风力发电课程设计---风力机叶片设计

课程设计设计题目：风力发电技术课程设计课程设计要求一、课程设计的目的和意义通过课程设计使学生能综合运用所学基础理论、基本技能和专业知识，联系生产及科研实际完成某一课程设计题目。培养学生分析和解决工程问题的能力以及一定的科研、实践能力；培养学生严谨、求实的治学方法和刻苦钻研、勇于探索的精神；培养学生的业务素质、创新意识和团队精神等。课程设计过程中，深化有关理论知识，扩大知识面，获得阅读文献、调查研究、总结提炼以及使用工具书和写作等方面的综合训练。通过课程设计工作可以有效地检验“教”、“学”质量。二、课程设计对学生的要求1.指导教师指导下，学生在规定时间内正确、相对独立地完成一项给定任务的全过程，包括资料收集、调研、方案比较、数据采集与处理、计算与结果分析、总结提炼观点、得出结论、绘制有关图表、编写设计报告、说明讲解与回答问题、课程设计考核等。严禁以任何方式抄袭他人成果或网上相关文章，也不能请他人代替完成设计，一经发现，课程设计成绩按不及格处理。2.根据设计任务书要求，学生在设计开始较短时间内(1-2天)应掌握所进行课程设计的内容，包括：资料收集与准备、设计任务与思路、工作任务分解、各阶段任务的时间分配、暂时存在的问题等。3.设计过程中，学生应主动向指导教师汇报工作进度和遇到的疑难问题，争取指导教师的指导和监督。指导教师会随时进行指导，并抽查学生的设计进展情况。4.学生应严格遵守纪律。按指导教师要求，在规定时间、固定教室内进行设计，如有特殊情况，应及时告知指导教师，严格请假制度。5.设计考核前学生需提交课程设计报告，设计报告应按照相关规范进行撰写，并按指导教师要求整理、修改，及时上交。晚交设计报告，成绩降档处理；不交设计报告，按不及格处理。6.属下列情况之一者，不予考核并取消设计成绩：(1)没有保证设计时间，缺席时间三分之一以上者或未完成规定任务的最低限度要求；(2)剽窃他人设计结果或直接照抄他人设计报告；(3)设计结果存在较大错误，经指导教师指出而未修改；(4)设计结果在书写或其他方面未满足规定的最低要求。三、课程设计考核1.课程设计的过程考核(1)学生是否按设计任务书所提出的要求与时间，完成各阶段所规定的任务。(2)设计完成的质量和完成过程中所表现的创造性和学习态度，包括出勤情况等。(3)学生是否较好掌握设计所涉及的基础理论、基本技能和专业知识等。(4)设计报告思路是否清晰，文字、公式及图表等是否符合规范，报告上交是否及时等。(5)必要时学生需上交课程设计草稿，设计结束当天进行答辩或笔试考核等。2.课程设计的成绩评定课程设计成绩评定采用优秀、良好、中等、及格和不及格五级分制记分，成绩包括平时答疑成绩、设计说明书成绩和答辩成绩三部分，其中平时答疑占20分，设计说明书成绩占40分，答辩成绩占40分。《风力发电技术》课程设计-1-设计内容及要求1．设计目的：《风力发电技术课程设计》是新能源科学与工程专业重要的实践性教学环节。通过该教学环节，使学生熟练掌握风力机叶片工作原理，并能够通过结合动量叶素理论相关知识与给定的环境条件设计出工作叶片，巩固和提高其风力机叶片设计及制造知识，树立其理论知识指导设计的工作思想，加深其对现场生产实际的了解，培养其对工程技术问题严肃认真、负责的态度，为其以后从事实际工作打下坚实的基础。2．设计内容和要求：一、设计内容：（1）基于叶素和动量理论设计水平轴风力机叶片；（2）绘制风力机叶片弦长随叶片展向长度的变化曲线；（3）绘制风力机叶片扭角随叶片展向长度的变化曲线；（4）绘制设计风力机的~pC性能曲线；（5）编写设计说明书，并附上必要的计算公式；（6）分组分别设计出不同翼型的风力机叶片。二、设计要求：（1）掌握风力机叶片设计原理；（2）掌握风力机叶片设计过程；（3）完成风力机叶片参数的确定；（4）按时提交课程设计报告、图纸，课程设计报告不少于5000字，统一用A4纸，《风力发电技术》课程设计-2-符合科技文体规范。主要内容及装订顺序：封面、课程设计要求、课程设计任务书、课程设计任务分配表、成绩考核表、摘要、目录、设计计算说明书正文、设计日志、总结；（5）设计计算说明书正文部分应该包括以下几项内容：1）前言，2）设计任务简述，3）设计理论，4）设计过程，5）设计数据，6）设计图表，7）设计结论，8）参考文献；（6）设计报告严禁抄袭，否则按不及格论；（7）绘图要求准确；（8）按时做好答辩用PPT，参加课程设计答辩。3．设计工作任务及工作量的要求一、对于给定的风力机工作环境以及功率按照给定的参数设计风力机工作叶片每组同学数据给定情况不同可以采用手算和计算机编程序两种方式进行，在答辩时要提前说明计算方法以及在每种方法中遇到的问题，经教师校验方法正确后方可进行答辩。二、编制课程设计计算说明书设计计算说明书中应附上主要计算公式以及适用条件、工作原理、设计方法、系统构成及流程、计算成立条件，字数5000字（至少要3000字），要求条理清晰，逻辑严密，字迹工整。4．主要参考文献：[1]风力机设计理论及方法.赵丹平.北京大学出版社,2012.[2]风力发电技术及应用.范海宽.北京大学出版社,2013.[3]风力机空气动力学.吴双群.北京大学出版社,2009.[4]风力发电系统的设计、运行与维护.叶杭冶.电子工业出版社,2010.[5]风力机设计、制造与运行.何显富,卢霞等.化学工业出版社,2009.[6]风力发电机组原理及应用(第2版).姚兴佳,宋俊.机械工业出版社,2009.[7]风力发电机组设计.芮晓明.机械工业出版社,2010.[8]CAD绘图的相关资料及其他风力发电相关书籍、技术文章等.5．所用基础理论：《风力发电技术》课程设计-3-根据动量理论，描述作用在风轮上的力与来流速度之间的关系。根据叶素理论，将风轮叶片沿展向分成许多微段，即叶素，并假设在每个叶素上作用的气流相互之间没有干扰，作用在叶片上的力可分解为升力和阻力。叶素-动量理论，假设各个叶素单元作用相互独立，各个圆环之间没有径向干扰，轴向诱导因子并不沿着径向方向改变。6．相关参数的选定：（1）额定风速：m/s（2）额定功率：kW（3）起动风速：m/s（4）机电效率：（5）抗最大风速：m/s（6）风轮转速：rpm（7）风能利用系数：（8）传动效率：（9）发电机效率：（10）叶片材料：碳纤维复合材料7.常用变量参数声明：Pu------额定功率P-------设计计算功率P∞-----风流经风轮损失功率D-------风轮直径L-------叶片长度B-------叶片数C-------叶片剖面弦长σ-----------风轮实度R-----------风轮半径r------------叶素距旋转中心的距离A------------风轮扫过的面积U1-----------额定风速，来流风速《风力发电技术》课程设计-4-U2-----------风流过风轮后的下风向风速α-------------叶素攻角，最佳攻角Cl-------------升力系数Cd-------------阻力系数Φ--------------叶素入流角β---------------叶素扭角，桨距角μ---------r/R叶素到旋转中心距离与风轮半径的比值Cx--------法向力系数Cy----------切向力系数Ω----------风轮旋转角速度，额定旋转速度λ----------叶素旋转速度与主流风速比λ。--------叶尖速比W----------叶素合成流速σr--------------叶片弦长实度M--------------叶片转矩T---------------风轮轴向推力a---------------轴向诱导因子b---------------周向诱导因子8．工作计划及进度：第一章绪论1.引言随着化石能源的过渡消耗以及其对环境带来的严重影响，风能凭其清洁、可循环利用等诸多优点而越来越受到重视，各国都在积极开发利用本国的风能资源，中国也不例外。探索小型风力发电机复合材料叶片设计与制造方能源是人类社会发展的不竭动力，现今化石能源的日益枯竭和其带来的环境污染问题成为困扰社会的两大难题。破解迷局的重要方式之一是用清洁《风力发电技术》课程设计-5-能源代替传统能源，而风力发电正是清洁能源中技术最成熟，价格最接近传统火力发电的新能源。风力发电在全球方兴未艾，欧洲计划在2020年使风力发电量达到总发电量的12％，其他各发达国家也正在大力发展风力发电。中国风能资源丰富，非常适合发展风力发电技术。本文对占我国面积50％地域的风能可利用区进行了研究，这里居住着我国绝大多数的贫困人口、农牧民和边防军人，发展适合那里的偏低风速风力发电技术可以改善生活条件和生存环境并且可以促进当地的经济发展。风能可利用区大于3m／s风速每年只有2000～4000h，而如今的风能发电技术都属高风速技术，启动风速较高，不适合在这一地区应用。要更高效的利用这么广大地域的风能只有发展新型适合偏低风速地域的风力发电技术，而叶片又是风力发电机中最重要的单元。叶片设计的好坏决定了风力发电机的优劣。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×10^9MW，其中可利用的风能为2×10^7MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风很早就被人们利用--主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。《风力机空气动力学课程设计》是风能与动力工程专业中重要的实践性教学环节。通过该教学环节，使学生熟练掌握风力机叶片工作原理，并能够通过结合动量叶素理论相关知识与给定的环境条件设计出工作叶片，巩固和提高其风力机叶片设计及制造知识，树立其理论知识指导设计的工作思想，加深其对现场生产实际的了解，培养其对工程技术问题严肃认真、负责的态度，为其以后从事实际工作打下坚实的基础。2.设计任务简述。（1）、课程设计的流程《风力发电技术》课程设计-6-（2）.概念设计内容a.叶轮直径计算与设计b.额定风速与转速的确定c.功率控制方式e.叶片性能分析与计算f.叶片造型的设计第二章叶片设计理论1、叶素理论叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素。假设在每个叶素上的流动相互之间没有干扰，即叶素可以看成是二维翼型，这时，将作用在每个叶素的《风力发电技术》课程设计-7-力和力矩沿展向积分，就可以求得作用在风轮上的力和力矩。对每个叶素来说，其速度可以分解为垂直于风轮旋转平面的分量0yV和平行风轮旋转平面的分量0yV，速度三角形和空气动力分量如图2-3所示。图中：Φ角为入流角，为迎角，为叶片在叶素处的几何扭角。合成气流速度0V引起的作用在长度为dr叶素上的空气动力daF可以分解为法向力ndF和切向力tdF，daF和tdF可分别表示为2012nndFcVCdr（2-1）2012ttdFcVCdr其中——空气密度；c——叶素剖面弦长；；e、q——分别表示法向力系数和切向力系数，即ncossinldCCC（2-2）sincostldCCC这时，作用在风轮平面dr圆环上的轴向力可表示为201cv2ndTBCdr（2-3）式中B--叶片数。作用在风轮平面dr圆环上的转矩为《风力发电技术》课程设计-8-201cv2tdMBCrdr（2-4）2、动量叶素理论为了计算作用在风轮叶片上的力和力矩，必须计算风轮旋转面中的轴向诱导因子a和周向诱导因子b，这就需要用动量——叶素理论来求解。因为214v(1)dTaardr和31=4v(1)dMbardr（2-5）由叶素理论可得201cV2ndTBC