《风力发电机组设计与制造》课程设计报告

1、风力发电机组设计与制造课程设计报告 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

2、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

3、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。4、 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

4、5报告撰写1.5天6课程设计答辩1.5天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 Vin=3m/s切出风速 取 Vout=25m/s额定风速 取 Vr=13m/s对于一般变桨距风力发电机组（选5MW）的额定风速与平均风速之比为1.70左右，在70m处：Vr=1.70Vave=1.70×7.613m/s4

5、、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：D=8×50000001.225×133××0.42×0.92×0.95×0.95=114m其中：Pr-风力发电机组额定输出功率，取5000kW；-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；1-传动系统效率，取0.92；2-发电机效率，取0.95；3-变流器效率，取0.95；Cp-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=D24=10207m2综

6、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Zhub表示Zhub=Zt+Zj=70+2.25.=72.25m式中Zj塔架高度；Zt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：l 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；l 能提供较佳的效率；l 更加美观；l 噪声较小；l 轮毂较简单等。综上所述，叶片数选择3。7、功率曲线和Ct曲线(

7、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)=Pstat(t)+P(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;Pstat(t)-在给定时间段内V(t)的平均值所对应的功率；P (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Pstat(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

8、步长, 得到对应风速下的最佳叶尖速比和功率系数,带入式：式中：1-传动系统效率，取0.92；2-发电机效率，取0.95；3-变流器效率，取0.95；Cp-额定功率下风能利用系数,取0.44；-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)、Ct曲线计算并参考相关数据得到Ct曲线如下：8、确定攻角a，升力系数Cl，叶尖速比l，风能利用系数Cp风力机翼型为63418,根据翼型的气动数据得到升阻比随攻角变化的曲线见

9、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Cl=0.904，Cd=0.007本设计取攻角=10°为，此时升力系数和阻力系数分别为Cl=1.307， Cd=0.018。三叶片风力发电机组的风轮叶尖速比一般在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CP-曲线如图1，由Cp-曲线可得出Cp=0.44。9、风轮额定转速风轮额定转速可由下式计算得到：nr=60VrD=60×13×7×114=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

10、车。12、风力机等级由IEC标准，如下表，选择风力机等级为IECIIIA。WTGS等级IIIIIIIVSvrefm/s5042.537.530由设计者规定各参数vavem/s108.57.5AI150.180.180.180.18a2222BI150.160.160.160.16a3333阶段性总结总体参数设计值总体参数设计值叶片数B=3风轮直径D=114m额定输出功率P=5MW轮毂高度Zhub=70m设计寿命20年风能利用系数Cp=0.44切入风速Vin=3m/s叶尖速比=7切出风速Vout=25m/s功率控制方式主动变桨距控制额定风速Vr=13m/s制动形式气动刹车、机械刹车风轮额定转速n

11、r=15r/min传动系统高传动比齿轮箱传动风力机等级IECIIIA电气系统双馈发电机+变流器三、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。叶素位置和叶尖速比数值见下表：叶素位置/%5101520253035404550叶尖速比l0.350.71.051.41.752.12.452.83.153.5叶素位置/%556065707580859095100叶尖速比l3

12、.854.24.554.95.255.65.956.36.6572、叶片攻角及弦长优化设计计算步骤求利用公式求轴向干扰因子利用公式求切向干扰因子利用公式求入流角利用公式求叶素桨距角计算叶片弦长C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×Prnr×=9550×50001500×0.95=33.

13、51×103N·m选择刚轴推荐最大扭剪应力：则发电机的主轴直径D发电机为：D发电机=2×32×33.51×103×55×106=0.14m2、变流器变流器功率通常为风力发电机组的1/21/3，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：nl=15r/min；高速轴转速：nh=1500r/min传动比：i=100齿轮箱效率：30.92=0.973齿轮箱功率：PGB=Pr3231=5694kW4、联轴器低速轴联轴器功率：Pm=Pr323

14、12=50000.95×0.95×30.922=5852kW高速轴联轴器功率：Pr=Pr32=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FcFc=y2r0RArrdr其中旋转角速度由下式算得：=2n60=2×1560=1.57rad/sr0叶片起始处旋转半径，约为R的1/20,即为2.85my叶片的密度，为1.8kg/m3Ar叶素处的叶片截面积用matlab计算得：Fc=66760N(2)

15、、叶轮转动时的风压力：Fv=12V2r0R(1+ctg2I)(ClcosI+CdsinI)Cdr用matlab计算得：Fv= 2842551NFv作用点距叶轮轴的距离为rm，则有：rm=r0R(1+ctg2I)(ClcosI+CdsinI)Crdrr0R(1+ctg2I)(ClcosI+CdsinI)Cdr用matlab计算得：rm=37.96m(3)、作用在叶片上的陀螺力矩Mk整个叶片的转动惯量为：此处F即Ar用matlab计算得：I= 26199kg·m当=90°时，科氏加速度最大，为k=20VR由matlab计算得：由动量矩定理知，叶片受到惯性力矩Mk的作用，这个力矩

16、称为陀螺力矩，用matlab计算得：Mk=Ik= 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=4V20Ra1-ardr=V20R(1-k2)rdr用matlab计算得：T= 935790N(2)作用在整个风轮上的转矩可表示为：用matlab计算得：M= 4980888N·m3、主轴载荷计算低速轴角速度为：m=1.57rad/s高速轴角速度为：t=2nr60=2×150060=157.08rad/s低速轴功率为：Pm=Pr32312=50000.95×0.95

17、×30.922=5852kW高速轴功率为：Pt=Pr32=50000.95×0.95=2216kW低速轴转矩为Tm=pmm=58520001.57=3727389N·m高速轴转矩为：Tt=Ptt=2216000157.08=14107N·m低速轴直径：DL=232Tmfs=232×3727389×55×106=0.702m高速轴直径：DH=232Ttfs=232×14107×55×106=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。其由5段组成，段与段之间靠法兰

18、连接，底最大直径部为5m,顶部最小直径为4m，筒体壁厚由最底部的30mm过渡到顶部的20mm。塔筒的总质量为170t。作用在塔架上的载荷有以下几类：1) 风轮等构件承受的空气动力载荷2) 重力和惯性载荷：由重力、振动、旋转以及地震等引起的静态和动态载荷。3) 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、变桨以及制动过程产生的载荷等。4) 其它载荷：诸如尾迹载荷、冲击载荷、覆冰载荷等。5) 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。、暴风工况的风轮气动推力计算因为Vave>7m/s,所以取Vs=60m/s。

19、前苏联的法捷耶夫公式:Fas=0.784Abvs2B式中，Ab叶片的投影面积； Vs风轮中心处的暴风风速；叶片投影面积：Ab=AB其中为风轮实度，风轮实度与叶尖速比有关，=7时，近似认为=0.05。可算得：Fas=1440kN荷兰ECN的公式Fas=CtqAbBS式中，Ct推力系数，取； q动态风压； 动态系数，取； S安全系数，取。q随高度变化，风轮中心高度Zhub=70m处对应的q=1120N/m2。求得：Fas=1543kN丹麦RIS公式Fas=PlAs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。算得Fas=3062k N5.5塔架根部截面应力

20、计算塔架的受力分析如下图塔架根部截面应力可表示为：Fas考虑前面计算合理值，即Fas=1543kN，Fts是塔架受的风压力H是塔架高度，即H=70m，h1是轮毂高度，由前面知道为h1=1.5m，W为塔架根部抗弯截面模数W=D3(1-(dD)4)32=×53×(1-(5-0.065)4)32=0.579m3A是塔架根部截面积，A=(D2-d2)4=(52-4.942)4=0.468m2G1是塔顶的重量，本机组塔顶重为180t，则：G1=10×180×1000=1.8×106N，G2是塔筒的重量，G2=175×10×1000=1

21、.75×106N是变截面塔架的长度折减系数，可根据图10变截面塔架的长度折减系数来确定。=H式中:与塔架截面变化有关的折算长度修正系数，可根据JminJmax之比由下表的选择参考设计值，JminJmax0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.651.451.331.241.181.141.101.061.031.00Jmin是塔架顶部截面惯性矩，由下式计算：Jmax是塔架底部截面惯性矩,由下式计算得：Jmax=D4(1-(dD)4)64=×54×(1-(5-0.065)4)64=1.446m4JminJmax=0.4951.446=0.34

22、2查表得=1.30-是塔架根部截面的惯性半径，=JmaxA=1.4460.468=1.758m由以上可计算得=H=1.30×701.758=51.76查下图所示曲线可知所以取=0.8。代入计算得：五、风电机组布局1、总体机舱结构方案采用成熟的主流风机结构布置，如下图所示，可以有效减少机舱震动和有害载荷影响。2.主传动系统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，一般为下图所示的一字型布置： 3、偏航系统选用强制外置6电机偏航。4、变桨系统3叶片独立变桨控制，结构布置如下图所示六、设计总结1、总体参数总体参数设计值总体参数设计值叶片数B=3风轮直径D=114

23、m额定输出功率P=5MW轮毂高度Zhub=70m设计寿命20年风能利用系数Cp=0.44切入风速Vin=3m/s叶尖速比=7切出风速Vout=25m/s功率控制方式主动变桨距控制额定风速Vr=13m/s制动形式气动刹车、机械刹车风轮额定转速nr=15r/min传动系统高传动比齿轮箱传动风力机等级IECIIIA电气系统双馈发电机+变流器2、功率、气动特性和载荷计算总结气动特性攻角10°升力系数1.307阻力系数0.018发电机发电机额定功率5MW发电机额定转速1500r/min发电机轴直径0.14m齿轮箱形式齿轮箱选用2级行星轮+1级平行轴齿轮齿轮箱传动比100低速轴转速15r/min

24、高速轴转速1500r/min齿轮箱功率5694kW联轴器低速轴联轴器功率5852kW高速轴联轴器功率5540kW变流器变流器功率2500kW偏航电机数量×偏航电机功率6×3kW叶片载荷离心力66760N风压力284255N陀螺力矩133551N·m风压力作用点距叶轮轴距离37.96m风轮载荷轴向推力935790N转矩4980888N·m主轴载荷低速轴转矩3727389N·m高速轴转矩14107N·m低速轴直径0.702m高速轴直径0.109m塔架载荷作用在塔架上载荷Fas=1543kN作用在在塔架上风压力Fts=694975N塔架根部截面应力241.3MPa3、其余部分设计总结机组运行环境温度-30°45°生存环境温度-45°45°发电机输出电压690V频率50Hz功率因数容性0.95感性0.9叶片空气动力外形 63418翼型圆锥体叶尖1.5m 处预弯材料玻璃纤维增强树脂控制系统控制方式PLC+远程监控塔筒类型钢制锥形塔筒七、参考文献1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）2风力发电原理.华北电力大学.徐大平等著3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4XE115