風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計與制造課程設(shè)計

1、 課程設(shè)計(綜合實驗)報告( 2011 - 2012年度第 2 學(xué)期)名 稱： 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計與制造 題 目： 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計與制造 院 系： 可再生能源學(xué)院 班 級： 風(fēng)能0903 學(xué) 號： 1091540307 學(xué)生姓名： 陳碩 指導(dǎo)教師： 田德 、 王永 設(shè)計周數(shù)： 2周 成 績： 日期：2012 年 6 月 一 設(shè)計任務(wù)要求1. 設(shè)計內(nèi)容風(fēng)電機(jī)組總體技術(shù)設(shè)計2. 目的與任務(wù)1.2.1.2.2.1. 主要目的以大型水平軸風(fēng)力機(jī)為研究對象，掌握系統(tǒng)的總體設(shè)計方法；熟悉相關(guān)的工程設(shè)計軟件；掌握科研報告的撰寫方法。2.2. 主要任務(wù)：以大型水平軸風(fēng)力機(jī)為研究對象，掌握系統(tǒng)的總體設(shè)計方法；熟

2、悉相關(guān)的工程設(shè)計軟件；掌握科研報告的撰寫方法。每位同學(xué)獨(dú)立完成風(fēng)電機(jī)組總體技術(shù)設(shè)計，包括：1. 確定風(fēng)電機(jī)組的總體技術(shù)參數(shù)；2. 關(guān)鍵零部件（齒輪箱、發(fā)電機(jī)和變流器）技術(shù)參數(shù)；3. 計算關(guān)鍵零部件（葉片、風(fēng)輪、主軸、連軸器和塔架等）載荷和技術(shù)參數(shù)；4. 完成葉片設(shè)計任務(wù)；5. 確定塔架的設(shè)計方案。每人撰寫一份課程設(shè)計報告。二 設(shè)計正文1. 原始參數(shù)風(fēng)力機(jī)的安裝場地50米高度年平均風(fēng)速為7.0m/s，60米高度年平均風(fēng)速為7.3m/s，70米高度年平均風(fēng)速為7.6 m/s，當(dāng)?shù)貧v史最大風(fēng)速為48m/s，用戶希望安裝1.5 mw至6mw之間的風(fēng)力機(jī)。采用63418翼型，63418翼型的升力系數(shù)、阻

3、力系數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示?？諝饷芏仍O(shè)定為1.225kg/m3。表1 63418翼型的升力系數(shù)、阻力系數(shù)數(shù)據(jù)2. 確定整機(jī)設(shè)計的技術(shù)參數(shù)2.1. 額定功率pr：3mw2.2. 設(shè)計壽命：20年2.3. 葉片數(shù)b： 3一般來說，要得到很大的輸出扭矩就需要較大的葉片實度，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實度較小，一般只需要13個葉片。3葉輪的平衡簡單，動態(tài)載荷小，通常能提供較佳的效率，而且噪聲小，從審美的角度也比較令人滿意。綜上所述，葉片數(shù)選擇3。2.4. 切入風(fēng)速vin：3m/s切出風(fēng)速vout：25m/s額定風(fēng)速vr：vr = 1.70 vave =1.70*7.6 = 12.9m/s2.5. 葉尖速比葉尖速比是風(fēng)

4、輪的葉尖線速度的與額定風(fēng)速之比= rvr式中， 風(fēng)輪角速度r 風(fēng)輪半徑對于三葉片的風(fēng)機(jī)，葉尖速比選在68的范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的氣動噪聲正比于5，通常將陸基風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉尖速度限制在65m/s左右，近海74m/s。本設(shè)計取=6.5。不同攻角下的風(fēng)能利用系數(shù)隨葉尖速比的變化曲線即cp-曲線如圖1，由cp-曲線可得出此時cp = 0.35。圖1不同攻角下的cp -曲線1.2.2.1.2.2.2.3.2.4.2.5.2.6. 風(fēng)輪直徑 d=8prvr3cp12=8*3*1061.225*12.93*0.35*0.96*0.97=94m 式中，pr 風(fēng)力機(jī)額定

5、功率，設(shè)計值為2mw （標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）空氣密度，取1.225 kg/m3vr 額定風(fēng)速，取12.9 m/s1 - 傳動系統(tǒng)效率，取0.962 - 發(fā)電機(jī)效率，取0.97cp 額定功率下風(fēng)能利用系數(shù)，取0.35則葉片長度取47m風(fēng)輪掃掠面積: s=d24=*9424=6940m22.7. 塔架高度由于風(fēng)速與距地面高度有關(guān)，增高塔架可使風(fēng)輪獲取更多風(fēng)能，但制造更高的塔架就需要更多的材料，成本也會增加。大型機(jī)組塔架高度h可按下式初步確定：h = （0.81.3）d式中，d風(fēng)輪直徑另外，塔架高度選擇與地形與地貌有關(guān)，考慮地貌因數(shù)的塔架最低設(shè)計高度一般可按下式估算：h = h+c+r式中，h 機(jī)組附近障礙

6、物的高度c 障礙物最高點到風(fēng)輪掃掠面最低點的距離（最小去1.52.0m）綜合以上因素，取塔架高度h = 80m2.8. 輪轂高度zhub = zt + zj = 90m式中，zj 塔架高度zt 塔頂平面到風(fēng)輪掃掠面中心的高度25m直徑以上的風(fēng)輪，其輪轂中心高與風(fēng)輪直徑的比基本為1:1。2.9. 確定風(fēng)輪轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的氣動噪聲正比于葉尖速度的5次方，通常將陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉尖速度限制在80m/s以下，但此處由于設(shè)計要求較高的風(fēng)輪利用系數(shù)，因此機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生較大的噪聲。根據(jù)葉尖速比公式= 2nrvrn= vr2r=6.5*12.9*602*47=17 rpm2.10. 功率曲線、c

7、p曲線、ct曲線的確定風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計需給出功率輸出特性曲線。如果確定了風(fēng)電機(jī)組的切入風(fēng)速、切出風(fēng)速和額定風(fēng)速，可以用下式計算輸出功率pw，pw = prv-vinvr-vin vinvvrpr vrvvout 0 vvr其中，為威布爾分布形狀參數(shù)，17m/s,所以取vs = 60m/s. 前蘇聯(lián)的法捷耶夫公式式中，ab-葉片的投影面積(m2)vs-風(fēng)輪中心處的暴風(fēng)風(fēng)速(m/s)葉片投影面積：ab= ab式中，-風(fēng)輪實度風(fēng)輪實度與葉尖速比有關(guān)， = 6.5時，近似認(rèn)為 = 0.05.用matlab計算得出：fas1 = 1000.3 kn 荷蘭ecn的公式式中，ct-推力系數(shù)，取ct =1.5q

8、-動態(tài)風(fēng)壓(n/m2)-動態(tài)系數(shù)，取 = 1.2s-安全系數(shù)，取s =1.5q隨高度變化，風(fēng)輪中心高度h=90m處對應(yīng)的q = 1390(n/m2)用matlab計算得出：fas2 = 3990.3 kn 德國dfvlr公式式中，ct-推力系數(shù)，取ct = 2.2用matlab計算得出：fas3=5157.7 kn 丹麥ris公式式中，p1-風(fēng)輪單位掃掠面積上的平均風(fēng)壓，通常取p1 = 300(n/m2)as-風(fēng)輪的掃掠面積用matlab計算得出：fas4=2126.5 knn 歐美國家塔架靜態(tài)強(qiáng)度設(shè)計的一般載荷條件風(fēng)載條件：風(fēng)速65m/s，（2s，平均）風(fēng)輪停轉(zhuǎn)，葉片順槳，風(fēng)向沿機(jī)艙橫向作用

9、在塔架上。正常運(yùn)行工況條件的地震載荷：考慮額定風(fēng)速時產(chǎn)生的風(fēng)輪最大軸向力，同時根據(jù)均勻建筑物由地震產(chǎn)生的水平載荷因子，將其產(chǎn)生的慣性力附加在風(fēng)輪軸向推力。機(jī)組的最大運(yùn)行載荷：一般為額定風(fēng)速正常運(yùn)行載荷的2倍。n 確定塔架設(shè)計載荷的要求設(shè)計載荷需要正確的分析塔架承受的各種載荷及其作用，大致可分為三種類型設(shè)計載荷。最大極限載荷：指塔架可能承受的最大載荷疲勞載荷：指塔架構(gòu)件能夠承受交變載荷次數(shù)的能力共振激勵載荷：塔架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的共振響應(yīng)3.4.5. 聯(lián)軸器載荷計算聯(lián)軸器承受的載荷主要是轉(zhuǎn)矩n 低速軸聯(lián)軸器載荷 tm=9550 pmnm=9550* 3301.7917=1854829.1 nmn 高速軸

10、聯(lián)軸器載荷 tt=9550 ptnt=9550* 3255.561500=20536.1 nm4. 塔架葉根應(yīng)力截面計算塔架通常采用等強(qiáng)度變截面的設(shè)計，危險截面一般位于塔架根部。塔筒根部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析是塔架整體結(jié)構(gòu)尺寸的基本設(shè)計依據(jù)，以下只討論一種分析方法：考慮塔架高度折減系數(shù)的強(qiáng)度計算。圖15 塔架的受力分析塔架根部截面應(yīng)力可表示為：式中，fas -考慮3.4.4中計算最大值，即fas = 5157.7 knfts -塔架受的風(fēng)壓力，fts=12v2a=12*1.225*482*4+6*802=564.48 kn h-塔架高度，即h=80m，h1-風(fēng)輪半徑的1/20，h1 = 47/20 =

11、 2.35mw-塔架根部抗彎截面模數(shù)，單位cm3，w= d31-dd432= *63*1-6-0.03*26432=0.836 m3a-塔架根部截面積，單位cm2， a= d2-d24=62-6-0.0624= 0.563 m2g1-塔頂?shù)闹亓浚緳C(jī)組塔頂重為200噸，g1 = 10*200*1000 =2000 kng2-塔筒的重量，本機(jī)組塔頂重為180噸，g2 = 10*180*1000 =1800 kn-是變截面塔架的長度折減系數(shù)，可根據(jù)圖16來確定圖16 變截面塔架的長度折減系數(shù)= hr2式中，-與塔架截面變化有關(guān)的折算長度修正系數(shù)，可根據(jù) jminjmax 之比取書中p141表6-6

12、的參考設(shè)計值jmin-塔架頂部截面慣性矩，單位cm4，jmin= d41-464=*54*1-2.5-0.0122.5464= 0.585m4jmax-塔架底部截面慣性矩，單位cm4， jmax= d41-464=*64*1-3-0.033464= 2.507m4故 jminjmax= 0.5852.507=0.233 ，此處 = 1.4r2-塔架根部截面的慣性半徑，r2 = jmaxa=2.5070.563=2.11m 由以上可計算得= 1.4*802.11=53.08 所以取0.85根據(jù)以上參數(shù)，可以確定，= 543mp三 參考文獻(xiàn)1 姚興佳、田德 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計與制造 華北電力大學(xué)校內(nèi)

13、試用教材（第二版）.2 徐太平等著 風(fēng)力發(fā)電原理3 華北電力大學(xué)力學(xué)研究組 材料力學(xué) 華北電力大學(xué)校內(nèi)講義 4 賀德馨等著 風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué) 華北電力大學(xué)校內(nèi)試用教材四 附錄matlab程序：葉片優(yōu)化設(shè)計及葉片載荷計算matlab程序clccleard=ceil(sqrt(8*3e6/0.96/0.97/0.35/pi/1.225/(12.93);lambda=6.5;n=lambda*60*12.9/pi/d;a=0.05:0.1:1;b=lambda*a;psi=1/3*atan(b)+pi/3;k=sqrt(b.2+1).*cos(psi);h=sqrt(1-k.2)./b.2+1);i

14、=atan(1-k)./(1+h)./b);theta=i*180/pi-9;c=8*pi*a.*(d-3)/2).*(h-1).*cos(i)/3/1.225./(h+1);r=d/2;r=a*(d-3)/2+1.5;omega=lambda*12.9/r;y1=r.*c*3.3;fc=1.8e3*omega2*trapz(r,y1)cl=1.225;cd=0.015;y=c*cd;fv1=1/2*1.225*12.92*trapz(r,y)y=y.*r;rm1=trapz(r,y)./trapz(r,y)y2=(1+(1./tan(i).2).*(cl*cos(i)+cd*sin(i).*

15、c;fv2=1/2*1.225*12.92*trapz(r,y2)y3=y2.*r;rm2=trapz(r,y3)./trapz(r,y2)x=(1+(1./tan(i).2).*(cl*sin(i)-cd*cos(i).*c.*r;mb=1/2*1.225*12.92*trapz(r,x)x=3.3*c.*r.2;j=1.8e3*trapz(r,x);epsilon=2*0.01*lambda*12.9/r;mk=j*epsilonr1=0,r;a1=0.00001,a;b1=lambda*a1;psi1=1/3*atan(b1)+pi/3;k1=sqrt(b1.2+1).*cos(psi1);y4=(1-k