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1、课程设计(综合实验)报告( 2011 - 2012年度第 2 学期)名 称： 风力发电机组设计与制造 题 目： 风力发电机组设计与制造 一 设计任务要求1. 设计容风电机组总体技术设计2. 目的与任务1.2.1.2.2.1. 主要目的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；熟悉相关的工程设计软件；掌握科研报告的撰写方法。2.2. 主要任务：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；熟悉相关的工程设计软件；掌握科研报告的撰写方法。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
2、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。二 设计正文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。表1 63418翼型的升力系数、阻力系数数据2. 确定整机设计的技术参数2.1. 额定功率Pr：3MW2.2. 设计寿命：20年2
3、.3. 叶片数B： 3一般来说，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小，一般只需要13个叶片。3叶轮的平衡简单，动态载荷小，通常能提供较佳的效率，而且噪声小，从审美的角度也比较令人满意。综上所述，叶片数选择3。2.4. 切入风速vin：3m/s切出风速vout：25m/s额定风速vr：vr = 1.70 vave =1.70*7.6 = 12.9m/s2.5. 叶尖速比叶尖速比是风轮的叶尖线速度的与额定风速之比式中， 风轮角速度R 风轮半径对于三叶片的风机，叶尖速比选在68的围，风电机组具有较高的风能利用系数。由于风力发电机组产生的气动噪声正比于5，通常将陆基风力发
4、电机组的叶尖速度限制在65m/s左右，近海74m/s。本设计取=6.5。不同攻角下的风能利用系数随叶尖速比的变化曲线即Cp-曲线如图1，由Cp-曲线可得出此时Cp = 0.35。图1不同攻角下的Cp -曲线1.2.2.1.2.2.2.3.2.4.2.5.2.6. 风轮直径 式中，Pr 风力机额定功率，设计值为2MW （标准大气压）空气密度，取1.225 kg/m3Vr 额定风速，取12.9 m/s - 传动系统效率，取0.96 - 发电机效率，取0.97Cp 额定功率下风能利用系数，取0.35则叶片长度取47m风轮扫掠面积: 2.7. 塔架高度由于风速与距地面高度有关，增高塔架可使风轮获取更多
5、风能，但制造更高的塔架就需要更多的材料，成本也会增加。大型机组塔架高度H可按下式初步确定：H = （0.81.3）D式中，D风轮直径另外，塔架高度选择与地形与地貌有关，考虑地貌因数的塔架最低设计高度一般可按下式估算：H = h+C+R式中，h 机组附近障碍物的高度C 障碍物最高点到风轮扫掠面最低点的距离（最小去1.52.0m）综合以上因素，取塔架高度H = 80m2.8. 轮毂高度zhub = zt + zj = 90m式中，zj 塔架高度zt 塔顶平面到风轮扫掠面中心的高度25m直径以上的风轮，其轮毂中心高与风轮直径的比基本为1:1。2.9. 确定风轮转速风力发电机组产生的气动噪声正比于叶尖
6、速度的5次方，通常将陆上风力发电机组的叶尖速度限制在80m/s以下，但此处由于设计要求较高的风轮利用系数，因此机组运转过程中会产生较大的噪声。根据叶尖速比公式2.10. 功率曲线、Cp曲线、Ct曲线的确定风电机组的设计需给出功率输出特性曲线。如果确定了风电机组的切入风速、切出风速和额定风速，可以用下式计算输出功率Pw，Pw = 其中，为威布尔分布形状参数，1 3，此出取=2风能利用系数Cp计算公式如下，推力系数CT计算公式如下，在excel中利用以上计算公式进行函数运算，可得出下列参数数值，如表2所示表2 额定功率、输出功率、风能利用系数、推力系数与风速关系根据参数可以利用excel生成图2-
7、4的关系曲线图2 Pw-v关系曲线图3 Cp-v 关系曲线图4 CT-v曲线2.11. 控制方式：变速恒频主动变桨距控制2.12. 制动系统类型：空气动力制动和机械制动（液压刹车系统和变桨距系统）2.13. 偏航系统：三台电动机驱动式偏航系统2.14. 风力机等级：级3. 关键部件气动载荷计算1.2.3.3.1. 气动特性初步计算3.1.1. 确定攻角与升力系数、阻力系数的关系根据原始数据中提供的63418翼型的升力系数、阻力系数，可得出攻角与升力系数Cl、阻力系数Cd的关系曲线，如图5-7所示图5 攻角与升力系数关系曲线图6 攻角与阻力系数关系曲线图7 攻角与升阻比关系曲线表3给出了升阻比与
8、攻角的数值关系表3 升阻比与攻角数值关系结合图7和表1、表3可以看出，攻角约等于9度时，升力系数为最大升力系数1.395的0.9倍，约为1.225，此时阻力系数为0.015，且拥有较大的升阻比82.93。因此取最佳攻角= 9。3.1.2. 叶片气动优化设计在叶片处选取10段截面，将叶片分为10个叶素，每个叶素间隔0.1R,分别在10%，20%，30%， 40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%半径处，根据下式求各叶素的叶尖速比。叶素位置和叶尖速比数值见表4表4 不同叶素位置叶尖速比数值计算各刨面弦长公式如下求利用公式：求轴向干扰因子k利用公式：求切向干扰因子h利用公式：求入流角
9、利用公式：求叶素桨距角：计算叶片弦长C：通过excel或matlab计算出各截面处的参数，见下表表5 各截面参数3.2. 主要部件的功率3.2.1. 发电机发电机类型：双馈异步变速恒频发电机额定功率：额定转速：发电机功率与风力发电机的额定功率相等，即为1500kW，发电机的极对数选2对，则可计算出发电机的额定转速为nG = 1500r/min。3.2.2. 齿轮箱图8 齿轮箱结构传动形式：齿轮箱选用2级行星轮+1级平行轴齿轮齿轮箱效率：= 传动比：低速轴转速：17 r/min高速轴转速：1500 r/min齿轮箱功率：考虑到齿轮箱的效率，近似计算齿轮箱功率3.2.3. 联轴器低速轴联轴器功率：
10、高速轴联轴器功率：3.2.4. 变流器由于采用的是双馈式发电机组，所以只需要确定和转子连接的变流器功率，对于双馈机组，变流器功率一般取机组额定功率的1/31/2，考虑到机组的可靠性，此处去变流器功率为额定功率的1/2,变流器额定功率为1500kw。3.2.5. 偏航执行机构偏航形式选择：采用变桨电机机械变桨，并采用外齿偏航轴承形式 偏航驱动装置设计：包括驱动电机、减速器、传动齿轮、齿轮间隙调整机构n 驱动电机功率：一般由最大偏航扭矩确定，本设计采用四台3kW偏航电机n 驱动装置减速器结构形式：采用行星减速器n 传动齿轮结构形式：采用渐开线圆柱齿轮偏航技术要求：要求有解缆保护装置；大型风力发电机
11、组偏航转速不可过高，对于此机组，设计偏航转速为= 0.75/s，保证偏航液压系统正常工作是不能漏油；安装偏航计数器。图9 偏航执行机构3.2.6. 变桨距执行机构变桨形式选择：采用变桨电机机械变桨，并采用齿变桨轴承形式变桨驱动装置设计：包括驱动电机、减速器、传动齿轮、齿轮间隙调整机构n 驱动电机功率选择：P偏航电机 = 5kwn 驱动装置减速器结构形式：采用行星减速器n 传动齿轮结构形式：采用渐开线圆柱齿轮变桨性能设计要求：n 保证变桨速度1/s，并装上变桨圈数计数器装置；n 确保变桨在断电时的正常工作，采用可充电蓄电池；n 选择液压刹车钳形式保证变桨刹车时的稳定，制动过程15/s 。图10
12、电动变距机构3.3. 风电机组的布局本设计风电机组为双馈型风力发电机组，现在其总体布置多为一字型结构，一般为图11所示的偏置一字型布置图11 风电机组总体布置图12 风电机组整体外观图图13 机舱示意图图14 机舱主要零部件名称3.4. 主要部件的载荷3.4.1. 叶片载荷计算n 作用在叶片上的离心力Fc：式中，r0 - 叶片起始处的旋转半径,约为R的1/20，为2.35m-叶片的密度，本设计为530 kg/m3- 风轮角速度，Ar叶素处叶片截面积，Ar = Cdr用matlab计算得出：Fc = 55216kNn 作用在叶片上的风压力Fv 叶轮静止时的风压力：式中，-空气密度，为1.225
13、kg/m3v-额定风速，为12.9m/sC-叶素的弦长Cd-阻力系数用matlab计算得出：Fv1 =242.22N 叶轮静止时作用点距风轮轴距离:用matlab计算得出：rm1 = 18.83m 叶轮转动时的风压力：式中，I-安装角Cl-升力系数Cd-阻力系数用matlab计算得出：Fv2 =1648.3kN 叶轮转动时作用点距风轮轴距离式中，I-入流角l-叶素处的弦长，即为Cr-叶素半径用matlab计算得出：rm2 =30.71mn 作用在叶片上的气动力矩Mb用matlab计算得出：Mb =3370.8kNmn 作用在叶片上的陀螺力矩Mk 整个叶片的转动惯量为：式中，F-叶素处的截面积，
14、即Ar 柯氏加速度：，式中，-惯性半径-偏航角速度，本设计取0.01rad/s-切向速度与偏航角速度的夹角，=90时ak最大柯氏角加速度： 陀螺力矩Mk = I=90时，陀螺力矩Mk最大用matlab计算得出：Mk =16164Nm3.4.2. 风轮载荷计算n 作用在整个风轮上轴向推力：n 作用在整个风轮上的转矩可表示为：式中，k-轴向诱导因子h-是切向诱导因子a-尾流旋转时的轴向诱导因子 a = (1-k)/2b-尾流旋转时的周向诱导因子b = (h-1)/2-风轮转速用matlab计算得出：T =578.56kNM =2915.1kNm3.4.3. 主轴载荷计算传动轴选择实心钢轴，推荐最大
15、应力为fs = 55MPan 低速轴角速度为n 高速轴角速度为n 低速轴功率为n 高速轴功率为n 低速轴转矩n 高速轴转矩n 低速轴直径n 高速轴直径3.4.4. 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。其由5段组成，段与段之间靠法兰连接，底最大直径部为6m,顶部最小直径为4m，筒体壁厚由最底部的30mm过渡到顶部的12mm，塔筒的总质量约180吨。作用在塔架上的载荷有以下几类： 风轮等构件承受的空气动力载荷 重力和惯性载荷：由重力、振动、旋转以与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、变桨以与制动过程产生的载荷等。 其
16、它载荷：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与塔架本身所承受最大风压产生的载荷。n 暴风工况的风轮气动推力计算因为,所以取vs = 60m/s. 前联的法捷耶夫公式式中，Ab-叶片的投影面积(m2)Vs-风轮中心处的暴风风速(m/s)叶片投影面积：式中，-风轮实度风轮实度与叶尖速比有关， = 6.5时，近似认为 = 0.05.用matlab计算得出：Fas1 = 1000.3 kN 荷兰ECN的公式式中，Ct-推力系数，取Ct =1.5q-动态风压(N/m2)-动态系数，取 = 1.2S-安全系数，取S =1.5q随高度变
17、化，风轮中心高度H=90m处对应的q = 1390(N/m2)用matlab计算得出：Fas2 = 3990.3 kN 德国DFVLR公式式中，Ct-推力系数，取Ct = 2.2用matlab计算得出：Fas3=5157.7 kN 丹麦RIS公式式中，P1-风轮单位扫掠面积上的平均风压，通常取P1 = 300(N/m2)As-风轮的扫掠面积用matlab计算得出：Fas4=2126.5 kNn 欧美国家塔架静态强度设计的一般载荷条件风载条件：风速65m/s，（2s，平均）风轮停转，叶片顺桨，风向沿机舱横向作用在塔架上。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
18、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。机组的最大运行载荷：一般为额定风速正常运行载荷的2倍。n 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各种载荷与其作用，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：指塔架构件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3.4.5. 联轴器载荷计算联轴器承受的载荷主要是转矩n 低速轴联轴器载荷 n 高速轴联轴器载荷 4. 塔架叶根应力截面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根部。塔筒根部的结构强度分析是塔架整体结构尺寸的基本设计依据，以下只讨论一种分
19、析方法：考虑塔架高度折减系数的强度计算。图15 塔架的受力分析塔架根部截面应力可表示为：式中，Fas -考虑3.4.4中计算最大值，即Fas = 5157.7 kNFts -塔架受的风压力，H-塔架高度，即H=80m，h1-风轮半径的1/20，h1 = 47/20 = 2.35mW-塔架根部抗弯截面模数，单位cm3，A-塔架根部截面积，单位cm2， G1-塔顶的重量，本机组塔顶重为200吨，G1 = 10*200*1000 =2000 kNG2-塔筒的重量，本机组塔顶重为180吨，G2 = 10*180*1000 =1800 kN-是变截面塔架的长度折减系数，可根据图16来确定图16 变截面塔
20、架的长度折减系数式中，-与塔架截面变化有关的折算长度修正系数，可根据 之比取书中P141表6-6的参考设计值-塔架顶部截面惯性矩，单位cm4， 0.585m4-塔架底部截面惯性矩，单位cm4，2.507m4故 ，此处 = 1.4r2-塔架根部截面的惯性半径，由以上可计算得所以取0.85根据以上参数，可以确定，543MP三 参考文献1 兴佳、田德 风力发电机组设计与制造 华北电力大学校试用教材（第二版）.2 徐太平等著 风力发电原理3 华北电力大学力学研究组 材料力学 华北电力大学校讲义 4 贺德馨等著 风力机空气动力学 华北电力大学校试用教材四 附录Matlab程序：叶片优化设计与叶片载荷计算
21、MATLAB程序clcclearD=ceil(sqrt(8*3e6/0.96/0.97/0.35/pi/1.225/(12.93);lambda=6.5;n=lambda*60*12.9/pi/D;a=0.05:0.1:1;b=lambda*a;psi=1/3*atan(b)+pi/3;k=sqrt(b.2+1).*cos(psi);h=sqrt(1-k.2)./b.2+1);I=atan(1-k)./(1+h)./b);theta=I*180/pi-9;C=8*pi*a.*(D-3)/2).*(h-1).*cos(I)/3/1.225./(h+1);R=D/2;r=a*(D-3)/2+1.5
22、;omega=lambda*12.9/R;y1=r.*C*3.3;Fc=1.8e3*omega2*trapz(r,y1)cl=1.225;cd=0.015;y=C*cd;Fv1=1/2*1.225*12.92*trapz(r,y)Y=y.*r;Rm1=trapz(r,Y)./trapz(r,y)y2=(1+(1./tan(I).2).*(cl*cos(I)+cd*sin(I).*C;Fv2=1/2*1.225*12.92*trapz(r,y2)y3=y2.*r;Rm2=trapz(r,y3)./trapz(r,y2)X=(1+(1./tan(I).2).*(cl*sin(I)-cd*cos(I
23、).*C.*r;Mb=1/2*1.225*12.92*trapz(r,X)x=3.3*C.*r.2;J=1.8e3*trapz(r,x);epsilon=2*0.01*lambda*12.9/R;Mk=J*epsilonr1=0,r;a1=0.00001,a;b1=lambda*a1;psi1=1/3*atan(b1)+pi/3;k1=sqrt(b1.2+1).*cos(psi1);y4=(1-k1.2).*r1;T=pi*1.225*12.92*trapz(r1,y4)h1=sqrt(1-k1.2)./b1.2+1);y5=(h-1).*(k+1).*r.3;M=pi*1.225*omega*12.9*trapz(r,y5)Fas1=pi*D2/4*0.05/3*0.784*602*3Fas2=1.5*1390*1.2*0.05*pi*D2/4*1.5*3Fas3=2.2*0.5*1.225*602*0.05*pi*D2/4*3Fas4=300*pi*D2/424 / 24
