1、課程設計（綜合實驗）報告（2012 - 2013年度第二學期）名 稱：院 系：一班 級：學 號：學生姓名：指導教師：設計周數：成 績：日期：2013年7月3日目錄任務書設計內容風電機組總體技術設計目的與任務主要目的：1 .以大型水平軸風力機為研究對象，掌握系統的總體設計方法;2 .熟悉相關的工程設計軟件；3 .掌握科研報告的撰寫方法。主要任務：每位同學獨立完成風電機組總體技術設計，包括：1 .確定風電機組的總體技術參數；2 .關鍵零部件（齒輪箱、發電機和變流器）技術參數；3 .計算關鍵零部件（葉片、風輪、主軸、連軸器和塔架等）載荷和技術參數；4 .完成葉片設計任務；5 .確定塔架的設計方案。6

2、 .每人撰寫一份課程設計報告。主要內容每人選擇功率范圍在1.5MW至6MW之間的風電機組進行設計。1 .原始參數：風力機的安裝場地50米高度年平均風速為7.0m/s, 60米高度年平均風速 為7.3m/s, 70米高度年平均風速為7.6 m/s,當地歷史最大風速為49m/s,用戶希望安裝1.5 MW至6MW之間的風力機。采用63418翼型，63418翼型的升力系數、阻力系數數據如 表1所示。空氣密度設定為1.225kg/m3。2 .設計內容（1）確定整機設計的技術參數。設定幾種風力機的Cp曲線和Ct曲線，風力機基本參數包括葉片數、風輪直徑、額定風速、切入風速、切出風速、功率控制方式、傳動系統、

3、 電氣系統、制動系統形式和塔架高度等，根據標準確定風力機等級；（2）關鍵部件氣動載荷的計算。設定幾種風輪的 Cp曲線和Ct曲線，計算幾種關鍵零 部件的載荷（葉片載荷、風輪載荷、主軸載荷、連軸器載荷和塔架載荷等）；根據載荷和 功率確定所選定機型主要部件的技術參數（齒輪箱、發電機、變流器、連軸器、偏航和變 槳距電機等）和型式。以上內容建議用計算機編程實現，確定整機和各部件（系統）的主 要技術參數。（3）塔架根部截面應力計算。計算暴風工況下風輪的氣動推力，參考風電機組的整體設計參數，計算塔架根部截面的應力。最后提交有關的分析計算報告 進度計劃序號設計（實驗）內容完成時間備注1風電機組整體參數設計2.

4、5天2風電機組氣動特性初步計算2天3機組及部件載荷計算2天4齒輪箱、發電機、變流器技木參數1.5天4塔架根部截面應力計算1天5報告撰寫1.5天6課程設計答辯1.5天設計（實驗）成果要求提供設計的風電機組的性能計算結果;繪制整機總體布局工程圖。考核方式每人提交一份課程設計報告；準備課程設計PPT,答辯。總體參數設計額定功率根據設計任務書要求，選擇 2.5MW進行設計。設計壽命風力發電機組安全等級I m的設計壽命至少為20年。故設計壽命為20年。額定風速、切入風速、切除風速切入風速Vin=3m/s；額定風速Vr=13m/s；切除風速Vout =25m/so重要幾何尺寸風輪直徑和掃掠面積風輪直徑決定

5、機組在多大的范圍內獲取風中蘊含的能量。直徑應根據不同風況與額定 功率匹配，以獲得最大的年發電量和最低的發電成本。風輪直徑有下述簡單計算公式：/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;耳一一主傳動系統的總效率，取0.95;72 發電系統效率，發電機效率取 0.96,變流器效率取0.95;?風能利用系數，取0.44 ;一一一空氣密度，取1.225kg/m3;?額定風速，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?塔頂平面到風輪掃掠面中心的距離，取 2.25m;?-塔架高度。總質量機艙和風輪等總質量為 m=174t,塔架質量取160to發電機額定轉速和轉速范圍采用雙饋異步發電機，極對數 p=2,額定轉速由下式求出60 X?=- = 1500?/?1?雙饋異步機轉速范圍(1 30%)? o葉片數B葉片數B取3,三葉片風電機組有其顯著的優勢，是目前風電市場主流功率曲線和Ct曲線 功率曲線由于風速具有波動的特征，所以功率曲線也會有細微波動，此處采取平均風速繪制功 率曲線。風速未達到切入風速的時候，P=0;風速達到切入風速之后，機組啟動，以最大Cp捕捉風能；達到額定風速

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為考慮到實際情況的常數。曲線繪制見圖1。Ct曲線通過Cp求出軸向氣流誘導因子a,再由a求出Ct,得到Ct曲線如圖2,但是考慮到其 他因素和實際情況，和某風電機組Ct的試驗結果(見圖3)相比，趨勢相同，數值不一樣。C?= 4?1 - ?2C?= 4?1 - ?確定攻角a,升力系數Cl,葉尖速比入，風能利用系數 Cp根據已知翼型數據，求出升阻比，繪制升阻比曲線見圖4,發現a為50時，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,風能利用系 數Cp風速的關系，由于假設是變速風機，額定值前捕捉最大風能，Cp保持0.44,當達到額定以后，Cp下降，見圖5,實際上，雙饋異步機轉速范圍為(1 30%)?,額定值前有 一段Cp是上升過程，圖6為某風電機組Cp的試驗結果，對比發現，趨勢是相同的。 風輪轉速風輪轉速？0= 60FJ? 60sp3= 22?/?輪箱傳動比約為68 ? X ?70.7?其他上風向主動偏航，偏航變槳均采用電動機驅動，制動方式第一制動為氣動制動，第 制動為高速軸機械制動。風電機組等級選取風力發電機組安全等級基本參數風力發電機組安全等級InmSVref(m/S)5042.537.5設計值由

9、設叱選定AI ref (-)0.16BI ref (-)0.14CI ref (-)0.12由于已知條件，年均風速Vave=7.6m/s,選取m級，但是沒有湍流數據，因此無從在A、 B、C之間做出判別。葉片氣動優化設計優化過程給出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)。葉片優化結果現選取葉片5%100%長度，步長5%展示優化結果，05%葉片形狀為圓筒形，根部采用鉆孔組裝方式。計算內容見圖 7,弦長

10、洲槳距角B隨半徑變化見圖8。主要部件載荷計算葉片載荷計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風輪轉速,計算得2.3rad/s；?半徑r處對應葉素面積；r葉素所在半徑。Naca翼型63418幾何參數見圖9,翼型幾何形狀見圖10,可近似求出單位弦長葉素對應的面積；？?萬弦長平方成正比，所以可以用數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。作用在葉片上的風壓力Fv作用在葉片上的風壓力Fv由下式給出1 ?F?= - ?/ (1 + ?/+?2 ?近似計算得出Fv=349786N;等效作

11、用點可由下式求出? = f (1 + ?+?s)?(1 + ?2?+?經計算得出rm=27m。作用在葉片上的氣動力矩Mb是一個葉片產生的轉動力矩，可由下式求出1 ?產一?/(1 + ?2?+?2?2 ?近似計算得Mb=54528 N m 作用在葉片上的陀螺力矩Mk葉片的轉動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，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，可根據 力從圖12查出式中? ?=?與塔架截面變化有關的這算長度修正系數，可根據出；?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 ；計算過程：?裁上述荷蘭公式結果，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，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 發電機雙饋異步發電機，功率為2.5MW,轉軸直徑見上述高速軸直徑。變流器變流器功率一般選為發電機額定功率的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，功率為上述所求低速軸功率，低速軸轉速與高 速軸轉速也分別求出，傳動比為 68.2。聯軸器低速軸、高速軸聯軸器功率、轉速都已由上述高速軸、低速軸功率求出。偏航類型：主動偏航；偏航軸承：4點接觸球軸承；偏航驅動：4個3kW偏航電機；偏航制動：液壓控制摩擦制動。風電機組布局采用主流的風電機組布置方式，如圖 14所示。傳動系統采用雙饋型風力發電機組典型的偏一字型布置，見圖15。葉片變槳采取獨立變槳控制。設計總結總體參數計算部分額定功率2.5MW設計壽命20年切入風速3m/s額定風速13m/s切除風速25m/s風輪直徑/掃 掠面積78.7m/4864M輪轂

15、高度62.25m總質量334t發電機轉速(1 30%) n1 (1500r/min )葉片數3功率曲線和C 曲線攻角10升力系數1.307阻力系數0.018風能利用系數0.44 （額定）風輪轉速22r/min偏航上風向主動偏航制動氣動、高速軸機組等級m*葉片氣動優化部 分詳見圖表主 要葉小 荷計算戈葉片離心力1118kN風壓力340kN等效作用點27m氣動力矩54528 Nm最大陀螺力矩308400Nm主軸計算低速軸轉速2.30rad/s局速軸轉速157.1rad/s高速軸功率2747kW1-5低速軸功率2892kW高速周轉矩17487 Nm何 1+ 算 部 分低速軸轉矩1257kNm高速軸直徑117.4mm低速軸直徑488mm塔架載 荷計算舁 泰風風 況氣 動推 力計 算蘇聯法 捷耶夫881kN荷蘭ECN1109kN德國DFVLR1513kN丹麥RIS1459kN塔架強度設計（根部截面應力）186.8MPa發電機2.5MWK 饋變流器1