学位论文-—风力发电机组设计与制造课程设计.doc

课程设计(综合实验)报告( 2012 2013 年度第二学期)名 称： 风力发电机组设计与制造 题 目： 风电机组总体技术设计 院 系： 可 再生 能 源 学 院 班 级： 风 能 1002 班 学 号： 1101540209 学生姓名： 刘 凤 魁 指导教师： 田 德、王 永 设计周数： 19周-20周 成 绩： 日 期： 2013年 7 月10 日 目 录课程设计任务书1第一章 风电机组整体参数设计51.1 额定功率51.2 设计寿命51.3 切出风速、切入风速、额定风速51.4 发电机额定转速和转速范围51.5 重要几何尺寸61.5.1 风轮直径和扫掠面积61.5.2 轮毂高度71.6 叶片数71.7 风轮转速81.8 功率曲线、Cp曲线、Ct曲线、攻角81.9 功率控制方式141.10 制动系统形式141.11 风力机等级14第二章 风电机组气动特性初步计算142.1 叶片的设计理论142.1.1 动量理论142.1.2 叶素理论152.2 叶片设计16第三章 机组及部件载荷计算183.1 叶片载荷计算183.1.1 作用在叶片上的离心力FC183.1.2 作用在叶片上的风压力FV193.1.3 作用在叶片上的气动力矩Mb193.1.4 作用在叶片上的陀螺力矩MK193.2 风轮轮毂的载荷计算203.3 主轴载荷计算203.5 塔架载荷计算213.5.1 暴风工况的风轮气动推力计算213.5.2 欧美国家塔架静态强度设计的一般载荷条件223.5.3 确定塔架设计载荷的要求233.6 联轴器载荷计算23第四章 主要部件技术参数234.1 齿轮箱234.2 发电机244.3 变流器244.4 联轴器254.5 偏航执行机构254.6 变桨距执行机构264.7 塔架根部截面应力计算26风力机总体布局图：28参考文献：28风力发电机组设计与制造课程设计课程设计任务书一、 设计内容风电机组总体技术设计二、 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、 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）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算报告。四、 进度计划序号设计(实验)内容完成时间备注1风电机组整体参数设计2.5天2风电机组气动特性初步计算2天3机组及部件载荷计算2天4齿轮箱、发电机、变流器技术参数1.5天4塔架根部截面应力计算1天5报告撰写1.5天6课程设计答辩1.5天五、 设计（实验）成果要求1 提供设计的风电机组的性能计算结果；2 绘制整机总体布局工程图。六、 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。 2013年 6 月 28 日表1 63418翼型的升力系数和阻力系数攻角升力系数阻力系数扭矩系数-11.04-0.770.0310-9-0.7450.0120-8-0.6260.010-7-0.5080.010-6-0.390.0090-5-0.2630.0080-4-0.1380.0070-3-0.030.0060-20.0790.0060-10.1750.006000.3130.006010.4460.006020.5510.006030.6660.007040.7770.007050.9040.007060.9840.008071.0740.01081.170.013091.2440.0150101.3070.0180121.3950.0250141.3950.0320161.370.03902010.1850251.040.3150301.020.4420400.950.680450.90.780500.820.891055.540.6971.022060.670.6261.095066.930.4951.144071.070.4011.179075.50.3031.235080.750.1991.2680攻角升力系数阻力系数扭矩系数-180-0.4750.0280-179.9-0.4750.0280-177.790.0830.0390-172.180.7010.070-168.550.9170.1720-165.10.6610.2680-159.590.4770.3440-154.910.6120.4260-150.610.6970.5360-145.490.7570.6810-141.270.7160.7720-134.540.6430.8290-127.580.5720.8860-124.170.5370.9380-120.560.46610-115.240.3611.0690-109.230.2871.1080-104.330.1791.1450-100.650.0941.1670-96.720.0231.1830-88.29-0.0991.180-82.73-0.1921.1660-78.79-0.2611.1480-74.68-0.3321.1120-68.72-0.4371.0440-62.9-0.5381.0030-58.21-0.5970.9650-53.67-0.6560.9020-50.77-0.6730.8250-44.08-0.680.7020-38.09-0.6980.6020-32.99-0.6550.5080-29.64-0.5350.4290-24.44-0.3860.280-19-0.3540.1910-12.78-0.4630.0920-11.58-0.80.0360攻角升力系数阻力系数扭矩系数86.90.0991.272091.87-0.0141.265095.79-0.1121.26099.84-0.2141.2540104.93-0.3171.2050110.44-0.4271.1270115.85-0.5391.0940124.05-0.6290.9780129.73-0.6950.8720136.34-0.7960.8050140.53-0.770.7320144.46-0.7290.6330145.07-0.7210.6160150.54-0.6740.4660155.32-0.5970.3080160.62-0.8430.2710163.66-1.1240.1830168.46-0.880.0730175.01-0.4750.0280179.90.0830.03901800.0830.0390 第一章 风电机组整体参数设计1.1 额定功率根据设计任务书选定额定功率为3MW。1.2 设计寿命风力发电机组安全等级IIII的设计寿命至少为20年。这里选20年设计寿命。1.3 切出风速、切入风速、额定风速切入风速 取 vin=3m/s；切出风速 取 vout=25m/s；额定风速 取 vr=13m/s；对于一般变桨距风力发电机组（选3MW）的额定风速羽平均风速之比为1.70左右。1.4 发电机额定转速和转速范围应用高速发电机的风力发电机组多为异步发电机。根据电机学理论，当异步发电机接入频率恒定的电网上时，由定子三相绕组中的电流产生的旋转磁场的同步速取决于电网的额定频率和发电机绕组的极对数，三者关系为，其中：n1同步转速，单位为r/min；f1电网频率，单位为Hz；P发电机绕组的极对数。异步发电机中旋转场和转子之间的相对转速为，相对转速与同步速的比值称为异步发电机的转差率，用s表示，即。当异步发电机的转子在风力机的拖动下，以高于同步速旋转时，发电机运行在发电状态，发电机中的电磁转矩为制动转矩，阻碍发电机旋转，此时发电机需要从外部吸收无功电流建立磁场（如由电容提供无功电流），而将从风力机中获得的机械能转化为电能提供给电网。喜事发电机的转差率为负值，一般其绝对值在2%5%之间，并网运行的较大容量的异步发电机的转子转速一般在（11.05）n1之间。应用双馈式发电机，转子转速一般在（130%）n1之间变化。1.5 重要几何尺寸1.5.1 风轮直径和扫掠面积 由风力发电机组输出功率得叶片直径：其中：Pr风力发电机组额定输出功率，取3000kW；空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m3；Vr额定风速，取13m/s；D风轮直径，当额定风速为13m/s时，风轮直径为97m；传动系统效率，取0.96；发电系统效率，取0.94（发电机效率0.97，变流器效率0.97）；Cp-额定功率下风能利用系数，取0.33。由直径计算可得扫掠面积：由大型风力发电机组风轮扫掠面积与额定功率关系的经验曲线图可知：每平方米风轮扫掠面积产生的额定功率为405W/m2， 风轮扫掠面积与额定功率关系的经验曲线图综上可得风轮直径D=97m，扫掠面积S=7390m2。1.5.2 轮毂高度轮毂高度是从地面到风轮扫掠面中心的高度，用Zhub表示，单位为m。Zhub=Zt+H，其中：H塔架高度，单位为m；Zt塔顶平面到风轮扫掠面中心的高度，单位为m。对于风轮直径25m以上的机组，其轮毂中心高度与风轮直径的比基本为1：1，取Zhub=97m。1.6 叶片数现代风力发电机的实度比较小，一般需要1-3个叶片。选择风轮叶片数时考虑风电机组性能和载荷、风轮和传动成本、风力机气动噪声及景观影响等因素。3叶片较1、2叶片风轮有如下优点：1. 平衡简单、动态载荷小。基本消除了系统的周期载荷，输出较稳定转矩；2. 能提供较佳的效率；3. 更加美观；4. 噪声较小；5. 轮毂较简单等。综上所述，叶片数选择B=3。1.7 风轮转速风轮的输出功率与其转矩和转速有关。由风轮转矩M=9550PS/n可知，当额定功率PS(kW)已选定时，风轮转速n（r/min）与转矩（Nm）成反比。为降低转矩M，应提高风轮转速。但转速过高对风轮不利，所以应选择一个合适的风轮转速。通常将陆上风力发电机组的叶尖速限制在65m/s左右，三叶片风力发电机组的风轮叶尖速比一般在6.0至8.0之间。此处取6.5。所以，风轮额定转速为17r/min。1.8 功率曲线、Cp曲线、Ct曲线、攻角其中：为威布尔分布形状参数。根据大量的观测，中国地区k值通常在1.0-2.6之间。这里取k=2.5。风能利用系数Cp计算公式如下：推力系数CT计算公式如下：表格 1风速v（m/s）额定功率Pr（kw）输出功率Pw（kw）CpaCt330000.0000 0.0000 0.0000 0.0000 43000114.9352 0.4399 0.1920 0.6205 53000234.3764 0.4593 0.2991 0.8386 63000395.6851 0.4487 0.2667 0.7823 73000602.8693 0.4305 0.2202 0.6868 83000859.6122 0.4113 0.1858 0.6052 930001169.3409 0.3929 0.1610 0.5404 1030001535.2735 0.3761 0.1419 0.4869 1130001960.4531 0.3608 0.1267 0.4425 1230002447.7736 0.3470 0.1144 0.4051 1330003000.0000 0.3345 0.1042 0.3734 1430003000.0000 0.2678 0.0789 0.2907 1530003000.0000 0.2177 0.0617 0.2317 1630003000.0000 0.1794 0.0496 0.1886 1730003000.0000 0.1496 0.0406 0.1558 1830003000.0000 0.1260 0.0337 0.1303 1930003000.0000 0.1071 0.0284 0.1102 2030003000.0000 0.0919 0.0241 0.0941 2130003000.0000 0.0793 0.0207 0.0810 2230003000.0000 0.0690 0.0179 0.0703 2330003000.0000 0.0604 0.0156 0.0614 2430003000.0000 0.0532 0.0137 0.0539 2530003000.0000 0.0470 0.0120 0.0476 表格 2攻角升力系数阻力系数升阻比攻角升力系数阻力系数升阻比-180-0.4750.028-16.964 00.3130.00652.167 -179.9-0.4750.028-16.964 10.4460.00674.333 -177.790.0830.0392.128 20.5510.00691.833 -172.180.7010.0710.014 30.6660.00795.143 -168.550.9170.1725.331 40.7770.007111.000 -165.10.6610.2682.466 50.9040.007129.143 -159.590.4770.3441.387 60.9840.008123.000 -154.910.6120.4261.437 71.0740.01107.400 -150.610.6970.5361.300 81.170.01390.000 -145.490.7570.6811.112 91.2440.01582.933 -141.270.7160.7720.927 101.3070.01872.611 -134.540.6430.8290.776 121.3950.02555.800 -127.580.5720.8860.646 141.3950.03243.594 -124.170.5370.9380.572 161.370.03935.128 -120.560.46610.466 2010.1855.405 -115.240.3611.0690.338 251.040.3153.302 -109.230.2871.1080.259 301.020.4422.308 -104.330.1791.1450.156 400.950.681.397 -100.650.0941.1670.081 450.90.781.154 -96.720.0231.1830.019 500.820.8910.920 -88.29-0.0991.18-0.084 55.540.6971.0220.682 -82.73-0.1921.166-0.165 60.670.6261.0950.572 -78.79-0.2611.148-0.227 66.930.4951.1440.433 -74.68-0.3321.112-0.299 71.070.4011.1790.340 -68.72-0.4371.044-0.419 75.50.3031.2350.245 -62.9-0.5381.003-0.536 80.750.1991.2680.157 -58.21-0.5970.965-0.619 86.90.0991.2720.078 -53.67-0.6560.902-0.727 91.87-0.0141.265-0.011 -50.77-0.6730.825-0.816 95.79-0.1121.26-0.089 -44.08-0.680.702-0.969 99.84-0.2141.254-0.171 -38.09-0.6980.602-1.159 104.93-0.3171.205-0.263 -32.99-0.6550.508-1.289 110.44-0.4271.127-0.379 -29.64-0.5350.429-1.247 115.85-0.5391.094-0.493 -24.44-0.3860.28-1.379 124.05-0.6290.978-0.643 -19-0.3540.191-1.853 129.73-0.6950.872-0.797 -12.78-0.4630.092-5.033 136.34-0.7960.805-0.989 -11.58-0.80.036-22.222 140.53-0.770.732-1.052 -11.04-0.770.031-24.839 144.46-0.7290.633-1.152 -9-0.7450.012-62.083 145.07-0.7210.616-1.170 -8-0.6260.01-62.600 150.54-0.6740.466-1.446 -7-0.5080.01-50.800 155.32-0.5970.308-1.938 -6-0.390.009-43.333 160.62-0.8430.271-3.111 -5-0.2630.008-32.875 163.66-1.1240.183-6.142 -4-0.1380.007-19.714 168.46-0.880.073-12.055 -3-0.030.006-5.000 175.01-0.4750.028-16.964 -20.0790.00613.167 179.90.0830.0392.128 -10.1750.00629.167 1800.0830.0392.128 结合图表可以看出，攻角约等于5度时，升阻比最大为129.143，此时升力系数Cl=0.904，阻力系数Cd=0.007，本设计中攻角取9度，升力系数Cl=1.244，阻力系数Cd=0.015，升阻比为82.933。1.9 功率控制方式采用主动变桨距控制。1.10 制动系统形式第一制动采用气动刹车，第二制动采用高速轴机械刹车。1.11 风力机等级由IEC标准，如下表，选择风力机等级为IECIIA。WTGS等级IIIIIISvrefm/s5042.537.5由设计者规定各参数A Iref（）0.16B Iref（）0.14C Iref（）0.12第二章 风电机组气动特性初步计算2.1 叶片的设计理论2.1.1 动量理论如图4所示，由动量理论对风轮进行计算：在风轮rr+dr的环域内应用动量定理，则作用在环域上的轴向推力为： （2-1） 轴向推力又可表示为： （2-2）利用伯努利方程式，二式相减并带入（2-2）可得： （2-3）联立（2-1）、（2-3）可得： （2-4）引入轴向诱导因子，则 （2-5） （2-6）气流流过风轮后，还产生与风轮转动方向相反的角速度，因而作用在环域上的转矩为： （2-7）引入切向诱导因子，则转矩表示为： （2-8）从而可知，作用在环域上的气流提供的动量为： （2-9）2.1.2 叶素理论 如上图所示，设，则 （2-10）因此，升力和阻力可表示为：假设，则：那么，作用在风轮rr+dr的环域上的推理和转矩分别为： （2-11） （2-12）2.2 叶片设计1) 给出r，攻角i已知，CL=0.904已知；2) ；3) 由式，得到角；4) 由式，得到k；5) 由式，得到h；6) 由式，得到；7) ；8) ；将1）8）在excel中编辑公式计算，得出相应的数据。其中：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；i攻角；入流角；桨矩角。表格 3叶素位置/%51015202530354045506.56.56.56.56.56.56.56.56.56.5叶尖速比0.3250.650.9751.31.6251.952.2752.62.9253.25叶素位置/%5560657075808590951006.56.56.56.56.56.56.56.56.56.5叶尖速比3.5753.94.2254.554.8755.25.5255.856.1756.5表格 4r位置/%尖速比khc2.42556.50.3251.152 0.428 2.956 0.838 39.038 5.399 4.85106.50.651.239 0.388 1.735 0.663 29.006 6.914 7.275156.50.9751.305 0.367 1.382 0.532 21.497 6.768 9.7206.51.31.352 0.356 1.232 0.437 16.051 6.149 12.125256.51.6251.387 0.349 1.154 0.368 12.096 5.444 14.55306.51.951.413 0.345 1.110 0.316 9.115 4.853 16.975356.52.2751.433 0.342 1.082 0.276 6.822 4.330 19.4406.52.61.448 0.340 1.063 0.245 5.045 3.869 21.825456.52.9251.461 0.339 1.050 0.220 3.611 3.497 24.25506.53.251.471 0.338 1.041 0.199 2.408 3.214 26.675556.53.5751.480 0.337 1.034 0.182 1.433 2.952 29.1606.53.91.487 0.336 1.029 0.167 0.573 2.761 31.525656.54.2251.493 0.336 1.025 0.155 -0.115 2.588 33.95706.54.551.499 0.336 1.021 0.144 -0.745 2.350 36.375756.54.8751.503 0.335 1.019 0.135 -1.261 2.283 38.8806.55.21.507 0.335 1.016 0.127 -1.720 2.056 41.225856.55.5251.511 0.335 1.014 0.119 -2.178 1.915 43.65906.55.851.514 0.335 1.013 0.113 -2.522 1.885 46.075956.56.1751.517 0.335 1.012 0.107 -2.866 1.839 48.51006.56.51.520 0.334 1.010 0.102 -3.153 1.616 第三章 机组及部件载荷计算3.1 叶片载荷计算3.1.1 作用在叶片上的离心力FC叶片绕风轮轴旋转是，有离心力作用在叶片上。离心力的方向是自旋转中心沿半径向外。则叶片的离心力为：其中：叶片的密度，单位为kg/m3 ，本设计为530 kg/m3；叶素处的叶片截面积，单位为m2；风轮角速度，单位为rad/s；叶片起始处的旋转半径；叶片结束处的旋转半径。利用gambit软件粗略计算出，用excel表格计算出各截面的面积，然后再利用matlab软件拟合出半径与叶素截面面积的函数，计算积分，求得 39786kN。r2.4254.857.2759.712.12514.5516.97519.421.82524.25c5.399 6.914 6.768 6.149 5.444 4.853 4.330 3.869 3.497 3.214 Ar2.43 3.98 3.81 3.15 2.47 1.96 1.56 1.25 1.02 0.86 r26.67529.131.52533.9536.37538.841.22543.6546.07548.5c2.952 2.761 2.588 2.350 2.283 2.056 1.915 1.885 1.839 1.616 Ar0.73 0.63 0.56 0.46 0.43 0.35 0.31 0.30 0.28 0.22 3.1.2 作用在叶片上的风压力FV风压力是作用在叶片上沿风速方向的气动力。风轮静止和转动时，风压力大小不相等。风轮静止时风压力为：设FV的作用点距风轮轴距离为，则有：风轮转动时的风压力为：用Matlab计算得出FV1=289.3962N，rm1=14.01m；FV2=1969.4952kN，rm2=33.95m。3.1.3 作用在叶片上的气动力矩MbMb是使风轮转动的力矩，由下式求出：用matlab计算得出：Mb =3568.7628kNm3.1.4 作用在叶片上的陀螺力矩MKMk是风轮对风调向时产生的惯性力矩。当风向改变时，风轮除以角速度绕Ox轴转动外，还要以角速度绕Oz轴转动。整个叶片的转动惯量为对风调向时产生的最大科氏加速度为：由于科氏加速度，产生了柯氏角加速度，由动量矩定理知，叶片收到惯性力矩Mk的作用，这个力矩称为陀螺力矩，Mk=。用matlab计算得出J=512.47Mkg*m2；，Mk=23.3686MNm3.2 风轮轮毂的载荷计算作用在整个风轮上的轴向推力可表示为。作用在整个风轮上的转矩可表示为：。用用matlab计算得出T =627.4529kN；M