风力发电机设计与制造课程设计

1一．总体参数设计总体参数是设计风力发电机组总体结构和功能的基本参数，主要包括额定功率、发电机额定转速、风轮转速、设计寿命等。1.额定功率、设计寿命根据《设计任务书》选定额定功率Pr=3.5MW；一般风力机组设计寿命至少为20年，这里选20年设计寿命。2.切出风速、切入风速、额定风速切入风速取Vin=3m/s切出风速取Vout=25m/s额定风速Vr=12m/s（对于一般变桨距风力发电机组（选3.5MW）的额定风速与平均风速之比为1.70左右,Vr=1.70Vave=1.70×7.0≈12m/s）3.重要几何尺寸(1)风轮直径和扫掠面积由风力发电机组输出功率得叶片直径：mCVPDprr10495.096.095.045.012225.135000008833213其中：Pr——风力发电机组额定输出功率，取3.5MW；错误!未找到引用源。——空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m3；Vr——额定风速，取12m/s；D——风轮直径；1——传动系统效率，取0.95；2——发电机效率，取0.96；错误!未找到引用源。3——变流器效率，取0.95；Cp——额定功率下风能利用系数,取0.45。由直径计算可得扫掠面积：222848241044mDA错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。综上可得风轮直径D=104m，扫掠面积A=84822m24.功率曲线自然界风速的变化是随机的,符合马尔可夫过程的特征,下一时刻的风速和上一时刻的结果没什么可预测的规律。由于风速的这种特性,可以把风力发电机组的功率随风速的变化用如下的模型来表示：)()()(△tPtPtPstat)(tP——在真实湍流风作用下每一时刻产生的功率,它由t时刻的V(t)决定;)(tPstat——在给定时间段内V(t)的平均值所对应的功率；)(△tP——表示t时刻由于风湍流引起的功率波动。对功率曲线的绘制,主要在于对风速模型的处理。若假定上式表示的风模型中Pstat(t)的始终为零,即视风速为不随时间变化的稳定值,在切入风速到切出风速的范围内按照设定的风速步长,得到对应风速下的最佳叶尖速比和功率系数,带入式：3212381DVCPrP1——传动系统效率，取0.95；2——发电机效率，取0.96；错误!未找到引用源。3——变流器效率，取0.95；错误!未找到引用源。——空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m3；Vr——额定风速，取12m/s；D——风轮直径；Cp——额定功率下风能利用系数,取0.45。3由以上公式，使用excel计算出不同风速对应的功率值,见表1表1风速功率关系风速（m/s）34567891011功率（w）547441297632534444379526954521038109147809020275582698680风速（m/s）121314151617181920功率（w）350000035000003500000350000035000003500000350000035000003500000风速（m/s）2122232425功率（w）35000003500000350000035000003500000将得到的数据对绘制成静态风功率曲线，如图一图1P—v静态功率曲线45.风轮额定转速三叶片风力发电机组的风轮叶尖速比0一般在6至8之间，不同攻角下的风能利用系数随叶尖速比的变化曲线即CP0曲线如图。图CP0曲线由Cp0曲线可得出0=7.5，则风轮额定转速可由下式计算得到：min/5.16104125.76060300rDVnVRnrrrr6.叶片数现代风力发电机的实度比较小，一般需要1-3个叶片。选择风轮叶片数时考虑风电机组性能和载荷、风轮和传动成本、风力机气动噪声及景观影响等因素。3叶片较1、2叶片风轮有如下优点：平衡简单、动态载荷小。基本消除了系统的周期载荷，输出较稳定转矩；能提供较佳的效率；更加美观；噪声较小；5轮毂较简单等。综上所述，叶片数选择3。7、功率控制方式、制动系统形式功率控制方式选择主动变桨距控制；制动系统形式为第一制动采用气动刹车，第二制动采用高速轴机械刹车。8、风力机等级由IEC标准，如表2，选择风力机等级为IECIIIA。WTGS等级IIIIIIS)/(smvref5042.537.5设计值由设计者选定ArefI0.16BrefI0.14CrefI0.12表2风机等级规范表注：表中数据为轮毂高度处值，其中：A表示较高湍流特性级；参考风速Vref为10min平均风速；B表示中等湍流特性级；I15风速为15m/s时的湍流强度特性值。C表示较低湍流特性级；除表基本参数外，在风力发电机组设计中，还需要某些更重要的参数来规定外部条件。对风力发电机组IA～IIIC级，统称为风力发电机组的标准等级。阶段性总结表总体参数设计值总体参数设计值叶片数B=3风轮直径D=104m额定输出功率P=3.5MW轮毂高度Zhub=106.25m设计寿命20年风能利用系数Cp=0.45切入风速Vin=3m/s叶尖速比5.7切出风速Vout=25m/s功率控制方式主动变桨距控制额定风速Vr=12m/s制动形式气动刹车、机械刹车风轮额定转速nr=16.5r/min传动系统高传动比齿轮箱传动风力机等级IECIIIA电气系统双馈发电机+变流器6二．叶片设计1.叶片材料选择叶片选用T-700碳纤维，相比玻璃纤维，叶片密度较小，发电效率更高，密度为3/1800mkg。2.计算各剖面的叶尖速比将叶片分为20个叶素，每个叶素间隔0.05R，其中5%半径处叶片是筒状，10%-60%半径处采用钝后缘叶片，65%-100%半径处采用通用风电机组叶片翼型。叶片内圈采用钝后缘翼型，外圈采用63415翼型。根据下式求各叶素的叶尖速比。0rR叶素位置和叶尖速比数值见下表2：表2不同叶素位置的叶尖速比叶素位置/%5101520253035404550叶尖速比0.3750.7501.1251.5001.8752.2502.6253.0003.3753.750叶素位置/%556065707580859095100叶尖速比4.1254.5004.8755.2505.6256.0006.3756.7507.1257．5003.根据翼型确定叶片最佳攻角α，升力系数Cl，Cd风力机翼型为NACA63-415，图3图3NACA63-415翼型图计算雷诺数Re在20℃，压强为标准大气压101.325kPa时，空气的动力粘度6109.177761028.6109.175212225.1ieVLR根据所得雷诺数查得Cl/Cd、Cl/alpha，见图4图4Cl-Cd曲线和Cl-alpha曲线图5Cl/Cd——alpha图从图中可以得出翼型取得最大升阻比时，最佳攻角25.5，此时升力系数Cl=0.9461，Cd=0.00791，最佳升阻比7.118/dlCC,本次设计选取最佳攻角25.5错误!未找到引用源。，则升力系数和阻力系数分别为Cl=0.9461，Cd=0.00791。叶片每个截面的升力系数相同，为Cl=0.9461。4.叶片弦长计算步骤8通过下面的计算，可以得到沿叶片各径向位置r上的弦长C和叶素桨距角，即可完成叶片的初步设计，但要是想对叶片进一步优化，还需对翼型、叶根、叶尖风进行气动优化设计和工艺优化设计，在本次设计报告中，只对叶片作了初步设计。如下：（1）求利用公式3arctan31（2）求轴向干扰因子k利用公式cos12k（3）求切向干扰因子h利用公式2211kh(4）求入流角利用公式)11cot(kharc（5）求叶素桨距角（6）计算叶片弦长C)1(cos)1(8hBChrCl9叶片气动特性通过excel计算，得到叶片各个截面气动特性参数，如表3：表3叶片气动特性参数位置(%)半径r(m)叶尖速比λψkhφβC(修正)52.60.3751.1670.4202.6190.8080.7167.116105.20.751.2620.3801.5880.6180.5278.522157.81.1251.3290.3611.2990.4840.3937.9472010.41.51.3750.3511.1790.3920.3006.98525131.8751.4070.3461.1180.3270.2356.0863015.62.251.4310.3421.0840.2790.1875.3353518.22.6251.4490.3401.0620.2430.1514.7214020.831.4640.3391.0480.2150.1234.2214523.43.3751.4750.3371.0380.1920.1003.80950263.751.4840.3371.0310.1740.0823.4665528.64.1251.4920.3361.0260.1590.0673.1776031.24.51.4980.3361.0220.1460.0542.9306533.84.8751.5030.3351.0190.1350.0432.7187036.45.251.5080.3351.0160.1250.0342.53475395.6251.5120.3351.0140.1170.0262.3738041.661.5160.3351.0120.1100.0182.2308544.26.3751.5190.3351.0110.1040.0122.1049046.86.751.5220.3341.0100.0980.0061.9919549.47.1251.5240.3341.0090.0930.0011.889100527.51.5270.3341.0080.088-0.0031.7975.叶片根部载荷计算与材料选择叶片根部处理方式：距叶根0~5m处制作成直径为3m的圆柱结构处理，且根部采用金属法兰连接。见图610图6金属法兰连接表4增强材料力学性能根据表4材料选择为T700碳纤维，抗拉强度为4.9Gpa取papa991047.1109.43.0mMrTdm07.1)96.01(1047.13018600)912.34663860(32)1()(32349223422min取min1555.311.72121dmcd所以风轮根部直径选择3.6m11三.确定主要部件1．发电机发电机类型：双馈异步变速恒频发电机；额定功率：3.5MW；额定转速：1500r/min；发电机极对数为2，发电机主轴转矩T发电机主轴为：mNnPTr43210443.295.096.01500350095509550发电机主轴选择刚轴推荐最大扭剪应力：MPafs55则发电机的主轴直径D发电机为：mfTDs1313.0105.510443.222237432发电机主轴发电机取发电机主轴直径D为0.15m.2．变流器变流器功率通常为风力发电机组的1/2~1/3，为保证机组可靠性，通常为额定功率的1/2,所以变流器功率为1500kW。3．齿轮箱方式：行星齿轮传动两级NGW；低速轴转速：ln=16.5r/min12高速轴转速：hn=1500r/min传动比：i=90齿轮箱效率：983.095.0331齿轮箱功率：WPPrGB633121109.395.096.095.035000004．联轴器低速轴联轴器功率WPPrm62232109.3395.096.035000003195.0错误!未找到引用源。高速轴联轴器功率：WPPrt6321084.395.096.035000005．主轴低速轴角速度为