1、華升也力#管課程設計（綜合實驗）報告（2012 - 2013年度第二學期）名 稱：風力發電機組設計與制造課程設計報告院系：可再生能源學院班級：風能xxxxx班學號：xxxxxxxxxxxx學 生姓名：xxxxxx指導教師：田德、王永設計周數： 2成 績：日期：20xx年x月x日目錄任務書41 設計內容 42 目的與任務 43 主要內容 44 進度計劃 75 設計（實驗）成果要求 76 考核方式 8總體參數設計81 額定功率 82 設計壽命 83 額定風速、切入風速、切除風速 84 重要幾何尺寸 81 風輪直徑和掃掠面積 82 輪轂高度 85 總質量 96 發電機額定轉速和轉速范圍 97 葉片數

2、B 98 功率曲線和 CT曲線 91 功率曲線 92 CT曲線 10九確定攻角A,升力系數C-,葉尖速比A,風能利用系數 C 10十風輪轉速 12H一其他 12十二風電機組等級選取 12葉片氣動優化設計 131 優化過程 132 葉片優化結果 14主要部件載荷計算 14一葉片載荷計算 151 作用在葉片上的離心力FC 152 作用在葉片上的風壓力FV 153 作用在葉片上的氣動力矩 164 作用在葉片上的陀螺力矩MK 162 主軸載荷計算 163 塔架載荷計算 171 暴風工況風輪氣動推力計算 172 塔架的強度設計（考慮塔架高度折減系數的強度計算） 18主要部件功率 201 發電機 202

3、變流器 213 齒輪箱 214 聯軸器 215 偏航 22風電機組布局 22設計總結24參考文獻 25附.25任務書一設計內容風電機組總體技術設計二目的與任務主要目的：1 .以大型水平軸風力機為研究對象，掌握系統的總體設計方法；2 .熟悉相關的工程設計軟件；3 .掌握科研報告的撰寫方法。主要任務：每位同學獨立完成風電機組總體技術設計，包括：1 .確定風電機組的總體技術參數；2 .關鍵零部件（齒輪箱、發電機和變流器）技術參數；3 .計算關鍵零部件（葉片、風輪、主軸、連軸器和塔架等）載荷和技術參 數；4 .完成葉片設計任務；5 .確定塔架的設計方案。6 .每人撰寫一份課程設計報告。三主要內容每人選

4、擇功率范圍在2MW 6MWL間的風電機組進行設計。1.原始參數：風力機的安裝場地50米高度年平均風速為7.0m/s, 60米高度年平均風速為7.3m/s, 70米高度年平均風速為7.6 m/s,當地歷 史最大風速為49m/s,用戶希望安裝1.5 M怖6M忱間的風力機。采 用63418翼型，63418翼型的升力系數、阻力系數數據如表 1所示。 空氣密度設定為1.225kg/m3。表1-63418翼型的升力系數、阻力系數數據攻角升力系數阻力系數扭矩系數-180-0.4750.0280-179.9-0.4750.0280-177.790.0830.0390-172.180.7010.070-168.

5、550.9170.1720-165.10.6610.2680-159.590.4770.3440-154.910.6120.4260-150.610.6970.5360-145.490.7570.6810-141.270.7160.7720-134.540.6430.8290-127.580.5720.8860-124.170.5370.9380-120.560.46610-115.240.3611.0690-109.230.2871.1080-104.330.1791.1450-100.650.0941.1670-96.720.0231.1830-88.29-0.0991.180-82.73

6、-0.1921.1660-78.79-0.2611.1480-74.68-0.3321.1120-68.72-0.4371.0440-62.9-0.5381.0030-58.21-0.5970.9650-53.67-0.6560.9020-50.77-0.6730.8250-44.08-0.680.7020-38.09-0.6980.6020-32.99-0.6550.5080-29.64-0.5350.4290-24.44-0.3860.280-19-0.3540.1910-12.78-0.4630.0920-11.58-0.80.0360-11.04-0.770.0310-9-0.7450

7、.0120-8-0.6260.010-7-0.5080.010-6-0.390.0090-5-0.2630.0080-4-0.1380.0070-3-0.030.0060-20.0790.0060-10.1750.006000.3130.006010.4460.006020.5510.006030.6660.007040.7770.007050.9040.007060.9840.008071.0740.01081.170.013091.2440.0150101.3070.0180121.3950.02510141.3950.0320161.370.03902010.1850251.040.31

8、50301.020.4420400.950.680450.90.780500.820.891055.540.6971.022060.670.6261.095066.930.4951.144071.070.4011.179075.50.3031.235080.750.1991.268086.90.0991.272091.87-0.0141.265095.79-0.1121.26099.84-0.2141.2540104.93-0.3171.2050110.44-0.4271.1270115.85-0.5391.0940124.05-0.6290.9780129.73-0.6950.8720136

9、.34-0.7960.8050140.53-0.770.7320144.46-0.7290.6330145.07-0.7210.6160150.54-0.6740.4660155.32-0.5970.3080160.62-0.8430.2710163.66-1.1240.1830168.46-0.880.0730175.01-0.4750.028101179.90.0830.03901800.0830.03902.設計內容（1）確定整機設計的技術參數。設定幾種風力機的 G曲線和C曲線，風力 機基本參數包括葉片數、風輪直徑、額定風速、切入風速、切出風速、功率控制 方式、傳動系統、電氣系統、制動系

10、統形式和塔架高度等，根據標準確定風力機 等級；（2）關鍵部件氣動載荷的計算。設定幾種風輪的 G曲線和C曲線，計算幾 種關鍵零部件的載荷（葉片載荷、風輪載荷、主軸載荷、連軸器載荷和塔架載荷 等）；根據載荷和功率確定所選定機型主要部件的技術參數（齒輪箱、發電機、 變流器、連軸器、偏航和變槳距電機等）和型式。以上內容建議用計算機編程實 現，確定整機和各部件（系統）的主要技術參數。（3）塔架根部截面應力計算。計算暴風工況下風輪的氣動推力，參考風電機組的整體設計參數，計算塔架根部截面的應力。最后提交有關的分析計算報告 四進度計劃在舁 廳P設計（實驗）內容完成時間備注1風電機組整體參數設計2.5天2風電機

11、組氣動特性初步計算2天3機組及部件載荷計算2天4齒輪箱、發電機、變流器技木參數1.5天4塔架根部截面應力計算1天5報告撰寫1.5天6課程設計答辯1.5天五設計（實驗）成果要求提供設計的風電機組的性能計算結果;繪制整機總體布局工程圖。六考核方式每人提交一份課程設計報告；準備課程設計 PPT答辯。總體參數設計一額定功率根據設計任務書要求，選擇 3.5MW進行設計。二設計壽命風力發電機組安全等級I 田的設計壽命至少為20年。故設計壽命為20年。 三 額定風速、切入風速、切除風速切入風速Vn=3m/s；額定風速Vr=13m/s；切除風速Vout =25m/s。四重要幾何尺寸1 風輪直徑和掃掠面積風輪直

12、徑決定機組在多大的范圍內獲取風中蘊含的能量。 直徑應根據不同風 況與額定功率匹配，以獲得最大的年發電量和最低的發電成本。 風輪直徑有下述 簡單計算公式：! 8A !8 x3500000JCpP砰叫遇2 1042 x 1.225 X 133 X tt X 0.950.92 x 0.95=9Z 45m = 98m式中額定輸出功率，取3.5MW主傳動系統的總效率，取 0.92;發電系統效率，發電機效率取 0.95,變流器效率取0.95;P風能利用系數，取0.42 ;P 空氣密度，取1.225kg/m3;1 額定風速，13m/soji x D7- tt x 983r,掃掠面積 4 = 一7一 二5-二

13、 7542 96mZ。2 輪轂高度塔架高度取70m輪轂高度小山= 2.25 + 70 = 72.25m。式中 塔頂平面到風輪掃掠面中心的距離，取 2.25m;塔架高度。五總質量機艙和風輪等總質量為 m=174t,塔架質量取160t。六發電機額定轉速和轉速范圍采用雙饋異步發電機，極對數p=2,額定轉速由下式求出60 X fi齊 1 =-=1500r/min雙饋異步機轉速范圍（130%）均。七葉片數B葉片數B取3,三葉片風電機組有其顯著的優勢，是目前風電市場主流。 八功率曲線和Ct曲線1 功率曲線由于風速具有波動的特征，所以功率曲線也會有細微波動，此處采取平均風 速繪制功率曲線。風速未達到切入風速

14、的時候，P=0;風速達到切入風速之后，機組啟動，以最大Cp捕捉風能；達到額定風速后，采取控制策略，限制功率在 額定功率附近。/0I 1ti2 3V 3m/sP = 24 u 仍電 C 3m/s v 13m/siPr13m/s v 2Sm/s式中C為考慮到實際情況的常數。曲線繪制見圖2。靜態功率曲線功功率P (kw)風速通過G求出軸向氣流誘導因子a,再由a求出C,但是考慮到其他因素和實 際情況，和某風電機組C的試驗結果相比，趨勢相同，數值不一樣。% 4n(1 - a)2Ct = 4a(l - a)I. 200L 0000. 8000, 6000. 4000, 2000. 000357911131

15、51719212325風速m/s圖3-推力系數-風速曲線圖九 確定攻角a ,升力系數CL,葉尖速比入，風能利用系數Cp根據已知翼型數據，求出升阻比，繪制升阻比曲線見圖4,發現a為50時， C/Cd取到最大值，此處選取a為10 ,升阻比CL/Cd為72.6 ;葉尖速比人大概為7,風能利用系數G風速的關系，由于假設是變速風機，額定值前捕捉最大風能， G保持0.42,當達到額定以后，G下降，見圖5,實際上，雙饋異步機轉速范圍為額定值前有一段G是上升過程，圖6為某風電機組G的試驗結 果，對比發現，趨勢是相同的。升阻比曲線150 18 0 0 0 05 5 01 . 1 -(gLrlRZ 1111905

16、* 5邙 4ZO5 總B9- mK 6nl 昏號 9寸31 3 S 5K000 K9O9E ITIllim葉尖速比圖5Cp曲線OSCp曲線十風輪轉速6。x 片 m %60 M 7 x 13風輪轉速 no = 開. =-17. = 17.7r/min ,雙饋異步發電機，極對數p=2,額定轉速有上面計算知：60 X八汁1 =-= 1500r/mm所以齒輪箱彳動比約為84。十一其他上風向主動偏航，偏航變槳均采用電動機驅動，制動方式第一制動為氣動制 動，第二制動為高速軸機械制動。十二風電機組等級選取風力發電機組安全等級基本參數風力發電機組安全等級InmSVref(m/S)5042.537.5設計值由設

17、叱選定AI (-)0.16BI ref (-)0.14CI ref (-)0.12由于已知條件，年均風速vave=7.6m/s,選取m級，但是沒有湍流數據，因此 無從在A、R C之間做出判別。階段性總結總體參數設計值總體參數設計值葉片數B=3風輪直徑D=98m額定輸出功率P=3.5MW輪轂高度Z hub=70m設計壽命20年風能利用系數C p=0.42切入風速Vn= 3m/s葉尖速比A = 7切出風速V out=25m/s功率控制方式主動變槳距控制額定風速V r=13m/s制動形式氣動剎車、機械剎 車風輪額定轉速nr=17.7r/min傳動系統高傳動比齒輪箱 傳動風力機等級IECIIIA電氣系

18、統雙饋發電機+變流 器葉片氣動優化設計優化過程給出r ,攻角a已知，CL也已知;記入 0= Q r/v i;由下式求出下17T5=arctgAQ + 可由下式求出k =+ Icow中由下式求出心-1-k2h = 1 +由下式求出1 + h cot（f）入町 + k葉素槳距角部U;弦長白 8仃3 -+ 1)10葉片氣動特性通過excel計算，得到表9:表9-葉片氣動特性數據位置半徑r(m/s)葉尖速 比入巾h。C0.052.450.351.1590.4242.7750.8230.6485.8420.104.900.701.2510.3841.6550.6400.4667.2320.157.351

19、.051.3170.3641.3370.5070.3336.9030.209.801.401.3640.3531.2030.4130.2396.1580.2512.251.751.3980.3471.1350.3460.1725.4160.3014.72.101.4230.3431.0950.2960.1224.7760.3517.152.451.4420.3411.0710.2580.0844.2440.4019.602.801.4560.3391.0550.2290.0543.8050.4522.053.151.4680.3381.0440.2050.033.4400.5024.503.5

20、01.4780.3371.0360.1860.0113.1350.5526.953.851.4860.3371.0290.169-0.0052.8770.6029.404.201.4930.3361.0250.156-0.0192.6560.6531.854.551.4990.3361.0210.144-0.032.4660.7034.304.901.5040.3351.0180.134-0.042.3000.7536.755.251.5080.3351.0160.125-0.0492.1540.8039.25.601.5120.3351.0140.118-0.0572.0260.8541.6

21、55.951.5150.3351.0120.111-0.0641.9110.9044.106.301.5180.3351.0110.105-0.071.8090.9546.556.651.5210.3341.0100.100-0.0751.7171.0049.007.001.5230.3341.0090.095-0.081.634二葉片優化結果現選取葉片5%100%度，步長5%g示優化結果，05%十片形狀為圓筒形, 根部采用鉆孔組裝方式。計算內容見表7,弦長白和槳距角B隨半徑變化見圖10c弦長c弦長C圖11主要部件載荷計算1作用在葉片上的離心力Fc葉片離心力Fc = PyM I Arrdr r

22、0式中:，葉片的密度，取 540kg/m3;風輪轉速，計算得1.85rad/s ;1半徑r處對應葉素面積；r 葉素所在半徑。翼型63418幾何參數見上圖圖1,翼型幾何形狀見圖11,可近似求出單位弦長葉素對應的面積； 4與弦長平方成正比，所以可以用數值積分的方法近似求 出上式。求出單位弦長葉素面積 A=0.112m2;大致求出Fc=1118kN圖122作用在葉片上的風壓力 Fv作用在葉片上的風壓力Fv由下式給出1 廠Fu = -pv2 J （1 + co 戶 0）（口匚口岑0 + Cpsm（p）cdr近似計算得出Fv=349786N等效作用點可由下式求出=f （1 + sF）（488小 + CD

23、sm（t）crdr / f （1 + 或/巾）（05 + Csincdr r1 J 為經計算得出rm=37m3 作用在葉片上的氣動力矩Mb是一個葉片產生的轉動力矩，可由下式求出1 ,對右=I （1 + cot24）（Qs加巾 + C）cos（l）crdr近似計算得M=54528 N mi4 作用在葉片上的陀螺力矩 M葉片的轉動慣量由下式求出陀螺力矩M由下式求出2 a）A 初火=/ * 鼠=，x -vsmpr式中m偏航”專速,取im/s,即0.0175rad/s ;一葉尖速比，取7;R-風輪半徑，49 m；廿一一風速，取額定值13m/s；一一 /與s的夾角，當葉片鉛垂位置時，俗=9。度，達到最大

24、。經計算，/ = 3810300kg -rn2 , M* = 308400N mi主軸載荷計算低速軸轉速27mo 2H x 177血=60 = -60 = L855/8高速軸轉速2ml 27r x 150060-=157 Arad/s60高速軸功率3500。法百麗3低速軸功率3500P帆=；=5852K W0.95 x 0.95 xV0-92高速軸轉矩Pi 3】2216000157.0 限=141O7A/ - m低速軸轉矩5852000L8 =3163243/V m高速軸直徑低速軸直徑= 2 X,；2 X 3163243,Jir x 55 x 106入二 50mM60 m/s , o,以下分別

25、計(T 取 0.05 ,2 X 14107x 7 = CLIO9m.Jtt x 55 x 10J=0.664m式中實心鋼軸最大應力，取 55MPa三塔架載荷計算1暴風工況風輪氣動推力計算當心“ 5,5m/s 時%= 40m/$ ,當 5.5小力 %四 5,5m/$ 時 當網相工7mA時，% = 60加/工本設計年均風速7.3m/-所以% =暴風條件的風輪氣動推力目前有幾種計算方式，結果相差較大算幾種常用的方法。前蘇聯法捷耶夫公式Fas = 0.7844MN式中!葉片的投影面積;:一一葉片數。葉片投影面積可根據風輪掃掠面積與風輪實度求出，風輪實度 則葉片面積為人ttD2/49=元仃=a X(T

26、= 125.716 m* I twJFas = 0.784 X 125.716 X 602 X 3 = 1 064.SEN荷蘭ECN勺公式Fa、= CTcAbN(py式中推力系數，取1.5; 動態風壓，與輪轂高度有對應關系，取1330N/m2; 動態系數，取1.2 ; 安全系數，取1.5。計算得:，L ： . I.， .3 一. I .德國DFVL心式1 之% = C吁人力鈿式中，0取2.2 ,計算Fas = 2.2 X 0,5 X 1.225 X 125.716 x 602 X 3 = 1829.5/cN丹麥RIS公式7i x 98工Fas - Pi月4300 X 2262.9kN2 塔架的

27、強度設計(考慮塔架高度折減系數的強度計算)塔架高度70ml采用錐形鋼筒結構，分段加工，頂部直徑4ml壁厚20mm底部直徑5ml壁厚30mm塔架受力分析見圖13根部截面應力可表示為下式心如十月）+尸哼X 100 r .士+ 2）汀 2 =777+：叩2中4工式中塔架根部抗彎截面系數，單位 cm3;塔架根部截面積，單位 cm2;:塔架本身所受重力，單位N;變截面塔架長度折減系數，可根據入2從表9查出。而11H式中/ eE與塔架截面變化有關的這算長度修正系數，可根據 總差表（見表）00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0m!1.651.451.331.241.181.141.1

28、01.061.031.00：:塔架根部截面的慣性半徑，：17，單位cmt計算過程:凡，取上述荷蘭公式結果，即F心= 1109kN；Fl、按下式求出1 , 1 、艮5=-rpvfKA = y x 1,225 x 60 x 0.7 x式中(4 4- 5) X 60=417kN平面系數，平面取1,此處取0.7/1 = 2.251W2 =n327T X 5003 x 1 -4.943、5332=436506cmTT- d,1) = g x(5OO2 - 4942) = 4684cmCi = 174000N;G2= 160000Nmaxx 54 x 1 -max64644.94、丁J=1.4463m4*

29、 /3.96巾64=0.4952m4Jrnin 0,4952fmax 1 4463=0.34口取 1.29 ;majc144632579= 175cm4684Y2=瓦得出；/mm、人小分別是塔架頂部和根部截面慣性矩，單位cm4;由 L29 X 6000 Az = r217 = 44,2查圖14得牝=。8 （低碳鋼）；圖14最終得186,8MPa11 口9。x (225 + 6000 + 41了?？?。x乂 1?？?(174000 +160000)0 2 436506+80X 468主要部件功率1、發電機發電機類型：雙饋異步變速包頻發電機額定功率：3.5MW額定轉速：1500r/min發電機極對數

30、為2,發電機主軸轉矩T發電機主軸為：235003T發電機主軸 =9550 n 11=9550山一段=23.46NJ - m 選擇剛軸推薦最大扭剪應力：fs = 55MPa則發電機的主軸直徑D發電機為：31-T.電王軸 333.51 X101D 發電機-NX、：nr5 =2 x nx55 x io =0.1295m=0.13m2、變流器變流器功率通常為風力發電機組的1/21/3 ,為保證機組可靠性，通常為額定功率的1/2,所以變流器功率為1750kW3、齒輪箱方式：齒輪箱選用2級行星輪+1級平行軸齒輪；低速軸的轉速等于風輪的轉速低速軸轉速：ni=17.7r/min ；高速軸轉速：nh=1500r

31、/min傳動比：i=84齒輪箱效率：.03?=0.973齒輪箱功率：Pr3500Pgb=|二。/X UL=3987kW4、聯軸器低速軸聯軸器功率：Pr3500Pm=q/=./. 口，9.,. L).3：=3987kW高速軸聯軸器功率：Pr 3500Pr= 1, ,1I =1, J, , ut=25m/s功率控制方式主動變槳距控制額定風速V=13m/s制動形式氣動剎車、機械剎車風輪額定轉速nr=15r/min傳動系統高傳動比齒輪箱 傳動風力機等級IECIIIA電氣系統雙饋發電機+變2、功率、氣動特性和載荷計算總結氣動特性攻角10升力系數1.307阻力系數0.018發電機發電機額定功率3.5MW發

32、電機額定轉速1500r/min發電機軸直徑0.14m齒輪箱形式齒輪箱選用2級行星輪+1 級平行軸齒輪齒輪箱傳動比 低速軸轉速 局速軸轉速8417.7r/min1500r/min齒輪箱功率3987kW聯軸器低速軸聯軸器功率3987kW高速軸聯軸器功率3878kW變流器變流器功率1750kW偏航電機數量X偏航電機功率6 x 3kW葉片載荷離心力66760N風壓力284255N陀螺力矩133551N- m風壓力作用點距葉輪軸 距離37.96m風輪載荷軸向推力935790N轉矩4980888N- m主軸載何低速軸轉矩3727389N- m局速軸轉矩14107NJ- m低速軸直徑0.664m高速軸直徑0.109m塔架載荷作用在塔架上載荷Fas=1543kN作用在在塔架上風壓力Fts=694975N塔架根部截面應力241.3MPa3、其余部分設計總結機組運行環境溫度-30 0 45生存環境溫度-45 0 45發電機輸出電壓690V50Hz功率因數容性0.95感性0.9葉片空氣動力外形63418