《风力发电机组设计与制造》课程设计报告_图文
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：1091540204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。
风力发电机组设计与制造 学习
第一章、绪论1、风力发电机组的组成风力发电机组可分为风轮、机舱、塔架和基础几个部分。
（1）风轮由叶片和轮毂组成。
叶片具有空气动力外形，在气流作用下产生力矩驱动风轮转动，通过轮毂将扭矩输入到主传动系统。
（2）机舱由底盘、导流罩和机舱罩组成，底盘上安装除主控制器以外的主要部件。
机舱罩后部的上方装有风速和风向传感器，舱壁上有隔音和通风装置等，机舱底部与塔架连接。
（3）塔架支撑风轮与机舱达到所需要的高度。
塔架上安置发电机与主控制器之间的动力电缆、控制和通信电缆，还装有供操作人员上下机舱的扶梯，大型机组还设有升降机。
（4）基础为钢筋混凝土结构，根据当地地质情况设计成不同的形式。
基础中心预置有于塔架连接的基础部件，以保证将风力发电机组牢牢固定在基础上。
基础周围还设置预防雷击的接地装置。
2、变桨距、变速型的风力发电机组内部结构（1）变桨距系统：设在轮毂之中，对于电动变距系统来说，包括变距电动机、变距减速器、变距轴承、变距控制器和备用电源等。
（2）发电系统：包括发电机、变流器等。
（3）主传动系统：包括主轴及主轴承、齿轮箱、高速轴和联轴器等。
（4）偏航系统：由偏航电动机、偏航减速器、偏航轴承、制动机构等组成。
（5）控制与安全系统：包括传感器、电气设备、计算机控制与安全系统（含相应软件和控制欲安全系统执行机构等）。
此外，还设有液压系统，为高速轴上设置的制动装置、偏航制动装置提供液压动力。
液压系统包括液压站、输油管和执行机构。
为了实现齿轮箱、发电机、变流器的温度控制，设有循环油冷却系统、风扇和加热器。
3、风力发电机组的分类：（1）按功率大小：a微型（0.1~1kw）；b小型（1~100kw）；c中型（100~1000kw）；d大型（1000kw以上）。
（2）按风轮轴方向：a水平轴风力发电机组（随风轮与塔架相对位置的不同而有上风向与下风向之分。
风轮在塔架的前面迎风旋转，叫做上风向风力发电机组；风轮安装在塔架后面，风先经过塔架，再到风轮，则称为下风向风力发电机组。
风力发电场课程设计报告
综合实验报告( 2013 -- 2014 年度第1学期)名称：《风力发电场》课程设计院系：可再生能源学院班级：风能1001班学号：1101540115学生姓名：孙莹指导教师：韩爽刘永前设计周数：2周成绩：提交日期：2014 年1月15 日一．课程设计目的与要求1.设计目的通过使用WAsP、WindFarmer等软件，掌握风电场风能资源评估、微观选址原理及方法。
2.设计任务使用W AsP软件进行风资源评估及发电量计算；选择3个区域划定边界，分别进行风资源评估与布机；在上述3个区域内，结合测风塔的选址原则，分别树立测风塔，并在测风塔所在地设置障碍物及粗糙度；使用W AsP软件进行风资源评估及发电量计算；生成风图谱报告，并手算一个扇区数据，与之对比；计算出选定区域的风速分布图及风功率分布图；计算出测风塔所在区域的风图谱；结合微观选址原则，在选定区域安装至少20台风电机组（自己生成功率曲线和推力曲线文件），计算发电量；使用WindFarmer软件进行优化布机；选择上述3个区域中的一个，使用WindFarmer软件进行优化布机，并计算发电量，与W AsP中的结果进行比较；3.设计要求掌握风资源评估和微观选址的基本原理和方法掌握上述软件的使用方法独立撰写设计报告二．实验内容1.插入风图谱，建立气象站；2.选择气象站，插入观测风气候，以及障碍组；如图：3.插入矢量地图并进行气象站定位；4.建立风机站并选择风机；（风机定位）（风资源）（所选机型）5.建立风场；Site description X-location[m]Y-location[m]Elev.[m]RIX[%]d.RIX[%]Height.[m]Speed[m/s]GrossAEP[GWh]Net AEP[GWh]Turbine site 00220389284625982139500507.45 2.966 2.894Turbine site 00320389434624112139900507.39 2.922 2.87Turbine site 00420387544624214140000507.39 2.917 2.886Turbine site 00520386544626440139900507.45 2.97 2.947Turbine site 00620389364627035139700507.46 2.976 2.905Turbine site 00720388414628514139900507.46 2.975 2.942Turbine site 00820389404627970139800507.46 2.976 2.914Turbine site 00920389334625013138200507.34 2.885 2.815Turbine site 010*******4627528139900507.46 2.975 2.92Turbine site 01120387444627868140000507.45 2.968 2.931Turbine site 01220386564627426140000507.45 2.963 2.947Turbine site 01320387494625081140000507.43 2.952 2.901Turbine site 01420388434625302139800507.44 2.96 2.892Turbine site 01520387514626780139900507.46 2.97 2.924Turbine site 01620386524625540140000507.44 2.959 2.94Turbine site 01720389464629007139900507.47 2.981 2.947Turbine site 01820386424624571140000507.41 2.934 2.927Turbine site 01920388554626508139800507.46 2.972 2.909Turbine site 020*******4624333139900507.41 2.934 2.88风电场1风电场2风电场3风电场1风电场2风电场3 6.选择栅格（坐标转换）7.风资源风电场1 风电场2风电场38.年发电量三．三个风电场布局，尾流影响及年发电量的对比：风电场1：所选机型 Bonus 1MWAEP尾流损失风功率密度风电场2：所选机型Vestas 1650kwAEP风功率密度风电场3：所选机型 Vestas 1500KWAEP尾流损失风功率密度四．扇区手动计算（选择第三扇区：33.75°-56.25°）vi pi xi yi p0.5-1.5 0.031055901 0 -3.456233744 0.0190217391.5-2.5 0.093167702 0.693147181 -2.324853777 0.3043478262.5-3.5 0.183229814 1.098612289 -1.597521627 1.4894021743.5-4.5 0.313664596 1.386294361 -0.977132515.1130434784.5-5.5 0.51863354 1.609437912 -0.313168881 15.692934785.5-6.5 0.680124224 1.791759469 0.130872599 21.365217396.5-7.5 0.810559006 1.945910149 0.509030623 27.402717397.5-8.5 0.881987578 2.079441542 0.759386779 22.48.5-9.5 0.940993789 2.197224577 1.040316487 26.347010879.5-10.5 0.972049689 2.302585093 1.274615865 19.0217391310.5-11.5 0.98757764 2.397895273 1.478932152 12.6589673911.5-12.5 0.99068323 2.48490665 1.542430053 3.28695652212.5-13.5 0.99689441 2.564949357 1.753460599 8.35815217413.5-14.5 1 2.63905733 5.219565217 计算结果：C=6.06；k=1.93；v=5.60m/s ；p=168.68 w/m^2对比：五、WindFarmer优化布机本次课程设计选择A区域的文件导入WindFarmer进行优化优化步骤1)将地图文件（map）导入WindFarmer中2)将WasP软件生成的wrg文件导入3)导入WAsP生成的tab文件建立关联，提高精确度。
《风力发电机组设计与制造》姚兴佳 第5章
3. 轴系的连接构件
为实现机组传动链部件间的转矩传递，传动链的轴系还需要设置必要的连接构件。
5.1.3主传动链齿轮传动特点与设计要求
齿轮箱的功能：将风轮所产生的转矩传递到发电机，并使其得到相应的转速。
1.传动条件 风电机组齿轮箱是一种大传动比、大功率的增速传动装置，需要承受多变的风
载荷作用及强阵风的冲击，且对运行可靠性和使用寿命的要求比一般机械要高得 多，通常要求设计寿命为20年。设计过程往往难以确定齿轮箱所承受的动态载荷， 在很大程度上也是齿轮箱故障的诱因。
5.1.1 主传动链的布局要求
风电机组的主传动链是指将风轮轴功率传递到发电机系统所需的机构。 典型的主传动链包括了风轮主轴系统、增速传动机构（齿轮箱）、以及轴系的 支撑与连接（如轴承、联轴器）和制动装置等。
主传动链中的主轴（也称低速轴）连接风轮和齿轮箱的输入轴，高速轴 连接齿轮箱输出端与发电机。
1．传动链布局设计的要求 传动链的布局形式对机组传动系统和机舱设计有决定性的影响，组成主
i 1 k n n k 1 1 m 从 从 1 1 轮 轮 到 到 k k 轮 轮 之 之 间 间 所 所 有 有 从 主 动 动 轮 轮 齿 齿 数 数 的 的 连 连 乘 乘 积 积 n 1 —首个齿轮的转速
n k —末轮的转速
k —定轴轮系中的齿轮数量
定轴轮系的传递比计算算例：
《风力发电机组设计与制造》
第5章主传动系统设计
5.1 主传动链设计概述
5.1.1 主传动链的布局形式
1. 机舱底盘 2. 变桨距驱动器 3. 风轮轴 4. 风轮叶片 5. 轮毂 6. 变桨距机构 7.主轴承 8. 齿轮 箱 9. 制动装置 10. 高速轴 11. 发电机 12. 测风系统 13. 液压系统 14. 电气控制系统
风力发电机组设计与制造
2 天全体成员 2 天全体成员 1 天全体成员 1 天全体成员
5 天分工负责，选作 2 天全体成员 1 天全体成员
主要参考 资料
[1] Wind Energy Handbook. John Wiley & Sons Ltd. JOHN WILEY. Tony Burdon, David
Sharpe, Nick Jenkins. [2] 理想风力机理论与叶片函数化设计.科学出版社.姜海波. [3]风能技术(第二版).科学出版社. JOHN WILEY. Tony Burdon, David Sharpe, Nick Jenkins.武鑫.译 [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 [6] 《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） [7] 《风力发电原理》.华北电力大学.徐大平等著 [8] 《风力机空气动力学》.华北电力大学校内试用教材.贺德馨等著
和各零部件的主要技术参数。
c) 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。提交有关的分析计算报告。
d) 学习叶片理论，对选取的叶片进行理论分析与计算；用 Solidworks 画整机 3D 模型；
购买和自己动手制作组装整机模型；进行气动方面的实验。
5. 设计（实验）成果要求
新能源 1201 课程设计
1. 额定功率及种类
根据《设计任务书》选定额定功率为 5MW 级别的双馈变速恒频式风力发电机组。
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。
风力发电机组设计与制造姚兴佳第4章ppt课件
3. 尖速比 表示风力机性能的数值称为T.S.R(Tip Speed
Ratio)，它定义为风力机叶片叶尖速度和风 速的比值，称为叶尖速度比（或高速性能 系数），简称尖速比。
4. 推力系数 由压力降产生的作用于制动盘的作用力被无量
纲为一化后给出推力系数定义
CT
F
1 2
v
2
Ad
CT 4a1a
风能利用系数和推力系数随的变化曲线如图所 示。
应根据以下规则选择翼型：对于低速风轮， 由于叶片数较多，不需要特殊的翼型升阻比； 对于高速风轮，由于叶片数较少，应当选用在 很宽的风速范围内具有较高升阻比和平稳失速 特性的翼型，对粗糙度不敏感，以便获得较高 的功率系数；另外要求翼型的气动噪声低。
为深入学习习近平新时代中国特色社 会主义 思想和 党的十 九大精 神,贯彻 全国教 育大会 精神,充 分发挥 中小学 图书室 育人功 能
式中 W——叶片轴根部的抗弯截面系数， 单位是m3；
A——叶片轴根部的截面积，单位是 m2； （2）水平位置时叶片轴强度的计算 由图4-9位置Ⅱ可得出叶片轴根部最大正应力为
m a x M b G rc2 F vrm 2 /W F c/A
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由于风轮的噪声与风轮转速直接相关，大型风力发电机组应尽量降低 风轮转速；
风轮的费用约占风力发电机组总造价的20~30%，而且它至少应该具 有20年的设计寿命。
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4.1.1 叶片的基本概念
风力发电机组设计与制造
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制造设备：包括切割机、焊接机、 磨床、钻床等，用于加工和制造风 力发电机组的各个部件。
质量检测设备：包括检测仪、测量 仪等，用于检测风力发电机组的质 量和性能。
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制造设施：包括厂房、生产线、仓 库等，用于提供生产和存储所需的 场地和设施。
组装设备：包括起重机、输送机等， 用于将各个部件组装成完整的发电 机组。
设计优化
提升风能利用率：优化叶片设计， 提高捕捉风能的能力
增强稳定性：加强机组结构设计， 提高抗风能力
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பைடு நூலகம்
降低噪音：设计低噪音发电机组， 减少对周围环境的影响
延长寿命：选用优质材料，合理设 计维护通道，方便维修和保养
风力发电机组制 造
制造工艺
叶片制造：采用高强度材料，经过精密成型和表面处理，确保叶片的轻巧与坚固
风力发电机组设计与制 造
汇报人：
目录
风力发电机组设计
01
风力发电机组制造
02
风力发电机组性能测试与 评估
03
风力发电机组维护与检修
04
风力发电机组设计与制造 中的挑战与对策
05
风力发电机组设 计
设计原理
利用风能发电的原理
结合机械、电气等专业知识
添加标题
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考虑风向、风速等自然条件
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风力发电机组维 护与检修
维护检修的重要性
保障风力发电机组的正常运行， 预防设备故障和事故发生。
提高风力发电机组的使用寿命， 降低维护成本。
确保风力发电机组在规定时间 内发电，提高能源利用效率。
风力发电机组设计制造课程设计
风力发电机组设计制造课程设计
一、课程设计目的
本课程设计旨在让学生通过对风力发电机组设计制造的实践操作，深入掌握风力发电机组的原理和结构，了解风力发电机组的设计流程和制造工艺，提高学生的工程实践能力和综合素质。
二、课程设计内容
1. 风力发电机组设计流程的学习和掌握，包括制定设计方案、进行初步设计、进行详细设计、进行制造和测试等环节。
2. 风力发电机组的结构和原理的学习和掌握，包括风轮、主轴、变速箱、发电机、控制系统等部分的设计和制造。
3. 风力发电机组的制造工艺的学习和掌握，包括材料选择、加工、装配、测试等环节。
4. 风力发电机组的实验操作，包括组装、调试、测试等环节，对风力发电机组的性能进行评估和分析。
三、课程设计要求
1. 学生需要在指导老师的指导下，独立完成风力发电机组的设计和制造。
2. 学生需要按照设计流程，制定设计方案、进行初步设计、进行详细设计、进行制造和测试等环节。
3. 学生需要掌握风力发电机组的结构和原理，包括风轮、主轴、变速箱、发电机、控制系统等部分的设计和制造。
4. 学生需要掌握风力发电机组的制造工艺，包括材料选择、加工、装配、测试等环节。
5. 学生需要按照实验要求，组装、调试、测试风力发电机组，对其性能进行评估和分析。
四、课程设计评分标准
1. 设计方案：10分
2. 初步设计：20分
3. 详细设计：30分
4. 制造和测试：30分
5. 实验操作：10分总分：100分。
风力发电机组设计与制造讲解
引入切向诱导因子h=(Ω+ω)/Ω ,其中 是风轮转 速。则，比较小时，可认为上式依然成 立，因此
dM vr31 k h 1dr
从而可知，在r~r+dr环域上，气流所提供的功 率为
dP dM v2r31 k h 1dr
叶素理论
①轴向风速
②气流相对叶片的角速 度为
v (1 k)v / 2 ( / 2) (1 h) / 2
dF rv(v2 v22 )dr
联立（2-1）、（2-5）两式，可得
v v v2 / 2
引入轴向诱导因子 k=v2/v∞
v 1 k v / 2
dF v2 (1 k 2 )dr
气流经过风轮后，除轴向速度会发生变化以 外，还将产生与风轮转动方向相反的旋 转角速度ω，因而作用在叶轮r~r+dr环域 上的转矩为
0.14
• C Iref(-)
0.12
• vref=5*v=5*7.6=38m/s,故风力发电机组等级可选为 IIIA等级
机型主要部件的功率
变流器 额定功率
P 2000
Pr
3
0.95
2105 kW
发电机 额定功率
Pr
P
2 3
2000 0.97 0.95
2170 kW
发电机
• 额定功率2170kW • 额定电压 690v • 额定频率 50Hz • 额定转速1800rpm • 转速范围 1000-2000rpm • 定子额定电流 1035A • 转子额定电流 382A • 形式 4极双馈异步电机 • 绝缘等级 F • 效率 97% • 重量 6.8t
设 r / v，则
coL
1 2
Cw2Cl dr
《风力发电机组设计与制造》姚兴佳 第1章
3. 先进性 在风力发电机组的设计中技术起点要高，要采用新技术、新材料、新工 艺以保证风力发电机既能达到设计要求的指标，又能兼顾经济性能。使风力 发电机组结构简单、操作方便、易于维护、运行可靠、寿命长、安全性能好、 成本低，各项技术、经济指标得到尽可能完美的实现。 但是，也要注意采取可靠技术，不能采用未经试验证明的不成熟技术，以避 免造成损失和失败。 4．工艺性和易维修性 在设计中，应尽可能使零部件易于加工和组装，整机组装之后，应易于 检查和更换零部件。应该为维护和修理预留必要的空间。 应该注重外形设计，使整机和主要零部件造型美观。
1.3设计原则与内容
1.3.1 设计原则
1.可靠性 可靠性表示系统、机器或零件等在规定时间内能稳定工作的程度或性质。它 是风力发电机组基本质量标志，是产品质量重要组成部分。可靠性是来自设 计、制造和使用维护。设计可靠性是影响产品可靠性的重要因素。 2. 经济性与社会效益 经济性包括风力发电机组制造企业的制造成本、用户运行与维护等使用成本 及发电成本。社会效益是指风力发电机组在制造、使用过程中对环境的影响， 劳动力就业，人民生活的改善和提高等方面的效益。
1. 基本形式 水平轴与垂直轴、叶片数（2、3、4、5）、上风向与下风向、定桨与变桨、恒速恒 频与变速恒频 2. 基本参数 额定功率；转速范围；总功率；设计寿命；生产成本 3. 外部条件 运行环境条件、电网条件和风场的地质情况
1.2.2 设计内容
1.风电机组的外观图 整体结构并标注了主要尺寸，同时用文字注明了设备的技术特征。 。 2. 部件图 各层次安装工作的指导图样，表示各零件之间的装配关系、配合公差、轮廓尺 寸、装配技术条件和标题栏等。 3.零件图 生产零件的依据，包括零件的结构和形状、尺寸、粗糙度和几何公差、材料及表 面处理、技术条件、标题栏等。 4.设计文件 详细描述了机组设计、制造、装配、运行维护过程的理念、标准、理论依据、 方法和技术要求，用于设计部门存档、指导装配和安装、指导用户的维护作业 和指导维修人员的维修作业。
《风力发电机组设计与制造》课程设计报告剖析
《风力发电机组设计与制造》课程设计报告一、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。
风力发电机组设计与制造(课堂汇报)
风力发电机的类型
风力机的种类式样很多，但由于风力机将风能转变为机械能的主要 部件是受风力作用而旋转的风轮，因此，风力机依风轮的结构及其 在气流中的位置大体分为两大类： ① 水平轴风力机 ② 垂直轴风力机
水平轴风力机简介
水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转，工作时，风轮的旋转平面与风 向垂直，风轮上的叶片是径向安置的，与旋转轴相垂直，用于风力发电的 风力机一般叶片数取1-4片，叶片数多的风力机通常称为低俗风力机，它 在低俗运行时，有较高的风能利用系数和较大的转矩。它的起动力矩大， 起动风速低，因而适用于提水。叶片数少的风力机通常称为高速风力机。 它在高速运行时有较高的风能利用系数，但起动风速较高。由于其叶片数 很少，在输出同样功率的条件下比低速风轮要轻得多，因此适用于发电。
风力风力发电机组偏航过程的规划 偏航设计载荷的确定 偏航驱动机构设计 偏航制动机构设计
风力机发电机组偏航过程的规划
大型风力发电机组都采用主动偏航。以下举例说明偏航操作应该实 现的主要功能： （1）自动偏航功能
当偏航系统收到中心控制器发出的需要自动偏航信号后，连续 3min时间内检测风向情况，若风向确定，同时机舱不处于对风位置， 松开偏航制动，起动偏航电动机运转，开始偏航对风程序，同时偏 航计时器开始工作。根据机舱所要偏转的角度，使风轮轴线方向与 风向基本一致。 （2）手动偏航功能
作用在偏航轴承上的径向力为
Fr Fy2 Fx2
作用在偏航轴承上的轴向力为
Fa Fz FN
MD
MW
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- FyxR
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风力发电机组设计与制造课程设计报告书
课程设计（综合实验）报告名称：风力发电机设计制造题目：风力发电机组整体技术设计目录课程设计任务书0第一章风力发电机组总体参数设计41.1 额定41.2 设计41.3 切出风速、切入风速、额定风速41.4 发电机额定转速及转速范围41.5 重要的几何尺寸51.5.1 转子直径和扫过面积51.5.2 轮毂61.6 刀片数量61.7 风轮转速71.8功率曲线、Cp曲线、Ct曲线、攻角ɑ87载荷计算18课程设计作业书一、设计内容风机整体技术设计二、宗旨与任务主要目的：1、以大型水平轴风力发电机组为研究对象，掌握系统整体设计方法；2、熟悉相关工程设计软件；3.掌握撰写研究报告的方法。
主要任务：每个学生独立完成风机的整体技术设计，包括：1、确定风机整体技术参数；2、关键部件（齿轮箱、发电机、变流器）的技术参数；3、计算关键部件（叶片、转子、主轴、联轴器、塔架等）的载荷及技术参数；4、完成叶片设计任务；5. 确定塔的设计。
6. 每个人写一份课程设计报告。
三、主要内容每个人选择功率范围在 1.5MW 到 6MW 之间的风力涡轮机进行设计。
1）原始参数：风机安装地点50米高处年平均风速为7.0m/s，60米处年平均风速为7.3m/s，60米处年平均风速为7.3m/s， 70米为7.6m/s，当地历史最大风速为49m/s，用户想安装1.5-6MW的风机。
使用63418翼型，63418翼型的升力系数和阻力系数数据如表1所示。
空气密度设置为1.225 kg/m 3 。
2) 设计内容(1) 该参数包括叶片数、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、制动系统形式和塔筒高度等。
风机等级按标准确定；(2) 关键部件气动载荷计算。
设置多台风机的C p曲线和C t曲线，计算几个关键部件的载荷（叶片载荷、转子载荷、主轴载荷、联轴器载荷和塔架载荷等）；根据负载和功率确定所选型号的主要部件的技术参数（齿轮箱、发电机、变流器、联轴器、偏航和变桨电机等）和类型。
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《风力发电机组设计与制造》课程设计报告一、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4 塔架根部截面应力计算 1天5 报告撰写 1.5天6 课程设计答辩1.5天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 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 ）的额定风速与平均风速之比为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：D=3r p 1238P V C rπρηηη==114m其中：P r--风力发电机组额定输出功率，取5000kW；--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；--传动系统效率，取0.92；--发电机效率，取0.95；--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===10207综上可得风轮直径D=114m，扫掠面积S=10207。
（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 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)+(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；(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：式中：--传动系统效率，取0.92；--发电机效率，取0.95；--变流器效率，取0.95；C p--额定功率下风能利用系数,取0.44；--空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/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α，升力系数C l，叶尖速比λ，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，此时升力系数C l=0.904，C d=0.007本设计取攻角为，此时升力系数和阻力系数分别为C l=1.307，C d=0.018。
三叶片风力发电机组的风轮叶尖速比一般在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-曲线如图1，由C p-曲线可得出C p=0.44。
9、风轮额定转速风轮额定转速可由下式计算得到：n r ===15r/min10、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、风力机等级由IEC 标准，如下表，选择风力机等级为IECIIIA 。
WTGS 等级 I II III IV Sv ref [m/s] 50 42.5 37.5 30 由设计者规定各参数v ave [m/s] 10 8.5 7.5 AI 15 0.18 0.18 0.18 0.18 a2 2 2 2 BI 15 0.16 0.16 0.16 0.16 a3333阶段性总结总体参数 设计值 总体参数 设计值 叶片数 B=3 风轮直径 D=114m 额定输出功率 P=5MW 轮毂高度 Z hub =70m 设计寿命 20年 风能利用系数 C p =0.44切入风速 V in=3m/s 叶尖速比切出风速 V out =25m/s 功率控制方式 主动变桨距控制 额定风速V r =13m/s制动形式气动刹车、机械刹车风轮额定转速n r =15r/min传动系统高传动比齿轮箱传动风力机等级IECIIIA电气系统双馈发电机+变流器三、叶片气动优化设计 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63418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、叶片攻角及弦长优化设计计算步骤 ⑴求ψ利用公式3arctan 31πλ+=ψ⑵求轴向干扰因子k 利用公式k =ψ⑶求切向干扰因子h 利用公式h =⑷求入流角φ利用公式)11cot(kharc ++=λφ⑸求叶素桨距角βαφβ-=⑹计算叶片弦长C)1(cos )1(8+-=h BC h r C l φπ叶片气动特性通过excel 计算，得到：位置%半径r(m/s)叶尖速比λyk h j βC(修正后)0.050 2.8500.350 1.1590.424 2.7750.8230.648 5.8420.100 5.7000.700 1.2510.384 1.6550.6400.4667.2320.1508.550 1.050 1.3170.364 1.3370.5070.333 6.9030.20011.400 1.400 1.3640.353 1.2030.4130.239 6.1580.25014.250 1.750 1.3980.347 1.1350.3460.172 5.4160.30017.100 2.100 1.4230.343 1.0950.2960.122 4.7760.35019.950 2.450 1.4420.341 1.0710.2580.084 4.2440.40022.800 2.800 1.4560.339 1.0550.2290.054 3.8050.45025.650 3.150 1.4680.338 1.0440.2050.030 3.4400.50028.500 3.500 1.4780.337 1.0360.1860.011 3.1350.55031.350 3.850 1.4860.337 1.0290.169-0.005 2.8770.60034.200 4.200 1.4930.336 1.0250.156-0.019 2.6560.65037.050 4.550 1.4990.336 1.0210.144-0.030 2.4660.70039.900 4.900 1.5040.335 1.0180.134-0.040 2.3000.75042.750 5.250 1.5080.335 1.0160.125-0.049 2.1540.80045.600 5.600 1.5120.335 1.0140.118-0.057 2.0260.85048.450 5.950 1.5150.335 1.0120.111-0.064 1.9110.90051.300 6.300 1.5180.335 1.0110.105-0.070 1.8090.95054.150 6.650 1.5210.334 1.0100.100-0.075 1.7171.00057.0007.0001.5230.3341.0090.095-0.080 1.634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。