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

1、一.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(duì)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)輪直徑和掃掠面積由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率得葉片直

2、徑：I 8P/8 3500000,門，D *3 J3 104mY Vr Cp , 2 3 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;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;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：A綜上可得風(fēng)輪直徑D=104m,D2104228482 m44掃掠面積A=8482 m24. 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，

3、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(cè)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 用如下的模型來表示：P(t) Pstat(t) P 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；FStat (t)在給定時(shí)間段V(t)的平均值所對(duì)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(duì)功率曲線的繪制，主要在于對(duì)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)速為不隨時(shí)間變化的穩(wěn)定值，在切入風(fēng)速到切出風(fēng)速的圍按照設(shè)定的風(fēng)速步長(zhǎng) 得到對(duì)應(yīng)風(fēng)速下的最佳葉尖速比和功率系數(shù)，帶入式：1C P Vr3D8i 傳動(dòng)系統(tǒng)效率，

4、取0.95；2 發(fā)電機(jī)效率，取 0.96；3 變流器效率，取0.95；1.225kg/m3 ；空氣密度(一般取標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài))，取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(duì)應(yīng)的功率值,見表1表1風(fēng)速功率關(guān)系風(fēng)速（m/s）34567891011功率（w）547441297632534444379526954521038109147809020275582698680風(fēng)速（m/s）121314151617181920功率（w）35000003500000350000035000003500000350000035000

5、0035000003500000風(fēng)速（m/s）2122232425功率（w）35000003500000350000035000003500000將得到的數(shù)據(jù)對(duì)繪制成靜態(tài)風(fēng)功率曲線，如圖一P-V4000000鳳速（E/5 ） 功宰（W ）圖1P V靜態(tài)功率曲線5. 風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速隨葉尖速比的變化曲線即Cp 0曲線如圖圖 Cp 0曲線由Cp 0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:Rnr30Vr60 o Vr 60 7.5 12 一nr16.5r/minD1046. 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、

6、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(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)載荷小。基本消除了系統(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??；輪轂較簡(jiǎn)單等。綜上所述，葉片數(shù)選擇3。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)IIIIIISVref (m/ S)5042.537.5設(shè)計(jì)值由設(shè)計(jì)者選定AI ref0.16BI ref0.14CI ref0.12表2風(fēng)機(jī)等級(jí)規(guī)表注：表中數(shù)據(jù)為輪轂高度處值，其中：

7、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(duì)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

8、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。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/%510152025303540

9、4550葉尖速比0.3750.7501.1251.5001.8752.2502.6253.0003.3753.750葉素位置/%556065707580859095100葉尖速比4.1254.5004.8755.2505.6256.0006.3756.7507.1257. 5003. 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 10ReVL i1 .22512526.2810 7根據(jù)所得雷諾數(shù)查得Cl/Cd、Cl/alpha，見圖4C

10、UCdCl/alpha圖4 Ci-Cd曲線 和C卜alpha曲線Cl/Cd圖 5 Ci/Cdalpha 圖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)Ci=0.9461,Cd=0.00791,最佳升阻比Q/Cd 118.7,本次設(shè)計(jì)選取最佳攻角5.25，則升力系數(shù)和阻力系數(shù)分別為Ci=0.9461，Cd=0.00791。葉片每個(gè)截面的升力系數(shù)相同，為 Ci=0.9461。4葉片弦長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)葉片進(jìn)一步優(yōu)化，還需對(duì)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)

11、告中，只對(duì)葉片作了初步設(shè)計(jì)。如下：（1）求利用公式arctan3(2) 求軸向干擾因子k利用公式k1 cos(3) 求切向干擾因子h利用公式(4) 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(zhǎng)C8 r(h 1)cosBCi(h 1)表3：葉片氣動(dòng)特性通過excel計(jì)算，得到葉片各個(gè)截面氣動(dòng)特性參數(shù),位置(%)半徑r(m)葉尖速比入1kh03C修正)52.60.3751.1670.4202.6190.8080.7167.116105.20.751.2620.3801.5880.6180.5278.522157.81.1251.3290.3611.2990.4840.39

12、37.9472010.41.51.3750.3511.1790.3920.3006.98525131.8751.4070.3461.1180.3270.2356.0863015.62.251.4310.3421.0840.2790.1875.3353518.22.6251.4490.3401.0620.2430.1514.7214020.831.4640.3391.0480.2150.1234.2214523.43.3751.4750.3371.0380.1920.1003.80950263.751.4840.3371.0310.1740.0823.4665528.64.1251.4920.3

13、361.0260.1590.0673.1776031.24.51.4980.3361.0220.1460.0542.9306533.84.8751.5030.3351.0190.1350.0432.7187036.45.251.5080.3351.0160.1250.0342.53475395.6251.5120.3351.0140.1170.0262.3738041.661.5160.3351.0120.1100.0182.2308544.26.3751.5190.3351.0110.1040.0122.1049046.86.751.5220.3341.0100.0980.0061.9919

14、549.47.1251.5240.3341.0090.0930.0011.889100527.51.5270.3341.0080.088-0.0031.7975葉片根部載荷計(jì)算與材料選擇葉片根部處理方式：距葉根蘭連接。見圖60 5m處制作成直徑為3m的圓柱結(jié)構(gòu)處理，且根部采用金屬法増徹材料W拉強(qiáng)S n怙抗擅模丘/ GPtf"、品斷后還艮率E磚纖3-1 Oh752. 54$41020酸N 54S, 37700fiR纖ift490022Q伽2.趙高強(qiáng)聚乙壞纖繼34001070.9715經(jīng)玄武巖纖殊3000-48407S. 3 -S3. 12. H0a. 1根據(jù)表材料選擇為T700碳纖維，

15、抗拉強(qiáng)度為4.9Gpa90.3 4.9 10 pa 1.47 109pad min32. (T rm)2 M 2(1 V3 32(663860934.912)2 3018600 21.07 mV1 .47104(10.96 )-7.113.555m2dmin表4增強(qiáng)材料力學(xué)性能所以風(fēng)輪根部直徑選擇3.6m三.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 ；發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)為2,發(fā)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)矩T發(fā)電機(jī)主軸為：pr35004T發(fā)電機(jī)主軸 955-P 9550 2.443 104N mn 2 31500 0.96 0.95選擇剛軸推薦最大

16、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)232TL主軸3 2 2.443 1045.5 1070.1313m取發(fā)電機(jī)主軸直徑D為0.15m.2 .變流器1/2,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 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：ni =16.5r/mi n高速軸轉(zhuǎn)速：nh =1500r/mi n傳動(dòng)比：i = 903 0.950.983齒輪箱效率：齒輪箱功率：Pgb3500000Pr3.9 106W0.95 0.96 3 0.95低速軸聯(lián)軸器功率Pm高速軸聯(lián)軸器功率：5.

17、主軸低速軸角速度為：高速軸角速度為：低速軸功率為：P m高速軸功率為：低速軸轉(zhuǎn)矩為：高速軸轉(zhuǎn)矩為：Pt3500000低速軸直徑:33 12Pr2 m602 nht6020.96 0.95 3'0 95PtTmTt20.96 0.95 3 0.9535000000.96 0.95216.5603.9 106W3.84 106W1.727rad /s21500157 rad / s60350000063.9 10 W35000000.96 0.953.84 106W39000001.72738400001572258251.3N m24458.6N mD L22258251.3550000

18、000 .59 m高速軸直徑:Dh23'2i4；2 2.445 105.5 1070.1314m綜上可得，低速軸直徑取0.7m，高速軸直徑取0.18m6.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;偏航圍：800° 800°偏航角速度：0.6°/s偏航軸承：4點(diǎn)接觸球軸承；偏航驅(qū)動(dòng)：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(jiǎn)圖見圖7圖7偏航機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖8風(fēng)能利用系數(shù)與槳距角關(guān)系曲線變槳類型：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) 1

19、500r/mi n,電機(jī)功率：3 10kw變槳圍：090° （主要變槳圍0 30°）變槳速度：7°/s傳動(dòng)方式：齒形帶傳動(dòng) 變槳機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖見圖 990度限位開關(guān)圖9變槳機(jī)構(gòu)結(jié)連接器四. 風(fēng)機(jī)載荷計(jì)算葉片的密度，葉片部為空心梁結(jié)構(gòu)，查得碳纖維密度為1800kg/m3,取 900kg/m3；1 葉片載荷計(jì)算(1) 作用在葉片上的離心力Fc葉片繞風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，有離心力作用在葉片上。方向是自旋轉(zhuǎn)中心沿半徑想外。在半徑處，從葉片上取長(zhǎng)為dr的一個(gè)葉素，該葉素上的離心力為 dFc，則葉片上的離心力為:RFcA r drc y ro Y其中:風(fēng)輪角速度;ro葉片起始處旋轉(zhuǎn)半徑，約

20、為 R的1/20,即為1.75m；A 葉素處的葉片截面積；翼型為 NACA63-415,取0.1216.5 1.727rad/s60 60用matlab計(jì)算得： 巳 4139100N(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。Fv 2cdr2 R 2v r0(1 cot)(ClCosCDsin)其中:c葉素的弦長(zhǎng)，單位為m；來流角;設(shè)Fv作用點(diǎn)距葉輪軸的距離為rm，則有:2cot )(ClCosCd sin ) c rdrRr (1r 0Cd sin ) cdrr mR2r (1 cot )(ClCOSr 0用matlab計(jì)算得:Fv 494560N rm 34.9

21、12m(3) 作用在葉片上的氣動(dòng)力矩MbMb是使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩，可由下式求出1 2 R2Mb V (1 cot )(ClCOS Cd sin ) c rdr2 r oMb 195330N m(4) 作用在葉片上的陀螺力矩 Mk繞水平主軸轉(zhuǎn)動(dòng)Mk是風(fēng)輪對(duì)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 外，還以角速度 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：R2J y r0Arrdr其中：y 葉片的密度，為900kg/m3;Ar 葉素處的葉片截面積，根據(jù)翼型圖得 Ar 0.1 c 風(fēng)輪載荷計(jì)算1 1丁 k)，周向誘導(dǎo)因子b尹1);(k/h)，單位為m2 ；設(shè)科氏加速度為

22、：其中:慣性半徑，值為x J / m ；XrVr與w的夾角，Vr= 0 V ；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 m4(1)軸向誘導(dǎo)因子aMk J 3k 191680000N m則作用在風(fēng)輪上的軸向推力 T可表示為：2 R2 R2T 4 v ° a(1 a)rdr v o (1 k )rdr用matlab計(jì)算得：T 663860N m(2) 作用在整個(gè)風(fēng)輪上的轉(zhuǎn)矩 M可表示為：R3R3M 4 v0 b(1 a)r dr v 0 (h-1)(k 1)r dr用matlab計(jì)算得：M 3018600N m

23、階段性總結(jié)表葉片上離心力Fc4139100NFv作用點(diǎn)距軸心距離34.912m葉片轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)壓力Fv494560N氣動(dòng)力矩Mb195330m4轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J31994000m4慣性力矩Mk191680000風(fēng)輪軸向推力T663860風(fēng)輪上轉(zhuǎn)矩M3018600五. 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(duì) 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(duì)于風(fēng)輪直徑25m 以上的機(jī)組，輪轂中心高與風(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

24、中心的高度，用 Zhub 表示zhub zt H 2.25 90 92.25mzt 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

25、壁厚：從根部到頂部選用壁厚由 30-20mm 過渡；塔筒根部外徑： D1 = 6000mm；塔筒頂部外徑： d1 = 4000mm；塔筒根部徑：D2 = 5940m m塔筒頂部徑：d2= 3960mm；參照電氣風(fēng)電設(shè)備研發(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：（1）風(fēng)輪等構(gòu)件承受的空氣動(dòng)力載荷；（2）重力和慣性載荷：由

26、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；(3) 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) 下面只討論與塔架結(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(duì)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<

27、;=5.5m/s5.5m/s< Vave<7m/sVave>=7m/sVs =40m/sVs=50m/sVs=60m/s本次設(shè)計(jì)中，Vave=7.0m/s>7m/s,所以選取Vs=60m/s。(1)塔架的受力分析如下圖10：塔架受力10Fas(hl H)FtsW2(Gi G2)2 A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 ；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 ；H2 變截面塔架的長(zhǎng)度折減系數(shù)，可根據(jù)2 從圖11得到21一低碳鋼

28、2低介金制J圖112- 2關(guān)系曲線與塔架截面變化有關(guān)的折算長(zhǎng)度修正系數(shù)，可根據(jù)如之比由表6的選擇參考設(shè)J max計(jì)值，Jmh為塔架頂部截面慣性矩，單位為 m4, Jmax為塔架根部截面慣性矩，單位為 口4 ；J minJ max0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.651.451.331.241.181.141.101.061.031.00表6J min-天系表J max2塔架根部的截面慣性半徑，單位為J max m，； A2；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： 前聯(lián)的法捷耶夫公式：

29、Fas0.784AbV；B其中：Ab葉片的投影面積，單位m2。代，其中 為風(fēng)輪實(shí)度，風(fēng)輪實(shí)度與葉尖速比B有關(guān)，0=7.5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 Ct qAbB S其中：Ct推力系數(shù)，取Ct 1.5；q動(dòng)態(tài)風(fēng)壓,單位為N/m， q隨高度變化，風(fēng)輪中心高度Zhub=92.25m處對(duì)應(yīng)的q=1410N/m2。動(dòng)態(tài)系數(shù)，取=1.2；S安全系數(shù)，取S 1.5 ； 丹麥RIS公式FasRA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FtsFtsvS At2其中：空

30、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6 49022450m葉片的投影面積1042 0.054 32141.51m抗彎截面系數(shù)W2D：32DD1633245.940.8356塔架根部截面積D；625.94220.5623m塔架頂部截面慣性矩J mind244塔架根部截面慣性矩J max4j64diD2Di6464643.96440.495m5.9462.506m4 £ 竺4 0.197 Jmax0.970查表6得 =1.45，IJ max2.506:0.5

31、6032.114,則1.45 902.11461.73，材料為低合金鋼，根據(jù)圖5得變截面塔架的長(zhǎng)度折減系數(shù)2=0.75G2=2000000N機(jī)組的總重量為G1=2200000N，塔架的總重量為as1聯(lián)的法捷耶夫公式：Fas! 0.784 AbV；B 0.784 141.51 602 3 1198193N荷蘭 ECN 的公式：Fas CtqRB S 1.5 1410 141.51 3 1.2 1.5 16161857N丹麥 RIS 公式：FasP1Ad 300 5222547168N選取丹麥RIS公式得出的Fas= 2547.168KN塔架氣動(dòng)推力：Fts1 2 .Vs At1 21.225 6

32、00.7396611226N22代入計(jì)算得：F as (hlH ) F tsH(G1 G2)2547168 92.2590611226 -2000000) 324MPa0.562322 (2200000W22 A20.8350.75強(qiáng)度校核：s 460MPa 324MPa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

33、/s功率控制方式主動(dòng)變槳距控制額定風(fēng)速Vr=l2m/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=70m2 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1500r/min齒輪

34、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)量偏航電機(jī)功率6 3KW葉片載荷離心力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主軸載何低速軸轉(zhuǎn)矩2258251.3N m咼速軸轉(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Fas=2547168N作用在在塔架上風(fēng)壓力Fts=611226N塔架根部截面應(yīng)力325MPa3 其余部分設(shè)計(jì)總結(jié)整機(jī)部分設(shè)計(jì)

35、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PLC+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。感老師在我們?cè)O(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。

36、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。再次感老師的 指導(dǎo)與幫助?？傊?，在這次風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了很多，對(duì)風(fēng)機(jī)外部以及部結(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clcclearD=ceil(sqrt(8*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*atan(b)+pi/3;k=sqrt(b.A2+1).*cos(psi );h=sqrt(1-k.A2)./b.A2+1);I=atan(1+k)./(1+h)./b);beta=I*180/pi-5.25;C=8*pi*a.*(D/2).*(h-1).*cos(I)/3/0.9461./(h+1)R=D/2;r=a*R;omega=lambda*12/