《风力发电机组设计与制造》课程设计任务书

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7.6m/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0.967、风能利用系数Cp额定功率下风能利用系数Cp取0.388、风轮直径由风力发电机组输出功率得叶片直径：D=3rp1238PVCr==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=3rp1238PVCr)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30.000000.000000.000000.0000022.479840764131.250000.476930.174940.5773316.859880575300.000000.558150.243340.7365113.487904466506.250000.545060.229120.7065111.239920387750.000000.508520.197270.633419.63421746981031.250000.468420.169710.563638.42994028691350.000000.430670.148440.505637.493280254101706.250000.396810.131510.456856.743952228112100.000000.366930.117510.414806.130865662122531.250000.340670.106520.380685.61996019133000.000000.317560.097330.351425.18765556143000.000000.254260.074130.274534.817108735153000.000000.206720.058270.219494.495968152163000.000000.170330.046610.177734.214970143173000.000000.142010.038260.147203.967030723183000.000000.119630.031850.123333.746640127193000.000000.101720.026820.104413.549448541203000.000000.087210.022820.089193.371976114213000.000000.075340.019590.076823.211405823223000.000000.065520.016710.065733.065432831233000.000000.057340.014630.057652.932153143243000.000000.050470.012870.050832.809980095253000.000000.044650.011390.045042.69758089110、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90m17、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IEC61400-119、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)5042.537.530年平均风速Va(m/s)108.57.56湍流强度等级Aε150.180.180.180.18a2222Bε150.160.160.160.16b3333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：94)(/9162200RrrRNa、给出r，攻角i已知，CL=0.904已知；b、由式331arctg求得角；c、由式cos)1(2k得到k；d、由式2211kh得到h；e、由式)11(kharcctgI得到I；f、iI，)]1(/[]cos)1(8[hBCIhrCL；g、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rλΨkhφβC10%50.51.201750.403312.085510.738100.5811012.0590420%1011.309000.366031.366030.523600.3666012.4157430%151.51.374800.351091.178840.392000.2350010.5443340%2021.416250.344211.104710.309100.152108.7838150%252.51.443960.340601.068380.253670.096677.4143260%3031