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1、课程设计课程设计(综合实验综合实验)报告报告(2012 2013 年度第二学期)名称：院系：班级：学号：学生姓名：指导教师：设计周数：成绩：日期：2013 年 7 月 3 日目录目录任务书任务书一一 设计内容设计内容风电机组总体技术设计二二 目的与任务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
2、叶片设计任务；5.确定塔架的设计方案。6.每人撰写一份课程设计报告。三三 主要内容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 7.6 m/s，当地历史最大风速为 49m/s，用户希望安装 1.5 MW 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
3、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
4、算报告。四四 进度计划进度计划序序设计设计(实验实验)内容内容号号12风电机组整体参数设计风电机组气动特性初步计算34机组及部件载荷计算齿轮箱、发电机、变流器技术参数456塔架根部截面应力计算报告撰写课程设计答辩1 天1.5 天1.5 天2 天1.5 天2.5 天2 天完成时间完成时间备注备注五五 设计（实验）成果要求设计（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。六六 考核方式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。总体参数设计总体参数设计一一 额定功率额定功率根据设计任务书要求，选择 2.5MW 进行设计。二二 设计寿命设计寿命风力发电机
5、组安全等级的设计寿命至少为 20 年。故设计寿命为 20 年。三三 额定风速、切入风速、切除风速额定风速、切入风速、切除风速切入风速 Vin=3m/s；额定风速 Vr=13m/s；切除风速 Vout=25m/s。四四 重要几何尺寸重要几何尺寸1 1风轮直径和扫掠面积风轮直径和扫掠面积风轮直径决定机组在多大的范围内获取风中蕴含的能量。直径应根据不同风况与额定功率匹配，以获得最大的年发电量和最低的发电成本。风轮直径有下述简单计算公式：式中额定输出功率，取 2.5MW；主传动系统的总效率，取 0.95；发电系统效率，发电机效率取 0.96，变流器效率取0.95；风能利用系数，取 0.44；空气密度，
6、取 1.225kg/m3；额定风速，13m/s。扫掠面积2 2轮毂高度轮毂高度。塔架高度取 60m。轮毂高度式中塔顶平面到风轮扫掠面中心的距离，取2.25m;塔架高度。五五 总质量总质量。机舱和风轮等总质量为 m1=174t，塔架质量取 160t。六六 发电机额定转速和转速范围发电机额定转速和转速范围采用双馈异步发电机，极对数 p=2，额定转速由下式求出双馈异步机转速范围七七 叶片数叶片数 B B。叶片数 B 取 3，三叶片风电机组有其显着的优势，是目前风电市场主流。八八 功率曲线和功率曲线和 CtCt 曲线曲线1 1功率曲线功率曲线由于风速具有波动的特征，所以功率曲线也会有细微波动，此处采取
7、平均风速绘制功率曲线。风速未达到切入风速的时候，P=0；风速达到切入风速之后，机组启动，以最大 Cp捕捉风能；达到额定风速后，采取控制策略，限制功率在额定功率附近。式中 C 为考虑到实际情况的常数。曲线绘制见图 1。2 2CtCt 曲线曲线通过 Cp求出轴向气流诱导因子a，再由a求出 Ct，得到 Ct 曲线如图 2，但是考虑到其他因素和实际情况，和某风电机组Ct的试验结果（见图 3）相比，趋势相同，数值不一样。九九 确定攻角，升力系数确定攻角，升力系数 C CL L，叶尖速比，风能利用系数，叶尖速比，风能利用系数 C Cp p根据已知翼型数据，求出升阻比，绘制升阻比曲线见图4，发现为 5时，C
8、L/CD取到最大值，此处选取为 10，升阻比 CL/CD为72.6；叶尖速比大概为7，风能利用系数Cp风速的关系，由于假设是变速风机，额定值前捕捉最大风能，Cp保持 0.44，当达到额定以后，Cp下降，见图 5，实际上，双馈异步机转速范围为，额定值前有一段 Cp是上升过程，图 6 为某风电机组 Cp的试验结果，对比发现，趋势是相同的。十十 风轮转速风轮转速风轮转速为 68。十一十一其他其他，齿轮箱传动比约上风向主动偏航，偏航变桨均采用电动机驱动，制动方式第一制动为气动制动，第二制动为高速轴机械制动。十二十二风电机组等级选取风电机组等级选取风力发电机组安全等级基本参数风力发电机组安全等级Svre
9、f(m/s)AIref(-)BIref(-)500.160.1442.537.5设计值由设计者选定CIref(-)0.12由于已知条件，年均风速 vave=7.6m/s，选取级，但是没有湍流数据，因此无从在 A、B、C 之间做出判别。叶片气动优化设计叶片气动优化设计一一 优化过程优化过程给出r，攻角 已知，CL也已知；记0=r/v1；由下式求出由下式求出由下式求出由下式求出叶素桨距角=；弦长二二 叶片优化结果叶片优化结果。现选取叶片 5%100%长度，步长 5%展示优化结果，05%叶片形状为圆筒形，根部采用钻孔组装方式。计算内容见图 7，弦长 和桨距角 随半径变化见图 8。主要部件载荷计算主要
10、部件载荷计算一一 叶片载荷计算叶片载荷计算1 1作用在叶片上的离心力作用在叶片上的离心力 FcFc叶片离心力式中叶片的密度，取 540kg/m3；风轮转速，计算得 2.3rad/s；半径 r 处对应叶素面积；r叶素所在半径。Naca 翼型 63418 几何参数见图 9，翼型几何形状见图 10，可近似求出单位弦长叶素对应的面积；用数值积分的方法近似求出上式。求出单位弦长叶素面积 Ar=0.112m2；大致求出Fc=1118kN。2 2作用在叶片上的风压力作用在叶片上的风压力 FvFv与弦长平方成正比，所以可以作用在叶片上的风压力Fv由下式给出近似计算得出Fv=349786N；等效作用点可由下式求
11、出经计算得出rm=27m。3 3作用在叶片上的气动力矩作用在叶片上的气动力矩Mb是一个叶片产生的转动力矩，可由下式求出近似计算得Mb=54528 Nm。4 4作用在叶片上的陀螺力矩作用在叶片上的陀螺力矩 M Mk k叶片的转动惯量由下式求出陀螺力矩Mk由下式求出式中偏航转速，取 1?/s，即 0.0175rad/s；叶尖速比，取 7；R风轮半径，39.35m；风速，取额定值 13m/s；与 的夹角，当叶片铅垂位置时，?，达到最大。经计算，二二 主轴载荷计算主轴载荷计算，308400N m。低速轴转速高速轴转速高速轴功率低速轴功率高速轴转矩低速轴转矩高速轴直径低速轴直径式中实心钢轴最大应力，取
12、55MPa。三三 塔架载荷计算塔架载荷计算1 1暴风工况风轮气动推力计算暴风工况风轮气动推力计算当；当所以。时，时，；当。本设计年均风速时，暴风条件的风轮气动推力目前有几种计算方式，结果相差较大。以下分别计算几种常用的方法。前苏联法捷耶夫公式式中叶片的投影面积；叶片数。叶片投影面积可根据风轮扫掠面积与风轮实度求出，风轮实度取 0.064，则叶片面积为荷兰 ECN 的公式式中推力系数，取 1.5；动态风压，与轮毂高度有对应关系，取1330N/m2；动态系数，取 1.2；安全系数，取 1.5。计算得德国 DFVLR 公式式中，取 2.2，计算丹麦 RIS 公式2 2塔架的强度设计（考虑塔架高度折减
13、系数的强度计算）塔架的强度设计（考虑塔架高度折减系数的强度计算）塔架高度 60m，采用锥形钢筒结构，分段加工，顶部直径4m，壁厚 20mm，底部直径 5m，壁厚 30mm。塔架受力分析见图 11，根部截面应力可表示为下式式中塔架根部抗弯截面系数，单位 cm3；塔架根部截面积，单位 cm2；塔架本身所受重力，单位 N；变截面塔架长度折减系数，可根据2从图 12 查出。而式中与塔架截面变化有关的这算长度修正系数，可根据差表（见图 13）得出；面惯性矩，单位 cm4；塔架根部截面的惯性半径，计算过程：取上述荷兰公式结果，即按下式求出式中平面系数，平面取 1，此处取 0.7。；，单位 cm。、分别是塔
14、架顶部和根部截取 1.29；查图 11 得最（低碳钢）；终得主要部件功率主要部件功率一一 发电机发电机双馈异步发电机，功率为 2.5MW，转轴直径见上述高速轴直径。二二 变流器变流器变流器功率一般选为发电机额定功率的1/21/3，此处选择 1MW。三三 齿轮箱齿轮箱采用一级行星齿轮两级圆柱齿轮传动，功率为上述所求低速轴功率，低速轴转速与高速轴转速也分别求出，传动比为68.2。四四 联轴器联轴器低速轴、高速轴联轴器功率、转速都已由上述高速轴、低速轴功率求出。五五 偏航偏航类型：主动偏航；偏航轴承：4 点接触球轴承；偏航驱动：4 个 3kW 偏航电机；偏航制动：液压控制摩擦制动。风电机组布局风电机
15、组布局采用主流的风电机组布置方式，如图 14 所示。传动系统采用双馈型风力发电机组典型的偏一字型布置，见图15。叶片变桨采取独立变桨控制。设计总结设计总结额定功率设计寿命切入风速额定风速切除风速风轮直径/扫掠面积轮毂高度总质量发电机转速62.25m334t(130%)（1500r/min）2.5MW20 年3m/s13m/s25m/s78.7m/4864m2总体参数计算部分n1叶片数功率曲线和Ct曲线攻角升力系数阻力系数风能利用系数风轮转速偏航制动机组等级叶片气动优化部分详见图表310?1.3070.0180.44（额定）22r/min上风向主动偏航气动、高速轴*计算部分叶 片载荷计算叶片离心
16、力风压力等效作用点气动力矩最大陀螺力矩1118kN340kN27m54528 N m308400N m主要部件载荷主轴计算低速轴转速高速轴转速2.30rad/s157.1rad/s高速轴功率低速轴功率高速周转矩低速轴转矩高速轴直径低速轴直径塔 架暴苏 联2747kW2892kW17487 N m1257kN?m117.4mm488mm881kN载荷计算风 风 法捷耶夫况 气荷 兰1109kN动 推 ECN力 计算德 国DFVLR丹 麦RIS塔架强度设计（根部截面应力）发电机2.5MW 双馈异步1MW一级行星齿轮两级圆柱齿轮（传动比 68.2）功率为上述所求低速轴功率186.8MPa1459kN1513kN主要部件功率变流器齿轮箱联轴器低速轴、高速轴联轴器功率、转速都已由上述高速轴、低速轴功率求出。偏航4个3kW偏航电机/液压控制摩擦制动风电机组布局置采用主流风电机组布局方式传动系统采用双馈型风力发电机组典型的偏一字型布 附录附录 参考文献参考文献1姚兴佳，田德风力发电机组设计与制造M北京：机械工业出版社，2012.23陈建宏.风力发电机组设计与制造课程设计报OL?运达风电.windey 2.5MW 风电机组介绍OL.