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

1、課程設(shè)計(jì)（綜合實(shí)驗(yàn)）報(bào)告（2012 - 2013年度第二學(xué)期）名 稱：院 系：一班 級：學(xué) 號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)周數(shù)：成 績：日期：2013年7月3日目錄任務(wù)書設(shè)計(jì)內(nèi)容風(fēng)電機(jī)組總體技術(shù)設(shè)計(jì)目的與任務(wù)主要目的：1 .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(jì)方法;2 .熟悉相關(guān)的工程設(shè)計(jì)軟件；3 .掌握科研報(bào)告的撰寫方法。主要任務(wù)：每位同學(xué)獨(dú)立完成風(fēng)電機(jī)組總體技術(shù)設(shè)計(jì)，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(jì)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(jì)任務(wù)；5 .確定塔架的設(shè)計(jì)方案。6

2、 .每人撰寫一份課程設(shè)計(jì)報(bào)告。主要內(nèi)容每人選擇功率范圍在1.5MW至6MW之間的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行設(shè)計(jì)。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49m/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)、阻力系數(shù)數(shù)據(jù)如 表1所示。空氣密度設(shè)定為1.225kg/m3。2 .設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）確定整機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)。設(shè)定幾種風(fēng)力機(jī)的Cp曲線和Ct曲線，風(fēng)力機(jī)基本參數(shù)包括葉片數(shù)、風(fēng)輪直徑、額定風(fēng)速、切入風(fēng)速、切出風(fēng)速、功率控制方式、傳動(dòng)系統(tǒng)、

3、 電氣系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)形式和塔架高度等，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定風(fēng)力機(jī)等級；（2）關(guān)鍵部件氣動(dòng)載荷的計(jì)算。設(shè)定幾種風(fēng)輪的 Cp曲線和Ct曲線，計(jì)算幾種關(guān)鍵零 部件的載荷（葉片載荷、風(fēng)輪載荷、主軸載荷、連軸器載荷和塔架載荷等）；根據(jù)載荷和 功率確定所選定機(jī)型主要部件的技術(shù)參數(shù)（齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變流器、連軸器、偏航和變 槳距電機(jī)等）和型式。以上內(nèi)容建議用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，確定整機(jī)和各部件（系統(tǒng)）的主 要技術(shù)參數(shù)。（3）塔架根部截面應(yīng)力計(jì)算。計(jì)算暴風(fēng)工況下風(fēng)輪的氣動(dòng)推力，參考風(fēng)電機(jī)組的整體設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算塔架根部截面的應(yīng)力。最后提交有關(guān)的分析計(jì)算報(bào)告 進(jìn)度計(jì)劃序號設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)）內(nèi)容完成時(shí)間備注1風(fēng)電機(jī)組整體參數(shù)設(shè)計(jì)2.

4、5天2風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)特性初步計(jì)算2天3機(jī)組及部件載荷計(jì)算2天4齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變流器技木參數(shù)1.5天4塔架根部截面應(yīng)力計(jì)算1天5報(bào)告撰寫1.5天6課程設(shè)計(jì)答辯1.5天設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)）成果要求提供設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組的性能計(jì)算結(jié)果;繪制整機(jī)總體布局工程圖。考核方式每人提交一份課程設(shè)計(jì)報(bào)告；準(zhǔn)備課程設(shè)計(jì)PPT,答辯?？傮w參數(shù)設(shè)計(jì)額定功率根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，選擇 2.5MW進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)壽命風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全等級I m的設(shè)計(jì)壽命至少為20年。故設(shè)計(jì)壽命為20年。額定風(fēng)速、切入風(fēng)速、切除風(fēng)速切入風(fēng)速Vin=3m/s；額定風(fēng)速Vr=13m/s；切除風(fēng)速Vout =25m/so重要幾何尺寸風(fēng)輪直徑和掃掠面積風(fēng)輪直徑?jīng)Q定

5、機(jī)組在多大的范圍內(nèi)獲取風(fēng)中蘊(yùn)含的能量。直徑應(yīng)根據(jù)不同風(fēng)況與額定 功率匹配，以獲得最大的年發(fā)電量和最低的發(fā)電成本。風(fēng)輪直徑有下述簡單計(jì)算公式：/8?加撅百/8 X 2500000-；=78.7?0.44 X 1.225 X133 x?x0.95 X0.91式中R 額定輸出功率，取 2.5MW;耳一一主傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率，取0.95;72 發(fā)電系統(tǒng)效率，發(fā)電機(jī)效率取 0.96,變流器效率取0.95;?風(fēng)能利用系數(shù)，取0.44 ;一一一空氣密度，取1.225kg/m3;?額定風(fēng)速，13m/so掃掠面積？?= ?= 7 = 4864?2 。44輪轂高度塔架高度取60m。輪轂高度 z?= ?+ ?= 2.

6、25 + 60 = 62.25?。式中z?塔頂平面到風(fēng)輪掃掠面中心的距離，取 2.25m;?-塔架高度?？傎|(zhì)量機(jī)艙和風(fēng)輪等總質(zhì)量為 m=174t,塔架質(zhì)量取160to發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速范圍采用雙饋異步發(fā)電機(jī)，極對數(shù) p=2,額定轉(zhuǎn)速由下式求出60 X?=- = 1500?/?1?雙饋異步機(jī)轉(zhuǎn)速范圍(1 30%)? o葉片數(shù)B葉片數(shù)B取3,三葉片風(fēng)電機(jī)組有其顯著的優(yōu)勢，是目前風(fēng)電市場主流功率曲線和Ct曲線 功率曲線由于風(fēng)速具有波動(dòng)的特征，所以功率曲線也會有細(xì)微波動(dòng)，此處采取平均風(fēng)速繪制功 率曲線。風(fēng)速未達(dá)到切入風(fēng)速的時(shí)候，P=0;風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速之后，機(jī)組啟動(dòng)，以最大Cp捕捉風(fēng)能；達(dá)到額定風(fēng)速

7、后，采取控制策略，限制功率在額定功率附近。0 ？?& 3?/?1?p = 2 ?3?- ?3?/? r? 13?/?13?/? ?右 25?/?式中C為考慮到實(shí)際情況的常數(shù)。曲線繪制見圖1。Ct曲線通過Cp求出軸向氣流誘導(dǎo)因子a,再由a求出Ct,得到Ct曲線如圖2,但是考慮到其 他因素和實(shí)際情況，和某風(fēng)電機(jī)組Ct的試驗(yàn)結(jié)果(見圖3)相比，趨勢相同，數(shù)值不一樣。C?= 4?1 - ?2C?= 4?1 - ?確定攻角a,升力系數(shù)Cl,葉尖速比入，風(fēng)能利用系數(shù) Cp根據(jù)已知翼型數(shù)據(jù)，求出升阻比，繪制升阻比曲線見圖4,發(fā)現(xiàn)a為50時(shí)，Cl/Cd取到最大值，此處選取a為10 ,升阻比Cl/Cd為72.6

8、;葉尖速比人大概為7,風(fēng)能利用系 數(shù)Cp風(fēng)速的關(guān)系，由于假設(shè)是變速風(fēng)機(jī)，額定值前捕捉最大風(fēng)能，Cp保持0.44,當(dāng)達(dá)到額定以后，Cp下降，見圖5,實(shí)際上，雙饋異步機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為(1 30%)?,額定值前有 一段Cp是上升過程，圖6為某風(fēng)電機(jī)組Cp的試驗(yàn)結(jié)果，對比發(fā)現(xiàn)，趨勢是相同的。 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速風(fēng)輪轉(zhuǎn)速？0= 60FJ? 60sp3= 22?/?輪箱傳動(dòng)比約為68 ? X ?70.7?其他上風(fēng)向主動(dòng)偏航，偏航變槳均采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，制動(dòng)方式第一制動(dòng)為氣動(dòng)制動(dòng)，第 制動(dòng)為高速軸機(jī)械制動(dòng)。風(fēng)電機(jī)組等級選取風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全等級基本參數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全等級InmSVref(m/S)5042.537.5設(shè)計(jì)值由

9、設(shè)叱選定AI ref (-)0.16BI ref (-)0.14CI ref (-)0.12由于已知條件，年均風(fēng)速Vave=7.6m/s,選取m級，但是沒有湍流數(shù)據(jù)，因此無從在A、 B、C之間做出判別。葉片氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化過程給出r,攻角a已知，Cl也已知；記 1=Qr/v1；由下式求出?1?= 一?+?33由下式求出?= 7? + 1?由下式求出？1 - ?= V1+ ?由下式求出1 + ? ?01 + ?葉素槳距角由-a；弦長？?= 8?- 1)?4?+ 1)。葉片優(yōu)化結(jié)果現(xiàn)選取葉片5%100%長度，步長5%展示優(yōu)化結(jié)果，05%葉片形狀為圓筒形，根部采用鉆孔組裝方式。計(jì)算內(nèi)容見圖 7,弦長

10、洲槳距角B隨半徑變化見圖8。主要部件載荷計(jì)算葉片載荷計(jì)算作用在葉片上的離心力Fc葉片離心力?= ?d2 / ?(?式中?葉片的密度，取540kg/m3;Q風(fēng)輪轉(zhuǎn)速,計(jì)算得2.3rad/s；?半徑r處對應(yīng)葉素面積；r葉素所在半徑。Naca翼型63418幾何參數(shù)見圖9,翼型幾何形狀見圖10,可近似求出單位弦長葉素對應(yīng)的面積；？?萬弦長平方成正比，所以可以用數(shù)值積分的方法近似求出上式。求出單位弦長葉素面積 Ar=0.112m2;大致求出Fc=1118kN。作用在葉片上的風(fēng)壓力Fv作用在葉片上的風(fēng)壓力Fv由下式給出1 ?F?= - ?/ (1 + ?/+?2 ?近似計(jì)算得出Fv=349786N;等效作

11、用點(diǎn)可由下式求出? = f (1 + ?+?s)?(1 + ?2?+?經(jīng)計(jì)算得出rm=27m。作用在葉片上的氣動(dòng)力矩Mb是一個(gè)葉片產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，可由下式求出1 ?產(chǎn)一?/(1 + ?2?+?2?2 ?近似計(jì)算得Mb=54528 N m 作用在葉片上的陀螺力矩Mk葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由下式求出陀螺力矩Mk由下式求出? ?%/ ?式中2?= ? ?= ?+?式中?塔架根部抗彎截面系數(shù)，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(shù)，可根據(jù) 力從圖12查出式中? ?=?與塔架截面變化有關(guān)的這算長度修正系數(shù)，可根據(jù)出；?銘*分別是塔架頂部和根部截面慣性

12、矩，單位?一塔架根部截面的慣性半徑，?= J絲？單位cm?萼差表（見圖13）得的？一 4cm ；計(jì)算過程：?裁上述荷蘭公式結(jié)果，即 普?= 1109kN ;?按下式求出1皮?= 2?糊？?？=1.225 X602 X0.7(4+ 5) X60義=417?式中?-平面系數(shù)，平面取1,此處取0.7。?1 = ?= 2.25?(1 - 萬)?X 5003 X(1 -?2 =32324.943.53 ) =436506?0 O ? CC.? = 4 X(?2r ?1)= 4 X(5002 - 4942) = 4684?= 174000?;? = 160000?尸64心?4?(1 - 說)一/4 944

13、?X 54 X(1 - 494-)641.4463?4?廣64?X 44 X(1 -攀)640.49520.4952?4?取 1.29;- =0.34? 1.4463?=175?4684?2 = 2?查圖11得？ = 0.88 （低碳鋼）；最終得? 1.29 X6000=44.2175?=1109000 X(225 + 6000) + 417000 X6000 X100+(174000 + 160000)4365060.88 X4684=186.8MPa主要部件功率 發(fā)電機(jī)雙饋異步發(fā)電機(jī)，功率為2.5MW,轉(zhuǎn)軸直徑見上述高速軸直徑。變流器變流器功率一般選為發(fā)電機(jī)額定功率的1/21/3,此處選擇

14、1MW。齒輪箱采用一級行星齒輪兩級圓柱齒輪傳動(dòng)，功率為上述所求低速軸功率，低速軸轉(zhuǎn)速與高 速軸轉(zhuǎn)速也分別求出，傳動(dòng)比為 68.2。聯(lián)軸器低速軸、高速軸聯(lián)軸器功率、轉(zhuǎn)速都已由上述高速軸、低速軸功率求出。偏航類型：主動(dòng)偏航；偏航軸承：4點(diǎn)接觸球軸承；偏航驅(qū)動(dòng)：4個(gè)3kW偏航電機(jī)；偏航制動(dòng)：液壓控制摩擦制動(dòng)。風(fēng)電機(jī)組布局采用主流的風(fēng)電機(jī)組布置方式，如圖 14所示。傳動(dòng)系統(tǒng)采用雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組典型的偏一字型布置，見圖15。葉片變槳采取獨(dú)立變槳控制。設(shè)計(jì)總結(jié)總體參數(shù)計(jì)算部分額定功率2.5MW設(shè)計(jì)壽命20年切入風(fēng)速3m/s額定風(fēng)速13m/s切除風(fēng)速25m/s風(fēng)輪直徑/掃 掠面積78.7m/4864M輪轂

15、高度62.25m總質(zhì)量334t發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速(1 30%) n1 (1500r/min )葉片數(shù)3功率曲線和C 曲線攻角10升力系數(shù)1.307阻力系數(shù)0.018風(fēng)能利用系數(shù)0.44 （額定）風(fēng)輪轉(zhuǎn)速22r/min偏航上風(fēng)向主動(dòng)偏航制動(dòng)氣動(dòng)、高速軸機(jī)組等級m*葉片氣動(dòng)優(yōu)化部 分詳見圖表主 要葉小 荷計(jì)算戈葉片離心力1118kN風(fēng)壓力340kN等效作用點(diǎn)27m氣動(dòng)力矩54528 Nm最大陀螺力矩308400Nm主軸計(jì)算低速軸轉(zhuǎn)速2.30rad/s局速軸轉(zhuǎn)速157.1rad/s高速軸功率2747kW1-5低速軸功率2892kW高速周轉(zhuǎn)矩17487 Nm何 1+ 算 部 分低速軸轉(zhuǎn)矩1257kNm高速軸直徑117.4mm低速軸直徑488mm塔架載 荷計(jì)算舁 泰風(fēng)風(fēng) 況氣 動(dòng)推 力計(jì) 算蘇聯(lián)法 捷耶夫881kN荷蘭ECN1109kN德國DFVLR1513kN丹麥RIS1459kN塔架強(qiáng)度設(shè)計(jì)（根部截面應(yīng)力）186.8MPa發(fā)電機(jī)2.5MWK 饋?zhàn)兞髌?