风力发电机组设计与制造课程设计

风力发电机组设计与制

造课程设计

IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】

课程设计(综合实验)报告

(2012–2013年度第二学期)

名称：

院系：

班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

设计周数：

成绩：

日期：2013年7月3日

目录

任务书

设计内容

风电机组总体技术设计

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。

6.每人撰写一份课程设计报告。

主要内容

每人选择功率范围在至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s，60米高度年平均风速为s，70米高度年平均风速为s，当地历史最大风速为49m/s，用户希望安装至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。

进度计划

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。

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。

总体参数设计

额定功率

根据《设计任务书》要求，选择进行设计。

设计寿命

风力发电机组安全等级Ⅰ~Ⅲ的设计寿命至少为20年。故设计寿命为20年。

额定风速、切入风速、切除风速

切入风速V in=3m/s；

额定风速V r=13m/s；

切除风速V out=25m/s。

重要几何尺寸

风轮直径和扫掠面积

风轮直径决定机组在多大的范围内获取风中蕴含的能量。直径应根据不同风况与额定功率匹配，以获得最大的年发电量和最低的发电成本。风轮直径有下述简单计算公式：

D=√

8P r

C pρv r3πη1η2

=√

8×2500000

0.44×1.225×133×π×0.95×0.91

=78.7m

式中

P r——额定输出功率，取；

η1——主传动系统的总效率，取；

η2——发电系统效率，发电机效率取，变流器效率取；

C p——风能利用系数，取；

ρ——空气密度，取m3；

v r——额定风速，13m/s。

扫掠面积A=π×D 2

4=π×78.72

4

=4864m2。

轮毂高度

塔架高度取60m。

轮毂高度zℎub=z t+H=2.25+60=62.25m。

式中

z t——塔顶平面到风轮扫掠面中心的距离，取;

H——塔架高度。

总质量

机舱和风轮等总质量为m1=174t，塔架质量取160t。

发电机额定转速和转速范围

采用双馈异步发电机，极对数p=2，额定转速由下式求出

n1=60×f1

p

=1500r/min

双馈异步机转速范围(1±30%)n1。

叶片数B

叶片数B取3，三叶片风电机组有其显着的优势，是目前风电市场主流。功率曲线和Ct曲线

功率曲线

由于风速具有波动的特征，所以功率曲线也会有细微波动，此处采取平均风速绘制功率曲线。风速未达到切入风速的时候，P=0；风速达到切入风速之后，机组启动，以最大C p捕捉风能；达到额定风速后，采取控制策略，限制功率在额定功率附近。

P={0 1 2

Pr C pρ

πD2

4

v3η1η2−C

v≤3m/s

3m/s

13m/s

式中C为考虑到实际情况的常数。

曲线绘制见图1。

Ct曲线

通过C p求出轴向气流诱导因子a，再由a求出C t，得到Ct曲线如图2，但是考虑到其他因素和实际情况，和某风电机组C t的试验结果（见图3）相比，趋势相同，数值不一样。

C p=4a(1−a)2

C t=4a(1−a)

确定攻角α，升力系数C L，叶尖速比λ，风能利用系数C p

根据已知翼型数据，求出升阻比，绘制升阻比曲线见图4，发现α为5°时，C L/C D 取到最大值，此处选取α为10°，升阻比C L/C D为；叶尖速比λ大概为7，风能利用系数C p风速的关系，由于假设是变速风机，额定值前捕捉最大风能，C p保持，当达到额定以后，C p下降，见图5，实际上，双馈异步机转速范围为(1±30%)n1，额定值前有一段C p是上升过程，图6为某风电机组C p的试验结果，对比发现，趋势是相同的。

风轮转速

风轮转速n0=60×λ×v r

π×D =60×7×13

78.7π

=22r/min，齿轮箱传动比约为68。