风力发电机设计与制造课程设计

一．总体参数设计

总体参数是设计风力发电机组总体结构和功能的基本参数，主要包括额定功率、发电机额定转速、风轮转速、设计寿命等。

1.额定功率、设计寿命

根据《设计任务书》选定额定功率P r=3.5MW；一般风力机组设计寿命至少为20年，这里选20年设计寿命。

2.切出风速、切入风速、额定风速

切入风速取 V in=3m/s

切出风速取 V out=25m/s

额定风速 V r=12m/s（对于一般变桨距风力发电机组（选 3.5MW）的额定风速与平均风速之比为 1.70左右,V r=1.70V ave=1.70×7.0≈12m/s）

3.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：

其中：

P r——风力发电机组额定输出功率，取3.5MW；

——空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m 3

；

V r ——额定风速，取12m/s ； D ——风轮直径；

1η——传动系统效率，取0.95；

2η——发电机效率，取0.96； 3η——变流器效率，取0.95；

C p ——额定功率下风能利用系数,取0.45。 由直径计算可得扫掠面积：

2

2

2

84824

1044

m D A =⨯=

=

ππ

综上可得风轮直径D=104m ，扫掠面积A=84822

m

4.

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：

)(t P ——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;

)(t P stat ——在给定时间段内

V(t)的平均值所对应的功率；

)(△t P ——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P stat(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：

η——传动系统效率，取0.95；

1

η——发电机效率，取0.96；

2

η——变流器效率，取0.95；

3

——空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m3；

V r——额定风速，取12m/s；

D——风轮直径；

C p——额定功率下风能利用系数,取0.45。

由以上公式，使用excel计算出不同风速对应的功率值,见表1

表1 风速功率关系

将得到的数据对绘制成静态风功率曲线，如图一

图1 P—v静态功率曲线

5.风轮额定转速

三叶片风力发电机组的风轮叶尖速比0λ一般在6至8之间，不同攻角下的风能利用系数随叶尖速比的变化曲线即C P0λ曲线如图。

图C P0λ曲线

由C p0λ曲线可得出0λ =7.5，则风轮额定转速可由下式计算得到：

6.叶片数

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。

7、功率控制方式、制动系统形式

功率控制方式选择主动变桨距控制；制动系统形式为第一制动采用气动刹车，第二制动采用高速轴机械刹车。

8、风力机等级

由IEC标准，如表2，选择风力机等级为IECIIIA。

表2 风机等级规范表

注：表中数据为轮毂高度处值，其中：A 表示较高湍流特性级；参考风速Vref 为10min 平均风速； B 表示中等湍流特性级；I 15风速为15m/s 时的湍流强度特性值。 C 表示较低湍流特性级；除表基本参数外，在风力发电机组设计中，还需要某些更重要的参数来规定外部条件。对风力发电机组IA～IIIC 级，统称为风力发电机组的标准等级。

阶段性总结表

二．叶片设计

1.

叶片材料选择

叶片选用T-700碳纤维，相比玻璃纤维，叶片密度较

小，发电效率更高，密度为3

/1800m kg 。

2.

计算各剖面的叶尖速比

将叶片分为20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63415翼型。根据下式求各叶素的叶尖速比λ。

叶素位置和叶尖速比数值见下表2：

表2 不同叶素位置的叶尖速比

3.

根据翼型确定叶片最佳攻角α，升力系数C l ，C d 风力机翼型为NACA63-415，图3

图3 NACA63-415翼型图

计算雷诺数Re

在20℃，压强为标准大气压101.325kPa 时，空气的动

力粘度6

109.17-⨯=μ

根据所得雷诺数查得Cl/Cd 、Cl/alpha ，见图4

图4C l -C d 曲线 和C l -alpha 曲线

图5 C l/C d ——alpha 图

从图中可以得出翼型取得最大升阻比时，最佳攻角

25.5=α，此时升力系数C l =0.9461，C d =0.00791，最佳升

阻比7

.118/=d l

C C

,本次设计选取最佳攻角

25.5=α，则升力

系数和阻力系数分别为C l =0.9461，C d =0.00791。叶片每个截面的升力系数相同，为C l =0.9461。

4.

叶片弦长计算步骤

通过下面的计算，可以得到沿叶片各径向位置r 上

的弦长C 和叶素桨距角β，即可完成叶片的初步设计，但要是想对叶片进一步优化，还需对翼型、叶根、叶尖风进行气动优化设计和工艺优化设计，在本次设计报告中，只对叶片作了初步设计。如下： （1）求ψ利用公式

（2）求轴向干扰因子k 利用公式 （3）求切向干扰因子h 利用公式