风力发电机组设计与制造课程设计报告

《风力发电机组设计与制造》

课程设计报告

院系：可再生能源学院

班级：风能0902班

姓名：陈建宏

学号

指导老师：田德、王永

提交日期：

一、设计任务书

1、设计内容

风电机组总体技术设计

2、目的与任务

主要目的：

1)以大型水平轴风力机为研究对象，掌握系统的总体设计方法；

2)熟悉相关的工程设计软件；

3)掌握科研报告的撰写方法。

主要任务：

每位同学独立完成风电机组总体技术设计，包括：

1)确定风电机组的总体技术参数；

2)关键零部件（齿轮箱、发电机和变流器）技术参数；

3)计算关键零部件（叶片、风轮、主轴、连轴器和塔架等）载荷和技术参数；

4)完成叶片设计任务；

5)确定塔架的设计方案。

每人撰写一份课程设计报告。

3、主要内容

每人选择功率范围在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7.6 m/s，当地历史最大风速为48m/s，用户希望安装1.5 MW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C

p 曲线和C

t

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、电气系统、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C

p 曲线和C

t

曲线，计算几种关键

零部件的载荷（叶片载荷、风轮载荷、主轴载荷、连轴器载荷和塔架载荷等）；根据载荷和功率确定所选定机型主要部件的技术参数（齿轮箱、发电机、变流器、连轴器、偏航和变桨距电机等）和型式。以上内容建议用计算机编程实现，确定整机和各部件（系统）的主要技术参数。

（3）塔架根部截面应力计算。计算暴风工况下风轮的气动推力，参考风电机组的整体设计参数，计算塔架根部截面的应力。最后提交有关的分析计算报告。

4、进度计划

5、设计（实验）成果要求

提供设计的风电机组的性能计算结果；

绘制整机总体布局工程图。

6、考核方式

每人提交一份课程设计报告；准备课程设计PPT，答辩。

二、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 V

=3m/s

in

=25m/s

切出风速取 V

out

额定风速取 V

=13m/s

r

对于一般变桨距风力发电机组（选5MW）的额定风速羽平均风速之比为1.70左右，在70m处：

V

r =1.70V

ave

=1.70×7.6≈13m/s

4、发电机额定转速和转速范围

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：

=√8×5000000

1.225×133×π×0.42×0.92×0.95×0.95

=114m 其中：

P

r

--风力发电机组额定输出功率，取5000kW；

ρ--空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m3；

V

r

--额定风速，取13m/s；

D--风轮直径；

η1--传动系统效率，取0.92；

η2--发电机效率，取0.95；

η3--变流器效率，取0.95；

C

p

--额定功率下风能利用系数,取0.44。

由直径计算可得扫掠面积：

S=πD 2

4=π×114

2

4

=10207m2

综上可得风轮直径D=114m，扫掠面积S=10207m2。（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Z

hub

表示

Z hub =Z

t

+Z

j

=70+2.25.=72.25m

式中Z

j

—塔架高度；

Z

—塔顶平面到风轮扫掠中心高度。

t

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。

曲线

7、功率曲线和C

t

(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：

(t)+PΔ(t)

P(t)=P

stat

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;

P stat(t)--在给定时间段内V(t)的平均值所对应的功率；

PΔ(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：