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： m C V P D p r r 10495.096.095.045.012225.13500000

883

3

213≈⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==πηηηπρ 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：

22

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 t P t P sta t +=

)(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围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：

32123

8

1ηηπηρD V C P r P =

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；

——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；

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

风速（m/s） 3 4 5 6 7 8 9 10 11

功率（w）54744 129763 253444 437952 695452 1038109 1478090 2027558 2698680 风速（m/s）12 13 14 15 16 17 18 19 20

功率（w）3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 风速（m/s）21 22 23 24 25

功率（w）3500000 3500000 3500000 3500000 3500000

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 P -0λ曲线如图2。

图2 C P -0λ曲线

由C p -0λ曲线可得出0λ =7.5，则风轮额定转速可由下式计算得到：

min

/5.16104

125.76060300r D V n V Rn r r r

r

=⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=∴=

ππλπλ

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。

r

R λλ=

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

叶素位置/% 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 叶尖速比λ 0.375 0.750 1.125 1.500 1.875 2.250 2.625 3.000 3.375 3.750 叶素位置/% 55 60 65 70 75 80 85 90 95

100

叶尖速比λ 4.125

4.500

4.875

5.250

5.625

6.000

6.375

6.750

7.125 7．500

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6109.17-⨯=μ 76

1028.610

9.1752

12225.1⨯=⨯⨯⨯==

-μρi e VL R 根据所得雷诺数查得Cl/Cd 、Cl/alpha ，见图4