风力发电机设计与制造课程设计
【大班科学教案】DIY自制风力发电机教学计划
本教学计划以DIY自制风力发电机为主题，旨在让学生体验实际的风力发电过程，了解风力发电的原理及其在生产和生活中的应用。
此教学计划适用于大班学生。
一、背景:随着全球化的进程，资源日益紧缺，以及环境问题的越来越严重，我们必须要寻找一种能够替代传统能源的新能源。
而风能发电就是一种非常环保、节能的清洁能源。
不仅如此，由于风能发电还具有比较好的经济性，在当今世界上，它的应用范围越来越广。
让学生了解风能发电的原理以及学习怎样DIY自制风力发电机，对于他们的未来发展以及社会的可持续发展是至关重要的。
二、教学内容：1、风能发电的原理：紧接着教师的介绍，让学生自己探究风能发电的原理，了解风力发电机是通过什么原理，将风的动能转化为电能并输送到用户终端。
对于大班学生而言，相信他们能够很快明白这个道理。
如果学生对这一点还有所疑惑，教师可以多讲解一下其实原理。
2、风力发电机的DIY制作：在学生明白了风能发电的原理之后，我们可以将主要精力放在如何DIY自制风力发电机上。
我们可以从以下几个方面进行教学：1）风力发电机所需的材料：在学生们的课桌上准备好风力发电机DIY所需要的材料，让他们了解不同材料的作用和相互之间搭配的基本原则，以便更好地完成 DIY 的操作。
2）制作风力发电机的过程：在材料的基础上，教师又可以向学生们讲解风力发电机的制作过程。
教师可以让学生观看制作风力发电机的教学视频来辅助学生了解制作流程。
学生可以一起动手制作风力发电机，并从成功与失败的过程中体会到乐趣和快乐。
3）实习操作：教师可以在实战操作中不断提醒学生注意，例如在制作旋转轴和转子时，一定要注意它们之间的距离以及尺寸比例、在电路连接时，一定要保持电路的完整性等等。
4）熟练掌握技能：讲解风力发电机的制作并不是教师的主要目的，我们的主要目的是让学生能够熟练地掌握风力发电机DIY的技能和方法，并通过实践感受到DIY所带来的自信和满足感。
3、风力发电机的应用：带领学生探究在现实社会中风力发电机的应用，让学生了解到，风力发电机不仅可以用来产生电能，还可以被广泛应用在各个领域中。
风电机组设计与制造课程设计任务书-2013.6.28
课程设计(综合实验)报告( 2012 – 2013 年度第二学期年度第二学期年度第二学期) )名 称：称： 题 目：目： 院 系：系： 班 级：级： 学 号：号： 学生姓名：学生姓名：指导教师：指导教师：设计周数：设计周数：成 绩：绩：日期：2013年6月28日《风力发电机组设计与制造》课程设计任 务 书一、 设计内容风电机组总体技术设计风电机组总体技术设计二、 目的与任务主要目的：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；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；熟悉相关的工程设计软件；3. 掌握科研报告的撰写方法。
掌握科研报告的撰写方法。
主要任务：主要任务：每位同学独立完成风电机组总体技术设计，包括：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；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；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；完成叶片设计任务；5. 确定塔架的设计方案。
确定塔架的设计方案。
6. 每人撰写一份课程设计报告。
每人撰写一份课程设计报告。
三、 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。
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49m/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/m 3。
2）设计内容）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；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。
风力发电机课程设计
风力发电机课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解风力发电的基本原理，掌握风力发电机的主要组成部分及其功能。
2. 学生能够掌握风力发电机的工作原理，了解风力发电在我国能源领域的应用和重要性。
3. 学生能够描述风力发电机技术的发展趋势及其对环境保护的意义。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，分析风力发电机的优缺点，并提出改进措施。
2. 学生能够通过小组合作，设计并制作一个简易的风力发电机模型。
3. 学生能够运用科学探究方法，对风力发电机模型进行测试和优化。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对新能源技术的兴趣，激发他们积极参与能源节约和环境保护的意识。
2. 培养学生团队合作精神，提高他们面对问题的解决能力和沟通能力。
3. 增强学生的国家使命感和社会责任感，使他们认识到新能源发展对国家经济和环保事业的重要性。
课程性质：本课程为科学实践活动课，结合物理、工程技术等学科知识，以提高学生的科学素养和实践能力。
学生特点：六年级学生具有一定的物理知识基础，好奇心强，善于动手操作，具备初步的团队合作能力。
教学要求：教师应注重理论与实践相结合，引导学生主动参与，关注个体差异，鼓励学生创新思维和动手实践。
在教学过程中，分解课程目标为具体学习成果，以便进行有效的教学设计和评估。
二、教学内容1. 风力发电基本原理：讲解风能转化为电能的物理过程，包括空气动力学原理、风力发电机的工作原理等。
教材章节：《科学》六年级下册第四章“能源与环保”。
2. 风力发电机结构及功能：介绍风力发电机的叶轮、发电机、塔架等主要组成部分及其作用。
教材章节：《科学》六年级下册第四章“风力发电机的构造”。
3. 风力发电机优缺点及改进措施：分析风力发电技术的优缺点，探讨如何提高风力发电效率及降低成本。
教材章节：《科学》六年级下册第四章“风力发电的优缺点及改进”。
4. 简易风力发电机模型设计与制作：指导学生设计并制作一个简易风力发电机模型，培养学生的动手能力和创新思维。
风电机课程设计
风电机课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解风能的基本概念，掌握风力发电的原理和过程。
2. 学生能够描述风电机组的主要构成部件及其作用。
3. 学生能够解释风电机的运行特性及影响因素。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识分析风力发电的优缺点，并提出改进措施。
2. 学生能够设计简单风电机模型，并展示其工作原理。
3. 学生能够通过实际操作，学会使用相关工具和仪器进行风力发电实验。
情感态度价值观目标：1. 学生能够认识到风能作为一种清洁、可再生能源的重要性，培养环保意识。
2. 学生能够积极参与风力发电技术的学习和实践，形成探究精神和团队合作意识。
3. 学生能够关注风力发电行业的发展趋势，激发对新能源事业的热爱和责任感。
课程性质：本课程为自然科学领域的探究性课程，结合理论知识与实践操作，培养学生对风力发电技术的认识和理解。
学生特点：六年级学生具备一定的科学知识基础和动手操作能力，对新能源题材感兴趣，善于合作与分享。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，提高学生的科学素养和创新能力，培养其环保意识和责任感。
通过分解课程目标为具体学习成果，为教学设计和评估提供明确方向。
二、教学内容1. 引言：介绍风能作为一种可再生能源的重要性和风力发电的概况。
- 教材章节：第一章《新能源概述》2. 风能基本概念：讲解风的产生、风能的转换和风力发电的原理。
- 教材章节：第二章《风能及其利用》3. 风电机组结构：分析风电机组的主要组成部分，包括叶片、塔架、发电机等。
- 教材章节：第三章《风力发电机组》4. 风电机工作原理：阐述风电机如何将风能转换为电能的过程。
- 教材章节：第四章《风力发电原理》5. 风电机运行特性及影响因素：探讨风速、风向等因素对风电机运行的影响。
- 教材章节：第五章《风力发电运行与管理》6. 风力发电优缺点及改进措施：分析风力发电的优势和局限性，并提出相应的改进方法。
- 教材章节：第六章《风力发电的挑战与未来》7. 实践操作：设计并制作简单风电机模型，进行风力发电实验。
风电机组设计与制造课程设计最终版
课程设计(综合实验)报告( 2012 – 2013 年度第二学期)名称：《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xxxxx班学号： xxxxxxxxxxxx学生姓名： xxxxxx指导教师：田德、王永设计周数： 2成绩：日期：20xx年 x月x日目录任务书 (4)一设计内容 (4)二目的与任务 (4)三主要内容 (4)四进度计划 (7)五设计（实验）成果要求 (7)六考核方式 (8)总体参数设计 (8)一额定功率 (8)二设计寿命 (8)三额定风速、切入风速、切除风速 (8)四重要几何尺寸 (8)1风轮直径和扫掠面积 (8)2轮毂高度 (8)五总质量 (9)六发电机额定转速和转速范围 (9)七叶片数B (9)八功率曲线和C T曲线 (9)1功率曲线 (9)2C T曲线 (10)九确定攻角Α，升力系数C L，叶尖速比Λ，风能利用系数C P (10)十风轮转速 (12)十一其他 (12)十二风电机组等级选取 (12)叶片气动优化设计 (13)一优化过程 (13)二叶片优化结果 (14)主要部件载荷计算 (14)一叶片载荷计算 (15)1作用在叶片上的离心力F C (15)2作用在叶片上的风压力F V (15)3作用在叶片上的气动力矩 (16)4作用在叶片上的陀螺力矩M K (16)二主轴载荷计算 (16)三塔架载荷计算 (17)1暴风工况风轮气动推力计算 (17)2塔架的强度设计（考虑塔架高度折减系数的强度计算） (18)主要部件功率 (20)一发电机 (20)二变流器 (21)三齿轮箱 (21)四联轴器 (21)五偏航 (22)风电机组布局 (22)设计总结 (24)参考文献 (25) (25)任务书一设计内容风电机组总体技术设计二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。
风电机组设计与制造课程设计最终版
课程设计(综合实验)报告( 2012 – 2013 年度第二学期)名称：《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xxxxx班学号：xxxxxxxxxxxx学生姓名：xxxxxx指导教师：田德、王永设计周数： 2成绩：日期：20xx年x月x日目录任务书 (5)一设计内容 (5)二目的与任务 (5)三主要内容 (5)四进度计划 (7)五设计（实验）成果要求 (7)六考核方式 (8)总体参数设计 (8)一额定功率 (8)二设计寿命 (8)三额定风速、切入风速、切除风速 (8)四重要几何尺寸 (8)1风轮直径和扫掠面积 (8)2轮毂高度 (8)五总质量 (9)六发电机额定转速和转速范围 (9)七叶片数B (9)八功率曲线和C T曲线 (9)1功率曲线 (9)2C T曲线 (10)九确定攻角Α，升力系数C L，叶尖速比Λ，风能利用系数C P (10)十风轮转速 (12)十一其他 (12)十二风电机组等级选取 (12)叶片气动优化设计 (13)一优化过程 (13)二叶片优化结果 (14)主要部件载荷计算 (14)一叶片载荷计算 (15)1作用在叶片上的离心力F C (15)2作用在叶片上的风压力F V (15)3作用在叶片上的气动力矩 (16)4作用在叶片上的陀螺力矩M K (16)二主轴载荷计算 (16)三塔架载荷计算 (17)1暴风工况风轮气动推力计算 (17)2塔架的强度设计（考虑塔架高度折减系数的强度计算） (18)主要部件功率 (20)一发电机 (20)二变流器 (21)三齿轮箱 (21)四联轴器 (21)五偏航 (22)风电机组布局 (22)设计总结 (32)参考文献 (25).25任务书一设计内容风电机组总体技术设计二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。
风力发电机设计与制造课程设计之欧阳理创编
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：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：222848241044m D A =⨯==ππ综上可得风轮直径D=104m ，扫掠面积A=84822m4.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 ——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 ——在给定时间段内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：η——传动系统效率，取0.95；1η——发电机效率，取0.96；2η——变流器效率，取0.95；3——空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m3；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。
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 Vin= 3m/s切出风速取 Vout= 25m/s额定风速 Vr= 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,Vr =1。
70Vave=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: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/m3；V r-—额定风速,取12m/s;D——风轮直径;——传动系统效率，取0。
95；——发电机效率,取0.96；——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：综上可得风轮直径D=104m,扫掠面积A=84824.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：-—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;—-在给定时间段内V（t)的平均值所对应的功率；——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:——传动系统效率,取0。
95；-—发电机效率，取0。
96;——变流器效率,取0.95；--空气密度（一般取标准大气状态),取1.225kg/m3；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。
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
风力机设计课程设计
风力机设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解风力发电的基本原理，掌握风力机的主要结构及其功能。
2. 学生能够运用物理知识，分析风力机设计中的能量转换过程。
3. 学生能够掌握风力机设计中涉及的基本参数，如风速、叶片长度、转速等，并了解它们之间的关系。
技能目标：1. 学生能够运用所学的理论知识，通过小组合作设计一个简单的风力机模型。
2. 学生能够运用数学和科学方法对风力机模型的性能进行预测和评估。
3. 学生通过实际操作，提高动手能力和团队协作能力，培养解决实际问题的能力。
情感态度价值观目标：1. 学生能够培养对可再生能源的兴趣和认识，增强环保意识和可持续发展的理念。
2. 学生在设计过程中能够体验到创新和实践的乐趣，激发对科学探究的热情。
3. 学生通过课程学习，培养批判性思维和问题解决能力，增强自信，形成积极向上的学习态度。
课程性质：本课程为跨学科综合实践课程，结合物理、数学、工程学等多学科知识。
学生特点：假设学生为八年级，具有一定的物理知识基础，对科学探究有好奇心，喜欢动手操作。
教学要求：课程注重理论与实践相结合，鼓励学生主动探究，合作学习，通过实际设计任务促进知识的综合运用。
教学过程中注重培养学生的创新能力，科学思维和解决问题的能力。
通过明确具体的课程目标，使学生在学习结束后能够展示具体的成果，如设计报告、模型展示等。
二、教学内容1. 引入风力发电基本概念，介绍风力机的工作原理，对应教材中“可再生能源”章节。
- 风能的特点和利用方式- 风力机的组成部分及其功能2. 风力机设计原理及关键参数学习，对应教材中“简单机械”及“能量转换”章节。
- 风速、叶片长度、转速等参数对风力机性能的影响- 叶片设计原理，包括翼型、攻角等概念3. 风力机模型的制作与测试，结合教材中“科学探究”及“项目实践”章节。
- 分组设计风力机模型，制定设计计划和步骤- 制作模型，并进行性能测试，如风速、电压输出等4. 数据分析与优化，对应教材中“数据处理”章节。
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1. 引言风力发电机组是一种利用风能转化为电能的装置，它具有清洁、可再生的特性，因此在可持续发展的背景下得到了广泛应用。
本课程设计旨在帮助学生全面了解风力发电机组的设计与制造过程，培养学生的创新设计能力和解决实际问题的能力。
2. 课程设计目标本课程设计的目标是使学生能够：•理解风力发电机组的基本原理和工作机制；•掌握风力发电机组设计的基本步骤和关键技术；•运用所学知识，独立完成一个风力发电机组的设计项目；•培养学生的团队合作意识和沟通协作能力。
3. 课程设计内容3.1 风力发电机组基础知识•风能资源与分布•风力发电机组的组成和工作原理•风力发电机组的分类及特点3.2 风力发电机组设计流程•需求分析和目标设定•可行性研究•初步设计•详细设计•制造与装配•调试与测试3.3 风力发电机组设计关键技术•风能转化技术•发电机选型与设计•控制系统设计•叶片设计与优化•结构强度分析与优化3.4 风力发电机组设计项目学生将分为若干个小组，每个小组负责一个风力发电机组的设计项目。
项目包括以下内容：•风力资源的调查与分析•需求分析和目标设定•初步设计方案的制定•详细设计方案的确定•部件的制造与装配•发电机组的调试与测试•设计报告的撰写4. 课程设计方法与评价方式4.1 教学方法•理论讲授：讲授风力发电机组的基础知识和设计原理；•实践操作：组织学生进行实际操作和实验，如风力资源的测量等；•分析案例：分析实际风力发电机组的设计案例，借鉴经验和教训；•项目实践：组织学生进行风力发电机组的设计与制造项目。
4.2 评价方式•设计报告评价：根据学生撰写的设计报告，评价其对课程内容的理解和实践能力；•项目实践评价：评价学生在设计项目中的团队合作能力和实践操作能力；•期末考试评价：考察学生对风力发电机组设计原理和关键技术的掌握程度。
5. 课程设计进度安排以下是本课程设计的大致进度安排：时间内容第1周风力发电机组基础知识讲解第2周-第3周风力发电机组设计流程讲解第4周-第5周风力发电机组设计关键技术第6周-第10周风力发电机组设计项目实践第11周-第12周项目实践总结和课程评价6. 总结本课程设计旨在通过理论讲授和实践操作相结合的方式，培养学生的风力发电机组设计与制造能力。
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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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 10495.096.095.045.012225.135000008833213≈⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==πηηηπρ 其中：P r ——风力发电机组额定输出功率，取3.5MW ；错误!未找到引用源。
——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；错误!未找到引用源。
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：222848241044m D A =⨯==ππ错误!未找到引用源。
错误!未找到引用源。
综上可得风轮直径D=104m ，扫掠面积A=84822m4. 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 ——在给定时间段内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：3212381ηηπηρD V C P r P =1η——传动系统效率，取0.95；2η——发电机效率，取0.96；错误!未找到引用源。
3η——变流器效率，取0.95；错误!未找到引用源。
——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/5.16104125.76060300r D V n V Rn r r rr=⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=∴=ππλπλ6. 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 风机等级规范表注：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。
叶片内圈采用钝后缘翼型，外圈采用63415翼型。
根据下式求各叶素的叶尖速比λ。
rR 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 95100叶尖速比λ 4.1254.5004.8755.2505.6256.0006.3756.7507.125 7．5003. 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-⨯=μ761028.6109.175212225.1⨯=⨯⨯⨯==-μρi e VL R 根据所得雷诺数查得Cl/Cd 、Cl/alpha ，见图4图4 C l -C d 曲线 和C l -alpha 曲线图5 C l/C d ——alpha 图从图中可以得出翼型取得最大升阻比时，最佳攻角 25.5=α，此时升力系数C l =0.9461，C d =0.00791，最佳升阻比7.118/=d l C C ,本次设计选取最佳攻角 25.5=α错误!未找到引用源。
，则升力系数和阻力系数分别为C l =0.9461，C d =0.00791。
叶片每个截面的升力系数相同，为C l =0.9461。
4. 叶片弦长计算步骤通过下面的计算，可以得到沿叶片各径向位置r 上的弦长C 和叶素桨距角β，即可完成叶片的初步设计，但要是想对叶片进一步优化，还需对翼型、叶根、叶尖风进行气动优化设计和工艺优化设计，在本次设计报告中，只对叶片作了初步设计。
如下： （1）求ψ利用公式3arctan 31πλ+=ψ（2）求轴向干扰因子k 利用公式ψ+=cos 12λk（3）求切向干扰因子h 利用公式λ2211k h -+=(4）求入流角φ利用公式)11cot(k harc ++=λφ（5）求叶素桨距角βαφβ-=（6）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，得到叶片各个截面气动特性参数，如表3：表3 叶片气动特性参数5.叶片根部载荷计算与材料选择叶片根部处理方式：距叶根0 ~ 5m处制作成直径为3m的圆柱结构处理，且根部采用金属法兰连接。
见图 6图6 金属法兰连接表4 增强材料力学性能根据表4 材料选择为T700碳纤维，抗拉强度为4.9Gpa∴ 取[]pa pa 991047.1109.43.0⨯=⨯⨯=σ ∴ m M r T d m 07.1)96.01(1047.13018600)912.34663860(32)1()(32349223422min =-⋅⋅⨯+⨯⋅=-⋅⋅+⋅⋅=παπσ取min 1555.311.72121d m c d ≥=⨯== 所以风轮根部直径选择3.6m三. 确定主要部件1．发电机发电机类型：双馈异步变速恒频发电机； 额定功率：3.5MW ； 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：m N n P T r ⋅⨯=⨯⨯⨯==43210443.295.096.01500350095509550ηη发电机主轴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：m f T D s1313.0105.510443.222237432=⨯⨯⨯⨯⨯==ππ发电机主轴发电机 取发电机主轴直径D 为0.15m. 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1500kW 。
3．齿轮箱方式：行星齿轮传动两级NGW ； 低速轴转速：l n =16.5r/min高速轴转速：h n =1500r/min 传动比：i = 90齿轮箱效率：983.095.0331===ηη 齿轮箱功率：W P P rGB 633121109.395.096.095.03500000⨯≈⨯⨯==ηηη4．联轴器低速轴联轴器功率W P P rm 62232109.3395.096.035000003195.0⨯≈⨯⨯==ηηη 错误!未找到引用源。
高速轴联轴器功率：W P P r t6321084.395.096.03500000⨯≈⨯==ηη 5．主轴低速轴角速度为：s rad n m /727.1605.1626021=⨯⨯==ππω 高速轴角速度为：s rad n h t /1576015002602=⨯⨯==ππω低速轴功率为：W P P rm 62232109.3395.096.035000003195.0⨯≈⨯⨯==ηηη高速轴功率为：W P P r t6321084.395.096.03500000⨯≈⨯==ηη低速轴转矩为：m N m mP T ⋅≈==3.2258251727.13900000m ω 高速轴转矩为：m N tt P T ⋅≈==6.244581573840000tω 低速轴直径：m fT D smL 59.0550000003.2258251222233≈⨯⨯⨯==ππ高速轴直径：m f T D stH 1314.0105.510445.222237432=⨯⨯⨯⨯⨯==ππ 综上可得，低速轴直径取0.7m ，高速轴直径取0.18m 。