风力发电机设计与制造课程设计修订稿

风力发电机设计与制造

课程设计

集团档案编码：[YTTR-YTPT28-YTNTL98-UYTYNN08]

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

=；一般风力机组设计寿命至少为20年，这里选根据《设计任务书》选定额定功率P

r

20年设计寿命。

2.切出风速、切入风速、额定风速

= 3m/s

切入风速取 V

in

切出风速取 V

= 25m/s

out

= 12m/s（对于一般变桨距风力发电机组（选）的额定风速与平均风速之比额定风速 V

r

为左右,V

==×≈12m/s）

r

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

——风力发电机组额定输出功率，取；

r

——空气密度（一般取标准大气状态），取m3；

——额定风速，取12m/s；

V

r

D——风轮直径；

η——传动系统效率，取；

1

η——发电机效率，取；

2

η——变流器效率，取；

3

——额定功率下风能利用系数,取。

C

p

由直径计算可得扫掠面积：

m

综上可得风轮直径D=104m，扫掠面积A=84822

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 ——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：

1η——传动系统效率，取； 2η——发电机效率，取； 3η——变流器效率，取；

——空气密度（一般取标准大气状态），取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。

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?。

图?C P 0λ曲线

由C p 0λ曲线可得出0λ =，则风轮额定转速可由下式计算得到： 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 。

WTGS 等级 I II III S

50

设计值由设计者选定

A B C

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；I15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

总体参数 设计值 总体参数 设计值 叶片数

B=3

风轮直径

D=104m

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，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。

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

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℃，压强为标准大气压时，空气的动力粘度6109.17-⨯=μ 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