第三次课设设计报告

课程设计用纸教师批阅-1-摘要本文针对现代大型水平轴风力机结构和运行特点、结合外部环境和相关标准，对风力发电机组设计进行了相关研究。本次设计以2.5MW的风力发电机组为设计对象，应用MATLAB软件对相关数值进行计算与校正。这次设计主要包括课程设计的意义、设计原始资料与参数、风电机组总体设计、载荷计算与分析、叶片气动参数设计以及发电机的选择。第一章我们对风电场设计意义进行了阐述；第二章则是通过对相关设计资料以及参数进行整理分析。第三章，我们通过对风电场进行整体设计，具体包括整体参数设计以及整体布局设计。确定了风力发电机组的设计等级、相关参数以及整体的布局形式。第四章，我们对载荷进行了计算，主要包括叶片载荷计算、风轮载荷计算、主轴载荷计算以及塔架载荷计算。第五章，我们进行的叶片气动设计。通过前面所选择的叶片翼型，对叶片进行气动外形设计、性能计算；并且通过MATLAB程序对叶片的气动设计进行计算分析。第六章是发电机的选择。这通过我们先前的计算分析，并结合实际情况，我们选择了2.7MW的交流双馈式异步发电机，并对主轴和传动链进行了相关计算。关键词：风电机组、设计、MATLAB课程设计用纸教师批阅-2-AbstractTheformodernlarge-scalehorizontalaxiswindturbinestructureandoperatingcharacteristics,combinedwiththeexternalenvironmentandrelevantstandards,onthedesignofwindturbinewererelatedresearch.Thedesignofthewindturbine2.5MWasthedesignobject,thenumericalcalculationandcorrectionusingMATLABsoftware.Thisdesignmainlyincludesthemeaningofcurriculumdesign,originaldataandparameterdesign,windpowerunitoveralldesign,loadcalculationandanalysis,leafgasdynamicparametersdesignandtheselectionofgenerator.Thefirstchapterwesignificancetothewindfarmdesignisdiscussedinthispaper;thesecondchapteristhroughanalyzingandarrangingtherelateddesigndataandparameters.Thethirdchapter,webasedonthewindfarmtotheoveralldesign,includingoveralldesignparametersandoveralllayoutdesign.Determinethedesignlevel,therelatedparametersandtheoveralllayoutofthewindturbine.Thefourthchapter,weontheloadwerecalculatedincludingbladeloadcalculation,windwheelloadcalculation,spindleloadcalculationandtheloadoftowercalculation.Thefifthchapter,wecarryouttheaerodynamicdesignoftheblade.Throughthefrontofthebladeairfoil,onleafgasaerodynamicshapedesign,performancecalculation;andthroughthematlabprogramonleafgasdynamicdesigncalculationandanalysis.Thesixthchapteristhechoiceofgenerators.Thisthroughourpreviouscalculationanalysis,andcombinedwiththeactualsituation,wechoosethe2.7mwACdoublefedinductiongenerator,andtherelevantcalculationofthespindleanddrivechain.Keywords:windturbine,design,MATLAB课程设计用纸教师批阅-3-目录一、课程设计的意义……………………………………………………………………………………………4二、设计原始资料与参数……………………………………………………………………….……….41、风资源条件…………………………………………………………………………………………….….…42、风电场业主要求………………………………………………....…………………………………..…43、风电机组初始参数选择……………………………………………………....…………………..……4三、风电机组总体设计……………………………………………………………………………...……61、总体参数设计………………………………………………………………………………………………62、总体布局设计....................................................................................................8四、载荷计算与分析……………………………………………………………………………………..…….101、叶片载荷计算………………………………………………………………………………………….…...102、风轮载荷计算...................................................................................................123、主轴载荷计算...................................................................................................134、塔架载荷计算...................................................................................................14五、叶片气动参数设计…………………………………………………………………………………..…...171、初步气动外形设计..............................................................................................172、叶片性能计算与设计修正..................................................................................17六、发电机参数选择…………………………………………………………………………………………....19七、参考文献……………………………………………………………………………………………………..…23八体会……………………………………………………….…………………………………………….....…………22九、附录（设计程序）………………………………....................…………………………………………23课程设计用纸教师批阅-4-1、课程设计的意义本课程设计是在学生完成《风电机组设计与制造》专业课程学习之后开展的，它是对专业理论知识的深化和实践。通过本课程设计能够使学生初步掌握风电机组设计的一般方法与思想，并且培养学生查阅文献资料、操作相关软件的能力，以及理论联系实际的学风。以大型水平轴风电机组为研究对象，掌握其总体设计方法（总体参数，总体布局等），以及风电机组几种主要子系统和部件的设计方法，学会风电机组主要承载部件的载荷计算方法，能够确定风电机组主要部件的功率，熟悉相关软件的使用。2、设计原始资料与参数2.1、风资源条件风电机组安装场地60米高度处年平均风速为7.2m/s，70米高度处年平均风速为7.6m/s，80米高度处年平均风速为8.0m/s，当地有气象记录以来最大风速为45m/s，风场所在地最热月7月平均气温为30oC，最冷月1月平均气温为-5oC。用户希望在此风场安装额定功率Pe为1MW至3MW之间的水平轴、上风向、3叶片风力机。设计的风电机组需且只分别考虑传动系统的效率为η1=0.92，发电机系统的效率η2=0.95。空气密度取1.225kg/m3。2.2、风电场业主要求用户希望在此风场安装额定功率Pe为1MW至3MW之间的水平轴、上风向、3叶片风力机，本次设计采用额定功率Pe为2.5MW的风电机组。2.3、风电机组初始参数选择本组所以选择翼型NACA64-012A。该翼型的最低压力点靠后，增加了课程设计用纸教师批阅-5-层流附面层的长度，降低了翼型的摩擦阻力，从而使翼型气动性能比较良好。故本组选择NACA64-012A翼型。Maxthickness11.99%at40.0%ofthechordMaxcamber0.00%at0.0%ofthechord图1NACA63-420的主要参数在Profili中计算，分别进行计算，在Profili中得出LC、DC曲线如图2和图3所示。图2NACA64-012A的LC、DC曲线课程设计用纸教师批阅-6-图3NACA64-012A的LC/DC和mC曲线由上图可知，当攻角=4°时，升阻比最大，此时LC=0.4，DC=0.008；因此本次设计取，此时LC=0.4，DC=0.008。运行MATLAB程序zongticanshu(2.5，1.225，12，0.92，0.95，0)，得到机组的风能利用系数pC为0.48，叶尖速比为8.1，风轮转速为21.9255rpm，风轮直径约为84.6678m，本设计中取风轮直径为85m，叶尖速比为8。（运行程序时，设置安装角为0°）3、风电机组总体设计3.1.总体参数设计3.11机组设计等级的确定由于当地气象记录以来最大风速为50m/s，根据标准IEC61400-1[2]（如下表），确定风力机等级为IEC-I-A级。课程设计用纸教师批阅-7-表1各等级风电机组的基本参数风电机组级别Srefν/（m/s）5042.537.5由设计者确定参数ArefI0.16BrefI0.14CrefI0.123.12安装角的选择本设计中，根据设计经验和所用的软件可取安装角为0°。3.13额定功率根据本次的设计任务书，设计机组的额定功率为2.5MW。3.14设计寿命一般大型风电机组设计寿命至少为20年，这里选20年设计寿命。3.15轮毂和塔架高度根据设计经验，对于风轮直径大于25m以上的机组，其轮毂的中心高度与风轮直径的比基本为1:1，根据MATLAB程序zongticanshu(2.5，1.225，12，0.92，0.95，0)的运行结果，取风轮直径约为85m，故本设计中的机组轮毂高度设计为85m。根据经验，塔架顶部到轮毂中心的高度差一般为2m，故本设计中取塔架设计高度为83m。3.16设计风速额定风速一般取为风场平均风速的1.5~1.7倍左右，切入风速一般取为额定风速的0.5倍左右，切出风速一般不超过额定风速的2.5倍。根据已有的不同高度的风速参数，拟合得到风场的风速随高度变化的规律为0.0053hν=5.2512em/s根据轮毂高度，计算得到轮毂高度处的平均风速为8m/s，故机组的额定风速设