風力發(fā)電機組與制造 課程

1、. 課程設(shè)計(綜合實驗)報告( 2011 - 2012年度第 2 學期)名 稱： 風力發(fā)電機組設(shè)計與制造 題 目： 風力發(fā)電機組設(shè)計與制造 院 系： 可再生能源學院 班 級： 風能0903 學 號： 1091540307 學生姓名： 陳碩 指導教師： 田德 、 王永 設(shè)計周數(shù)： 2周 成 績： 日期：2012 年 6 月 一 設(shè)計任務(wù)要求1. 設(shè)計內(nèi)容風電機組總體技術(shù)設(shè)計2. 目的與任務(wù)1.2.1.2.2.1. 主要目的以大型水平軸風力機為研究對象，掌握系統(tǒng)的總體設(shè)計方法；熟悉相關(guān)的工程設(shè)計軟件；掌握科研報告的撰寫方法。2.2. 主要任務(wù)：以大型水平軸風力機為研究對象，掌握系統(tǒng)的總體設(shè)計方法；

2、熟悉相關(guān)的工程設(shè)計軟件；掌握科研報告的撰寫方法。每位同學獨立完成風電機組總體技術(shù)設(shè)計，包括：1. 確定風電機組的總體技術(shù)參數(shù)；2. 關(guān)鍵零部件（齒輪箱、發(fā)電機和變流器）技術(shù)參數(shù)；3. 計算關(guān)鍵零部件（葉片、風輪、主軸、連軸器和塔架等）載荷和技術(shù)參數(shù)；4. 完成葉片設(shè)計任務(wù)；5. 確定塔架的設(shè)計方案。每人撰寫一份課程設(shè)計報告。二 設(shè)計正文1. 原始參數(shù)風力機的安裝場地50米高度年平均風速為7.0m/s，60米高度年平均風速為7.3m/s，70米高度年平均風速為7.6 m/s，當?shù)貧v史最大風速為48m/s，用戶希望安裝1.5 MW至6MW之間的風力機。采用63418翼型，63418翼型的升力系數(shù)、

3、阻力系數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示?？諝饷芏仍O(shè)定為1.225kg/m3。表1 63418翼型的升力系數(shù)、阻力系數(shù)數(shù)據(jù)2. 確定整機設(shè)計的技術(shù)參數(shù)2.1. 額定功率Pr：3MW2.2. 設(shè)計壽命：20年2.3. 葉片數(shù)B： 3一般來說，要得到很大的輸出扭矩就需要較大的葉片實度，現(xiàn)代風力發(fā)電機組實度較小，一般只需要13個葉片。3葉輪的平衡簡單，動態(tài)載荷小，通常能提供較佳的效率，而且噪聲小，從審美的角度也比較令人滿意。綜上所述，葉片數(shù)選擇3。2.4. 切入風速vin：3m/s切出風速vout：25m/s額定風速vr：vr = 1.70 vave =1.70*7.6 = 12.9m/s2.5. 葉尖速比葉尖速比是

4、風輪的葉尖線速度的與額定風速之比式中， 風輪角速度R 風輪半徑對于三葉片的風機，葉尖速比選在68的范圍內(nèi)，風電機組具有較高的風能利用系數(shù)。由于風力發(fā)電機組產(chǎn)生的氣動噪聲正比于5，通常將陸基風力發(fā)電機組的葉尖速度限制在65m/s左右，近海74m/s。本設(shè)計取=6.5。不同攻角下的風能利用系數(shù)隨葉尖速比的變化曲線即Cp-曲線如圖1，由Cp-曲線可得出此時Cp = 0.35。圖1不同攻角下的Cp -曲線1.2.2.1.2.2.2.3.2.4.2.5.2.6. 風輪直徑 式中，Pr 風力機額定功率，設(shè)計值為2MW （標準大氣壓）空氣密度，取1.225 kg/m3Vr 額定風速，取12.9 m/s -

5、傳動系統(tǒng)效率，取0.96 - 發(fā)電機效率，取0.97Cp 額定功率下風能利用系數(shù)，取0.35則葉片長度取47m風輪掃掠面積: 2.7. 塔架高度由于風速與距地面高度有關(guān)，增高塔架可使風輪獲取更多風能，但制造更高的塔架就需要更多的材料，成本也會增加。大型機組塔架高度H可按下式初步確定：H = （0.81.3）D式中，D風輪直徑另外，塔架高度選擇與地形與地貌有關(guān)，考慮地貌因數(shù)的塔架最低設(shè)計高度一般可按下式估算：H = h+C+R式中，h 機組附近障礙物的高度C 障礙物最高點到風輪掃掠面最低點的距離（最小去1.52.0m）綜合以上因素，取塔架高度H = 80m2.8. 輪轂高度zhub = zt +

6、 zj = 90m式中，zj 塔架高度zt 塔頂平面到風輪掃掠面中心的高度25m直徑以上的風輪，其輪轂中心高與風輪直徑的比基本為1:1。2.9. 確定風輪轉(zhuǎn)速風力發(fā)電機組產(chǎn)生的氣動噪聲正比于葉尖速度的5次方，通常將陸上風力發(fā)電機組的葉尖速度限制在80m/s以下，但此處由于設(shè)計要求較高的風輪利用系數(shù)，因此機組運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生較大的噪聲。根據(jù)葉尖速比公式2.10. 功率曲線、Cp曲線、Ct曲線的確定風電機組的設(shè)計需給出功率輸出特性曲線。如果確定了風電機組的切入風速、切出風速和額定風速，可以用下式計算輸出功率Pw，Pw = 其中，為威布爾分布形狀參數(shù)，1<< 3，此出取=2風能利用系數(shù)C

7、p計算公式如下，推力系數(shù)CT計算公式如下，在excel中利用以上計算公式進行函數(shù)運算，可得出下列參數(shù)數(shù)值，如表2所示表2 額定功率、輸出功率、風能利用系數(shù)、推力系數(shù)與風速關(guān)系根據(jù)參數(shù)可以利用excel生成圖2-4的關(guān)系曲線圖2 Pw-v關(guān)系曲線圖3 Cp-v 關(guān)系曲線圖4 CT-v曲線2.11. 控制方式：變速恒頻主動變槳距控制2.12. 制動系統(tǒng)類型：空氣動力制動和機械制動（液壓剎車系統(tǒng)和變槳距系統(tǒng)）2.13. 偏航系統(tǒng)：三臺電動機內(nèi)驅(qū)動式偏航系統(tǒng)2.14. 風力機等級：級3. 關(guān)鍵部件氣動載荷計算1.2.3.3.1. 氣動特性初步計算3.1.1. 確定攻角與升力系數(shù)、阻力系數(shù)的關(guān)系根據(jù)原始

8、數(shù)據(jù)中提供的63418翼型的升力系數(shù)、阻力系數(shù)，可得出攻角與升力系數(shù)Cl、阻力系數(shù)Cd的關(guān)系曲線，如圖5-7所示圖5 攻角與升力系數(shù)關(guān)系曲線圖6 攻角與阻力系數(shù)關(guān)系曲線圖7 攻角與升阻比關(guān)系曲線表3給出了升阻比與攻角的數(shù)值關(guān)系表3 升阻比與攻角數(shù)值關(guān)系結(jié)合圖7和表1、表3可以看出，攻角約等于9度時，升力系數(shù)為最大升力系數(shù)1.395的0.9倍，約為1.225，此時阻力系數(shù)為0.015，且擁有較大的升阻比82.93。因此取最佳攻角= 9°。3.1.2. 葉片氣動優(yōu)化設(shè)計在葉片處選取10段截面，將葉片分為10個葉素，每個葉素間隔0.1R,分別在10%，20%，30%， 40%，50%，60

9、%，70%，80%，90%，100%半徑處，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)值見表4表4 不同葉素位置葉尖速比數(shù)值計算各刨面弦長公式如下求利用公式：求軸向干擾因子k利用公式：求切向干擾因子h利用公式：求入流角利用公式：求葉素槳距角：計算葉片弦長C：通過excel或matlab計算出各截面處的參數(shù)，見下表表5 各截面參數(shù)3.2. 主要部件的功率3.2.1. 發(fā)電機發(fā)電機類型：雙饋異步變速恒頻發(fā)電機額定功率： 額定轉(zhuǎn)速：發(fā)電機功率與風力發(fā)電機的額定功率相等，即為1500kW，發(fā)電機的極對數(shù)選2對，則可計算出發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速為nG = 1500r/min。3.2.2. 齒輪箱圖8 齒

10、輪箱結(jié)構(gòu)傳動形式：齒輪箱選用2級行星輪+1級平行軸齒輪齒輪箱效率：= 傳動比：低速軸轉(zhuǎn)速：17 r/min高速軸轉(zhuǎn)速：1500 r/min齒輪箱功率：考慮到齒輪箱的效率，近似計算齒輪箱功率3.2.3. 聯(lián)軸器低速軸聯(lián)軸器功率：高速軸聯(lián)軸器功率：3.2.4. 變流器由于采用的是雙饋式發(fā)電機組，所以只需要確定和轉(zhuǎn)子連接的變流器功率，對于雙饋機組，變流器功率一般取機組額定功率的1/31/2，考慮到機組的可靠性，此處去變流器功率為額定功率的1/2,變流器額定功率為1500kw。3.2.5. 偏航執(zhí)行機構(gòu)偏航形式選擇：采用變槳電機機械變槳，并采用外齒偏航軸承形式 偏航驅(qū)動裝置設(shè)計：包括驅(qū)動電機、減速器、

11、傳動齒輪、齒輪間隙調(diào)整機構(gòu)n 驅(qū)動電機功率：一般由最大偏航扭矩確定，本設(shè)計采用四臺3kW偏航電機n 驅(qū)動裝置減速器結(jié)構(gòu)形式：采用行星減速器n 傳動齒輪結(jié)構(gòu)形式：采用漸開線圓柱齒輪偏航技術(shù)要求：要求有解纜保護裝置；大型風力發(fā)電機組偏航轉(zhuǎn)速不可過高，對于此機組，設(shè)計偏航轉(zhuǎn)速為= 0.75°/s，保證偏航液壓系統(tǒng)正常工作是不能漏油；安裝偏航計數(shù)器。圖9 偏航執(zhí)行機構(gòu)3.2.6. 變槳距執(zhí)行機構(gòu)變槳形式選擇：采用變槳電機機械變槳，并采用內(nèi)齒變槳軸承形式變槳驅(qū)動裝置設(shè)計：包括驅(qū)動電機、減速器、傳動齒輪、齒輪間隙調(diào)整機構(gòu)n 驅(qū)動電機功率選擇：P偏航電機 = 5kwn 驅(qū)動裝置減速器結(jié)構(gòu)形式：采用

12、行星減速器n 傳動齒輪結(jié)構(gòu)形式：采用漸開線圓柱齒輪變槳性能設(shè)計要求：n 保證變槳速度1°/s，并裝上變槳圈數(shù)計數(shù)器裝置；n 確保變槳在斷電時的正常工作，采用可充電蓄電池；n 選擇液壓剎車鉗形式保證變槳剎車時的穩(wěn)定，制動過程15°/s 。圖10 電動變距機構(gòu)3.3. 風電機組的布局本設(shè)計風電機組為雙饋型風力發(fā)電機組，現(xiàn)在其總體布置多為一字型結(jié)構(gòu)，一般為圖11所示的偏置一字型布置圖11 風電機組總體布置圖12 風電機組整體外觀圖圖13 機艙示意圖圖14 機艙主要零部件名稱3.4. 主要部件的載荷3.4.1. 葉片載荷計算n 作用在葉片上的離心力Fc：式中，r0 - 葉片起始處的

13、旋轉(zhuǎn)半徑,約為R的1/20，為2.35m-葉片的密度，本設(shè)計為530 kg/m3 - 風輪角速度，Ar葉素處葉片截面積，Ar = Cdr用matlab計算得出：Fc = 55216kNn 作用在葉片上的風壓力FvØ 葉輪靜止時的風壓力：式中，-空氣密度，為1.225 kg/m3v-額定風速，為12.9m/sC-葉素的弦長Cd-阻力系數(shù)用matlab計算得出：Fv1 =242.22NØ 葉輪靜止時作用點距風輪軸距離:用matlab計算得出：rm1 = 18.83mØ 葉輪轉(zhuǎn)動時的風壓力：式中，I-安裝角Cl-升力系數(shù)Cd-阻力系數(shù)用matlab計算得出：Fv2 =1

14、648.3kNØ 葉輪轉(zhuǎn)動時作用點距風輪軸距離式中，I-入流角l-葉素處的弦長，即為Cr-葉素半徑用matlab計算得出：rm2 =30.71mn 作用在葉片上的氣動力矩Mb用matlab計算得出：Mb =3370.8kN·mn 作用在葉片上的陀螺力矩MkØ 整個葉片的轉(zhuǎn)動慣量為：式中，F(xiàn)-葉素處的截面積，即ArØ 柯氏加速度：，式中，-慣性半徑-偏航角速度，本設(shè)計取0.01rad/s-切向速度與偏航角速度的夾角，=90°時ak最大柯氏角加速度：Ø 陀螺力矩Mk = I=90°時，陀螺力矩Mk最大用matlab計算得出：Mk

15、 =16164N·m3.4.2. 風輪載荷計算n 作用在整個風輪上軸向推力：n 作用在整個風輪上的轉(zhuǎn)矩可表示為：式中，k-軸向誘導因子h-是切向誘導因子a-尾流旋轉(zhuǎn)時的軸向誘導因子 a = (1-k)/2b-尾流旋轉(zhuǎn)時的周向誘導因子b = (h-1)/2-風輪轉(zhuǎn)速用matlab計算得出：T =578.56kNM =2915.1kN·m3.4.3. 主軸載荷計算傳動軸選擇實心鋼軸，推薦最大應力為fs = 55MPan 低速軸角速度為n 高速軸角速度為n 低速軸功率為n 高速軸功率為n 低速軸轉(zhuǎn)矩n 高速軸轉(zhuǎn)矩n 低速軸直徑n 高速軸直徑3.4.4. 塔架載荷計算本機組的塔架采

16、用等強度設(shè)計理論的錐形鋼筒結(jié)構(gòu)塔架。其由5段組成，段與段之間靠法蘭連接，底最大直徑部為6m,頂部最小直徑為4m，筒體壁厚由最底部的30mm過渡到頂部的12mm，塔筒的總質(zhì)量約180噸。作用在塔架上的載荷有以下幾類：² 風輪等構(gòu)件承受的空氣動力載荷² 重力和慣性載荷：由重力、振動、旋轉(zhuǎn)以及地震等引起的靜態(tài)和動態(tài)載荷。² 操作載荷：在機組運行和控制過程中產(chǎn)生的載荷。如功率變化、偏航、變槳以及制動過程產(chǎn)生的載荷等。² 其它載荷：諸如尾跡載荷、沖擊載荷、覆冰載荷等。下面只討論與塔架結(jié)構(gòu)強度計算有關(guān)的兩種載荷，即由風輪作用的最大氣動推力以及塔架本身所承受最大風壓產(chǎn)

17、生的載荷。n 暴風工況的風輪氣動推力計算因為,所以取vs = 60m/s.Ø 前蘇聯(lián)的法捷耶夫公式式中，Ab-葉片的投影面積(m2)Vs-風輪中心處的暴風風速(m/s)葉片投影面積：式中，-風輪實度風輪實度與葉尖速比有關(guān)， = 6.5時，近似認為 = 0.05.用matlab計算得出：Fas1 = 1000.3 kNØ 荷蘭ECN的公式式中，Ct-推力系數(shù)，取Ct =1.5q-動態(tài)風壓(N/m2)-動態(tài)系數(shù)，取 = 1.2S-安全系數(shù)，取S =1.5q隨高度變化，風輪中心高度H=90m處對應的q = 1390(N/m2)用matlab計算得出：Fas2 = 3990.3 k

18、NØ 德國DFVLR公式式中，Ct-推力系數(shù)，取Ct = 2.2用matlab計算得出：Fas3=5157.7 kNØ 丹麥RIS公式式中，P1-風輪單位掃掠面積上的平均風壓，通常取P1 = 300(N/m2)As-風輪的掃掠面積用matlab計算得出：Fas4=2126.5 kNn 歐美國家塔架靜態(tài)強度設(shè)計的一般載荷條件風載條件：風速65m/s，（2s，平均）風輪停轉(zhuǎn)，葉片順槳，風向沿機艙橫向作用在塔架上。正常運行工況條件的地震載荷：考慮額定風速時產(chǎn)生的風輪最大軸向力，同時根據(jù)均勻建筑物由地震產(chǎn)生的水平載荷因子，將其產(chǎn)生的慣性力附加在風輪軸向推力。機組的最大運行載荷：一般

19、為額定風速正常運行載荷的2倍。n 確定塔架設(shè)計載荷的要求設(shè)計載荷需要正確的分析塔架承受的各種載荷及其作用，大致可分為三種類型設(shè)計載荷。最大極限載荷：指塔架可能承受的最大載荷疲勞載荷：指塔架構(gòu)件能夠承受交變載荷次數(shù)的能力共振激勵載荷：塔架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的共振響應3.4.5. 聯(lián)軸器載荷計算聯(lián)軸器承受的載荷主要是轉(zhuǎn)矩n 低速軸聯(lián)軸器載荷 n 高速軸聯(lián)軸器載荷 4. 塔架葉根應力截面計算塔架通常采用等強度變截面的設(shè)計，危險截面一般位于塔架根部。塔筒根部的結(jié)構(gòu)強度分析是塔架整體結(jié)構(gòu)尺寸的基本設(shè)計依據(jù)，以下只討論一種分析方法：考慮塔架高度折減系數(shù)的強度計算。圖15 塔架的受力分析塔架根部截面應力可表示為：式中

20、，F(xiàn)as -考慮3.4.4中計算最大值，即Fas = 5157.7 kNFts -塔架受的風壓力，H-塔架高度，即H=80m，h1-風輪半徑的1/20，h1 = 47/20 = 2.35mW-塔架根部抗彎截面模數(shù)，單位cm3，A-塔架根部截面積，單位cm2， G1-塔頂?shù)闹亓浚緳C組塔頂重為200噸，G1 = 10*200*1000 =2000 kNG2-塔筒的重量，本機組塔頂重為180噸，G2 = 10*180*1000 =1800 kN-是變截面塔架的長度折減系數(shù)，可根據(jù)圖16來確定圖16 變截面塔架的長度折減系數(shù)式中，-與塔架截面變化有關(guān)的折算長度修正系數(shù)，可根據(jù) 之比取書中P141表6

21、-6的參考設(shè)計值-塔架頂部截面慣性矩，單位cm4， 0.585m4-塔架底部截面慣性矩，單位cm4，2.507m4故 ，此處 = 1.4r2-塔架根部截面的慣性半徑，由以上可計算得 所以取0.85根據(jù)以上參數(shù)，可以確定，543MP三 參考文獻1 姚興佳、田德 風力發(fā)電機組設(shè)計與制造 華北電力大學校內(nèi)試用教材（第二版）.2 徐太平等著 風力發(fā)電原理3 華北電力大學力學研究組 材料力學 華北電力大學校內(nèi)講義 4 賀德馨等著 風力機空氣動力學 華北電力大學校內(nèi)試用教材四 附錄Matlab程序：葉片優(yōu)化設(shè)計及葉片載荷計算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=la