風(fēng)機葉輪的設(shè)計和風(fēng)電場機組布置方案

湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院HunanTechnicalCollegeofWaterResourcesandHydroPower畢業(yè)設(shè)計成果in姓名：XXXX 專業(yè)： 發(fā)電廠及電力系統(tǒng)班級：10級發(fā)電廠及電力系統(tǒng)一班學(xué)號：20103501XXXX摘要本次課題設(shè)計的題目是“風(fēng)機葉輪的設(shè)計和風(fēng)電場機組布置方案”。風(fēng)機葉輪的設(shè)計主要是通過公式計算，得到風(fēng)輪掃掠面積，風(fēng)輪直徑，增速比等重要參數(shù)，再采用三維CAD軟件繪制葉片的翼型組合成三葉片三維立體風(fēng)機示意圖和風(fēng)電場機組布置方案的比較選擇。本次的設(shè)計具體內(nèi)容主要包括：風(fēng)輪設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容，比如:確定風(fēng)輪掃掠面積、確定風(fēng)輪直徑、確定葉片數(shù)目、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速計算、確定增速比等計算數(shù)據(jù)和翼型設(shè)計的一些相關(guān)數(shù)據(jù)計算關(guān)鍵詞：風(fēng)力機葉片翼型坐標(biāo)變換風(fēng)電場機組布置方案（圖）緒論能源是人類社會存在與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。過去200多年，建立在煤炭、石油、天然氣等化石燃料基礎(chǔ)上的能源體系極大地推動了人類社會的發(fā)展。然而，人們在物質(zhì)生活和精神生活不斷提高的同時，也越來越感悟到大規(guī)模使用化石燃料所帶來的嚴(yán)重后果：資源日益枯竭，環(huán)境不斷惡化。因此，人類必須尋求一種新的、清潔、安全、可靠的可持續(xù)能源系統(tǒng)。受化石能源資源日趨枯竭、能源供應(yīng)安全和保護(hù)環(huán)境等的驅(qū)動，世界主要發(fā)達(dá)國家和一些發(fā)展中國家都重視風(fēng)能的開發(fā)利用。特別是自20世紀(jì)90年代初以來，風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展十分迅速，世界風(fēng)電機裝機容量的年平均增長率超過了30%，2005年，中國政府對2020年的風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)進(jìn)行了修改，將風(fēng)電裝機容量由2000萬千瓦增至3000萬千瓦。與此同時，我國在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用上投入了相當(dāng)大的人力及資金，充分綜合利用新材料、新型電機、電力電子技術(shù)、計算機、自動控制及通信技術(shù)等方面的最新成果，開發(fā)建立了評估風(fēng)力資源的測量及計算機模擬系統(tǒng)，發(fā)展了變槳距控制及失速控制的風(fēng)力機設(shè)計理論，采用了新型風(fēng)力機葉片材料及葉片翼型，研制出了變極、變滑差、變速恒頻及低速永磁等新型發(fā)電機，開發(fā)了由微機控制的單臺及多臺風(fēng)力發(fā)電機組成的機群的自動控制技術(shù)，從而大大提高了風(fēng)力發(fā)電的效率及可靠性。一、風(fēng)輪設(shè)計1、 由勻風(fēng)速Vm求額定風(fēng)速15 1 一 一—V=一蕓V=——x(5.1+4.8+5.2+......)=5.70556^i=1v=1.5xv=1.5x5.70m/s=8.6m/s風(fēng)輪掃掠面積、風(fēng)輪半徑由風(fēng)電場具體資料可以獲得單機額定容量，額定風(fēng)速由上求得，便可由式子s= 里 (m2)=663.651K-Ca-Ct-V3門算出風(fēng)輪掃掠面積后，由風(fēng)輪掃掠面積由可算出風(fēng)輪直徑：d=2?、:s=29.076m，此處取風(fēng)輪直徑為30m',兀那么風(fēng)輪半徑，即葉片長度就可求得r=—=15m22、 葉尖速比人、葉片個數(shù)K的確定葉尖速比與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速成正比，葉尖速比越大風(fēng)輪轉(zhuǎn)速就越高，而風(fēng)輪轉(zhuǎn)速取決于風(fēng)力機的用途.用于發(fā)電的風(fēng)力機葉尖速比常取5?7.此處取6葉尖速比為6，由下表知葉片數(shù)可取2-4,但由于3葉片有以下優(yōu)勢。二葉片風(fēng)機功率系數(shù)c〃低低實度變化的主要影響如圖4-9所示.

ci 3 iu低實度產(chǎn)生一個寬而平坦的曲線，表示在一個較寬的葉尖速比范圍內(nèi)匕變化小，但是匕的最大值較低，這是因為阻尼損失較高（阻尼損失大約與葉尖速比率的立方成比例）高實度產(chǎn)生一個含有尖鋒的狹窄的性能曲線，這使得葉輪對葉尖速比變化非常敏感并且，若實度太高，Cp最大值將相對角低，Cpmax的降低是由失速損失所造成的。由圖4-9可看出，3槳葉產(chǎn)生最佳實度。當(dāng)然，兩槳葉也是可以接受的選擇，雖然它的C,最大值稍微低點，但峰值較寬，這可以獲得較大的風(fēng)能捕獲。風(fēng)力機葉片數(shù)與葉尖速比的匹配葉尖速比人葉片數(shù)葉尖速比人葉片數(shù)18-2443-526-125-82-433-88-152-1三葉片氣動性能好，氣動中心在旋轉(zhuǎn)中心處，是葉片數(shù)且最少的類圓形風(fēng)輪.由于3個均勻分布的葉片葉輪面上的慣性力和氣動力較為均

勻，故三葉片風(fēng)機的動力字特性好。從視覺角度出發(fā)，三葉片風(fēng)機運行均勻分布，美觀。綜上所述，選擇三葉片風(fēng)輪。由下圖（葉尖速比與風(fēng)輪實度關(guān)系曲線）3、 單個葉片面積s=史(m2)yk葉尖速比X=6,經(jīng)計算得:s=11.061(m2)4、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速nn—2r=32.866rpm取33rpm5、增速比i發(fā)電機與轉(zhuǎn)速1500rpm,i=1500/33=45，可考慮用三級齒輪傳動。6、葉片不同半徑處葉尖速比人ix=u=竺n是葉尖端線速度與風(fēng)速之比。v60v葉片從轉(zhuǎn)速中心至葉片不同半徑處的葉尖速比用人i表示可下式人=R人不同半徑處的圖風(fēng)輪半徑R=15m，葉尖速比人=6

人=6136=5.442 1512.2——=4.881510.8=6 =4.32159.4=6-—=3.76158”=6—=3.2156.6=6 =2.641552=6——=2.081538=6——=1.5215X10X10=6——=0.9615由葉尖速比X與葉片的相對迎風(fēng)角中的關(guān)系曲線得:7、葉片不同半徑處,處對應(yīng)的入流角中.（相對迎風(fēng)角）X=69=5.5。1X2=5.449=6。2X3=4.889=7。3X4=4.329=8。4X5=3.769=9。5X6=3.29=11。6X7=2.649=14。7X8=2.089=17。8X9=1.529=23。9X10=0.969=32。10

人=0.44511中=458、不同半徑處的弦長LiL二L二i=ck(m)①不同截面處葉片形狀參數(shù)。1.不同截面處葉片形狀參數(shù)如下:人1=6C=0.15C1氣=5.44C=0.17C2氣=4.88C=0.2C3人4=4.32Cc4=0.21七=3.76C=0.24C5人6=3.2C=0.4C6氣=2.64C=0.6C7氣=2.08C=0.8C8人9=1.52C=1.2C9入10=0.96中=2人=0.4C=2C112.升力系數(shù)CL查升力系數(shù)及阻力系數(shù)、升阻比與攻角的關(guān)系曲線

升力系數(shù)CL取升阻比CL/CD最大時對應(yīng)攻角處的升力系數(shù)最優(yōu)攻角a=6，CL=0.8...不同半徑處的玹長即可求出：不同半徑ri（米）弦長Li（米）150.937513.60.96333312.21.01666710.80.9459.40.9481.3333336.61.655.21.7333333.81.92.4210.833333

2.1.9葉片平均玹長LmLm_%+/+L3+???+氣nL=1.296m2.1.10驗算葉片面積sy實際單個葉片的面積為s_Lx(葉片展向長度-收縮段長度)S_1.269x(15—1)=18.144.2)11.061m2...單個葉片的面積滿足要求.2.1.11升力曲線的平均斜率KLC—CK—L(max) L(0)L 偵L —a(max)0CLCLmax0.8 ' "Lmax=6。Za=—3.8。0Kl=省W".08162.1.12展玄比rZ翼展的平方與翼的面積sy之比，即風(fēng)輪直徑的平方與面積之比，稱展玹長比，用R來表示cR2R2RR———— ———zSYRLLm

(oA1+mk R(oA1+mk R7ZCa=a+—lLCa=a+—lL=8.545。2.1.14葉片從轉(zhuǎn)動中心到葉尖不同位置的所應(yīng)對的葉片實際安裝用（。）葉片的實際安轉(zhuǎn)用o.由下式給出9=中-aiim中=5.5。0]=5.5。-8.545。=-3.045。中=6。92=-2.545。中=7。03=-1.545。中=8。-0.545。中=9。0.455。中=11°2.455。平=14。5.455。平=17。8.455。中=23。14.455。9=32。1023.455。911=45°36.455。2.1.15翼型尺寸的確定

根據(jù)所選翼型查“翼型尺寸坐標(biāo)翼型尺寸坐標(biāo)①半徑15m處XY上表面Y下表面0000.0117190.0225-0.013410.0234380.031781-0.018280.0468750.044344-0.023340.0703130.054-0.025690.093750.061781-0.026810.1406250.073969-0.0270.18750.0825-0.025690.2343750.088219-0.023440.281250.0915-0.021190.3750.091875-0.016880.468750.086156-0.013130.56250.076313-0.009380.656250.062719-0.006090.750.045844-0.003660.843750.025406-0.002060.8906250.013781-0.00150.937500②半徑13.6m處XY上表面Y下表面0000.0120420.02312-0.013780.0240830.032657-0.018790.0481670.045566-0.023990.072250.055488-0.02640.0963330.063484-0.027550.14450.076007-0.027740.1926670.084773-0.0264

U.乙UUUUU U? U.0.2890.094021-0.021770.3853330.094407-0.017340.4816670.08853-0.013490.5780.078415-0.009630.6743330.064447-0.006260.7706670.047107-0.003760.8670.026106-0.002120.9151670.014161-0.001540.96333300③半徑12.2m處XY上表面Y下表面0000.0127080.0244-0.014540.0254170.034465-0.019830.0508330.048088-0.025320.076250.05856-0.027860.1016670.066998-0.029080.15250.080215-0.029280.2033330.089467-0.027860.2541670.095668-0.025420.3050.099227-0.022980.4066670.099633-0.01830.5083330.093432-0.014230.610.082757-0.010170.7116670.068015-0.006610.8133330.049715-0.003970.9150.027552-0.002240.9658330.014945-0.001631.01666700④半徑10.8m處XY上表面Y下表面0000.0118130.02268-0.013510.0236250.032036-0.018430.047250.044699-0.023530.0708750.054432-0.025890.09450.062276-0.027030.141750.074561-0.027220.1890.08316-0.025890.236250.088925-0.023630.28350.092232-0.021360.3780.09261-0.017010.47250.086846-0.013230.5670.076923-0.00945

U?UULUU?UUU乙乙_LU.0.7560.046211-0.003690.85050.02561-0.002080.897750.013892-0.001510.94500⑤半徑9.4m處XY上表面Y下表面0000.011750.02256-0.013440.02350.031866-0.018330.0470.044462-0.023410.07050.054144-0.025760.0940.061946-0.026880.1410.074166-0.027070.1880.08272-0.025760.2350.088454-0.02350.2820.091744-0.021240.3760.09212-0.016920.470.086386-0.013160.5640.076516-0.00940.6580.062886-0.006110.7520.045966-0.003670.8460.025474-0.002070.8930.013818-0.00150.9400⑥半徑8m處XY上表面Y下表面0000.0166670.032-0.019070.0333330.0452-0.0260.0666670.063067-0.03320.10.0768-0.036530.1333330.087867-0.038130.20.1052-0.03840.2666670.117333-0.036530.3333330.125467-0.033330.40.130133-0.030130.5333330.130667-0.0240.6666670.122533-0.018670.80.108533-0.013330.9333330.0892-0.008671.0666670.0652-0.00521.20.036133-0.002931.2666670.0196-0.002131.33333300⑦半徑6.6m處XY上表面Y下表面

V V V0.0206250.0396-0.02360.041250.055935-0.032180.08250.078045-0.041090.123750.09504-0.045210.1650.108735-0.047190.24750.130185-0.047520.330.1452-0.045210.41250.155265-0.041250.4950.16104-0.037290.660.1617-0.02970.8250.151635-0.02310.990.13431-0.01651.1550.110385-0.010731.320.080685-0.006441.4850.044715-0.003631.56750.024255-0.002641.6500⑧半徑5.2m處XY上表面Y下表面0000.0216670.0416-0.024790.0433330.05876-0.03380.0866670.081987-0.043160.130.09984-0.047490.1733330.114227-0.049570.260.13676-0.049920.3466670.152533-0.047490.4333330.163107-0.043330.520.169173-0.039170.6933330.169867-0.03120.8666670.159293-0.024271.040.141093-0.017331.2133330.11596-0.011271.3866670.08476-0.006761.560.046973-0.003811.6466670.02548-0.002771.73333300⑨半徑3.8m處XY上表面Y下表面0000.023750.0456-0.027170.04750.06441-0.037050.0950.08987-0.047310.14250.10944-0.052060.190.12521-0.054340.2850.14991-0.05472

U?UU U?LUI乙u.uu乙uu0.4750.17879-0.04750.570.18544-0.042940.760.1862-0.03420.950.17461-0.02661.140.15466-0.0191.330.12711-0.012351.520.09291-0.007411.710.05149-0.004181.8050.02793-0.003041.900⑩半徑2.4m處XY上表面Y下表面0000.0250.048-0.02860.050.0678-0.0390.10.0946-0.04980.150.1152-0.05480.20.1318-0.05720.30.1578-0.05760.40.176-0.05480.50.1882-0.050.60.1952-0.04520.80.196-0.03610.1838-0.0281.20.1628-0.021.40.1338-0.0131.60.0978-0.00781.80.0542-0.00441.90.0294-0.0032200(11)半徑1m處XY上表面Y下表面0000.0104170.02-0.011920.0208330.02825-0.016250.0416670.039417-0.020750.06250.048-0.022830.0833330.054917-0.023830.1250.06575-0.0240.1666670.073333-0.022830.2083330.078417-0.020830.250.081333-0.018830.3333330.081667-0.0150.4166670.076583-0.011670.50.067833-0.008330.5833330.05575-0.00542

U. 1u. 1uU.UUU乙U0.750.022583-0.001830.7916670.01225-0.001330.83333300葉片展向不同安裝角葉片不同半徑的安裝角9.（.）91-3.04592-2.54593-1.54594-0.54595-0.455962.455975.455988.4559914.45591023.45591136.455用CAD軟件繪制葉片（見附圖一）2.2風(fēng)電場機組布置風(fēng)電場機組的布置即風(fēng)電機組位置的選擇，應(yīng)通過對若干方案的技術(shù)經(jīng)濟比較，確定風(fēng)電場風(fēng)電機組的布置方案，使發(fā)電廠獲得較好的發(fā)電量。在風(fēng)電場設(shè)計中，風(fēng)力發(fā)電機組的排列，應(yīng)以風(fēng)電場主導(dǎo)風(fēng)向及主導(dǎo)能量向來確定排列方向。而風(fēng)力發(fā)電機機組之間的間距和排距，應(yīng)綜合考慮風(fēng)電場場地條件、風(fēng)資源特性以及風(fēng)機之間尾流影響等條件，通過技術(shù)經(jīng)濟比較確定。2.2.1客觀條件限制①風(fēng)電機組與村莊之間的距離一般要求500m以上，特殊情況至少300m。根據(jù)所給資料知：風(fēng)電站最經(jīng)村莊612m。⑵風(fēng)電機組離110KV以上電壓等級線路150m以上。根據(jù)所給資料知：風(fēng)電機組離110KV以上電壓等級線路150m以上。③發(fā)電機組要避開基本農(nóng)田、礦產(chǎn)、文物、軍事用地、自然保護(hù)區(qū)以及其他環(huán)境敏感地區(qū)。根據(jù)資料所知：該電站周圍無基本農(nóng)田、礦產(chǎn)、文物、軍事用地、自然保護(hù)區(qū)及其他環(huán)境敏感地區(qū)。2.2.2地形條件地形條件應(yīng)滿足風(fēng)電機組的運輸條件和安裝條件。在平坦的地形條件下，滿足在給原則是很容易的。在山區(qū)，滿足這醫(yī)院則經(jīng)常有難度。要根據(jù)所選機型需要的運輸機械和安裝的要求，機位附近要有足夠的場地能夠作業(yè)和擺放葉片、塔架，道路有足夠的坡度、寬度和轉(zhuǎn)彎半徑使運輸機械到達(dá)所選機位。根據(jù)所給資料知：此風(fēng)電場位于華北平原，地形平坦，交通運輸條件較為便利。2.2.3障礙物影響在風(fēng)電場中有時會碰到障礙物，障礙物的尾流的大小和體積有關(guān)。研究表明，對于無限長的障礙物，在障礙物下風(fēng)向40倍障礙物高度，上方2倍障礙物高度的區(qū)域內(nèi)，是較強的尾流擾動區(qū)，風(fēng)電機組的布置必須避開這已區(qū)域。障礙物會降低障礙物下風(fēng)向的區(qū)域的風(fēng)速，障礙物影響的大小取決于本身的疏密程度，即透風(fēng)率。建筑物的透風(fēng)率最低。一般來講，障礙物的長度越長，高度越高，相應(yīng)的對風(fēng)速的阻礙效果明顯，根據(jù)所給資料知：風(fēng)電場所在出地形平坦，上下風(fēng)向無障礙物，可不考慮障礙物對風(fēng)電場機組的布置影響。2.2.4尾流影響氣流在經(jīng)過風(fēng)電場機組葉片能量減小，實際上，風(fēng)電機組的葉片對風(fēng)速有阻擋作用，在風(fēng)電機組的下風(fēng)向會產(chǎn)生類似輪船尾流效果，該區(qū)域內(nèi)會產(chǎn)生較大的湍流，同時風(fēng)速也會降低。風(fēng)電場的風(fēng)電機組布置因考慮到發(fā)電機組之間尾流的影響，發(fā)電機組之間的距離至少保證3倍的葉輪直徑，在主風(fēng)向上，風(fēng)電機組間的距離應(yīng)更大一些。一方面，考慮到風(fēng)電機組的尾流影響，應(yīng)該使風(fēng)電機組的距離越大越好:另一方面，土地使用和電網(wǎng)連接的限制又要求風(fēng)電機組間的距離