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******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。

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）的额定风速羽平均风速之比为1.70左右，在70m 处：V r=1.70V ave=1.70×7.6≈13m/s4、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：=√8×50000001.225×133×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1.225kg/m3；V r--额定风速，取13m/s；D--风轮直径；η1--传动系统效率，取0.92；η2--发电机效率，取0.95；η3--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=πD24=π×11424=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+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)+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=18C pη1η2η3ρπD2V3式中：η1--传动系统效率，取0.92；η2--发电机效率，取0.95；η3--变流器效率，取0.95；C p--额定功率下风能利用系数,取0.44；ρ--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=0.904，C d=0.007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=1.307，C d=0.018。

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1，由C p-λ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=60λV rπD =60×13×7π×114=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、风力机等级阶段性总结三、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。

rR 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：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=9550×50001500×0.95=33.51×103N ·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 s3=2×√2×33.51×103π×55×1063=0.14m2、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=0.973 齿轮箱功率：P GB =rηη√η3=0.95×0.95×√0.923=5694kW4、联轴器低速轴联轴器功率：P m =P r η3η2√η132=50000.95×0.95×√0.9232=5852kW高速轴联轴器功率：P r =P rη3η2=50000.95×0.95=5540kW5、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 cF c =ρy ω2∫A r Rr 0rdr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2.85m ρy —叶片的密度，为1.8kg/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 =12ρV 2∫(1+ctg 2I)(C l cosI +C d sinI)Cdr Rr 0用matlab 计算得：F v = 2842551NF 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 Rr 0∫(1+ctg 2I)(C l cosI +C d sinI)CdrR r 0用matlab 计算得：r m =37.96m(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 2Rr 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 =2Ωλ0VR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 ·m2、风轮载荷计算(1)、轴向诱导因子a =12(1−k),周向诱导因子b =12(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 2R0∫(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 ·m3、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√η132=50000.95×0.95×√0.9232=5852kW高速轴功率为：P t =P rη3η2=50000.95×0.95=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 =2216000157.08=14107N ·m 低速轴直径：D L =2√2T mπf s 3=2√2×3727389π×55×1063=0.702m高速轴直径：D H =2√2T t πf s 3=2√2×14107π×55×1063=0.109m4、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。