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： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)周數(shù)： 成 績(jī)： 日期：2013年 7月3日目錄Ø任務(wù)書(shū)4一設(shè)計(jì)內(nèi)容4二目的與任務(wù)4三主要內(nèi)容4四進(jìn)度計(jì)劃5五設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)）成果要求5六考核方式5Ø總體參數(shù)設(shè)計(jì)5一額定功率5二設(shè)計(jì)壽命5三額定風(fēng)速、切入風(fēng)速、切除風(fēng)速5四重要幾何尺寸51風(fēng)輪直徑和掃掠面積52輪轂高度6五總質(zhì)量6六發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速范圍6七葉片數(shù)B6八功率曲線和Ct曲線61功率曲線62Ct曲線7九確定攻角，升力系數(shù)CL，葉尖速比，風(fēng)能利用系數(shù)Cp7十風(fēng)輪轉(zhuǎn)速7十一其他7十二風(fēng)電機(jī)

2、組等級(jí)選取7Ø葉片氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)7一優(yōu)化過(guò)程8二葉片優(yōu)化結(jié)果8Ø主要部件載荷計(jì)算8一葉片載荷計(jì)算81作用在葉片上的離心力Fc82作用在葉片上的風(fēng)壓力Fv93作用在葉片上的氣動(dòng)力矩94作用在葉片上的陀螺力矩Mk9二主軸載荷計(jì)算9三塔架載荷計(jì)算101暴風(fēng)工況風(fēng)輪氣動(dòng)推力計(jì)算102塔架的強(qiáng)度設(shè)計(jì)（考慮塔架高度折減系數(shù)的強(qiáng)度計(jì)算）11Ø主要部件功率12一發(fā)電機(jī)13二變流器13三齒輪箱13四聯(lián)軸器13五偏航13Ø風(fēng)電機(jī)組布局13Ø設(shè)計(jì)總結(jié)13Ø附錄15圖115圖216圖316圖416圖517圖617圖718圖818圖918圖1019圖1119圖1

3、220圖1320圖1420圖1521Ø參考文獻(xiàn)21Ø 任務(wù)書(shū)Ø一 設(shè)計(jì)內(nèi)容風(fēng)電機(jī)組總體技術(shù)設(shè)計(jì)Ø二 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(duì)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. 每人撰寫一份課程設(shè)計(jì)報(bào)告。Ø三 主要內(nèi)容每

4、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(chǎng)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?？諝饷芏仍O(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)、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

5、機(jī)等級(jí)；（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。Ø四 進(jìn)度計(jì)劃序號(hào)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)2.5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

6、荷計(jì)算2天4齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變流器技術(shù)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Ø五 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。Ø六 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。Ø 總體參數(shù)設(shè)計(jì)Ø一 額定功率根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求，選擇2.5MW進(jìn)行設(shè)計(jì)。Ø二 設(shè)計(jì)壽命風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全等級(jí)的設(shè)計(jì)壽命至少為20年。故設(shè)計(jì)壽命為20年。Ø三 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/s。&#

7、216;四 重要幾何尺寸Ø1 風(fēng)輪直徑和掃掠面積風(fēng)輪直徑?jīng)Q定機(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(jiǎn)單計(jì)算公式：D=8PrCpvr312=8×25000000.44×1.225×133××0.95×0.91=78.7m式中Pr額定輸出功率，取2.5MW；1主傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率，取0.95；2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；Cp 風(fēng)能利用系數(shù)，取0.44 ；空氣密度，取1.225kg/m3；vr額定風(fēng)速，13m/s。掃

8、掠面積A=×D24=×78.724=4864m2 。Ø2 輪轂高度塔架高度取60m。輪轂高度zhub=zt+H=2.25+60=62.25m 。式中zt塔頂平面到風(fēng)輪掃掠面中心的距離，取2.25m;H塔架高度。Ø五 總質(zhì)量機(jī)艙和風(fēng)輪等總質(zhì)量為m1=174t，塔架質(zhì)量取160t。Ø六 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(duì)數(shù)p=2，額定轉(zhuǎn)速由下式求出n1=60×f1p=1500r/min雙饋異步機(jī)轉(zhuǎn)速范圍1±30%n1 。Ø七 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(shì)，是目前風(fēng)電市場(chǎng)主流。

9、16;八 功率曲線和Ct曲線Ø1 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(huì)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)速后，采取控制策略，限制功率在額定功率附近。P=0 12PrCpD24v312-C v3m/s3m/s<v13m/s13m/s<v25m/s式中C為考慮到實(shí)際情況的常數(shù)。曲線繪制見(jiàn)圖1。Ø2 Ct曲線通過(guò)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(jiàn)圖3）相比，趨勢(shì)相同

10、，數(shù)值不一樣。Cp=4a1-a2Ct=4a1-aØ九 確定攻角，升力系數(shù)CL，葉尖速比，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(jiàn)圖4，發(fā)現(xiàn)為5°時(shí)，CL/CD取到最大值，此處選取為10°，升阻比CL/CD為72.6；葉尖速比大概為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(jiàn)圖5，實(shí)際上，雙饋異步機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1±30%n1，額定值前有一段Cp是上升過(guò)程，圖6為某風(fēng)電機(jī)組Cp的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，趨勢(shì)是相同的。Ø十 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n0=60×

11、;×vr×D=60×7×1378.7=22r/min，齒輪箱傳動(dòng)比約為68。Ø十一 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)，第二制動(dòng)為高速軸機(jī)械制動(dòng)。Ø十二 風(fēng)電機(jī)組等級(jí)選取風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全等級(jí)基本參數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全等級(jí)Svref (m/s)5042.537.5設(shè)計(jì)值由設(shè)計(jì)者選定A Iref (-)0.16B Iref (-)0.14C Iref(-)0.12由于已知條件，年均風(fēng)速vave=7.6m/s，選取級(jí)，但是沒(méi)有湍流數(shù)據(jù)，因此無(wú)從在A、B、C之間做出判別。Ø 葉片氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

12、16;一 優(yōu)化過(guò)程給出r，攻角已知，CL也已知；記0=r/v1；由下式求出=13arctg0+3由下式求出kk=02+1cos由下式求出hh=1+1-k202由下式求出cot=01+h1+k葉素槳距角=-；弦長(zhǎng)c=8rh-1cosNCLh+1。Ø二 葉片優(yōu)化結(jié)果現(xiàn)選取葉片5%100%長(zhǎng)度，步長(zhǎng)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(jiàn)圖7，弦長(zhǎng)c和槳距角隨半徑變化見(jiàn)圖8。Ø 主要部件載荷計(jì)算Ø一 葉片載荷計(jì)算Ø1 作用在葉片上的離心力Fc葉片離心力Fc=y2 r0RArrdr式中y葉片的密度，取540kg/m3；風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，

13、計(jì)算得2.3rad/s；Ar半徑r處對(duì)應(yīng)葉素面積；r葉素所在半徑。Naca翼型63418幾何參數(shù)見(jiàn)圖9，翼型幾何形狀見(jiàn)圖10，可近似求出單位弦長(zhǎng)葉素對(duì)應(yīng)的面積； Ar與弦長(zhǎng)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(zhǎng)葉素面積Ar=0.112m2；大致求出Fc=1118kN。Ø2 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Fv=12v2r0R1+cot2CLcos+CDsincdr近似計(jì)算得出Fv=349786N；等效作用點(diǎn)可由下式求出rm=r0R1+cot2CLcos+CDsincrdrr0R1+cot2CLcos+CDsincdr經(jīng)計(jì)算得出rm=2

14、7m。Ø3 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Mb=12v2r0R1+cot2CLsin+CDcoscrdr近似計(jì)算得Mb=54528 N·m。Ø4 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J=yr0RArr2dr陀螺力矩Mk由下式求出Mk=J×k=J×2Rvsinr式中偏航轉(zhuǎn)速，取1/s，即0.0175rad/s；葉尖速比，取7；R風(fēng)輪半徑，39.35m；v風(fēng)速，取額定值13m/s；r v與的夾角，當(dāng)葉片鉛垂位置時(shí)，r=90，達(dá)到最大。經(jīng)計(jì)算，J=3810300kgm2，Mk=308400Nm。

15、6;二 主軸載荷計(jì)算低速軸轉(zhuǎn)速m=2n060=2×2260=2.30rad/s高速軸轉(zhuǎn)速t=2n160=2×150060=157.1rad/s高速軸功率Pt=25000000.91=2747253W低速軸功率Pm=25000000.91×0.95=2891845W高速軸轉(zhuǎn)矩Mt=Ptt=2747253157.1=17487Nm低速軸轉(zhuǎn)矩Mt=Pmm=28918452.30=1257323Nm高速軸直徑DH=2×32Mtfs=2×32×17487×55×106=0.1174m低速軸直徑DL=2×32Mmfs

16、=2×32×1257323×55×106=0.48830m式中fs實(shí)心鋼軸最大應(yīng)力，取55MPa。Ø三 塔架載荷計(jì)算Ø1 暴風(fēng)工況風(fēng)輪氣動(dòng)推力計(jì)算當(dāng)vave5.5ms時(shí)，vs=40ms；當(dāng)5.5ms<vave5.5ms時(shí)，vs=50ms；當(dāng)vave7ms時(shí)，vs=60ms。本設(shè)計(jì)年均風(fēng)速7.3ms，所以vs=60ms。暴風(fēng)條件的風(fēng)輪氣動(dòng)推力目前有幾種計(jì)算方式，結(jié)果相差較大。以下分別計(jì)算幾種常用的方法。前蘇聯(lián)法捷耶夫公式Fas=0.784Abvs2N式中Ab葉片的投影面積；N葉片數(shù)。葉片投影面積可根據(jù)風(fēng)輪掃掠面積與風(fēng)輪實(shí)度求出，風(fēng)

17、輪實(shí)度取0.064，則葉片面積為Ab=AsN=D243×=104m2Fas=0.784×104×602×3=881kN荷蘭ECN的公式Fas=CTqAbN式中CT推力系數(shù)，取1.5；q動(dòng)態(tài)風(fēng)壓，與輪轂高度有對(duì)應(yīng)關(guān)系，取1330N/m2；動(dòng)態(tài)系數(shù)，取1.2；安全系數(shù)，取1.5。計(jì)算得Fas=1.5×1330×104×3×1.2×1.5=1109kN德國(guó)DFVLR公式Fas=CT12Abvs2N式中，CT取2.2，計(jì)算Fas=2.2×0.5×1.225×104×602&

18、#215;3=1513kN丹麥RIS公式Fas=p1Ad=300××78.724=1459kNØ2 塔架的強(qiáng)度設(shè)計(jì)（考慮塔架高度折減系數(shù)的強(qiáng)度計(jì)算）塔架高度60m，采用錐形鋼筒結(jié)構(gòu)，分段加工，頂部直徑4m，壁厚20mm，底部直徑5m，壁厚30mm。塔架受力分析見(jiàn)圖11，根部截面應(yīng)力可表示為下式2=Fash1+H+FtsH2×100W2+G1+G22A2式中W2塔架根部抗彎截面系數(shù)，單位cm3；A2塔架根部截面積，單位cm2；G2塔架本身所受重力，單位N；2變截面塔架長(zhǎng)度折減系數(shù)，可根據(jù)2從圖12查出。而2=H2式中與塔架截面變化有關(guān)的這算長(zhǎng)度修正系數(shù)，可

19、根據(jù)JminJmax差表（見(jiàn)圖13）得出；Jmin、Jmax分別是塔架頂部和根部截面慣性矩，單位cm4；2塔架根部截面的慣性半徑，2=JmaxA2，單位cm。計(jì)算過(guò)程：Fas取上述荷蘭公式結(jié)果，即Fas=1109kN；Fts按下式求出Fts=12vr2KA塔=12×1.225×602×0.7×4+5×602=417kN式中K平面系數(shù)，平面取1，此處取0.7。h1=zt=2.25mW2=D底31-d底3D底332=×5003×1-4.9435332=436506cm3A2=4×D底2-d底2=4×5002-

20、4942=4684cm2G1=174000N;G2=160000NJmax=D底41-d底4D底464=×54×1-4.9445464=1.4463m4Jmax=D頂41-d頂4D頂464=×44×1-3.9644464=0.4952m4JminJmax=0.49521.4463=0.34取1.29；2=JmaxA2=1446325794684=175cm2=H2=1.29×6000175=44.2查圖11得2=0.88（低碳鋼）；最終得2=1109000×225+6000+417000×60002×1004365

21、06+174000+1600000.88×4684=186.8MPaØ 主要部件功率Ø一 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(jiàn)上述高速軸直徑。Ø二 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1MW。Ø三 齒輪箱采用一級(jí)行星齒輪兩級(jí)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。Ø四 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。Ø五 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)。Ø 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(jiàn)圖15。葉片變槳采取獨(dú)立變槳控制。Ø 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.