风力发电机组设计与制造课程设计报告书

课程设计（综合实验）报告名称：风力发电机设计制造题目：风力发电机组整体技术设计目录TOC\o"1-3"\h\z\u课程设计任务书三小号v参考[m/s]5042.537.5参数由设计者指定AI参考(-)0.16BI参考(-)0.14CI参考(-)0.12风力机气动特性初步计算2.1叶片设计原理2.1.1动量理论如图4所示，转子采用动量理论计算：风轮r—r+dr，作用在环形域上轴向推力为：(2-1)轴向推力可表示为：(2-2)使用伯努利方程，将这两个公式相减并带入（2-2）得到：（2-3）结合(2-1)和(2-3)得到：(2-4)引入轴向感应系数，则(2-5)(2-6)气流流过风轮后，还产生一个与风轮旋转方向相反的角速度，所以作用在环形域上的力矩为：(2-7)引入切向感应系数，扭矩表示为：(2-8)可以看出，作用在环面上的气流提供的动量为：(2-9)2.1.2叶元理论如上图，设，则(2-10)因此，升力和阻力可以表示为：假设，则：那么，作用在转子r-r+dr的环形域上的推理和转矩为：(2-11)(2-12)2.2叶片设计给定r，攻角i已知，CL=0.904已知；;从公式中，得到角度；由公式得到k；从公式中，得到h；由式，得；;;在excel中编辑公式1)到8)来计算相应的数据。在：B-叶子的数量（这里是3）；k——轴向干涉系数；h——切向干涉系数；C——叶片的弦长；i-攻角；-流入角；-俯仰角。表格SEQ表格\*ARABIC3叶元素位置/%51015202530354045506.56.56.56.56.56.56.56.56.56.5尖速比0.3250.650.9751.31.6251.952.2752.62.9253.25叶元素位置/%5560657075808590951006.56.56.56.56.56.56.56.56.56.5尖速比3.5753.94.2254.554.8755.25.5255.856.1756.5表格SEQ表格\*ARABIC4r地点/％尖速比ķHC2.42556.50.3251.1520.4282.9560.83839.0385.3994.85106.50.651.2390.3881.7350.66329.0066.9147.275156.50.9751.3050.3671.3820.53221.4976.7689.7206.51.31.3520.3561.2320.43716.0516.14912.125256.51.6251.3870.3491.1540.36812.0965.44414.55306.51.951.4130.3451.1100.3169.1154.85316.975356.52.2751.4330.3421.0820.2766.8224.33019.4406.52.61.4480.3401.0630.2455.0453.86921.825456.52.9251.4610.3391.0500.2203.6113.49724.25506.53.251.4710.3381.0410.1992.4083.21426.675556.53.5751.4800.3371.0340.1821.4332.95229.1606.53.91.4870.3361.0290.1670.5732.76131.525656.54.2251.4930.3361.0250.155-0.1152.58833.95706.54.551.4990.3361.0210.144-0.7452.35036.375756.54.8751.5030.3351.0190.135-1.2612.28338.8806.55.21.5070.3351.0160.127-1.7202.05641.225856.55.5251.5110.3351.0140.119-2.1781.91543.65906.55.851.5140.3351.0130.113-2.5221.88546.075956.56.1751.5170.3351.0120.107-2.8661.83948.51006.56.51.5200.3341.0100.102-3.1531.616单位和组件载荷计算3.1叶片载荷计算FC作用在刀片上当叶片围绕转子轴旋转时，离心力作用在叶片上。离心力的方向从旋转中心径向向外。那么叶片的离心力为：在：-叶片密度，单位为kg/m3，本设计为530kg/m3；——叶片元件处的叶片横截面积，m2；——风轮的角速度，rad/s；-叶片开始处的旋转半径；—叶片末端的旋转半径。用gambit软件粗略计算，用excel表格计算出每个截面的面积，然后用matlab软件拟合半径和叶元截面面积的函数，计算积分，得到39786kN。r2.4254.857.2759.712.12514.5516.97519.421.82524.25C5.3996.9146.7686.1495.4444.8534.3303.8693.4973.214氩2.433.983.813.152.471.961.561.251.020.86r26.67529.131.52533.9536.37538.841.22543.6546.07548.5C2.9522.7612.5882.3502.2832.0561.9151.8851.8391.616氩0.730.630.560.460.430.350.310.300.280.22FV作用在刀片上风压是沿风速方向作用在叶片上的气动力。当转子静止和旋转时，风压不相等。当转子静止时，风压为：FV的作用点与风轮轴的距离为：风轮转动时的风压为：用Matlab计算，FV1=289.3962N，rm1=14.01m；FV2=1969.4952kN，rm2=33.95m。Mb作用在刀片上Mb是使转子转动的力矩，由下式求得：用matlab计算：Mb=3568.7628kN·mMK作用在刀片上Mk是风轮在调整风向时产生的转动惯量。当风向改变时，风轮除了以角速度绕Ox轴旋转外，还以角速度绕Oz轴旋转。整个叶片的转动惯量为调整风向时产生的最大科里奥利加速度为：由于科里奥利加速度而产生科里奥利角加速度。根据动量定理，叶片受到惯性力矩Mk的作用，称为陀螺力矩，Mk=。用matlab计算J=512.47Mkg*m2；,Mk=23.3686MN·m3.2风轮毂载荷计算作用在整个转子上的轴向推力可以表示为。作用在整个转子上的转矩可以表示为：.用matlab计算T=627.4529kN；M=3274.2981kN·m3.3主轴负载计算传动轴选用实心钢轴，最大应力fs=55MPa低速轴角速度为高速轴的角速度为高速轴功率为低速轴功率为低速轴扭矩高速轴扭矩低速轴径高速轴径3.5塔载计算本机组塔架采用等强度设计理论的锥形钢筒结构塔架。它由5个部分组成。这些部分通过法兰连接。底部最大直径为6m，顶部最小直径为4m。圆柱体的壁厚从底部的30mm过渡到顶部的12mm。塔的总质量约为180吨。作用在塔上的载荷分为以下几类：风力涡轮机等部件上的空气动力载荷1、重力和惯性载荷：由重力、振动、旋转和地震引起的静态和动态载荷。2、运行负荷：机组运行和控制过程中产生的负荷。如制动过程中产生的功率变化、偏航、俯仰和负载。 3、其他载荷：如尾流载荷、冲击载荷、结冰载荷等。下面只讨论与塔架结构强度计算相关的两种载荷，即风轮作用的最大气动推力产生的载荷和塔架自身承受的最大风压。3.5.1风暴条件下风轮气动推力计算因为，所以取vs=60m/s。1.前端链接的Fadeev公式在：Ab——叶片的投影面积（叶尖速比为6.5时，转子的实心度为0.05，其中Ab=0.05A/3=， A为 转子的扫掠面积），m2；Vs——旋翼中心风暴风速，m/s。计算：。2.荷兰ECN的公式在：Ct——推力系数，取Ct=1.5；q——动态风压，单位为：N/m2；—动态系数，取=1.2S——安全系数，取S=1.5q随高度变化，在风轮中心高度H=97m处对应的q约为1420，单位为：N/m2。计算：。3.德国DFVLR公式在：Ct——推力系数，取Ct=2.2。计算：。4.丹麦RIS公式在：P1——风轮单位扫掠面积上的平均风压，通常P1=300N/m2；As——风轮的扫掠面积，单位为m2。计算：。3.5.2欧美国家铁塔静强度设计的一般荷载条件1）风载荷工况：风速65m/s，（平均2s）转子停止，叶片顺桨，风向沿机舱横向作用于塔架。2）正常运行条件下的地震载荷：考虑额定风速下风轮产生的最大轴向力，同时将其产生的惯性力按水平载荷加到风轮的轴向推力上地震引起的统一建筑物因素。3）机组最大运行负荷：一般为额定风速正常运行负荷的2倍。3.5.3确定塔架设计载荷的要求设计载荷需要正确分析各种载荷及其对塔架的影响，大致可分为三类设计载荷：1）最大极限载荷：指塔架所能承受的最大载荷。2）疲劳载荷：指塔架构件承受交变载荷次数的能力。3）共振激励载荷：塔架结构系统的共振响应。3.6耦合载荷计算联轴器上的负载主要是扭矩低速联轴器负载高速联轴器负载主要部件技术参数4.1变速箱一、基本参数：传动形式：二级行星齿轮系、一级平行齿轮系速比：88输入转速：17rpm输出转速：1500rpm设计功率：3.4MW润滑方式：油润滑 质量：变速箱结构图：4.2生成器基本参数：发电机类型：双馈异步变速恒频发电机额定功率：3000千瓦绝缘等级：F级（真空压力浸漆）额定电压：700V冷却方式：IC41（机壳表面自然通风冷却）频率：50赫兹定子线圈允许温升：105K额定转速：1500r/min重量：发电机类型：双馈异步变速恒频发电机额定功率：3000千瓦绝缘等级：F级（真空压力浸漆）额定电压：700V冷却方式：IC41（机壳表面自然通风冷却）频率：50赫兹定子线圈允许温升：105K额定转速：1500r/min重量：4.3转换器由于采用双馈发电机组，只需要确定与转子相连的变流器的功率即可。对于双馈机组，变流器的功率通常为风机功率的1/2~1/3。为保证机组的可靠性，通常为额定功率的1/2，因此变流器的功率为1500kW。4.4联轴器高速联轴器的功率为：低速联轴器的功率为：4.5偏航执行器1、偏航形式的选择：采用偏航电机进行机械偏航，采用外齿偏航轴承；2、偏航驱动装置设计：包括驱动电机、减速机、传动齿轮、齿轮间隙调整机构；3、驱动电机功率：一般由最大偏航力矩决定，本设计采用4个3kW偏航电机4、驱动减速机结构形式：行星减速机5、传动齿轮结构形式：采用渐开线圆柱齿轮6、偏航技术要求：需要有电缆释放保护装置；大型风力发电机的偏航速度不宜过高。本机组设计偏航速度ω=0.75°/s，无法保证偏航液压系统的正常运行。漏油;安装偏航计数器。4.6变桨执行器1、变桨形式的选择：变桨电机为机械变桨，采用齿距轴承。2、变桨驱动装置设计：包括驱动电机、减速机、传动齿轮、齿轮间隙调整机构3、驱动电机功率选择：P偏航电机=5kw4、驱动减速机结构形式：行星减速机5、传动齿轮结构形式：采用渐开线圆柱齿轮6、间距性能设计要求：确保俯仰速度为1°/s，并安装节圆计数器装置；为保证停电时球场的正常运行，使用充电电池；选用液压制动钳，保证俯仰制动时的稳定性，制动过程为15°/s。4.7塔根截面应力计算铁塔通常采用等强度变截面设计，危险断面一般位于铁塔根部。塔根的结构强度分析是确定塔的整体结构尺寸的基本设计依据。下面只讨论一种分析方法：考虑塔高折减系数的强度计算。塔根处的截面应力可表示为：在：Fas——考虑在3.5.1中计算的最大值，即Fas=2216.94kNFts-塔上的风压，H——塔的高度，即H=95m，h1—转子半径的1/20，h1=48.5/20=2.425mW——塔根弯曲截面模量，cm3，A——塔根截面积，cm2，QUOTEG1——塔顶重量，本机组塔顶重量为200吨，G1=10*200*1000=2000kNG2——塔的重量，本机组塔顶重量为180吨，G2=10*180*1000=1800kNQUOTE——为变截面塔的长度折减系数，可根据下图确定变截面塔的长度缩减系数在公式，-与塔截面变化有关的换算长度修正系数，可按比例取的参考设计值0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.651.451.331.241.181.141.101.061.031.00—塔顶截面的转动惯量，cm4，