風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與制造課程設(shè)計(jì)

1、精選文庫 .總體參數(shù)設(shè)計(jì) 總體參數(shù)是設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總體結(jié)構(gòu)和功能的基本參數(shù)，主要包括額定功率、發(fā)電機(jī) 額定轉(zhuǎn)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、設(shè)計(jì)壽命等。 1.額定功率、設(shè)計(jì)壽命 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書選定額定功率 Pr =3.5MW 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。 2.切出風(fēng)速、 切入風(fēng)速、額定風(fēng)速 切入風(fēng)速 取 Vin = 3m/s 切出風(fēng)速 取 Vout = 25m/s 額定風(fēng)速 Vr = 12m/s （對于一般變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（選 3.5MW的額定風(fēng)速與平均風(fēng) 速之比為 1.70 左右,Vr=1.70Vave=1.70 X 7.0 12m/s) 3.重要幾何尺寸 （1）風(fēng)輪直徑和掃

2、掠面積 由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率得葉片直徑: 8Pr D V Vr3 Cp 1 2 3 j38 3500000104m V 1.225 120.45 0.95 0.96 0.95 其中: Pr風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定輸出功率，取3.5MW; 錯(cuò)誤!未找到引用源。 空氣密度（一般取標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)），取1.225kg/m3; Vr額定風(fēng)速，取12m/s； D 風(fēng)輪直徑; 1 傳動(dòng)系統(tǒng)效率，取0.95; 2 發(fā)電機(jī)效率，取0.96; 錯(cuò)誤!未找到引用源。3 變流器效率，取0.95; Cp額定功率下風(fēng)能利用系數(shù)，取0.45。 由直徑計(jì)算可得掃掠面積: D2 A 一 8482m2錯(cuò)誤!未找到引用源。錯(cuò)誤！未找到引用

3、源。 綜上可得風(fēng)輪直徑 D=104m,掃掠面積A=8482m2 4. 功率曲線 自然界風(fēng)速的變化是隨機(jī)的，符合馬爾可夫過程的特征，下一時(shí)刻的風(fēng)速和上一時(shí)刻的 結(jié)果沒什么可預(yù)測的規(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 13 用如下的模型來表示: P (t)P sta t(t) 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)的平均值所對應(yīng)的功率; 巳(t)表示t時(shí)刻由于風(fēng)湍流引起的功率波動(dòng)。 對功率曲線的繪制，主要在于對風(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

4、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，得到對應(yīng)風(fēng)速下的最佳葉尖速比和功率系數(shù)，帶入式: P8Cp Vr3D2123 1 傳動(dòng)系統(tǒng)效率，取0.95； 2 發(fā)電機(jī)效率，取0.96; 錯(cuò)誤!未找到引用源。3 變流器效率，取0.95； 錯(cuò)誤!未找到引用源。 空氣密度(一般取標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài))，取1.225kg/m3; Vr額定風(fēng)速，取12m/s； D 風(fēng)輪直徑; Cp額定功率下風(fēng)能利用系數(shù)，取0.45。 由以上公式，使用excel計(jì)算出不同風(fēng)速對應(yīng)的功率值,見表1 表1風(fēng)速功率關(guān)系 風(fēng)速（m/s） 3 4 5 6 7 8 9 10 11 功率（W） 54744 129763

5、253444 437952 695452 1038109 1478090 2027558 2698680 風(fēng)速（m/s） 12 13 14 15 16 17 18 19 20 功率（W） 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 風(fēng)速（m/s） 21 22 23 24 25 功率（W） 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 將得到的數(shù)據(jù)對繪制成靜態(tài)風(fēng)功率曲線，如圖一 P-V 4000000 圖1P V靜態(tài)功率曲線 5. 風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速 三葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

6、的風(fēng)輪葉尖速比0 般在6至8之間，不同攻角下的風(fēng)能利用系數(shù) 隨葉尖速比的變化曲線即Cp 0曲線如圖。 圖 Cp 0曲線 由Cp0曲線可得出0 =7.5, 則風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速可由下式計(jì)算得到: 30Vr nr 600 Vr D 衛(wèi) I6.5r/min 104 6. 葉片數(shù) 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)度比較小，一般需要1-3個(gè)葉片。選擇風(fēng)輪葉片數(shù)時(shí)考慮風(fēng)電機(jī)組性能 和載荷、風(fēng)輪和傳動(dòng)成本、風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲及景觀影響等因素。 3葉片較1、2葉片風(fēng)輪有如下優(yōu)點(diǎn): 平衡簡單、動(dòng)態(tài)載荷小?；鞠讼到y(tǒng)的周期載荷，輸出較穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩; 能提供較佳的效率; 更加美觀; 噪聲較小; 輪轂較簡單等。 綜上所述，葉片數(shù)選擇3。 7

7、、功率控制方式、制動(dòng)系統(tǒng)形式 功率控制方式選擇主動(dòng)變槳距控制；制動(dòng)系統(tǒng)形式為第一制動(dòng)采用氣動(dòng)剎車，第二制動(dòng) 采用高速軸機(jī)械剎車。 8、風(fēng)力機(jī)等級(jí) 由IEC標(biāo)準(zhǔn)，如表2,選擇風(fēng)力機(jī)等級(jí)為IECIIIA。 WTGS等級(jí) I II III S Vref (m/ s) 50 42.5 37.5 設(shè)計(jì)值由設(shè)計(jì)者選定 A I ref 0.16 B I ref 0.14 C I ref 0.12 表2風(fēng)機(jī)等級(jí)規(guī)范表 注：表中數(shù)據(jù)為輪轂高度處值，其中：A表示較高湍流特性級(jí)；參考風(fēng)速Vref為10min平均風(fēng)速；B表 示中等湍流特性級(jí)；I 15風(fēng)速為15m/s時(shí)的湍流強(qiáng)度特性值。C表示較低湍流特性級(jí)；除表基本參

8、數(shù)外, 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)中，還需要某些更重要的參數(shù)來規(guī)定外部條件。對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組IAIIIC級(jí)，統(tǒng)稱為 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)。 階段性總結(jié)表 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=104m 額定輸出功率 P=3.5MW 輪轂高度 Zhub=106.25m 設(shè)計(jì)壽命 20年 風(fēng)能利用系數(shù) Cp=0.45 切入風(fēng)速 Vin=3m/s 葉尖速比 7.5 切出風(fēng)速 Vout=25m/s 功率控制方式 主動(dòng)變槳距控制 額定風(fēng)速 Vr=12m/s 制動(dòng)形式 氣動(dòng)剎車、機(jī)械剎車 風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速 n r=16.5r/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

9、 電氣系統(tǒng) 雙饋發(fā)電機(jī)+變流器 二.葉片設(shè)計(jì) 1. 葉片材料選擇 葉片選用T-700碳纖維，相比玻璃纖維，葉片密度較小，發(fā)電效率更高，密度為1800 kg / m3。 2. 計(jì)算各剖面的葉尖速比 將葉片分為20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，外圈采用63415翼型。根據(jù)下式求各葉素的葉尖速比。 r 0R 葉素位置和葉尖速比數(shù)值見下 表2： 表2不同葉素位置的葉尖速比 葉素位置/% 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 葉尖速比 0.37

10、5 0.750 1.125 1.500 1.875 2.250 2.625 3.000 3.375 3.750 葉素位置/% 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 葉尖速比 4.125 4.500 4.875 5.250 5.625 6.000 6.375 6.750 7.125 7. 500 3. 根據(jù)翼型確定葉片最佳攻角a，升力系數(shù) Cl，Cd 風(fēng)力機(jī)翼型為NACA63-415，圖3 圖3 NACA63-415翼型圖 計(jì)算雷諾數(shù)Re 在20r，壓強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325kPa時(shí)，空氣的動(dòng)力粘度17.9 10 6 Re VL i 1.2251252 17 .9 1

11、06 6.28 10 7 根據(jù)所得雷諾數(shù)查得Cl/Cd、Cl/alpha，見圖 .00- O.X 0.00- -0.50- 1.00 圖4 $3 O,1G.O -75.0 -TC.0 n 屮 jc. Cl/alpha -.0 ao 5.0 1Q.O T亂0 ZDJ Ci-Cd 曲線和 Ci-alpha 曲線 l/Cd -25 圖 圖 5 Cl/Cdalpha 2S 從圖中可以得出翼型取得最大升阻比時(shí)，最佳攻角 5.25 ，此時(shí)升力系數(shù)Cl=0.9461, 5.25錯(cuò)誤!未找到引用源。， Cd=0.00791,最佳升阻比Cl/Cd 118.7，本次設(shè)計(jì)選取最佳攻角 則升力系數(shù)和阻力系數(shù)分別為Cl

12、=0.9461，Cd=0.00791。葉片每個(gè)截面的升力系數(shù)相同，為 Cl=0.9461。 4. 葉片弦長計(jì)算步驟 通過下面的計(jì)算，可以得到沿葉片各徑向位置r上的弦長C和葉素槳距角 ，即可完成 葉片的初步設(shè)計(jì)，但要是想對葉片進(jìn)一步優(yōu)化，還需對翼型、葉根、葉尖風(fēng)進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化設(shè) 計(jì)和工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，在本次設(shè)計(jì)報(bào)告中，只對葉片作了初步設(shè)計(jì)。如下: (1) 求利用公式 1arctan - (2) 求軸向干擾因子k利用公式 求切向干擾因子h利用公式 1 k2 2 求入流角利用公式 arc cot( (5) 求葉素槳距角 (6) 計(jì)算葉片弦長C 1)cos BCi(h 1) 葉片氣動(dòng)特性通過excel計(jì)算，

13、得到葉片各個(gè)截面氣動(dòng)特性參數(shù)，如表3: 表3葉片氣動(dòng)特性參數(shù) 位置（） 半徑r（m） 葉尖速比入 1 k h 0 3 Q修正） 5 2.6 0.375 1.167 0.420 2.619 0.808 0.716 7.116 10 5.2 0.75 1.262 0.380 1.588 0.618 0.527 8.522 15 7.8 1.125 1.329 0.361 1.299 0.484 0.393 7.947 20 10.4 1.5 1.375 0.351 1.179 0.392 0.300 6.985 25 13 1.875 1.407 0.346 1.118 0.327 0.235 6

14、.086 30 15.6 2.25 1.431 0.342 1.084 0.279 0.187 5.335 35 18.2 2.625 1.449 0.340 1.062 0.243 0.151 4.721 40 20.8 3 1.464 0.339 1.048 0.215 0.123 4.221 45 23.4 3.375 1.475 0.337 1.038 0.192 0.100 3.809 50 26 3.75 1.484 0.337 1.031 0.174 0.082 3.466 55 28.6 4.125 1.492 0.336 1.026 0.159 0.067 3.177 60

15、31.2 4.5 1.498 0.336 1.022 0.146 0.054 2.930 65 33.8 4.875 1.503 0.335 1.019 0.135 0.043 2.718 70 36.4 5.25 1.508 0.335 1.016 0.125 0.034 2.534 75 39 5.625 1.512 0.335 1.014 0.117 0.026 2.373 80 41.6 6 1.516 0.335 1.012 0.110 0.018 2.230 85 44.2 6.375 1.519 0.335 1.011 0.104 0.012 2.104 90 46.8 6.75

16、 1.522 0.334 1.010 0.098 0.006 1.991 95 49.4 7.125 1.524 0.334 1.009 0.093 0.001 1.889 100 52 7.5 1.527 0.334 1.008 0.088 -0.003 1.797 5. 葉片根部載荷計(jì)算與材料選擇 葉片根部處理方式：距葉根 0 - 5m處制作成直徑為3m的圓柱結(jié)構(gòu)處理，且根部采用金屬法 蘭連接。見圖6 根據(jù)表4 葉“紬找 II 圖6金屬法蘭連接 増砂材?q 抗拉哎 航拉模雖 / G 3100 75 耳品強(qiáng)岐纖 3020 呂菽 董纖維C吃k-列k) 19何 2：幻 趙S強(qiáng)聚乙奸維 3100

17、107 連絞玄風(fēng)野纖線 3000-1840 71L3-93. 1 】.HU 0. 97 表4增強(qiáng)材料力學(xué)性能 材料選擇為T700碳纖維，抗拉強(qiáng)度為4.9Gpa d min 0.3 4.9 109 pa 1.47 10 7.11 所以風(fēng)輪根部直徑選擇3.6m 9 pa 3.555m 糜斷C gzF 還氏率 2 51 2. 51 2. 1 Me J 32 7(86034 .912 )2 3018600 2 V1 .4710 9 4 (10.96 ) 1.07 m dmin .確定主要部件 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：3.5MW ； 額定轉(zhuǎn)速：1500r/min ；

18、 3500 發(fā)電機(jī)極對數(shù)為2,發(fā)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)矩T發(fā)電機(jī)主軸為: T發(fā)電機(jī)主軸 955XP 9550 3500 2.443 104N m n 2 31500 0.96 0.95 選擇剛軸推薦最大扭剪應(yīng)力：fs 55MPa 則發(fā)電機(jī)的主軸直徑D發(fā)電機(jī)為: D發(fā)電機(jī)23 (2T 發(fā)電機(jī)主軸 2 f 2.443 1040.1313m 5.5 107 取發(fā)電機(jī)主軸直徑D為0.15m. 2 .變流器 變流器功率通常為風(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1500kW。 3 .齒輪箱 方式：行星齒輪傳動(dòng)兩級(jí) NGW; 低速軸轉(zhuǎn)速：nl =16.5r/min 精

19、選文庫 高速軸轉(zhuǎn)速：nh =1500r/min 傳動(dòng)比：i = 90 Pr # 齒輪箱效率: 如950.983 齒輪箱功率: Pgb Pr 3500000 23廠 3 3.9 106W 0.95 0.96 V095 4 .聯(lián)軸器 低速軸聯(lián)軸器功率 Pm Pr 3500000 23.9 106W 0.96 0.95 30.95 錯(cuò)誤!未找到引用源。 高速軸聯(lián)軸器功率: Pt Pr 3500000 0.96 0.95 3.84 106W 5.主軸 低速軸角速度為: 2 ni 60 216.5 60 1.727rad /s 高速軸角速度為: 2 nh 21500 60 60 157 rad / s

20、低速軸功率為: Pr 3500000 33仃 23.9 106W 0.96 0.95 30.95 高速軸功率為: Pt 空沁 3.84 106W 0.96 0.95 精選文庫 低速軸轉(zhuǎn)矩為: Tm Pm 晉 2258251.3Nm 高速軸轉(zhuǎn)矩為: Tt Pt 324458.6 N m 157 低速軸直徑: 17 高速軸直徑: Dh 2.445 1040.1314m 7 5.5 10 綜上可得，低速軸直徑取 0.7m, 高速軸直徑取0.18m。 6. 偏航系統(tǒng) 類型：主動(dòng)偏航，并選用強(qiáng)制外置 6電機(jī)偏航; 偏航范圍：800 800 偏航角速度：0.6o/s 偏航軸承：4點(diǎn)接觸球軸承; 偏航驅(qū)動(dòng)：

21、6個(gè)3kW偏航電機(jī); 偏航制動(dòng)：液壓控制摩擦制動(dòng); 大齒輪齒數(shù)：135；小齒輪齒數(shù): 16 減速箱傳動(dòng)比：i=140 結(jié)構(gòu)簡圖見圖7 圖7偏航機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖 7 .變槳系統(tǒng) 根據(jù)調(diào)整槳距角調(diào)整風(fēng)能利用系數(shù)，槳距角與風(fēng)能利用系數(shù)曲線見圖 04- 圖8風(fēng)能利用系數(shù)與槳距角關(guān)系曲線 ft- -ft Id II 14 lA tT So yil史茁 變槳類型：3葉片獨(dú)立變槳控制，采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。 供電方式：超級(jí)電容供電 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速：永磁電動(dòng)機(jī) 1500r/mi n，電機(jī)功率：3 10kw 變槳范圍：0 90 （主要變槳范圍030） 傳動(dòng)方式：齒形帶傳動(dòng) 變槳機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖見圖 9 90度限位開關(guān) 0度接近開

22、關(guān) 變槳電機(jī)1 G 變槳柜1 滑環(huán) I 旋轉(zhuǎn)編碼器 連接器 電磁剎車 / 動(dòng)力電源線 匣I 90度限位開關(guān) 0度接近開關(guān) 旋轉(zhuǎn)編碼器 變槳柜1 電磁剎車J 動(dòng)力電源線 90度限位開關(guān) _0度接近開關(guān) 變槳柜1 變槳電機(jī)3 ,旋轉(zhuǎn)編碼器 電磁剎車 / 動(dòng)力電源線 圖9變槳機(jī)構(gòu)結(jié) 四.風(fēng)機(jī)載荷計(jì)算 r。 用matlab計(jì)算得: 2 nr 2 60 60 16.5 1.727rad/s F 4139100N 精選文庫 (2)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的風(fēng)壓力Fv: 風(fēng)壓力是作用在葉片上沿風(fēng)速方向的氣動(dòng)力。 1 Fv 2 2 R2 v r0(1 cot XClCos CDSin ) cdr 其中: c葉素的弦長，單位

23、為 m； 來流角; 設(shè)Fv作用點(diǎn)距葉輪軸的距離為 rm，則有: 用matlab計(jì)算得: R (1 ro 2 r (1 cot )(Clcos r 0 2 cot )(ClCosCd Sin ) c rdr Cd sin ) cdr Fv 494560N rm 34.912m (3)作用在葉片上的氣動(dòng)力矩 Mb Mb是使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩, 可由下式求出 Mb - 2 R 2 v r0(1 2 cot )(ClCos Cd sin ) c rdr Mb 195330N m (4)作用在葉片上的陀螺力矩 Mk Mk是風(fēng)輪對風(fēng)調(diào)向時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩。 當(dāng)風(fēng)向改變時(shí)，風(fēng)輪除以角速度 繞水平主軸轉(zhuǎn)動(dòng) 外，還以

24、角速度 w垂直于水平主軸并通過塔筒的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。 整個(gè)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: R2 , y r0Arrdr 其中: 葉片的密度，為900kg/m3; A 葉素處的葉片截面積，根據(jù)翼型圖得Ar0.1 c2，單位為m2; 設(shè)科氏加速度為: 37 其中: ak 2 x 0 vsin r R 慣性半徑，值為Jj /m ； rVr與w的夾角，Vr = 0V ； R 由動(dòng)量矩定理知，葉片受到慣性力矩 Mk的作用，這個(gè)力矩稱為陀螺力矩。 用matlab計(jì)算得: J = 31994000 mf Mk J ak 191680000N m 2 .風(fēng)輪載荷計(jì)算 (1)軸向誘導(dǎo)因子錯(cuò)誤!未找到引用源。，周向誘導(dǎo)因子錯(cuò)誤!未

25、找到引用源。 則作用在風(fēng)輪上的軸向推力 T可表示為: 2 R V 0 a(1 a)rdr R 0(1 k2)rdr 用matlab計(jì)算得: T 663860N (2)作用在整個(gè)風(fēng)輪上的轉(zhuǎn)矩 M可表示為: R3 V0 b(1 a)r dr R3 V0(h-1)(k Dr dr 用matlab計(jì)算得: M 3018600N 階段性總結(jié)表 葉片上離心力Fc 4139100N Fv作用點(diǎn)距軸心距離 34.912m 葉片轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)壓力Fv 494560N 氣動(dòng)力矩Mb 195330m4 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J 31994000m4 慣性力矩Mk 191680000N m 風(fēng)輪軸向推力T 663860 N m 風(fēng)輪上轉(zhuǎn)矩

26、M 3018600N m 五.塔架設(shè)計(jì) 1 .塔架高度 塔架高度參數(shù)的選擇與地形和地貌有關(guān)，陸地和海上風(fēng)機(jī)組會(huì)有所不同，陸地地表相對 25m以上的機(jī)組，輪轂中心 粗糙，風(fēng)速隨高度變化緩慢，需要高的塔架，相反海平面較光滑，風(fēng)速沿高度變化梯度大。 此外，隨著風(fēng)輪直徑的增大，塔架高度逐漸減小，對于風(fēng)輪直徑 高與風(fēng)輪直徑為1:1,所以選取塔架高度為90m。 輪轂高度是從地面到風(fēng)輪掃掠面中心的高度，用Zhub表示 Zhub Zt H 2.25 90 92.25m 乙一塔頂平面到風(fēng)輪掃掠面中心的高度; H 塔架高度。 2.塔架的基本結(jié)構(gòu)形式 塔架形式主要分為鋼筋混凝土、桁架、鋼筒三種結(jié)構(gòu)，目前大型風(fēng)機(jī)組主

27、要采用鋼筒結(jié) 構(gòu)，鋼筒結(jié)構(gòu)中又分為直通和錐筒，在滿足相同的要求的前提下，錐筒可以減少材料消耗， 降低成本，所以本設(shè)計(jì)選取錐形鋼筒結(jié)構(gòu)。同時(shí)采用柔性塔，可以降低塔架質(zhì)量和成本，柔 塔即塔架固有頻率在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)與葉片通過頻率之間。 3 .塔架的結(jié)構(gòu)尺寸、重量和材料 連接方式：法蘭連接; 材料：Q460C,屈服強(qiáng)度是460MPa； 機(jī)組質(zhì)量：m1 =220t; 塔筒質(zhì)量：m2 = 200t; 塔筒壁厚：從根部到頂部選用壁厚由 30-20mm過渡; 塔筒根部外徑: Di = 6000mm； 塔筒頂部外徑: di = 4000mm； 塔筒根部內(nèi)徑: D2 = 5940m m塔筒頂部內(nèi)徑：d2= 3960m

28、m； 參照上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司研發(fā)的 3.6MW的風(fēng)機(jī)，額定風(fēng)速12m/s,風(fēng)輪直徑116m 機(jī)艙重150t，塔筒分為三段，上塔筒重約48.7t，中塔筒重約90.4t，下塔筒重約86.3t，葉 片54t，輪轂38t，機(jī)組重量467.475t。塔筒根部外徑5056mm頂部外徑3815mm, 4.塔架載荷分析 作用在塔架上的載荷有以下幾類: 風(fēng)輪等構(gòu)件承受的空氣動(dòng)力載荷; 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; 操作載荷：在機(jī)組運(yùn)行和控制過程中產(chǎn)生的載荷。如功率變化、偏航、變槳以及制動(dòng) 過程產(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

29、) F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; 5.塔架強(qiáng)度校核 塔架根部為最危險(xiǎn)截面，接下來將對根部進(jìn)行受力分析和強(qiáng)度校核。為了確保在暴風(fēng)作 用條件下塔架不傾倒，校核強(qiáng)度時(shí)均要按照暴風(fēng)工況考慮風(fēng)輪的氣動(dòng)推力和塔架的風(fēng)壓力。 暴風(fēng)工況下最大風(fēng)速Vs和年平均風(fēng)速Vave有關(guān)。如下表5： 表5年平均風(fēng)速和最大風(fēng)速關(guān)系 Vave=5.5m/s 5.5m/s Vave=7m/s Vs =40m/s Vs=50m/s Vs=60m/s 本次設(shè)計(jì)中，Vave=7.0m/s7m/s，所以選取Vs=60m/s。 (1)塔架的受力分析如下圖10

30、: 塔架受力 10 塔架根部截面應(yīng)力可表示為: 其中: Fas 塔架風(fēng)壓力，單位 N； Fas(hl H) Fts 號(hào) W2 (G1 G2) 2 A Fts 塔架氣動(dòng)推力，單位N ； W2 塔架根部抗彎截面系數(shù)，單位為m3; A 塔架根部截面積，單位為 m2 ； G2 塔架自重，單位為 N ； Gi 機(jī)艙總成質(zhì)量，單位為N ； 2變截面塔架的長度折減系數(shù)，可根據(jù) H從圖11得到 2 1低碳鋼 2低介金鋼 圖112- 2關(guān)系曲線 與塔架截面變化有關(guān)的折算長度修正系數(shù)，可根據(jù) 如錯(cuò)誤!未找到引用源。之比 J max min 由表6的選擇參考設(shè)計(jì)值，Jmln為塔架頂部截面慣性矩，單位為m4, Jma

31、x為塔架根部截面慣 性矩，單位為m4； J max 2 塔架根部的截面慣性半徑，單位為 m， I J max q A H是塔架高度，即H=90m, hi是輪轂高度，由前面知道為 hi=2.25m； (2)塔架風(fēng)壓力Fas,有以下幾種計(jì)算方式： 前蘇聯(lián)的法捷耶夫公式： Fas 0.784AbV：B 其中: Ab 葉片的投影面積，單位 A E，其中為風(fēng)輪實(shí)度，風(fēng)輪實(shí)度與葉尖速比 有關(guān)，0=7.5錯(cuò)誤!未找到引用源。 時(shí)，近似認(rèn)為=0.05； Vs風(fēng)輪中心處的暴風(fēng)風(fēng)速 ，單位為m/s； 荷蘭ECN的公式 Fas GqAbB S 其中: Ct推力系數(shù)，取Ct 1.5； N/m，q隨高度變化，風(fēng)輪中心高

32、度Zhub=92.25m處對應(yīng)的 動(dòng)態(tài)系數(shù)，取卩=1.2； q動(dòng)態(tài)風(fēng)壓,單位為 q=1410N/m2。 錯(cuò)誤!未找到引用源。- S安全系數(shù)，取S 1.5 ； 丹麥RIS公式 Fas PA 其中： Pl風(fēng)輪單位掃掠面積上的平均風(fēng)壓，通常取 P=300N/m2; A 風(fēng)輪的掃掠面積。單位為 m2; (3)塔架氣動(dòng)推力Fts Fts ivs2At 其中: 空氣密度，1.225kg/m3； A 氣動(dòng)推力作用于塔筒的面積，單位為 m2 ； 取 0.7; Vs風(fēng)輪中心處的暴風(fēng)風(fēng)速 ，單位為m/s； (4)計(jì)算過程 氣動(dòng)推力作用于塔筒的面積 450m2 葉片的投影面積 1042 0.05 4 3 2 141

33、.51m 抗彎截面系數(shù) W2 4 D2 塔架根部截面積 塔架頂部截面慣性矩 塔架根部截面慣性矩 32 Di 63 莎 4 5.94c cc廠 0.835 6 7d12 J min J max D； 64 D14 64 5.942 0.5623m2 d2 d1 44 64 3.96 4 4 0.495m D D1 64 64 5.94 6 2.506m4 竝 0424 0.197 J max 0.970 查表6得 =1.45， 2.506 V 0.5603 2.114,則 1.45 90 2.114 61.73，材料為低合 金鋼，根據(jù)圖5得變截面塔架的長度折減系數(shù) 2=0.75 G2=2OOOO

34、OON 機(jī)組的總重量為G1=2200000N，塔架的總重量為 as1 蘇聯(lián)的法捷耶夫公式：Fas1 0.784Av；B 0.784 141.51 602 3 1198193N 荷蘭 ECN 的公式：Fas Gq代B S 1.5 1410 141.51 3 1.2 1.5 16161857N 丹麥 RIS 公式：Fas PA 300 522 as 2547168N 選取丹麥RIS公式得出的Fas=2547.168KN 塔架氣動(dòng)推力：Fts 1 Vs2A 2 -1.225 602 0.7 396611226N 2 代入計(jì)算得: Fas(hlH) Ftsy 2547168 92.25 611226

35、90 (Gi G2)2 W2 0.835 (2200000 2000000)324Mpa 0.75 0.5623 強(qiáng)度校核: s 460M Pa 324 MPa 所以塔架最危險(xiǎn)截面, 即根部滿足要求。 六.風(fēng)電機(jī)組布局 見附錄整機(jī)工程圖 七.設(shè)計(jì)總結(jié) 1 .總體參數(shù) 風(fēng)機(jī)總體設(shè)計(jì)參數(shù)總結(jié)，如表 7 表7總體參數(shù)表 葉片數(shù) B=3 風(fēng)輪直徑 D=104m 額定輸出功率 P=3.5MW 掃掠面積 A=8482m2 設(shè)計(jì)壽命 20年 風(fēng)能利用系數(shù) Cp=0.45 切入風(fēng)速 Vin=3m/s 葉尖速比 07.5 切出風(fēng)速 Vout=25m/s 功率控制方式 主動(dòng)變槳距控制 額定風(fēng)速 Vr=12m/s

36、制動(dòng)形式 氣動(dòng)剎車、機(jī)械剎車 風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速 n r=16.5r/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 葉片數(shù) B=3 風(fēng)輪直徑 D=70m 2 .功率、氣動(dòng)特性和載荷計(jì)算總結(jié) 風(fēng)機(jī)的功率、葉片氣動(dòng)特性和載荷總結(jié)，如表8 表8 風(fēng)機(jī)的功率、葉片氣動(dòng)特性和載荷 氣動(dòng)特性 攻角 5.25 升力系數(shù) 0.9461 阻力系數(shù) 0.00791 發(fā)電機(jī) 發(fā)電機(jī)額定功率 3.5MW 發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 1500r/min 發(fā)電機(jī)軸直徑 0.18m 齒輪箱 形式 行星齒輪傳動(dòng)兩級(jí)NGW 齒輪箱傳動(dòng)比 90 低速軸轉(zhuǎn)速 16.5r/min 高速軸轉(zhuǎn)速 1500

37、r/min 齒輪箱功率 3.9MW 聯(lián)軸器 低速軸聯(lián)軸器功率 3.9MW 高速軸聯(lián)軸器功率 3.84MW 變流器 變流器功率 1.5MW 變槳電機(jī) 數(shù)量變槳電機(jī)功率 3 10KW 偏航電機(jī) 數(shù)量錯(cuò)誤!未找到引用源。 偏航電機(jī)功率 6 3KW 葉片載何 離心力 4139.1KN 風(fēng)壓力 494.56N 氣動(dòng)力矩 195330N m 風(fēng)壓力作用點(diǎn)距葉輪軸距離 34.912m 風(fēng)輪載荷 軸向推力 663860N 轉(zhuǎn)矩 3018600N m 主軸載荷 低速軸轉(zhuǎn)矩 2258251.3N - m 高速軸轉(zhuǎn)矩 24458.6N - m 低速軸直徑 0.7m 高速軸直徑 0.18m 塔架載荷 作用在塔架上載荷

38、 Fas=2547168N 作用在在塔架上風(fēng)壓力 Fts=611226N 塔架根部截面應(yīng)力 325MPa 3 .其余部分設(shè)計(jì)總結(jié) 整機(jī)部分設(shè)計(jì)總結(jié)，如表9 圖9整機(jī)部分設(shè)計(jì)形式 機(jī)組 運(yùn)行環(huán)境溫度 -30 45 生存環(huán)境溫度 -45 45 發(fā)電機(jī) 輸出電壓 690V 頻率 50Hz 功率因數(shù) 容性0.95感性0.9 葉片 空氣動(dòng)力外形 63-415翼型 材料 T700碳纖維 控制系統(tǒng) 控制方式 P LC+遠(yuǎn)程監(jiān)控 塔筒 類型 鋼制錐形塔筒 八.總結(jié) 為期兩周的課程設(shè)計(jì)即將結(jié)束，期間經(jīng)歷了很多事。第一周主要是打公式計(jì)算，一開始 也不知道如何選擇翼型，感覺完全找不到方向，而后查閱相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參

39、考，在不斷的 嘗試下才選出了我認(rèn)為最佳的風(fēng)機(jī)部件。 感謝老師在我們設(shè)計(jì)及畫圖時(shí)都積極提供幫助， 老師組建了 QQ群解答我們的問題。提醒 我們要注意的地方。如果當(dāng)時(shí)老師不提示，我也不會(huì)用到matlab計(jì)算，也不會(huì)用visio畫圖, 如此一來，此次設(shè)計(jì)的收獲便大打折扣。并且在我們犯錯(cuò)誤后及時(shí)糾正我們。再次感謝老師 的指導(dǎo)與幫助。 總之，在這次風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了很多，對風(fēng)機(jī)外部以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了深刻 的理解，還是相關(guān)工具的使用以及交流合作的重要性，總之這次課程設(shè)計(jì)是我大學(xué)生活中一 次美好的經(jīng)歷。 九.附錄 1 .風(fēng)機(jī)載荷計(jì)算的MATLAB程序 cic clear D=ceil(sqrt(8*

40、3e6/0.95/0.96/0.95/0.45/pi/1.225心2八3) lambda=7.5; n=lambda*60*12/pi/D; a=0.05:0.05:1; b=lambda*a; psi=1/3*ata n(b)+pi/3; k=sqrt(b.A2+1).*cos( psi ); h=sqrt(1-kA2)./bA2+1); 匸ata n(1+k”(1+h)./b); beta=l*180/pi-5.25 C=8* pi*a.*(D/2).*(h-1).*cos(l)/3/0.9461./(h+1) R=D/2; r=a*R; omega=lambda*12/R; y1=r.*C*.C*0.1 Fc =900*omega2*tra pz(r,y1) ;計(jì)算葉片離心力 cl=0.9461 cd=0.00791 y2=(1+(1./ta n(l) )A2).*(cl*c