风力发电机设计与制造课程设计

1、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、设计寿命根据设计任务书选定额定功率 Pr =3.5MW；一般风力机组设计寿命至少为 20 年，这里选 20 年设计寿命。2. 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 Vr = 12m/s（对于一般变桨距风力发电机组（选 3.5MW）的额定风速与平 均风速之比为 1.70 左右,V r =1.70Vave=1.70 ×7.0 12m/s）3. 重要几何尺寸（1）风轮直径和扫掠面积

2、由风力发电机组输出功率得叶片直径： 其中：Pr风力发电机组额定输出功率，取 3.5MW ； 空气密度（一般取标准大气状态），取 1.225kg/m3；Vr额定风速，取 12m/s；D风轮直径；1 传动系统效率，取 0.95；2 发电机效率，取 0.96；3 变流器效率，取 0.95；Cp额定功率下风能利用系数 ,取 0.45。 由直径计算可得扫掠面积： 综上可得风轮直径 D=104m，扫掠面积 A=8482 m24. 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

3、化用如下的模型来表示：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 照设定的风速步长 , 得到对应风速下的最佳叶尖速比和功率系数 ,带入式：1 传动系统效率，取 0.95；2 发电机效率，取 0.96；3 变流器效率，取 0.95；空气密度（一般取标准大气状态），取 1.225

4、kg/m3；Vr额定风速，取 12m/s；D风轮直径；Cp额定功率下风能利用系数 ,取 0.45。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 ）34567891011功率（ w）547441297632534444379526954521038109147809020275582698680风速（ m/s ）121314151617181920功率（ w）350000035000003500000350000035000003500000350000035000003500000风速（ m/s ）2122232425功率（ w）3500

5、0003500000350000035000003500000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 0一般在 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 CP 0 曲线如图 。图 CP 0 曲线由 Cp 0 曲线可得出 0 =7.5 ，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

6、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 IECIIIAWTGS 等级IIIIIIS5042.537.5设计值由设计者选定A0.16B0.14C0.12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； I?15 风速为 15m

7、/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额定输出功率P=3.5MW轮毂高度Zhub=106.25m设计寿命20年风能利用系数Cp=0.45切入风速V in=3m/s叶尖速比切出风速V out=25m/s功率控制方式主动变桨距控制额定风速Vr=12m/s制动形式气动刹车、机械刹车风轮额定转速nr=16.5r/min传动系统高传动比齿轮箱传动风力机等级IECIIIA电

8、气系统双馈发电机 + 变流器叶片设计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31800kg /m 。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 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 63415 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 2：表2 不同叶素位置的叶尖速比叶素位置 /%5101520253035404550叶尖速比0.3750.7501.1251.50

9、01.8752.2502.6253.0003.3753.750叶素位置 /%556065707580859095100叶尖速比4.1254.5004.8755.2505.6256.0006.3756.7507.12575003. 根据翼型确定叶片最佳攻角，升力系数 Cl， Cd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 101.325kPa 时，空气的动力粘度 17.9 10 6 根据所得雷诺数查得 Cl/Cd 、Cl/alpha ，见图 4图 4 Cl-Cd 曲线 和 Cl-alpha 曲线图 5 C l/ C

10、d alpha 图从图中可以得出翼型取得最大升阻比时，最佳攻角 5.25 ，此时升力系数Cl=0.9461，Cd=0.00791，最佳升阻比 Cl /Cd 118. 7 ,本次设计选取最佳攻角5.25 ，则升力系数和阻力系数分别为 Cl=0.9461， Cd=0.00791。叶片每个截面的升力系数相 同，为 Cl=0.9461。4. 叶片弦长计算步骤通过下面的计算，可以得到沿叶片各径向位置 r 上的弦长 C 和叶素桨距角 ，即 可完成叶片的初步设计，但要是想对叶片进一步优化，还需对翼型、叶根、叶尖风进 行气动优化设计和工艺优化设计，在本次设计报告中，只对叶片作了初步设计。如 下：（1）求 利用

11、公式（2）求轴向干扰因子 k 利用公式（3）求切向干扰因子 h 利用公式（4）求入流角 利用公式（5）求叶素桨距角（6）计算叶片弦长 C 叶片气动特性通过 excel 计算，得到叶片各个截面气动特性参数，如 表 3：表 3 叶片气动特性参数位置 （%）半径 r(m)叶尖速比khC（修正）52.60.3751.1670.4202.6190.8080.7167.116105.20.751.2620.3801.5880.6180.5278.522157.81.1251.3290.3611.2990.4840.3937.9472010.41.51.3750.3511.1790.3920.3006.98

12、525131.8751.4070.3461.1180.3270.2356.0863015.62.251.4310.3421.0840.2790.1875.3353518.22.6251.4490.3401.0620.2430.1514.7214020.831.4640.3391.0480.2150.1234.2214523.43.3751.4750.3371.0380.1920.1003.80950263.751.4840.3371.0310.1740.0823.4665528.64.1251.4920.3361.0260.1590.0673.1776031.24.51.4980.3361.0

13、220.1460.0542.9306533.84.8751.5030.3351.0190.1350.0432.7187036.45.251.5080.3351.0160.1250.0342.53475395.6251.5120.3351.0140.1170.0262.3738041.661.5160.3351.0120.1100.0182.2308544.26.3751.5190.3351.0110.1040.0122.1049046.86.751.5220.3341.0100.0980.0061.9919549.47.1251.5240.3341.0090.0930.0011.8891005

14、27.51.5270.3341.0080.088-0.0031.7975. 叶片根部载荷计算与材料选择 叶片根部处理方式：距叶根 0 5m处制作成直径为 3m 的圆柱结构处理，且根部采用 金属法兰连接。见图 6图6 金属法兰连接 表 4 增强材料力学性能 根据表 4 材料选择为 T700 碳纤维，抗拉强度为 4.9Gpa99取 0.3 4.9 109 pa 1.47 109 pa取 d 1c1212 7.11 3.555m dmin所以风轮根部直径选择 3.6m三 . 确定主要部件1发电机 发电机类型：双馈异步变速恒频发电机； 额定功率： 3.5MW ； 额定转速： 1500r/min；发电机

15、极对数为 2，发电机主轴转矩 T 发电机主轴 为： 选择刚轴推荐最大扭剪应力： fs 55MPa 则发电机的主轴直径 D 发电机为： 取发电机主轴直径 D 为 0.15m.2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 1500kW 。3齿轮箱方式：行星齿轮传动两级 NGW ；低速轴转速： nl =16.5r/min高速轴转速： nh =1500r/min传动比： i = 90齿轮箱效率： 3 1 3 0.95 0.983 齿轮箱功率：4联轴器低速轴联轴器功率高速轴联轴器功率：5主轴低速轴角速度为：高速轴角速度为：低速轴功率

16、为：高速轴功率为：低速轴转矩为：高速轴转矩为：低速轴直径：高速轴直径： 综上可得，低速轴直径取 0.7m，高速轴直径取 0.18m。6偏航系统类型：主动偏航，并选用强制外置 6 电机偏航； 偏航范围： 800o 800o 偏航角速度： 0.6o /s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； 大齿轮齿数： 135；小齿轮齿数： 16 减速箱传动比： i=140结构简图见 图 7图7 偏航机构结构简图7变桨系统 根据调整桨距角调整风能利用系数，桨距角与风能利用系数曲线见图 8 图8 风能利用系数与桨距角关系曲线变桨类型： 3 叶片独立变桨控制

17、，采用电动驱动装置。 供电方式：超级电容供电发电机转速：永磁电动机 1500r/min，电机功率： 3 10kw 变桨范围： 090o （主要变桨范围 030o） 变桨速度： 7 o/s传动方式：齿形带传动 变桨机构结构图见图 9图 9 变桨机构结四风机载荷计算1叶片载荷计算（1）作用在叶片上的离心力 Fc 叶片绕风轮旋转时，有离心力作用在叶片上。方向是自旋转中心沿半径想外。在 半径 r 处，从叶片上取长为 dr 的一个叶素，该叶素上的离心力为 dFc ，则叶片上的离 心力为：其中：风轮角速度；r0 叶片起始处旋转半径，约为 R的 1/20,即为 1.75m；y 叶片的密度，叶片内部为空心梁结

18、构，查得碳纤维密度为1800kg/m3，取900kg/m3；Ar 叶素处的叶片截面积；翼型为 NACA63-415,取 Ar 0.1 c2用 matlab 计算得：Fc 4139100N2）叶轮转动时的风压力 Fv：风压力是作用在叶片上沿风速方向的气动力其中：c 叶素的弦长，单位为 m；来流角；设 Fv 作用点距叶轮轴的距离为 rm ，则有：用 matlab 计算得：（3）作用在叶片上的气动力矩 MbMb 是使风轮转动的力矩，可由下式求出（4）作用在叶片上的陀螺力矩 Mk绕水平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 主轴转动外，还以角速度 w 垂直于水平主轴并通过塔

19、筒的轴线转动。 整个叶片的转动惯量为：其中：y 叶片的密度，为 900kg/m3；Ar 叶素处的叶片截面积，根据翼型图得 Ar 0.1 c2 ，单位为 m2；设科氏加速度为：其中：x 惯性半径，值为 J /m ；xr Vr 与 w的夹角， Vr = 0 v；R由动量矩定理知，叶片受到惯性力矩 Mk 的作用，这个力矩称为陀螺力矩。用 matlab 计算得：J = m42风轮载荷计算（1）轴向诱导因子 a111(1 k) ，周向诱导因子 b 1(h 1);(k/h)22则作用在风轮上的轴向推力 T 可表示为： 用 matlab 计算得：2）作用在整个风轮上的转矩 M 可表示为：用 matlab 计

20、算得：阶段性总结表叶片上离心力 Fc4139100NFv 作用点距轴心距离34.912m叶片转动风压力 Fv494560N气动力矩 Mb195330m4转动惯量 J惯性力矩 Mk风轮轴向推力 T663860N m风轮上转矩 M3018600N m五塔架设计1塔架高度 塔架高度参数的选择与地形和地貌有关，陆地和海上风机组会有所不同，陆地地 表相对粗糙，风速随高度变化缓慢，需要高的塔架，相反海平面较光滑，风速沿高度 变化梯度大。此外，随着风轮直径的增大，塔架高度逐渐减小，对于风轮直径25m 以上的机组，轮毂中心高与风轮直径为 1:1，所以选取塔架高度为 90m。轮毂高度是从地面到风轮扫掠面中心的高

21、度，用 Zhub 表示zt 塔顶平面到风轮扫掠面中心的高度；H 塔架高度。2. 塔架的基本结构形式 塔架形式主要分为钢筋混凝土、桁架、钢筒三种结构，目前大型风机组主要采用 钢筒结构，钢筒结构中又分为直通和锥筒，在满足相同的要求的前提下，锥筒可以减 少材料消耗，降低成本，所以本设计选取锥形钢筒结构。同时采用柔性塔，可以降低 塔架质量和成本，柔塔即塔架固有频率在风轮旋转与叶片通过频率之间。3塔架的结构尺寸、重量和材料连接方式：法兰连接；材料： Q460c，屈服强度是 460MPa；机组质量： m1 =220t；塔筒质量： m2 = 200t；塔筒壁厚：从根部到顶部选用壁厚由 30-20mm 过渡；

22、塔筒根部外径： D1 = 6000mm；塔筒顶部外径： d1 = 4000mm；塔筒根部内径： D2 = 5940mm;塔筒顶部内径： d2= 3960mm；参照上海电气风电设备有限公司研发的 3.6MW的风机，额定风速 12m/s，风轮直 径 116m，机舱重 150t ，塔筒分为三段，上塔筒重约 48.7t ，中塔筒重约 90.4t ，下塔 筒重约 86.3t ，叶片 54t ，轮毂 38t ，机组重量 467.475t 。塔筒根部外径 5056mm，顶部 外径 3815mm。，4. 塔架载荷分析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

23、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；5. 塔架强度校核塔架根部为最危险截面，接下来将对根部进行受力分析和强度校核。为了确保在 暴风作用条件下塔架不倾倒，校核强度时均要按照暴风工况考虑风轮的气动推力和塔 架的风压力。暴风工况下最大风速 Vs 和年平均风速 V ave有关。如下表 5：表5 年平均风速和最大风速关系V ave

24、<=5.5m/s5.5m/s< Vave<7m/sV ave>=7m/sVs =40m/sV s=50m/sV s=60m/s本次设计中， Vave=7.0m/s>7m/s，所以选取 Vs=60m/s。1） 塔架的受力分析如下图 10：图 10 塔架受力 塔架根部截面应力可表示为： 其中：Fas 塔架风压力，单位 N；Fts 塔架气动推力 ,单位 N；W2 塔架根部抗弯截面系数 ,单位为 m3；A2 塔架根部截面积，单位为 m2 ；G2 塔架自重，单位为 N；G1 机舱总成质量，单位为 N；H2变截面塔架的长度折减系数，可根据 2 H 从图 11 得到2图 11

25、2 - 2 关系曲线J与塔架截面变化有关的折算长度修正系数，可根据 Jmin 之比由表 6的选择 Jmax塔架根部的截面惯性半径，单位为m，参考设计值， Jmin 为塔架顶部截面惯性矩，单位为 m4， Jmax 为塔架根部截面惯性 矩，单位为 m4；0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.651.451.331.241.181.141.101.061.031.00表 6 - Jmin 关系表JmaxH是塔架高度，即 H=90m，h1 是轮毂高度，由前面知道为 h1=2.25m；2）塔架风压力 Fas ，有以下几种计算方式 前苏联的法捷耶夫公式 其中：Ab叶片的投影面积，

26、单位 m2。 Ab A ，其中 为风轮实度，风轮实度与叶B尖速比有关， 0 =7.5 时，近似认为 =0.05 ；Vs 风轮中心处的暴风风速 ,单位为 m/s； 荷兰 ECN 的公式其中：Ct 推力系数，取 Ct 1.5；q动态风压 ,单位为 N /m ， q随高度变化，风轮中心高度 Zhub=92.25m处对应 的 q=1410N/m2。 动态系数，取 =1.2；S安全系数，取 S 1.5 ； 丹麦 RIS 公式其中：Pl 风轮单位扫掠面积上的平均风压，通常取 Pl=300N/m2；A 风轮的扫掠面积。单位为 m2；3）塔架气动推力 Fts其中： 空气密度， 1.225kg/m3；At 气动

27、推力作用于塔筒的面积，单位为m2取 0.7；V s风轮中心处的暴风风速,单位为 m/s；4）计算过程气动推力作用于塔筒的面积A D1 d1At26 4 90 450m22叶片的投影面积Ab21042 0.05432141.51m抗弯截面系数W2D13324D2D1633245.94 0.8356塔架根部截面积A24 D1D22 4 625.9420.5623m2塔架顶部截面惯性矩Jmin d1 1min 644塔架根部截面惯性矩JmaxD1 1max 644d24443.96410.495m4d1644444D2645.94412.506m4D1646 Jmin0.424 0.197Jmax

28、0.970Jmax查表 6 得 =1.45，A22.5060.56032.114,则1.45 902.11461.73,材料2 =0.75为低合金钢，根据图 5 得变截面塔架的长度折减系数 机组的总重量为 G1=2200000N ，塔架的总重量为 G2=2000000N 苏联的法捷耶夫公式： Fas1 0.784Abvs2 B 0.784 141.51 602 3 1198193N荷兰 ECN 的公式： Fas CtqAbB S 1.5 1410 141.51 3 1.2 1.5 16161857N 丹麦 RIS 公式： Fas p1Ad 300 5222547168 N 选取丹麦 RIS公式

29、得出的 Fas= 2547.168KN1 2 1 塔架气动推力 :Fts 1 vs2At 1 1.225 602 0.7 396 611226N22代入计算得：强度校核：所以塔架最危险截面，即根部满足要求。六风电机组布局见附录整机工程图七设计总结1总体参数 风机总体设计参数总结，如表 7表 7 总体参数表叶片数B=3风轮直径D=104m额定输出功率P=3.5MW扫掠面积A=8482m2设计寿命20 年风能利用系数Cp=0.45切入风速Vin=3m/s叶尖速比切出风速Vout=25m/s功率控制方式主动变桨距控制额定风速V r=12m/s制动形式气动刹车、机械刹车风轮额定转速nr=16.5r/m

30、in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 +变流器叶片数B=3风轮直径D=70m2功率、气动特性和载荷计算总结 风机的功率、叶片气动特性和载荷总结，如表 8 表 8 风机的功率、叶片气动特性和载荷气动特性攻角5.25°升力系数0.9461阻力系数0.00791发电机发电机额定功率3.5MW发电机额定转速1500r/min发电机轴直径0.18m齿轮箱形式行星齿轮传动两级 NGW齿轮箱传动比90低速轴转速16.5r/min高速轴转速1500r/min齿轮箱功率3.9MW联轴器低速轴联轴器功率3.9MW高速轴联轴器功率3.84MW变流器变流器功率1.5MW变

31、桨电机数量 变桨电机功率偏航电机数量 偏航电机功率叶片载荷离心力4139.1KN风压力494.56N气动力矩195330N·m风压力作用点距叶轮轴距离34.912m风轮载荷轴向推力663860N转矩3018600N·m主轴载荷低速轴转矩2258251.3N·m高速轴转矩24458.6N·m低速轴直径0.7m高速轴直径0.18m塔架载荷作用在塔架上载荷Fas=2547168N作用在在塔架上风压力Fts=611226N塔架根部截面应力325MPa3其余部分设计总结整机部分设计总结，如表 9图 9 整机部分设计形式机组运行环境温度-30°45

32、6;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63-415翼型材料T700 碳纤维控制系统控制方式PLC+远程监控塔筒类型钢制锥形塔筒八总结为期两周的课程设计即将结束，期间经历了很多事。第一周主要是打公式计算， 一开始也不知道如何选择翼型，感觉完全找不到方向，而后查阅相关设计经验进行参 考，在不断的尝试下才选出了我认为最佳的风机部件。感谢老师在我们设计及画图时都积极提供帮助，老师组建了QQ群解答我们的问题。提醒我们要注意的地方。如果当时老师不提示，我也不会用到 matlab 计算，也不 会用 visio 画

33、图，如此一来，此次设计的收获便大打折扣 。并且在我们犯错误后及时 纠正我们。再次感谢老师的指导与帮助。总之，在这次风电机组总体设计中，我学到了很多，对风机外部以及内部结构有 了深刻的理解，还是相关工具的使用以及交流合作的重要性，总之这次课程设计是我 大学生活中一次美好的经历。九附录1风机载荷计算的 MATLAB 程序clcclearD=ceil(sqrt(8*3e6/0.95/0.96/0.95/0.45/pi/1.225/(123) ; lambda=7.5;n=lambda*60*12/pi/D;a=0.05:0.05:1;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);beta=I*180/pi-5.25 ;C=8*pi*a.*(D/2).*(h-1).*cos(I)/3/0.9461./(h+1) ;R=D/2;r=a*R;omega=lambda*12/R;y1=r.*C*.C*0.1 ;Fc =900*omega2*trapz(r,y1); 计算叶片离心力'cl=0.9461 ;cd=0.00791 ;y2=(1+