风力发电机组设计与制造_课程设计.doc

课程设计(综合实验)报告( 2011 - 2012年度第 2 学期)名 称： 风力发电机组设计与制造 题 目： 风力发电机组设计与制造 院 系： 可再生能源学院 班 级： 风能0903 学 号： 1091540307 学生姓名： 陈硕 指导教师： 田德 、 王永 设计周数： 2周 成 绩： 日期：2012 年 6 月 一 设计任务要求1. 设计内容风电机组总体技术设计2. 目的与任务1.2.1.2.2.1. 主要目的以大型水平轴风力机为研究对象，掌握系统的总体设计方法；熟悉相关的工程设计软件；掌握科研报告的撰写方法。2.2. 主要任务：以大型水平轴风力机为研究对象，掌握系统的总体设计方法；熟悉相关的工程设计软件；掌握科研报告的撰写方法。每位同学独立完成风电机组总体技术设计，包括：1. 确定风电机组的总体技术参数；2. 关键零部件（齿轮箱、发电机和变流器）技术参数；3. 计算关键零部件（叶片、风轮、主轴、连轴器和塔架等）载荷和技术参数；4. 完成叶片设计任务；5. 确定塔架的设计方案。每人撰写一份课程设计报告。二 设计正文1. 原始参数风力机的安装场地50米高度年平均风速为7.0m/s，60米高度年平均风速为7.3m/s，70米高度年平均风速为7.6 m/s，当地历史最大风速为48m/s，用户希望安装1.5 mw至6mw之间的风力机。采用63418翼型，63418翼型的升力系数、阻力系数数据如表1所示。空气密度设定为1.225kg/m3。表1 63418翼型的升力系数、阻力系数数据2. 确定整机设计的技术参数2.1. 额定功率pr：3mw2.2. 设计寿命：20年2.3. 叶片数b： 3一般来说，要得到很大的输出扭矩就需要较大的叶片实度，现代风力发电机组实度较小，一般只需要13个叶片。3叶轮的平衡简单，动态载荷小，通常能提供较佳的效率，而且噪声小，从审美的角度也比较令人满意。综上所述，叶片数选择3。2.4. 切入风速vin：3m/s切出风速vout：25m/s额定风速vr：vr = 1.70 vave =1.70*7.6 = 12.9m/s2.5. 叶尖速比叶尖速比是风轮的叶尖线速度的与额定风速之比= rvr式中， 风轮角速度r 风轮半径对于三叶片的风机，叶尖速比选在68的范围内，风电机组具有较高的风能利用系数。由于风力发电机组产生的气动噪声正比于5，通常将陆基风力发电机组的叶尖速度限制在65m/s左右，近海74m/s。本设计取=6.5。不同攻角下的风能利用系数随叶尖速比的变化曲线即cp-曲线如图1，由cp-曲线可得出此时cp = 0.35。图1不同攻角下的cp -曲线1.2.2.1.2.2.2.3.2.4.2.5.2.6. 风轮直径 d=8prvr3cp12=8*3*1061.225*12.93*0.35*0.96*0.97=94m 式中，pr 风力机额定功率，设计值为2mw （标准大气压）空气密度，取1.225 kg/m3vr 额定风速，取12.9 m/s1 - 传动系统效率，取0.962 - 发电机效率，取0.97cp 额定功率下风能利用系数，取0.35则叶片长度取47m风轮扫掠面积: s=d24=*9424=6940m22.7. 塔架高度由于风速与距地面高度有关，增高塔架可使风轮获取更多风能，但制造更高的塔架就需要更多的材料，成本也会增加。大型机组塔架高度h可按下式初步确定：h = （0.81.3）d式中，d风轮直径另外，塔架高度选择与地形与地貌有关，考虑地貌因数的塔架最低设计高度一般可按下式估算：h = h+c+r式中，h 机组附近障碍物的高度c 障碍物最高点到风轮扫掠面最低点的距离（最小去1.52.0m）综合以上因素，取塔架高度h = 80m2.8. 轮毂高度zhub = zt + zj = 90m式中，zj 塔架高度zt 塔顶平面到风轮扫掠面中心的高度25m直径以上的风轮，其轮毂中心高与风轮直径的比基本为1:1。2.9. 确定风轮转速风力发电机组产生的气动噪声正比于叶尖速度的5次方，通常将陆上风力发电机组的叶尖速度限制在80m/s以下，但此处由于设计要求较高的风轮利用系数，因此机组运转过程中会产生较大的噪声。根据叶尖速比公式= 2nrvrn= vr2r=6.5*12.9*602*47=17 rpm2.10. 功率曲线、cp曲线、ct曲线的确定风电机组的设计需给出功率输出特性曲线。如果确定了风电机组的切入风速、切出风速和额定风速，可以用下式计算输出功率pw，pw = prv-vinvr-vin vinvvrpr vrvvout 0 vvr其中，为威布尔分布形状参数，17m/s,所以取vs = 60m/s. 前苏联的法捷耶夫公式式中，ab-叶片的投影面积(m2)vs-风轮中心处的暴风风速(m/s)叶片投影面积：ab= ab式中，-风轮实度风轮实度与叶尖速比有关， = 6.5时，近似认为 = 0.05.用matlab计算得出：fas1 = 1000.3 kn 荷兰ecn的公式式中，ct-推力系数，取ct =1.5q-动态风压(n/m2)-动态系数，取 = 1.2s-安全系数，取s =1.5q随高度变化，风轮中心高度h=90m处对应的q = 1390(n/m2)用matlab计算得出：fas2 = 3990.3 kn 德国dfvlr公式式中，ct-推力系数，取ct = 2.2用matlab计算得出：fas3=5157.7 kn 丹麦ris公式式中，p1-风轮单位扫掠面积上的平均风压，通常取p1 = 300(n/m2)as-风轮的扫掠面积用matlab计算得出：fas4=2126.5 knn 欧美国家塔架静态强度设计的一般载荷条件风载条件：风速65m/s，（2s，平均）风轮停转，叶片顺桨，风向沿机舱横向作用在塔架上。正常运行工况条件的地震载荷：考虑额定风速时产生的风轮最大轴向力，同时根据均匀建筑物由地震产生的水平载荷因子，将其产生的惯性力附加在风轮轴向推力。机组的最大运行载荷：一般为额定风速正常运行载荷的2倍。n 确定塔架设计载荷的要求设计载荷需要正确的分析塔架承受的各种载荷及其作用，大致可分为三种类型设计载荷。最大极限载荷：指塔架可能承受的最大载荷疲劳载荷：指塔架构件能够承受交变载荷次数的能力共振激励载荷：塔架结构系统的共振响应3.4.5. 联轴器载荷计算联轴器承受的载荷主要是转矩n 低速轴联轴器载荷 tm=9550 pmnm=9550* 3301.7917=1854829.1 nmn 高速轴联轴器载荷 tt=9550 ptnt=9550* 3255.561500=20536.1 nm4. 塔架叶根应力截面计算塔架通常采用等强度变截面的设计，危险截面一般位于塔架根部。塔筒根部的结构强度分析是塔架整体结构尺寸的基本设计依据，以下只讨论一种分析方法：考虑塔架高度折减系数的强度计算。图15 塔架的受力分析塔架根部截面应力可表示为：式中，fas -考虑3.4.4中计算最大值，即fas = 5157.7 knfts -塔架受的风压力，fts=12v2a=12*1.225*482*4+6*802=564.48 kn h-塔架高度，即h=80m，h1-风轮半径的1/20，h1 = 47/20 = 2.35mw-塔架根部抗弯截面模数，单位cm3，w= d31-dd432= *63*1-6-0.03*26432=0.836 m3a-塔架根部截面积，单位cm2， a= d2-d24=62-6-0.0624= 0.563 m2g1-塔顶的重量，本机组塔顶重为200吨，g1 = 10*200*1000 =2000 kng2-塔筒的重量，本机组塔顶重为180吨，g2 = 10*180*1000 =1800 kn-是变截面塔架的长度折减系数，可根据图16来确定图16 变截面塔架的长度折减系数= hr2式中，-与塔架截面变化有关的折算长度修正系数，可根据 jminjmax 之比取书中p141表6-6的参考设计值jmin-塔架顶部截面惯性矩，单位cm4，jmin= d41-464=*54*1-2.5-0.0122.5464= 0.585m4jmax-塔架底部截面惯性矩，单位cm4， jmax= d41-464=*64*1-3-0.033464= 2.507m4故 jminjmax= 0.5852.507=0.233 ，此处 = 1.4r2-塔架根部截面的惯性半径，r2 = jmaxa=2.5070.563=2.11m 由以上可计算得= 1.4*802.11=53.08 所以取0.85根据以上参数，可以确定，= 543mp三 参考文献1 姚兴佳、田德 风力发电机组设计与制造 华北电力大学校内试用教材（第二版）.2 徐太平等著 风力发电原理3 华北电力大学力学研究组 材料力学 华北电力大学校内讲义 4 贺德馨等著 风力机空气动力学 华北电力大学校内试用教材四 附录matlab程序：叶片优化设计及叶片载荷计算matlab程序clccleard=ceil(sqrt(8*3e6/0.96/0.97/0.35/pi/1.225/(12.93);lambda=6.5;n=lambda*60*12.9/pi/d;a=0.05:0.1:1;b=lambda*a;psi=1/3*atan(b)+pi/3;k=sqrt(b.2+1).*cos(psi);h=sqrt(1-k.2)./b.2+1);i=atan(1-k)./(1+h)./b);theta=i*180/pi-9;c=8*pi*a.*(d-3)/2).*(h-1).*cos(i)/3/1.225./(h+1);r=d/2;r=a*(d-3)/2+1.5;omega=lambda*12.9/r;y1=r.*c*3.3;fc=1.8e3*omega2*trapz(r,y1)cl=1.225;cd=0.015;y=c*cd;fv1=1/2*1.225*12.92*trapz(r,y)y=y.*r;rm1=trapz(r,y)./trapz(r,y)y2=(1+(1./tan(i).2).*(cl*cos(i)+cd*sin(i).*c;fv2=1/2*1.225*12.92*trapz(r,y2)y3=y2.*r;rm2=trapz(r,y3)./trapz(r,y2)x=(1+(1./tan(i).2).*(cl*sin(i)-cd*cos(i).*c.*r;mb=1/2*1.225*12.92*trapz(r,x)x=3.3*c.*r.2;j=1.8e3*trapz(r,x);epsilon=2*0.01*lambda*12.9/r;mk=j*epsilonr1=0,r;a1=0.00001,a;b1=lambda*a1;psi1=1/3*atan(b1)+pi/3;k1=sqrt(b1.2+1).*cos(psi1);y4=(1-k