動噪聲及景觀影響等因素。3葉片較1、2葉片風輪有如下優(yōu)點：l 平衡簡單、動態(tài)載荷小?；鞠讼到y(tǒng)的周期載荷，輸出較穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩；l 能提供較佳的效率；l 更加美觀；l 噪聲較??；l 輪轂較簡單等。綜上所述，葉片數(shù)選擇3。7、功率曲線和Ct曲線(

7、1)、功率曲線自然界風速的變化是隨機的, 符合馬爾可夫過程的特征, 下一時刻的風速和上一時刻的結(jié)果沒什么可預(yù)測的規(guī)律。由于風速的這種特性, 可以把風力發(fā)電機組的功率隨風速的變化用如下的模型來表示：P(t)=Pstat(t)+P(t)式中P(t)-在真實湍流風作用下每一時刻產(chǎn)生的功率, 它由t時刻的V(t)決定;Pstat(t)-在給定時間段內(nèi)V(t)的平均值所對應(yīng)的功率；P (t) 表示t 時刻由于風湍流引起的功率波動。對功率曲線的繪制, 主要在于對風速模型的處理。若假定上式表示的風模型中Pstat(t)的始終為零, 即視風速為不隨時間變化的穩(wěn)定值, 在切入風速到切出風速的范圍內(nèi)按照設(shè)定的風速

8、步長, 得到對應(yīng)風速下的最佳葉尖速比和功率系數(shù),帶入式：式中：1-傳動系統(tǒng)效率，取0.92；2-發(fā)電機效率，取0.95；3-變流器效率，取0.95；Cp-額定功率下風能利用系數(shù),取0.44；-空氣密度（一般取標準大氣狀態(tài)），取1.225kg/m3；D風輪直徑，取114m；V風速，單位m/s。由以上公式，使用excel計算出不同風速對應(yīng)的功率值, 將得到的數(shù)據(jù)對繪制成風速-功率曲線圖, 該曲線圖即是機組的靜態(tài)功率曲線。(2)、Ct曲線計算并參考相關(guān)數(shù)據(jù)得到Ct曲線如下：8、確定攻角a，升力系數(shù)Cl，葉尖速比l，風能利用系數(shù)Cp風力機翼型為63418,根據(jù)翼型的氣動數(shù)據(jù)得到升阻比隨攻角變化的曲線見

9、下圖：從圖中可以得出翼型取得最佳升阻比時攻角5°，此時升力系數(shù)Cl=0.904，Cd=0.007本設(shè)計取攻角=10°為，此時升力系數(shù)和阻力系數(shù)分別為Cl=1.307， Cd=0.018。三葉片風力發(fā)電機組的風輪葉尖速比一般在6至8之間，本設(shè)計取7。不同攻角下的風能利用系數(shù)隨葉尖速比的變化曲線即CP-曲線如圖1，由Cp-曲線可得出Cp=0.44。9、風輪額定轉(zhuǎn)速風輪額定轉(zhuǎn)速可由下式計算得到：nr=60VrD=60×13×7×114=15r/min10、功率控制方式：主動變槳距控制。11、制動系統(tǒng)形式：第一制動采用氣動剎車，第二制動采用高速軸機械剎

10、車。12、風力機等級由IEC標準，如下表，選擇風力機等級為IECIIIA。WTGS等級IIIIIIIVSvrefm/s5042.537.530由設(shè)計者規(guī)定各參數(shù)vavem/s108.57.5AI150.180.180.180.18a2222BI150.160.160.160.16a3333階段性總結(jié)總體參數(shù)設(shè)計值總體參數(shù)設(shè)計值葉片數(shù)B=3風輪直徑D=114m額定輸出功率P=5MW輪轂高度Zhub=70m設(shè)計壽命20年風能利用系數(shù)Cp=0.44切入風速Vin=3m/s葉尖速比=7切出風速Vout=25m/s功率控制方式主動變槳距控制額定風速Vr=13m/s制動形式氣動剎車、機械剎車風輪額定轉(zhuǎn)速n

11、r=15r/min傳動系統(tǒng)高傳動比齒輪箱傳動風力機等級IECIIIA電氣系統(tǒng)雙饋發(fā)電機+變流器三、葉片氣動優(yōu)化設(shè)計1、計算各剖面的葉尖速比將葉片分為10個葉素，每個葉素間隔0.05R，其中5%半徑處葉片是筒狀，10%-60%半徑處采用鈍后緣葉片，65%-100%半徑處 采用通用風電機組葉片翼型。葉片內(nèi)圈采用鈍后緣翼型，外圈采用63418翼型。 根據(jù)下式求各葉素的葉尖速比。葉素位置和葉尖速比數(shù)值見下表：葉素位置/%5101520253035404550葉尖速比l0.350.71.051.41.752.12.452.83.153.5葉素位置/%556065707580859095100葉尖速比l3

12、.854.24.554.95.255.65.956.36.6572、葉片攻角及弦長優(yōu)化設(shè)計計算步驟求利用公式求軸向干擾因子利用公式求切向干擾因子利用公式求入流角利用公式求葉素槳距角計算葉片弦長C葉片氣動特性通過excel計算，得到： 葉片根部處理方式：距葉根0 5m處制作成直徑為2m的圓柱結(jié)構(gòu)處理； 且根部采用鉆孔組裝式結(jié)構(gòu)。四、主要部件功率1、發(fā)電機發(fā)電機類型：雙饋異步變速恒頻發(fā)電機額定功率：5MW額定轉(zhuǎn)速：1500r/min發(fā)電機極對數(shù)為2，發(fā)電機主軸轉(zhuǎn)矩T發(fā)電機主軸為：T發(fā)電機主軸=9550×Prnr×=9550×50001500×0.95=33.

13、51×103N·m選擇剛軸推薦最大扭剪應(yīng)力：則發(fā)電機的主軸直徑D發(fā)電機為：D發(fā)電機=2×32×33.51×103×55×106=0.14m2、變流器變流器功率通常為風力發(fā)電機組的1/21/3，為保證機組可靠性，通常為額定功率的1/2,所以變流器功率為2500kW。3、齒輪箱方式：齒輪箱選用2級行星輪+1級平行軸齒輪；低速軸轉(zhuǎn)速：nl=15r/min；高速軸轉(zhuǎn)速：nh=1500r/min傳動比：i=100齒輪箱效率：30.92=0.973齒輪箱功率：PGB=Pr3231=5694kW4、聯(lián)軸器低速軸聯(lián)軸器功率：Pm=Pr323

14、12=50000.95×0.95×30.922=5852kW高速軸聯(lián)軸器功率：Pr=Pr32=50000.95×0.95=5540kW5、偏航系統(tǒng)類型：主動偏航偏航軸承：4點接觸球軸承偏航驅(qū)動：6個3kW偏航電機偏航制動：液壓控制摩擦制動五、主要部件的載荷計算1、葉片載荷計算(1)、作用在葉片上的離心力FcFc=y2r0RArrdr其中旋轉(zhuǎn)角速度由下式算得：=2n60=2×1560=1.57rad/sr0葉片起始處旋轉(zhuǎn)半徑，約為R的1/20,即為2.85my葉片的密度，為1.8kg/m3Ar葉素處的葉片截面積用matlab計算得：Fc=66760N(2)

15、、葉輪轉(zhuǎn)動時的風壓力：Fv=12V2r0R(1+ctg2I)(ClcosI+CdsinI)Cdr用matlab計算得：Fv= 2842551NFv作用點距葉輪軸的距離為rm，則有：rm=r0R(1+ctg2I)(ClcosI+CdsinI)Crdrr0R(1+ctg2I)(ClcosI+CdsinI)Cdr用matlab計算得：rm=37.96m(3)、作用在葉片上的陀螺力矩Mk整個葉片的轉(zhuǎn)動慣量為：此處F即Ar用matlab計算得：I= 26199kg·m當=90°時，科氏加速度最大，為k=20VR由matlab計算得：由動量矩定理知，葉片受到慣性力矩Mk的作用，這個力矩

16、稱為陀螺力矩，用matlab計算得：Mk=Ik= 133551N·m2、風輪載荷計算(1)、軸向誘導(dǎo)因子a=12(1-k),周向誘導(dǎo)因子b=12(h-1)則作用在風輪上的軸向推力可表示為：T=4V20Ra1-ardr=V20R(1-k2)rdr用matlab計算得：T= 935790N(2)作用在整個風輪上的轉(zhuǎn)矩可表示為：用matlab計算得：M= 4980888N·m3、主軸載荷計算低速軸角速度為：m=1.57rad/s高速軸角速度為：t=2nr60=2×150060=157.08rad/s低速軸功率為：Pm=Pr32312=50000.95×0.95

17、×30.922=5852kW高速軸功率為：Pt=Pr32=50000.95×0.95=2216kW低速軸轉(zhuǎn)矩為Tm=pmm=58520001.57=3727389N·m高速軸轉(zhuǎn)矩為：Tt=Ptt=2216000157.08=14107N·m低速軸直徑：DL=232Tmfs=232×3727389×55×106=0.702m高速軸直徑：DH=232Ttfs=232×14107×55×106=0.109m4、塔架載荷計算本機組的塔架采用等強度設(shè)計理論的錐形鋼筒結(jié)構(gòu)塔架。其由5段組成，段與段之間靠法蘭

18、連接，底最大直徑部為5m,頂部最小直徑為4m，筒體壁厚由最底部的30mm過渡到頂部的20mm。塔筒的總質(zhì)量為170t。作用在塔架上的載荷有以下幾類：1) 風輪等構(gòu)件承受的空氣動力載荷2) 重力和慣性載荷：由重力、振動、旋轉(zhuǎn)以及地震等引起的靜態(tài)和動態(tài)載荷。3) 操作載荷：在機組運行和控制過程中產(chǎn)生的載荷。如功率變化、偏航、變槳以及制動過程產(chǎn)生的載荷等。4) 其它載荷：諸如尾跡載荷、沖擊載荷、覆冰載荷等。5) 下面只討論與塔架結(jié)構(gòu)強度計算有關(guān)的兩種載荷，即由風輪作用的最大氣動推力以及塔架本身所承受最大風壓產(chǎn)生的載荷。、暴風工況的風輪氣動推力計算因為Vave>7m/s,所以取Vs=60m/s。

19、前蘇聯(lián)的法捷耶夫公式:Fas=0.784Abvs2B式中，Ab葉片的投影面積； Vs風輪中心處的暴風風速；葉片投影面積：Ab=AB其中為風輪實度，風輪實度與葉尖速比有關(guān)，=7時，近似認為=0.05?？伤愕茫篎as=1440kN荷蘭ECN的公式Fas=CtqAbBS式中，Ct推力系數(shù)，??； q動態(tài)風壓； 動態(tài)系數(shù)，??； S安全系數(shù)，取。q隨高度變化，風輪中心高度Zhub=70m處對應(yīng)的q=1120N/m2。求得：Fas=1543kN丹麥RIS公式Fas=PlAs式中，Pl風輪單位掃掠面積上的平均風壓，通常取Pl=300N/m2 As風輪的掃掠面積。算得Fas=3062k N5.5塔架根部截面應(yīng)力

20、計算塔架的受力分析如下圖塔架根部截面應(yīng)力可表示為：Fas考慮前面計算合理值，即Fas=1543kN，F(xiàn)ts是塔架受的風壓力H是塔架高度，即H=70m，h1是輪轂高度，由前面知道為h1=1.5m，W為塔架根部抗彎截面模數(shù)W=D3(1-(dD)4)32=×53×(1-(5-0.065)4)32=0.579m3A是塔架根部截面積，A=(D2-d2)4=(52-4.942)4=0.468m2G1是塔頂?shù)闹亓?，本機組塔頂重為180t，則：G1=10×180×1000=1.8×106N，G2是塔筒的重量，G2=175×10×1000=1

21、.75×106N是變截面塔架的長度折減系數(shù)，可根據(jù)圖10變截面塔架的長度折減系數(shù)來確定。=H式中:與塔架截面變化有關(guān)的折算長度修正系數(shù)，可根據(jù)JminJmax之比由下表的選擇參考設(shè)計值，JminJmax0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.651.451.331.241.181.141.101.061.031.00Jmin是塔架頂部截面慣性矩，由下式計算：Jmax是塔架底部截面慣性矩,由下式計算得：Jmax=D4(1-(dD)4)64=×54×(1-(5-0.065)4)64=1.446m4JminJmax=0.4951.446=0.34

22、2查表得=1.30-是塔架根部截面的慣性半徑，=JmaxA=1.4460.468=1.758m由以上可計算得=H=1.30×701.758=51.76查下圖所示曲線可知所以取=0.8。代入計算得：五、風電機組布局1、總體機艙結(jié)構(gòu)方案采用成熟的主流風機結(jié)構(gòu)布置，如下圖所示，可以有效減少機艙震動和有害載荷影響。2.主傳動系統(tǒng)布局本設(shè)計風電機組為雙饋型風力發(fā)電機組，現(xiàn)在其總體布置多為一字型結(jié)構(gòu)，一般為下圖所示的一字型布置： 3、偏航系統(tǒng)選用強制外置6電機偏航。4、變槳系統(tǒng)3葉片獨立變槳控制，結(jié)構(gòu)布置如下圖所示六、設(shè)計總結(jié)1、總體參數(shù)總體參數(shù)設(shè)計值總體參數(shù)設(shè)計值葉片數(shù)B=3風輪直徑D=114

23、m額定輸出功率P=5MW輪轂高度Zhub=70m設(shè)計壽命20年風能利用系數(shù)Cp=0.44切入風速Vin=3m/s葉尖速比=7切出風速Vout=25m/s功率控制方式主動變槳距控制額定風速Vr=13m/s制動形式氣動剎車、機械剎車風輪額定轉(zhuǎn)速nr=15r/min傳動系統(tǒng)高傳動比齒輪箱傳動風力機等級IECIIIA電氣系統(tǒng)雙饋發(fā)電機+變流器2、功率、氣動特性和載荷計算總結(jié)氣動特性攻角10°升力系數(shù)1.307阻力系數(shù)0.018發(fā)電機發(fā)電機額定功率5MW發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速1500r/min發(fā)電機軸直徑0.14m齒輪箱形式齒輪箱選用2級行星輪+1級平行軸齒輪齒輪箱傳動比100低速軸轉(zhuǎn)速15r/min

24、高速軸轉(zhuǎn)速1500r/min齒輪箱功率5694kW聯(lián)軸器低速軸聯(lián)軸器功率5852kW高速軸聯(lián)軸器功率5540kW變流器變流器功率2500kW偏航電機數(shù)量×偏航電機功率6×3kW葉片載荷離心力66760N風壓力284255N陀螺力矩133551N·m風壓力作用點距葉輪軸距離37.96m風輪載荷軸向推力935790N轉(zhuǎn)矩4980888N·m主軸載荷低速軸轉(zhuǎn)矩3727389N·m高速軸轉(zhuǎn)矩14107N·m低速軸直徑0.702m高速軸直徑0.109m塔架載荷作用在塔架上載荷Fas=1543kN作用在在塔架上風壓力Fts=694975N塔架根部截面應(yīng)力241.3MPa3、其余部分設(shè)計總結(jié)機組運行環(huán)境溫度-30°45°生存環(huán)境溫度-45°45°發(fā)電機輸出電壓690V頻率50Hz功率因數(shù)容性0.95感性0.9葉片空氣動力外形 63418翼型圓錐體葉尖1.5m 處預(yù)彎材料玻璃纖維增強樹脂控制系統(tǒng)控制方式PLC+遠程監(jiān)控塔筒類型鋼制錐形塔筒七、參考文獻1風力發(fā)電機組設(shè)計與制造. 華北電力大學, 姚興佳, 田德.校內(nèi)試用教材（第二版）2風力發(fā)電原理.華北電力大學.徐大平等著3風力機空氣動力學.華北電力大學校內(nèi)試用教材.賀德馨等著4XE115