《风力发电机组设计方案与制造》课程设计方案任务书.docx
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《风力发电机组设计方案与制造》课程设计方案任务书
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
课程设计（综合实验）报告
（2012–2013年度第二学期）
名称：
题目：
院系：
班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
设计周数：
成绩：
日期：
2013年月日
《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
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：
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。
6.撰写一份课程设计报告。
三、主要内容
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50M高度年平均风速为7.0m/s，60M高度年平均风速为7.3m/s，70M高度年平均风速为7.6m/s，当地历史最大风速为49m/s，用户希望安装1.5MW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Cp曲线和Ct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Cp曲线和Ct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。
四、进度计划
序号
设计（实验）内容
完成时间
备注
1
风电机组整体参数设计
2.5天
2
风电机组气动特性初步计算
2天
3
机组及部件载荷计算
2天
4
齿轮箱、发电机、变流器技术参数
1.5天
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
五、设计（实验）成果要求
1．提供设计的风电机组的性能计算结果；
2．绘制整机总体布局工程图。
六、考核方式
提交一份课程设计报告；准备课程设计PPT，答辩。
风电机组总体技术设计
一、确定风电机组的总体技术参数
1、叶片数B=3
风轮的叶片数取决于风轮尖速比，一般来说，要得到很大的输出扭矩就需要较大的叶片实度；现代风力发电机组实度较少，一般只需要1~3个叶片。
叶片数多的风力机在低尖速比运行时有较高的风能利用系数，既有较大的转矩，而且启动风速低，适用于提水。
而叶片数少的风力机则在高尖速比运行时有较高的风能利用系数，但启动风速高，因此适用于风力发电。
3叶片风轮有以下优点：
平衡简单，动载荷小；3叶片使风力发电机组系统运行平稳，基本消除了系统的周期载荷，输出较稳定的转矩；3叶片风轮通常能提供较佳的效率；3叶片风轮从审美的角度来说更令人满意；3叶片风轮的受力平衡好，轮毂可以简单些；噪声相对较小。
综上所述，叶片数B选取3。
2、机组额定功率及种类
选取3MW级别的双馈变速恒频式风力发电机组
3、切入风速
取切入风速Vin=3m/s。
4、切出风速
取切出风速Vout=25m/s。
5、额定风速
取额定风速Vr=13m/s。
6、各部分效率
传动系统效率η1取0.95
发电机效率η2取0.96
变流器效率η3取0.96
7、风能利用系数Cp
额定功率下风能利用系数Cp取0.38
8、风轮直径
由风力发电机组输出功率得叶片直径：
D===92m
其中：
Pr--风力发电机组额定输出功率，取3000kW；
--空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m3；
Vr--额定风速，取13m/s；
D--风轮直径；
η1--传动系统效率，取0.95；
η2--发电机效率，取0.96；
η3--变流器效率，取0.96；
Cp--额定功率下风能利用系数,取0.38。
9、功率Pw曲线，风能利用系数CP和推力系数CT曲线的确定
风电机组的设计需要给出功率输出特性曲线。
如果确定了风电机组的切入风速，额定风速和切出风速，可以利用下面的方程计算输出功率，查阅相关资料，得到其风能利用系数随着风速的变化值，得到下表。
（其中所用公式为：
Cp=4a（1-a）2Ct=4a（1-a）
D=）
利用上述的公式，由excel的函数运算，计算得到随着风速的变化，Cp、和Ct的值得变化
风速v[m/s]
功率Pw[kW]
风能利用系数Cp
轴向诱导因子a
推力系数CT
叶尖速比
3
0.00000
0.00000
0.00000
0.00000
22.47984076
4
131.25000
0.47693
0.17494
0.57733
16.85988057
5
300.00000
0.55815
0.24334
0.73651
13.48790446
6
506.25000
0.54506
0.22912
0.70651
11.23992038
7
750.00000
0.50852
0.19727
0.63341
9.634217469
8
1031.25000
0.46842
0.16971
0.56363
8.429940286
9
1350.00000
0.43067
0.14844
0.50563
7.493280254
10
1706.25000
0.39681
0.13151
0.45685
6.743952228
11
2100.00000
0.36693
0.11751
0.41480
6.130865662
12
2531.25000
0.34067
0.10652
0.38068
5.61996019
13
3000.00000
0.31756
0.09733
0.35142
5.18765556
14
3000.00000
0.25426
0.07413
0.27453
4.817108735
15
3000.00000
0.20672
0.05827
0.21949
4.495968152
16
3000.00000
0.17033
0.04661
0.17773
4.214970143
17
3000.00000
0.14201
0.03826
0.14720
3.967030723
18
3000.00000
0.11963
0.03185
0.12333
3.746640127
19
3000.00000
0.10172
0.02682
0.10441
3.549448541
20
3000.00000
0.08721
0.02282
0.08919
3.371976114
21
3000.00000
0.07534
0.01959
0.07682
3.211405823
22
3000.00000
0.06552
0.01671
0.06573
3.065432831
23
3000.00000
0.05734
0.01463
0.05765
2.932153143
24
3000.00000
0.05047
0.01287
0.05083
2.809980095
25
3000.00000
0.04465
0.01139
0.04504
2.697580891
10、风轮转速
风力发电机组产生的气动噪声正比于叶尖速度的5次方。
通常将路基风力发电机组的叶尖速度限制在65m/s左右。
这里取叶尖速V=65m/s。
由v=3.14nD/60得到n=60v/3.14D，将V=65m/s带入得，13.5r/min。
11、叶尖速比λ
由公式，带入额定转速n=13.5r/min可以得到
参考CP-λ曲线，当Cp=0.38时对应的λ的值约为5，因此所选数值合理。
12、功率控制方式
功率控制方式选取当今应用较为广泛的变浆距控制。
这种机组当风速过高时，通过减小叶片翼型上合成气流与翼型几何弦的夹角（攻角），改变风力发电机组获得的空气动力转矩，能使功率输出保持稳定。
同时，风机在起动过程也需要通过变浆距来获得足够的起动转矩。
采用变浆距技术的风力发电机组还可以使叶片和整机的受力状况大为改善，这对于大型风力发电机组十分的有利。
13、传动系统
传动系统选定由以下四部分组成：
主轴系统、增速传动系统（齿轮箱）、轴系的支撑与连接（如轴承和联轴器）、制动装置。
14、制动系统
制动系统的形式以空气动力制动和机械制动为主。
15、电气系统
风电机组的电气系统包括以下四个主要部分：
变浆距驱动，偏航驱动，发电机部分，控制和监控部分
16、塔架高度
由于风速与距地面高度有关，增加塔架高度可使风轮获取更多的风能，但制造更高的塔架也需要更多的材料，使其造价相应增加。
大型机组的塔架高度H可以按下式初步确定：
式中D为风轮直径，单位为m。
塔架的高度参数的选择与地形和地貌有关，如陆地与海上风电机组会有所不同。
陆地的地表性对粗糙且风速随高度变化缓慢，可能需要较高的塔架；而海平面较光滑，风速沿着高度方向变化梯度大。
一般而论，即使相同容量的机组，在近海安装的机组塔架高度相对较低。
考虑地貌因素的塔架最低设计高度一般可用下式估算：
H=h+C+R
式中：
h——机组附近的障碍物高度，单位m；
C——障碍物最高点到风轮扫掠面最低点的距离（最小取1.5-2.0m），单位m。
综上考虑，塔架高度H取90m
17、设计寿命
按照惯例，设计寿命取20年。
18、设计标准
设计标准为IEC61400-1
19、风力机等级
70m年平均风速为7.6m/s。
去IECⅢA，参考下表：
风电机组等级
第Ⅰ级
第Ⅱ级
第Ⅲ级
第Ⅳ级
参考风速Vr=5Va（m/s）
50
42.5
37.5
30
年平均风速Va（m/s）
10
8.5
7.5
6
湍流强度等级
A
ε15
0.18
0.18
0.18
0.18
a
2
2
2
2
B
ε15
0.16
0.16
0.16
0.16
b
3
3
3
3
阶段性总结
叶片数
3
叶尖速比
5
切入风速
3m/s
功率控制
变浆距控制
切出风速
25m/s
制动系统形式
空气动力制动和机械制动
额定风速
13m/s
塔架高度
90m
额定功率
3MW
设计寿命
20年
风能利用系数
0.32
设计标准
IEC61400
风轮转速
13.5r/min
风力机等级
IECⅢA
风轮直径
92m
二、关键部件气动载荷的计算
包括设定几种风轮的Cp曲线和Ct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。
最后提交有关的分析报告。
根据所提供的63418翼型的升力系数、阻力系数数据，得到攻角与升力系数、阻力系数的关系曲线。
由图可以观察出，攻角约等于13°时升力系数最大，大约为1.400左右。
攻角约等于9°时，升力系数约为最大升力系数的0.9倍，为1.244，此时的阻力系数为0.015。
当攻角为5°时升阻比最大，此时升力系数为0.904。
在叶片处选择10段截面，分别在10%R，20%R，30%R……90%R，100%R。
由以下公式：
13、给出r，攻角i已知，CL=0.904已知；
14、由式求得角；
15、由式得到k；
16、由式得到h；
17、由式得到I；
18、，；
19、将a--g编程进行运算得到数据--表2。
（程序见附录）
通过excel计算得到以上各个参数的数值：
位置
半径r
λ
Ψ
k
h
φ
β
C
10%
5
0.5
1.20175
0.40331
2.08551
0.73810
0.58110
12.05904
20%
10
1
1.30900
0.36603
1.36603
0.52360
0.36660
12.41574
30%
15
1.5
1.37480
0.35109
1.17884
0.39200
0.23500
10.54433
40%
20
2
1.41625
0.34421
1.10471
0.30910
0.15210
8.78381
50%
25
2.5
1.44396
0.34060
1.06838
0.25367
0.09667
7.41432
60%
30
3
1.46355
0.33851
1.04804
0.21450
0.05750
6.37135
70%
35
3.5
1.47803
0.33719
1.03554
0.18553
0.02853
5.56653
80%
40
4
1.48914
0.33632
1.02734
0.16332
0.00632
4.93274
90%
45
4.5
1.49791
0.33571
1.02167
0.14578
-0.01122
4.42339
100%
50
5
1.50500
0.33527
1.01760
0.13160
-0.02540
4.00641
1、主要部件功率计算
1）发电机
发电机类型：
双馈异步变速恒频式发电机
额定功率：
P发电机=Pr/η3*1.1=3000/0.97*1.1=3402kW（预留10%的裕度）
极对数：
2
由公式60f=np可以得到发电机的额定转速为1650m/min（预留10%的裕度）
2）齿轮箱
齿轮箱类型：
增速，2级行星齿轮+1级平行齿轮
齿轮箱效率0.95
传动比：
120
低速轴转速：
13.5r/min；
高速轴转速：
1650r/min
齿轮箱功率：
PGB=3581kw
3）联轴器
低速轴联轴器动率：
3400kW
高速轴联轴器动率：
3500kW
4）变流器
变流器的功率通常为风电机组的额定功率的1/2~1/3，考虑到风电机组的可靠性，通常为风电机组额定功率的1/2，即变流器的功率为1500kW。
5）偏航电机
偏航电机的功率由最大偏航扭矩确定。
在此先初步选定4台4kW的偏航电机。
2、主要部件的载荷计算
1）叶片的载荷计算
叶片绕风轮轴旋转时，有离心力作用在叶片上。
离心力的方向是自旋转中心沿半径向外。
作用在叶片上的离心力Fc可按照下式求解：
ρy——叶片的密度，单位是kg/m3，取1.8kg/m3
Ar——叶素处的叶片截面面积，单位是m2
Ω——风轮的角速度，单位是rad/s
r0——叶片起始处的旋转半径
R——叶片结束处的旋转半径
其中：
Ω=rad/s
由matlab计算的：
Fc=1026500000N。
2）作用在叶片上的风压力
风压力是作用在叶片上沿风速方向的气动力。
风轮转动时的风压力：
设FV的作用点几粒风轮轴的距离为rm，则：
由matlab计算得：
Fv=755580N，rm=36.9690m。
3）作用在叶片上的气动力矩Mb
Mb是使风轮转动的力矩，由matlab计算得:
Mb=144250N·m。
4）作用在叶片上的陀螺力矩
Mk是风轮对风调向时产生的惯性力矩。
当风向改变时，风轮除以角速度Ω绕OX轴转动外，还要以角速度ω绕OZ轴转动。
整个叶片的转动惯量为：
由matlab计算得，J=607400000kg·m2
对风调向时，叶片可看成以角速度ω绕OZ轴转动的牵连运动、以Ω绕OX轴转动的相对运动的复合运动，这时要产生柯式加速度ak：
=2w*v
这里是惯性半径，β是Vr与ω的夹角。
当叶片旋转到铅垂位置时，β=0°，柯式加速度达到最大值：
由于柯式加速度，就产生了柯式角加速度
由动量矩定理知，叶片受到的惯性力矩Mk的作用，这个力矩称为陀螺力矩：
由matlab计算得，Mk=2053000000N·m
3、风轮载荷计算
轴向诱导因子，周向诱导因子
作用在整个风轮上的轴向推力
作用在整个风轮上的转矩由matlab计算得，T=718370N，M=4613600N·m。
4、主轴载荷计算
低速轴角速度为：
1.466rad/s
高速轴角速度为：
172.788rad/s
低速轴功率为：
3299.353kW
高速轴功率为：
3188.437kW
低速轴转矩为：
2250581.865N·m
高速轴转矩为：
18452.884M·m
假设所选择的实心钢轴的推荐最大应力为55MPa，则：
低速轴的直径：
0.5929m
高速轴的直径：
0.1196m
5、塔架载荷计算
除了风载荷外，风电机组的几乎所有的载荷也都将传给塔架，按风电机组的载荷源分类又要有：
●风轮等构件承受的空气动力载荷
●重力和惯性载荷：
由重力、振荡、旋转以及地震等引起的静态和动态载荷
●操作载荷：
在机组运行和控制过程中产生的载荷。
如功率变化、偏航、变浆以及制动过程产生的载荷等
●其他载荷：
诸如尾迹载荷、冲击载荷、覆冰载荷等、
下面只讨论与塔架结构强度计算有关的两种载荷：
即由风轮作用的最大气动推力以及塔架本身所承受最大风压产生的载荷。
1）暴风工况的风轮气动推力计算
暴风工况所对应的最大风速vs与当地的年平均风速vave有关。
由于当地的年平均风速为7.6m/s，所以vs取60m/s。
●前苏联的法捷耶夫公式：
Fas=0.784Abvs2B
式中：
As——叶片的投影面积，单位为m2
Vs——风轮中心处的暴风风速，单位为m/s
B——风轮叶片数
叶片的投影面积
其中σ为风轮的实度，风轮实度与叶尖速比有关，当λ=5时，可以近似的认为σ=0.05
由matlab计算得，Fas=1108400N。
●荷兰ECN的公式
式中：
Ct——推力系数，取Ct=1.5
q——动态风压，单位是N/m2
ψ——动态系数，取ψ=1.2
S——安全系数，取S=1.5
其中的q是随着高度变化，这里q的值为1390N/m2
由matlab计算得，Fas=1473800N
●德国DFVLR公式
式中：
Ct——推力系数，取Ct=2.2
vs——风轮中心处的暴风风速，取vs=60m/s
由matlab计算得，Fas=1905000N
●丹麦RIS公式
式中：
Pl——风轮单位扫掠面积上的平均风压，通常取Pl=300N/m2
As——风轮的扫掠面积，单位m2
由matlab计算得，Fas=2356200N
2）欧美国家塔架静态强度设计的一般载荷条件
Ø风载条件：
风速65m/s，（2s，平均）风轮停转，叶片顺浆，风向沿机舱横向作用在塔架上。
Ø正常运行工况条件的地震载荷：
考虑额定风速时产生的风轮最大轴向力，同时根据均匀建筑物由地震产生的水平载荷因子，将其产生的惯性力附加在风轮轴向推力上。
Ø机组的最大运行载荷：
一般为额定风速下正常运行载荷的2倍。
3）确定塔架设计载荷的要求
设计载荷需要正确的分析塔架承受的载荷及其作用，大致可分为三种类型设计载荷：
⏹最大极限载荷：
指塔架可能承受的最大载荷。
⏹疲劳载荷：
指塔架结构能够承受交变载荷次数的能力。
⏹共振激励载荷：
塔架结构系统的共振响应。
6、联轴器载荷计算
联轴器所承受的载荷以转矩为主，所以可以利用公式来计算。
低速轴联轴器载荷：
=2250630N·m
高速轴联轴器载荷：
18454N·m
阶段性总结
气动特性
攻角
5°
升力系数
0.904
阻力系数
0.007
发电机
额定功率
3402kW
额定转速
1650r/min
齿轮箱
齿轮箱传动比
120
低速轴转速
13.5r/min
高速轴转速
1650r/min
齿轮箱功率
3244kW
联轴器
低速轴功率
3400kW
低速轴载荷
2250630N·m
高速轴功率
3500kW
高速轴载荷
18454N·m
变流器
变流器功率
1500kW
偏航电机
偏航电机功率
4kW
叶片载荷
作用在叶片上的离心力
1026500000N
作用在叶片上的风压力
755580N
作用在叶片上的气动力矩
144250N·m
作用在叶片上的陀螺力矩
2053000000N·m
风轮载荷
作用在整个风轮上的轴向推力
718370N
作用在整个风轮上的转矩
4613600N·m
主轴
低速轴转矩
2250581.865N·m
低速轴直径
18452.884M·m
高速轴转矩
0.5929m
高速轴直径
0.1196m
塔架载荷
作用在塔架上的载荷
前苏联法捷耶夫公式
1108400N
荷兰ECN的公式
1473800N
德国DFVLR公式
1905000N
丹麦RIS公式
2356200N
三、塔架根部截面应力计算
塔架通常采用等强度变截面的设计，危险截面一般位于塔架的根部。
塔筒根部的结构强度分析是确定塔架整体结构尺寸的基本设计依据。
下面考虑塔架高度折减系数的强度计算：
塔架根部的截面应力可以表示为：
其中：
W2——塔架根部抗弯截面模数，单位是cm2
A2——塔根部截面积，单位cm2
G2——塔架本身所受重力，单位为N
ψ2——变截面塔架的长度折减系数，这里取0.60
式中：
μ——与塔架截面变化有关的折算长度修正系数，可以根据之比确定
Jmin——塔架顶部截面惯性矩，单位cm4
Jmax——塔架根部截面惯性矩，单位cm4
H——塔架高度，单位为cm
γ2——塔架根部截面的惯性半径，单位是cm
Fas取1905000N
h1=1/20*R=2.3m
H=90
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