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1、风力发电机组设计与制造课程设计可再生能源学院风能0902班马丽1091540219一二三四五主要设计内容主要设计内容风电机组整体参数设计风电机组气动特性初步计算机组及部件载荷计算塔架根部截面应力整机装配图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。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48m/s，用户希望安装1.5 MW至6MW之间的风力机。接受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。一、风电机
2、组整体参数设计风能利用系数Cp和叶尖速比风能推力系数Ct和叶尖速比风力发电机组产生的气动噪声正比与叶尖速比的5次方。通常将陆基风力发电机组的叶尖速度限制在65m/s。查风能利用系数Cp曲线 得Cp=0.25由任务书所给数据可得攻角与升阻比Cl/Cd的关系攻角与升力系数Cl、阻力系数Cd特性曲线 依据以上两图，并参考整机设计的实际状况，选取攻角=10此时 Cl=1.307，Cd=0.018基本参数的确定参数选择轮毂高度H=70m叶片数B=3年平均风速v=7.6 m/s额定风速 切入风速v1=4m/s切出风速v2=25m/s额定功率P=2000kW风能利用效率Cp=0.25空气密度=1.225kg
3、/m3主传动系统的总效率 发电系统的总效率 变流器效率 叶尖速比 =5最佳升阻比Cl/Cd=72.61攻角 =10升力系数 Cl=1.307风轮仰角 5风轮锥角 0参数计算风轮直径计算风轮额定转速计算风轮扫掠面积 限制系统功率限制方式接受液压驱动独立变桨距限制系统(7-12/s)偏航系统类型 主动电驱动型偏航轴承形式四点接触滚珠轴承,内齿偏航速度 0.6度/秒制动系统主制动:全顺桨独立制动其次制动系统:转向刹车 偏航变更风轮迎风角度 液压刹车 高速轴盘式液压软刹车 机械刹车 手动插销圆盘刹车风力发电机组等级风电机组平安等级IIIIIISvref (m/s)50 42.537.5 设置值由 设计
4、者选定A Iref(-)0.16B Iref(-)0.14C Iref(-)0.12vref=5*v=5*7.6=38m/s,故风力发电机组等级可选为IIIA等级机型主要部件的功率变流器 额定功率发电机 额定功率发电机额定功率2170kW额定电压 690v额定频率 50Hz额定转速1800rpm转速范围 1000-2000rpm定子额定电流 1035A转子额定电流 382A形式 4极双馈异步电机绝缘等级 F效率 97%重量 6.8t齿轮箱 额定功率齿轮箱结构形式 1极行星和2极平行轴增速比 效率 0.95润滑方式 油泵强制润滑油冷却方式 循环式风冷重量 17t偏航系统 偏航电机 四台3kW电动
5、机；380v；960rpm偏航齿轮箱速比1110；模数20；齿数14；重 量540kg偏航轴承 四点接触滚珠轴承；模数20；齿 数128；重量1930kg偏航速度 0.6度/秒二、风电机组气动特性初步计算动量理论 来流风速为v，静压p 流过风轮风速为v，风轮前后静压 为p+p-风轮后很远处风速为v2，静压为p在风轮rr+dr的环域内应用动量定理，则风作用在该环域上的轴向推力为又由于风轮前后有压力差P=P+_ P-,则轴向力又可用下式表示利用伯努力方程得依据以上两式相减，带入（22）得联立（2-1）、（2-5）两式，可得引入轴向诱导因子 k=v2/v气流经过风轮后，除轴向速度会发生变更以外，还将
6、产生与风轮转动方向相反的旋转角速度，因而作用在叶轮rr+dr环域上的转矩为引入切向诱导因子h=(+)/,其中 是风轮转速。则，比较小时，可认为上式照旧成立，因此从而可知，在rr+dr环域上，气流所供应的功率为叶素理论轴向风速 气流相对叶片的角速 度为设 ，则由于升力和阻力为叶片设计参数计算风轮直径D=90m，考虑到轮毂直径，则叶片半径R=43m沿叶片径向展长，分别计算r=0.1R，0.2R，0.3R，0.4R，0.5R，0.6R，0.7R，0.8R，0.9R处气动参数。利用如下公式进行MATLAB编程计算式中：B-叶片数（此处为3）k-轴向干扰因子；h-切向干扰因子；C-叶片弦长;-入流角；-
7、攻角；-桨矩角；计算得到数据如下表rkhc4.30 0.50 1.20 0.40 2.09 0.74 32.29 7.17 8.60 1.00 1.31 0.37 1.37 0.52 20.00 7.39 12.90 1.50 1.37 0.35 1.18 0.39 12.46 6.27 17.20 2.00 1.42 0.34 1.10 0.31 7.71 5.22 21.50 2.50 1.44 0.34 1.07 0.25 4.53 4.41 25.80 3.00 1.46 0.34 1.05 0.21 2.29 3.79 30.10 3.50 1.48 0.34 1.04 0.19 0
8、.63 3.31 34.40 4.00 1.49 0.34 1.03 0.16-0.64 2.93 38.70 4.50 1.50 0.34 1.02 0.15-1.65 2.63 43.00 5.00 1.51 0.34 1.02 0.13-2.46 2.38 r半径叶尖速比(rad)k轴向因子h周向因子入流角(rad)桨矩角(度)c弦长机组及部件载荷计算作用在叶片上的离心力当 时，利用MATLAB数值积分得作用在叶片上的风压力利用MATLAB数值积分得利用MATLAB数值积分得，作用在叶片上的气动力矩利用MATLAB数值积分得，整个叶片的转动惯量最大柯氏加速度动量矩定理,叶片受到惯性力矩轴
9、向诱导因子周向诱导因子利用MATLAB数值积分得，作用在风轮上的推力通过MATLAT数值积分得，作用在风轮上的转矩主轴载荷低速轴角速度高速轴角速度高速轴功率低速轴功率低速轴转矩高速轴转矩低速轴转矩高速轴转矩扭剪应力塔架载荷作用在塔架上的载荷有以下几类：风轮等构件承受的空气动力载荷重力和惯性载荷：由重力、振动、旋转以及地震等引起的静态和动态载荷。操作载荷：在机组运行和限制过程中产生的载荷。如功率变更、偏航、变桨以及制动过程产生的载荷等。其它载荷：诸如尾迹载荷、冲击载荷、覆冰载荷等。下面，我们只探讨与塔架结构强度计算有关的两种载荷，即由风轮作用在最大气动推力以及塔架本身所承受最大风压产生的载荷。暴风工况的风轮气动推力由于 ，所以塔架根部截面应力塔架高度根部外径顶部外部半径厚度重量应力计算塔架载荷暴风工况的风轮气动推力风载荷近年来,国内大型化工工程大都从国外引进技术,从设计、制造和检验都接受国际上常用的规范,对于高塔设计,最常用的规范之一是日本石油学会规范裙座支撑塔类强度计算J P I-7 R-3 5-87。该规范从风载荷、地震载荷的计算到组合应力计算及应力评定,都很简洁明白,应用便利合理。J P I-7 R-3 5-87风载荷公式塔架根部截面应力 q-风压力，单位是pa c-形态系数，对于塔架常取为0.7 A-有效受风面积整机装配图感谢大家！感谢大家！请老师点评！请老师点评！