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。

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 in =3m/s 切出风速 取 V out =25m/s 额定风速 取 V r =13m/s
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左右，在70m 处： V r ==×≈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m 3； V r --额定风速，取13m/s ； D--风轮直径；
η1--传动系统效率，取；
η2--发电机效率，取；
η3--变流器效率，取；
C p--额定功率下风能利用系数,取。

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+.=
式中Z j—塔架高度；
Z t—塔顶平面到风轮扫掠中心高度。

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。

7、功率曲线和C t曲线
(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：
P(t)=P stat(t)+PΔ(t)
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：
P=1
C pη1η2η3ρπD2V3
式中：
η1--传动系统效率，取；
η2--发电机效率，取；
η3--变流器效率，取；
C p--额定功率下风能利用系数,取；
ρ--空气密度（一般取标准大气状态），取m3；D—风轮直径，取114m；
V —风速，单位m/s 。

由以上公式，使用excel 计算出不同风速对应的功率值, 将得到的数据对绘制成风速-功率曲线图, 该曲线图即是机组的静态功率曲线。

(2)、C t 曲线
计算并参考相关数据得到C t 曲线如下：
8、确定攻角?，升力系数C l ，叶尖速比?，风能利用系数C p
风力机翼型为63418,根据翼型的气动数据得到升阻比随攻角α变化的曲线见下图： 从图中可以得出翼型取得最佳升阻比时攻角5°，此时升力系数C l =，C d =本设计取攻角α=10°为，此时升力系数和阻力系数分别为C l =， C d =。

三叶片风力发电机组的风轮叶尖速比λ一般在6至8之间，本设计取7。

不同攻角下的风能利用系数随叶尖速比的变化曲线即C P ?λ曲线如图?，由C p ?λ曲线可得出C p =。

9、风轮额定转速
风轮额定转速可由下式计算得到：
n r =
60λV r πD
=
60×13×7π×114
=15r/min
10、功率控制方式：主动变桨距控制。

11、制动系统形式：第一制动采用气动刹车，第二制动采用高速轴机械刹车。

12、风力机等级
阶段性总结
1、计算各剖面的叶尖速比
将叶片分为10个叶素，每个叶素间隔，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63418翼型。

根据下式求各叶素的叶尖速比λ。

2⑴求ψ利用公式
⑵求轴向干扰因子k 利用公式 ⑶求切向干扰因子h 利用公式 ⑷求入流角φ利用公式 ⑸求叶素桨距角β
⑹计算叶片弦长C
叶片气动特性通过excel 计算，得到：
叶片根部处理方式：距叶根0 ~ 5m 处制作成直径为2m 的圆柱结构处理； 且根部采用钻孔组装式结构。

四、主要部件功率 1、发电机
发电机类型：双馈异步变速恒频发电机 额定功率：5MW 额定转速：1500r/min
发电机极对数为2，发电机主轴转矩T 发电机主轴为：
T 发电机主轴=9550×P r
n
r
×η=9550×5000
1500×0.95
=×103
·m 选择刚轴推荐最大扭剪应力：MPa f s 55= 则发电机的主轴直径D 发电机为：
D 发电机=2×√
2×T 发电机主轴
πf s
3
=2×√
2×33.51×103π×55×106
3
=
2、变流器
变流器功率通常为风力发电机组的1/2~1/3，为保证机组可靠性，通常为额定功率的1/2,所以变流器功率为2500kW 。

3、齿轮箱
方式：齿轮箱选用2级行星轮+1级平行轴齿轮； 低速轴转速：n l =15r/min ； 高速轴转速：n h =1500r/min 传动比：i=100 齿轮箱效率：√0.923
= 齿轮箱功率：
P GB =r
η
ηη3
=
0.95×0.95×√0.92
3
=5694kW
4、联轴器
低速轴联轴器功率：
P m =
P r
η3η2√η1
32
=
5000
0.95×0.95×√0.92
3
2
=5852kW
高速轴联轴器功率：
P r =P r
η
3η2
=5000
0.95×0.95=5540kW
5、偏航系统
类型：主动偏航
偏航轴承：4点接触球轴承 偏航驱动：6个3kW 偏航电机 偏航制动：液压控制摩擦制动 五、主要部件的载荷计算 1、叶片载荷计算
(1)、作用在叶片上的离心力F c
F c =ρy ω2∫A r R
r 0
rdr
其中旋转角速度ω由下式算得：
ω=2πn 60=2π×1560
=1.57rad/s
r 0—叶片起始处旋转半径，约为R 的1/20,即为 ρy —叶片的密度，为m 3 A r —叶素处的叶片截面积 用matlab 计算得：
F c =66760N
(2)、叶轮转动时的风压力：
F v =1ρV 2∫(1+ctg 2
I)(C l cosI +C d sinI)Cdr R
r 0
用matlab 计算得：
F v = 2842551N
F v 作用点距叶轮轴的距离为r m ，则有：
r m =
∫(1+ctg 2I)(C l cosI +C d sinI)Crdr
R
r 0
∫(1+
ctg 2I)(C l cosI +C d sinI)Cdr
R r 0
用matlab 计算得：
r m =
(3)、作用在叶片上的陀螺力矩M k 整个叶片的转动惯量为：
I =ρy ∫Fr 2R
r 0dr
此处F 即A r
用matlab 计算得：
I= 26199kg ·m
当β=90°时，科氏加速度最大，为
εk =
2Ωλ0V
R
由matlab 计算得：
由动量矩定理知，叶片受到惯性力矩M k 的作用，这个力矩称为陀螺力矩，用matlab 计算得：
M k =I εk = 133551N ·m
2、风轮载荷计算
(1)、轴向诱导因子a =1
2(1−k),周向诱导因子b =1
2(h −1) 则作用在风轮上的轴向推力可表示为：
T=4πρV 2∫a (1−a )rdr =πρV 2R
0∫(1−k 2)rdr R
用matlab 计算得：
T= 935790N
(2)作用在整个风轮上的转矩可表示为：
M =4πρΩV ∫b(1−a)r 3dr R
=πρΩV ∫(h −1)(k +1)r 3dr R
用matlab 计算得：
M= 4980888N ·m
3、主轴载荷计算 低速轴角速度为：
ωm =ω=1.57rad/s
高速轴角速度为：
ωt =
2πn r 60=2π×150060
=157.08rad/s 低速轴功率为：
P m =
P r η3η2√η1
32
=
5000
0.95×0.95×√0.92
3
2
=5852kW
高速轴功率为：
P t =P r
η
3η2
=5000
0.95×0.95=2216kW
低速轴转矩为
T m =p m ωm =58520001.57
=3727389N ·m
高速轴转矩为：
T t =
P t ωt =2216000
157.08
=14107N ·m 低速轴直径：
D L =2√2T m
πf s 3
=2√2×3727389π×55×106
3=0.702m
高速轴直径：
D H=2√2T t πf s
3
=2√
2×14107π×55×106
3
=0.109m
4、塔架载荷计算
本机组的塔架采用等强度设计理论的锥形钢筒结构塔架。

其由5段组成，段与段之间靠法兰连接，底最大直径部为5m,顶部最小直径为4m，筒体壁厚由最底部的30mm过渡到顶部的20mm。

塔筒的总质量为170t。

作用在塔架上的载荷有以下几类：
1)风轮等构件承受的空气动力载荷
2)重力和惯性载荷：由重力、振动、旋转以及地震等引起的静态和动态载荷。

3)操作载荷：在机组运行和控制过程中产生的载荷。

如功率变化、偏航、变桨以及制
动过程产生的载荷等。

4)其它载荷：诸如尾迹载荷、冲击载荷、覆冰载荷等。

5)下面只讨论与塔架结构强度计算有关的两种载荷，即由风轮作用的最大气动推力以
及塔架本身所承受最大风压产生的载荷。

⑴、暴风工况的风轮气动推力计算
因为V a ve>7m/s,所以取V s=60m/s。

前苏联的法捷耶夫公式:
F as=0.784A b v s2B
式中，A b——叶片的投影面积；
V s——风轮中心处的暴风风速；
叶片投影面积：
A b=
Aσ
其中σ为风轮实度，风轮实度与叶尖速比有关，λ=7时，近似认为σ=0.05。

可算得：
F as=1440kN
荷兰ECN的公式
F as=C t qA b BφS
式中，C t——推力系数，取 1.5
t
C=；
q——动态风压；
φ——动态系数，取 1.2
ϕ=；
S——安全系数，取 1.5
S=。

q随高度变化，风轮中心高度Z hub=70m处对应的q=1120N/m2。

求得：
F as=1543kN
丹麦RIS公式
F as=P l A s
式中，P l——风轮单位扫掠面积上的平均风压，通常取P l=300N/m2
A s——风轮的扫掠面积。

算得
F as=3062k N
塔架根部截面应力计算
塔架的受力分析如下图
塔架根部截面应力可表示为：
σ=F as(ℎ1+H)+F ts
H
2
W
×100+
(G1+G2)
φA
F as考虑前面计算合理值，即F as=1543kN，
F ts是塔架受的风压力
F ts=A
塔架×
1
2
×ρv2=
(4+5)×70
2
×
1
2
×1.225×602=694575N
H是塔架高度，即H=70m，
h1是轮毂高度，由前面知道为h1=，W为塔架根部抗弯截面模数
W=πD3(1−(
d
D)
4)
32
=
π×53×(1−(
5−0.06
5)
4)
32
=0.579m3
A是塔架根部截面积，
A=π(D2−d2)
4
=
π(52−4.942)
4
=0.468m2
G1是塔顶的重量，本机组塔顶重为180t，则：
G1=10×180×1000=1.8×106N
，
G2是塔筒的重量，
G2=175×10×1000=1.75×106N
φ是变截面塔架的长度折减系数，可根据图10变截面塔架的长度折减系数来确定。

λ=μH γ
式中:
μ−与塔架截面变化有关的折算长度修正系数，可根据J min
J max
之比由下表的选择参考设计
min
J min=πD4(1−(
d
顶
D
顶
)4)
=
π×44×(1−(
4−0.04
4)
4)
=0.495m4
J max是塔架底部截面惯性矩,由下式计算得：
J max=πD4(1−(
d
D)
4)
64
=
π×54×(1−(
5−0.06
5)
4)
64
=1.446m4
J min J max =0.495
1.446
=0.342 查表得μ=1.30
γ-是塔架根部截面的惯性半径，
γ=√J max =√1.446=1.758m 由以上可计算得
λ=
μH γ=1.30×701.758
=51.76 查下图所示曲线可知所以取φ=0.8。

代入计算得：
σ=F as (ℎ1+H )+F ts H
2W +(G 1+G 2)φA
=241.3MPa
五、风电机组布局
1、总体机舱结构方案
采用成熟的主流风机结构布置，如下图所示，可以有效减少机舱震动和有害载荷影响。

2.主传动系统布局
本设计风电机组为双馈型风力发电机组，现在其总体布置多为一字型结构，一般为下图所示的一字型布置： 3、偏航系统
选用强制外置6电机偏航。

4、变桨系统
3叶片独立变桨控制，结构布置如下图所示 六、设计总结
[1]《风力发电机组设计与制造》. 华北电力大学, 姚兴佳, 田德 校内试用教材（第二版）
[2]《风力发电原理》.华北电力大学.徐大平等着
[3]《风力机空气动力学》.华北电力大学校内试用教材.贺德馨等着
[4]《XE115-5MW海上风机技术规范》，湘电风能有限公司
[5]《大型风电机组功率曲线的分析与修正》. 浙江运达风力发电工程有限公司. 申新贺,
潘东浩, 唐继光
等。

八、附录
1、叶片设计和各部分载荷计算的MATLAB程序
clc
clear
D=ceil(sqrt(8*5e6/pi/(13^3)));
lambda=7;
n=lambda*60*13/pi/D;
a=[::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=atan((1-k)./(1+h)./b);
theta=I*180/pi-10;
C=8*pi*a.*(D/2).*(h-1).*cos(I)/3/./(h+1);
R=D/2;
r=a*R;
omega=lambda*13/R;
y1=r.*C*;
Fc=*^2*trapz(r,y1);
cl=;
cd=;
y2=(1+(1./tan(I)).^2).*(cl*cos(I)+cd*sin(I)).*C; Fv2=1/2**13^2*trapz(r,y2);
y3=y2.*r;
Rm2=trapz(r,y3)./trapz(r,y2);
J=Fc/omega^2;
epsilon=2*omega*lambda*13/R;
Mk=J*epsilon;
r1=[0,r];
a1=[,a];
b1=lambda*a1;
psi1=1/3*atan(b1)+pi/3;
k1=sqrt(b1.^2+1).*cos(psi1);
y4=(1-k1.^2).*r1;
T=pi**13^2*trapz(r1,y4);
h1=sqrt((1-k1.^2)./b1.^2+1);
y5=(h1-1).*(k1+1).*r1.^3;
M=pi**omega*13*trapz(r1,y5);。