风力发电机组设计与制造课程设计报告

《风力发电机组设计与制造》课程设计报告院系：可再生能源学院班级：风能0902班姓名：陈建宏学号：1091540204指导老师：田德、王永提交日期：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48m/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。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）的额定风速羽平均风速之比为1.70左右，在70m处：Vr=1.70Vave=1.70×7.6≈13m/s4、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=3rp1238PVCr=√8×50000001.225×133×𝜋×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；ρ--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0.92；η2--发电机效率，取0.95；η3--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=𝜋𝐷24=𝜋×11424=10207𝑚2综上可得风轮直径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：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；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、功率曲线和Ct曲线(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)+𝑃Δ(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；𝑃Δ(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：P=18𝐶𝑝𝜂1𝜂2𝜂3𝜌𝜋𝐷2𝑉3式中：η1--传动系统效率，取0.92；η2--发电机效率，取0.95；η3--变流器效率，取0.95；Cp--额定功率下风能利用系数,取0.44；ρ--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，升力系数Cl，叶尖速比，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α变化的曲线见下图：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α=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λ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λ曲线如图，由Cpλ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=60𝜆𝑉𝑟𝜋𝐷=60×13×7𝜋×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IIIIIIIVSvref[m/s]5042.537.530由设计者规定各参数vave[m/s]108.57.5AI150.180.180.180.18a2222BI150.160.160.160.16a3333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λ=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。0rR叶素位置和叶尖速比数值见下表：叶素位置/%5101520253035404550叶尖速比0.350.71.051.41.752.12.452.83.153.5叶素位置/%556065707580859095100叶尖速比3.854.24.554.95.255.65.956.36.6572、叶片攻角及弦长优化设计计算步骤⑴求利用公式3arctan31⑵求轴向干扰因子k利用公式21cosk⑶求切向干扰因子h利用公式2211kh⑷求入流角利用公式)11cot(kharc⑸求叶素桨距角⑹计算叶片弦长C)1(cos)1(8hBChrCl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位置%半径r(m/s)叶尖速比ykhjC(修正后)0.0502.8500.3501.1590.4242.7750.8230.6485.8420.1005.7000.7001.2510.3841.6550.6400.4667.2320.1508.5501.0501.3170.3641.3370.5070.3336.9030.20011.4001.4001.3640.3531.2030.4130.2396.1580.25014.2501.7501.3980.3471.1350.3460.1725.4160.30017.1002.1001.4230.3431.0950.2960.1224.7760.35019.9502.4501.4420.3411.0710.2580.0844.2440.40022.8002.8001.4560.3391.0550.2290.0543.8050.45025.6503.1501.4680.3381.0440.2050.0303.4400.50028.5003.5001.4780.3371.0360.1860.0113.1350.55031.3503.8501.4860.3371.0290.169-0.0052.8770.60034.2004.2001.4930.3361.0250.156-0.0192.6560.65037.0504.5501.4990.3361.0210.144-0.0302.4660.70039.9004.9001.5040.3351.0180.134-0.0402.3000.75042.7505.2501.5080.3351.0160.125-0.0492.1540.80045.6005.6001.5120.3351.0140.118-0.0572.0260.85048.4505.9501.5150.3351.0120.111-0.0641.9110.90051.3006.3001.5180.3351.0110.105-0.0701.8090.95054.1506.6501.5210.3341.0100.100-0.0751.7171.00057.0007.0001.5230.3341.0090.095-0.0801.634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×𝜂=9550×50001500×0.95=33.51×103N·m选择刚轴推荐最大扭剪应力：MPafs55则发电机的主轴直径D发电机为：D发电机=2×√2×𝑇发电机主轴𝜋𝑓𝑠3=2×√2×33.51×103𝜋×55×1063=0.14m2、变流器变流器功率通常为风力发电机组的1/2~1/3，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：√0.923=0.973齿轮箱功率：PGB=Prη3η2√η13=50000.95×0.95×√0.923=5694kW4、联轴器