風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)與制造課程設(shè)計(jì)分析方案.docx

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)與制造課程設(shè)計(jì)報(bào)告院系：可再生能源學(xué)院班級(jí)：風(fēng)能0902 班姓名：陳建宏學(xué)號(hào)：1091540204指導(dǎo)老師：田德、王永提交日期：1/17一、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1、設(shè)計(jì)內(nèi)容風(fēng)電機(jī)組總體技術(shù)設(shè)計(jì)2、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(xiě)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

2、案。每人撰寫(xiě)一份課程設(shè)計(jì)報(bào)告。3、主要內(nèi)容每人選擇功率范圍在 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50M高度年平均風(fēng)速為7.0m/s， 60M 高度年平均風(fēng)速為7.3m/s， 70M 高度年平均風(fēng)速為7.6m/s，當(dāng)?shù)貧v史最大風(fēng)速為48m/s，用戶希望安裝1.5MW 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/m 3。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、

3、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)。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(xiě)1.5天6

4、課程設(shè)計(jì)答辯1.5天2/175、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。6、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。二、總體參數(shù)設(shè)計(jì)1、額定功率根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)選定額定功率為5MW。2、設(shè)計(jì)壽命一般風(fēng)力機(jī)組設(shè)計(jì)壽命至少為20 年，這里選20 年設(shè)計(jì)壽命。3、切出風(fēng)速、切入風(fēng)速、額定風(fēng)速切入風(fēng)速取 V in =3m/s切出風(fēng)速取 V out =25m/s額定風(fēng)速取 V r =13m/s對(duì)于一般變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選 5MW）的額定風(fēng)速羽平均風(fēng)速之比為1.70左右，在70m處：Vr =1.70V ave=1.70 7.6 13m/s4、發(fā)電機(jī)額

5、定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速范圍5、重要幾何尺寸1）風(fēng)輪直徑和掃掠面積由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率得葉片直徑：8PrD=Vr3C p 1 23= =114m其中：Pr-風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定輸出功率，取5000kW ；3；-空氣密度 一般取標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)），取1.225kg/mV r- 額定風(fēng)速，取13m/s；D- 風(fēng)輪直徑；-傳動(dòng)系統(tǒng)效率，取0.92；-發(fā)電機(jī)效率，取0.95；-變流器效率，取0.95；Cp- 額定功率下風(fēng)能利用系數(shù),取 0.44。由直徑計(jì)算可得掃掠面積：S=10207綜上可得風(fēng)輪直徑D=114m ，掃掠面積S=10207 。 、功率曲線自然界風(fēng)速的變化是隨機(jī)的, 符合馬爾可夫過(guò)程的特征, 下一時(shí)刻的風(fēng)速

6、和上一時(shí)刻的結(jié)果沒(méi)什么可預(yù)測(cè)的規(guī)律。由于風(fēng)速的這種特性 , 可以把風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率隨風(fēng)速的變化用如下的模型來(lái)表示：P(t=Pstat(t+(t式中 P(t-在真實(shí)湍流風(fēng)作用下每一時(shí)刻產(chǎn)生的功率, 它由 t 時(shí)刻的 V(t決定。Pstat(t-在給定時(shí)間段內(nèi) V(t的平均值所對(duì)應(yīng)的功率；(t 表示 t 時(shí)刻由于風(fēng)湍流引起的功率波動(dòng)。對(duì)功率曲線的繪制, 主要在于對(duì)風(fēng)速模型的處理。若假定上式表示的風(fēng)模型中Pstat(t的始終為零 , 即視風(fēng)速為不隨時(shí)間變化的穩(wěn)定值, 在切入風(fēng)速到切出風(fēng)速的范圍內(nèi)按照設(shè)定的風(fēng)速步長(zhǎng) , 得到對(duì)應(yīng)風(fēng)速下的最佳葉尖速比和功率系數(shù),帶入式：式中：-傳動(dòng)系統(tǒng)效率，取0.92

7、；-發(fā)電機(jī)效率，取0.95；-變流器效率，取0.95；Cp- 額定功率下風(fēng)能利用系數(shù) ,取 0.44；1.225kg/m 3；-空氣密度 、 Ct 曲線計(jì)算并參考相關(guān)數(shù)據(jù)得到Ct 曲線如下：8、確定攻角，升力系數(shù)C l，葉尖速比，風(fēng)能利用系數(shù)C p風(fēng)力機(jī)翼型為63418,根據(jù)翼型的氣動(dòng)數(shù)據(jù)得到升阻比隨攻角變化的曲線見(jiàn)下圖：5/17從圖中可以得出翼型取得最佳升阻比時(shí)攻角，此時(shí)升力系數(shù)Cl=0.904， Cd=0.007 本設(shè)計(jì)取攻角為，此時(shí)升力系數(shù)和阻力系數(shù)分別為Cl=1.307， Cd=0.018 。三葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪葉尖速比一般在6 至 8 之間，本設(shè)計(jì)取 7。不同攻角下的風(fēng)能利用系數(shù)

8、隨葉尖速比的變化曲線即CP曲線如圖 ，由 Cp 曲線可得出 Cp=0.44。9、風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速可由下式計(jì)算得到：nr =15r/min10、功率控制方式：主動(dòng)變槳距控制。11、制動(dòng)系統(tǒng)形式：第一制動(dòng)采用氣動(dòng)剎車(chē)，第二制動(dòng)采用高速軸機(jī)械剎車(chē)。12、風(fēng)力機(jī)等級(jí)6/17由 IEC 標(biāo)準(zhǔn)，如下表，選擇風(fēng)力機(jī)等級(jí)為IECIIIA 。WTGS 等級(jí)IIIIIIIVSvref m/s5042.537.530vavem/s108.57.5由設(shè)計(jì)者規(guī)AI150.180.180.180.18a2222定各參數(shù)BI150.160.160.160.16a3333階段性總結(jié)總體參數(shù)設(shè)計(jì)值總體參數(shù)設(shè)計(jì)值葉片數(shù)B

9、=3風(fēng)輪直徑D=114m額定輸出功率P=5MW輪轂高度Zhub=70m設(shè)計(jì)壽命20 年風(fēng)能利用系數(shù)Cp =0.44切入風(fēng)速V in= 3m/s葉尖速比切出風(fēng)速V out=25m/s功率控制方式主動(dòng)變槳距控制額定風(fēng)速V r=13m/s制動(dòng)形式氣動(dòng)剎車(chē)、機(jī)械剎車(chē)風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速nr=15r/min傳動(dòng)系統(tǒng)高傳動(dòng)比齒輪箱傳動(dòng)風(fēng)力機(jī)等級(jí)IECIIIA電氣系統(tǒng)雙饋發(fā)電機(jī) +變流器三、葉片氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)1、計(jì)算各剖面的葉尖速比將葉片分為10 個(gè)葉素，每個(gè)葉素間隔0.05R，其中5%半徑處葉片是筒狀，10%-60% 半徑處采用鈍后緣葉片，65%-100% 半徑處采用通用風(fēng)電機(jī)組葉片翼型。葉片內(nèi)圈采用鈍后緣翼型，外

10、圈采用63418 翼型。根據(jù)下式求各葉素的葉尖速比。r0 R葉素位置和葉尖速比數(shù)值見(jiàn)下表：葉素位置 /%5101520253035404550葉尖速比0.350.71.051.41.752.12.452.83.153.5葉素位置 /%556065707580859095100葉尖速比3.854.24.554.95.255.65.956.36.6572、葉片攻角及弦長(zhǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算步驟求利用公式1arctan33求軸向干擾因子k 利用公式k21cos求切向干擾因子h 利用公式7/17h1k 212求入流角利用公式1harc cot()求葉素槳距角計(jì)算葉片弦長(zhǎng)C8 r (h1) cosCBCl (h

11、1)葉片氣動(dòng)特性通過(guò)excel 計(jì)算，得到：位置%半徑 r(m/s)葉尖速比ykhjC(修正后)0.0502.8500.3501.1590.4242.7750.8230.6485.8420.1005.7000.7001.2510.3841.6550.6400.4667.2320.1508.5501.0501.3170.3641.3370.5070.3336.9030.20011.4001.4001.3640.3531.2030.4130.2396.1580.25014.2501.7501.3980.3471.1350.3460.1725.4160.30017.1002.1001.4230.34

12、31.0950.2960.1224.7760.35019.9502.4501.4420.3411.0710.2580.0844.2440.40022.8002.8001.4560.3391.0550.2290.0543.8050.45025.6503.1501.4680.3381.0440.2050.0303.4400.50028.5003.5001.4780.3371.0360.1860.0113.1350.55031.3503.8501.4860.3371.0290.169-0.0052.8770.60034.2004.2001.4930.3361.0250.156-0.0192.6560

13、.65037.0504.5501.4990.3361.0210.144-0.0302.4660.70039.9004.9001.5040.3351.0180.134-0.0402.3000.75042.7505.2501.5080.3351.0160.125-0.0492.1540.80045.6005.6001.5120.3351.0140.118-0.0572.0260.85048.4505.9501.5150.3351.0120.111-0.0641.9110.90051.3006.3001.5180.3351.0110.105-0.0701.8090.95054.1506.6501.5

14、210.3341.0100.100-0.0751.7171.00057.0007.0001.5230.3341.0090.095-0.0801.634葉片根部處理方式：距葉根 0 5m 處制作成直徑為 2m 的圓柱結(jié)構(gòu)處理；且根部采用鉆孔組裝式結(jié)構(gòu)。四、主要部件功率1、發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)類型：雙饋異步變速恒頻發(fā)電機(jī)額定功率： 5MW額定轉(zhuǎn)速： 1500r/min發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)為2，發(fā)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)矩T 發(fā)電機(jī)主軸 為：8/17T 發(fā)電機(jī)主軸 =9550=9550=33.51N m選擇剛軸推薦最大扭剪應(yīng)力： fs55MPa則發(fā)電機(jī)的主軸直徑 D 發(fā)電機(jī)為 ：D 發(fā)電機(jī) =2=0.14m2、變流器變流器功率通

15、常為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的1/21/3 ，為保證機(jī)組可靠性，通常為額定功率的1/2,所以變流器功率為 2500kW 。3、齒輪箱方式：齒輪箱選用2 級(jí)行星輪 +1 級(jí)平行軸齒輪；低速軸轉(zhuǎn)速： nl=15r/min ；高速軸轉(zhuǎn)速： nh=1500r/min傳動(dòng)比： i=100齒輪箱效率： =0.973齒輪箱功率：PGB =5694kW4、聯(lián)軸器低速軸聯(lián)軸器功率：Pm=5852kW高速軸聯(lián)軸器功率：Pr=5540kW5、偏航系統(tǒng)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)： 6 個(gè) 3kW 偏航電機(jī)偏航制動(dòng)：液壓控制摩擦制動(dòng)五、主要部件的載荷計(jì)算1、葉片載荷計(jì)算(1 、作用在葉片上的離心力FcFc=

16、其中旋轉(zhuǎn)角速度由下式算得：r0葉片起始處旋轉(zhuǎn)半徑，約為R 的 1/20,即為 2.85m3A r葉素處的葉片截面積用 matlab 計(jì)算得：Fc=66760N(2 、葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的風(fēng)壓力：用 matlab 計(jì)算得：Fv=2842551NFv 作用點(diǎn)距葉輪軸的距離為rm，則有：9/17用 matlab 計(jì)算得：rm=37.96m(3 、作用在葉片上的陀螺力矩M k整個(gè)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：此處 F 即 A r用 matlab 計(jì)算得：I=26199kgm當(dāng) 時(shí)，科氏加速度最大，為由 matlab 計(jì)算得：由動(dòng)量矩定理知，葉片受到慣性力矩M k 的作用，這個(gè)力矩稱為陀螺力矩，用matlab 計(jì)算得：M

17、k=I=133551N m2、風(fēng)輪載荷計(jì)算(1 、軸向誘導(dǎo)因子,周向誘導(dǎo)因子則作用在風(fēng)輪上的軸向推力可表示為：T=4用 matlab 計(jì)算得：T=935790N(2 作用在整個(gè)風(fēng)輪上的轉(zhuǎn)矩可表示為：用 matlab 計(jì)算得：M=4980888N m3、主軸載荷計(jì)算低速軸角速度為：高速軸角速度為：低速軸功率為：Pm=5852kW高速軸功率為：Pt=2216kW低速軸轉(zhuǎn)矩為高速軸轉(zhuǎn)矩為：低速軸直徑：高速軸直徑：4、塔架載荷計(jì)算本機(jī)組的塔架采用等強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論的錐形鋼筒結(jié)構(gòu)塔架。其由5 段組成，段與段之間靠法10/17蘭連接，底最大直徑部為5m,頂部最小直徑為4m，筒體壁厚由最底部的30mm 過(guò)渡到頂

18、部的 20mm。塔筒的總質(zhì)量為 170t。作用在塔架上的載荷有以下幾類：1) 風(fēng)輪等構(gòu)件承受的空氣動(dòng)力載荷2) 重力和慣性載荷：由重力、振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)以及地震等引起的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷。3) 操作載荷：在機(jī)組運(yùn)行和控制過(guò)程中產(chǎn)生的載荷。如功率變化、偏航、變槳以及制動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的載荷等。4) 其它載荷：諸如尾跡載荷、沖擊載荷、覆冰載荷等。5) 下面只討論與塔架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算有關(guān)的兩種載荷，即由風(fēng)輪作用的最大氣動(dòng)推力以及塔架本身所承受最大風(fēng)壓產(chǎn)生的載荷。、暴風(fēng)工況的風(fēng)輪氣動(dòng)推力計(jì)算因?yàn)?7m/s,所以取 Vs=60m/s。前蘇聯(lián)的法捷耶夫公式:式中， A b葉片的投影面積；V s風(fēng)輪中心處的暴風(fēng)風(fēng)速；葉片投影

19、面積：其中為風(fēng)輪實(shí)度，風(fēng)輪實(shí)度與葉尖速比有關(guān)，時(shí)，近似認(rèn)為。可算得：Fas=1440kN荷蘭 ECN 的公式式中， Ct 推力系數(shù)，取Ct1.5 ；q動(dòng)態(tài)風(fēng)壓；動(dòng)態(tài)系數(shù)，取j1.2 ；S安全系數(shù)，取S1.5 。q 隨高度變化，風(fēng)輪中心高度Zhub=70m 處對(duì)應(yīng)的q=1120N/m 2。求得：Fas=1543kN丹麥 RIS 公式式中， Pl 風(fēng)輪單位掃掠面積上的平均風(fēng)壓，通常取 Pl=300N/m 2 A s風(fēng)輪的掃掠面積。算得Fas=3062kN5.5 塔架根部截面應(yīng)力計(jì)算塔架的受力分析如下圖11/17塔架根部截面應(yīng)力可表示為：Fas 考慮前面計(jì)算合理值，即 Fas=1543kN ，F(xiàn)ts

20、 是塔架受的風(fēng)壓力H 是塔架高度，即 H=70m ，h1 是輪轂高度，由前面知道為h1=1.5m ，W 為塔架根部抗彎截面模數(shù)A 是塔架根部截面積，G1 是塔頂?shù)闹亓?，本機(jī)組塔頂重為180t，則：，G2 是塔筒的重量，是變截面塔架的長(zhǎng)度折減系數(shù)，可根據(jù)圖10 變截面塔架的長(zhǎng)度折減系數(shù)來(lái)確定。式中 :與塔架截面變化有關(guān)的折算長(zhǎng)度修正系數(shù)，可根據(jù)之比由下表的選擇參考設(shè)計(jì)值，0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.651.451.331.241.181.141.101.061.031.0012/17Jmin 是塔架頂部截面慣性矩，由下式計(jì)算：Jmax 是塔架底部截面慣性矩,由

21、下式計(jì)算得：查表得-是塔架根部截面的慣性半徑，由以上可計(jì)算得查下圖所示曲線可知所以取。代入計(jì)算得：五、風(fēng)電機(jī)組布局1、總體機(jī)艙結(jié)構(gòu)方案采用成熟的主流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)布置，如下圖所示，可以有效減少機(jī)艙震動(dòng)和有害載荷影響。13/172.主傳動(dòng)系統(tǒng)布局本設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組為雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，現(xiàn)在其總體布置多為一字型結(jié)構(gòu)，一般為下圖所示的一字型布置：3、偏航系統(tǒng)選用強(qiáng)制外置 6 電機(jī)偏航。4、變槳系統(tǒng)3 葉片獨(dú)立變槳控制，結(jié)構(gòu)布置如下圖所示14/17六、設(shè)計(jì)總結(jié)1、總體參數(shù)總體參數(shù)設(shè)計(jì)值總體參數(shù)設(shè)計(jì)值葉片數(shù)B=3風(fēng)輪直徑D=114m額定輸出功率P=5MW輪轂高度Zhub=70m設(shè)計(jì)壽命20 年風(fēng)能利用系數(shù)Cp =

22、0.44切入風(fēng)速V in= 3m/s葉尖速比切出風(fēng)速V out=25m/s功率控制方式主動(dòng)變槳距控制額定風(fēng)速V r=13m/s制動(dòng)形式氣動(dòng)剎車(chē)、機(jī)械剎車(chē)風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速nr=15r/min傳動(dòng)系統(tǒng)高傳動(dòng)比齒輪箱傳動(dòng)風(fēng)力機(jī)等級(jí)IECIIIA電氣系統(tǒng)雙饋發(fā)電機(jī) +變流器2、功率、氣動(dòng)特性和載荷計(jì)算總結(jié)攻角10氣動(dòng)特性升力系數(shù)1.307阻力系數(shù)0.018發(fā)電機(jī)額定功率5MW發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1500r/min發(fā)電機(jī)軸直徑0.14m形式齒輪箱選用2 級(jí)行星輪 +1 級(jí)平行軸齒輪齒輪箱齒輪箱傳動(dòng)比100低速軸轉(zhuǎn)速15r/min高速軸轉(zhuǎn)速1500r/min齒輪箱功率5694kW聯(lián)軸器低速軸聯(lián)軸器功率5852

23、kW高速軸聯(lián)軸器功率5540kW變流器變流器功率2500kW偏航電機(jī)數(shù)量偏航電機(jī)功率葉片載荷離心力66760N15/17風(fēng)壓力陀螺力矩風(fēng)壓力作用點(diǎn)距葉輪軸距離軸向推力風(fēng)輪載荷轉(zhuǎn)矩低速軸轉(zhuǎn)矩高速軸轉(zhuǎn)矩主軸載荷低速軸直徑高速軸直徑作用在塔架上載荷塔架載荷作用在在塔架上風(fēng)壓力塔架根部截面應(yīng)力3、其余部分設(shè)計(jì)總結(jié)284255N133551N m37.96m935790N4980888N m3727389N m14107Nm0.702m0.109mFas=1543kNFts=694975N241.3MPa機(jī)組運(yùn)行環(huán)境溫度-30 45 生存環(huán)境溫度-45 45 輸出電壓690V發(fā)電機(jī)頻率50Hz功率因數(shù)容性 0.95感性