風力發(fā)電機組設計與制造課程設計報告書

課程設計（綜合實驗）報告名稱：風力發(fā)電機設計制造題目：風力發(fā)電機組整體技術設計目錄TOC\o"1-3"\h\z\u課程設計任務書三小號v參考[m/s]5042.537.5參數(shù)由設計者指定AI參考(-)0.16BI參考(-)0.14CI參考(-)0.12風力機氣動特性初步計算2.1葉片設計原理2.1.1動量理論如圖4所示，轉(zhuǎn)子采用動量理論計算：風輪r—r+dr，作用在環(huán)形域上軸向推力為：(2-1)軸向推力可表示為：(2-2)使用伯努利方程，將這兩個公式相減并帶入（2-2）得到：（2-3）結合(2-1)和(2-3)得到：(2-4)引入軸向感應系數(shù)，則(2-5)(2-6)氣流流過風輪后，還產(chǎn)生一個與風輪旋轉(zhuǎn)方向相反的角速度，所以作用在環(huán)形域上的力矩為：(2-7)引入切向感應系數(shù)，扭矩表示為：(2-8)可以看出，作用在環(huán)面上的氣流提供的動量為：(2-9)2.1.2葉元理論如上圖，設，則(2-10)因此，升力和阻力可以表示為：假設，則：那么，作用在轉(zhuǎn)子r-r+dr的環(huán)形域上的推理和轉(zhuǎn)矩為：(2-11)(2-12)2.2葉片設計給定r，攻角i已知，CL=0.904已知；;從公式中，得到角度；由公式得到k；從公式中，得到h；由式，得；;;在excel中編輯公式1)到8)來計算相應的數(shù)據(jù)。在：B-葉子的數(shù)量（這里是3）；k——軸向干涉系數(shù)；h——切向干涉系數(shù)；C——葉片的弦長；i-攻角；-流入角；-俯仰角。表格SEQ表格\*ARABIC3葉元素位置/%51015202530354045506.56.56.56.56.56.56.56.56.56.5尖速比0.3250.650.9751.31.6251.952.2752.62.9253.25葉元素位置/%5560657075808590951006.56.56.56.56.56.56.56.56.56.5尖速比3.5753.94.2254.554.8755.25.5255.856.1756.5表格SEQ表格\*ARABIC4r地點/％尖速比?HC2.42556.50.3251.1520.4282.9560.83839.0385.3994.85106.50.651.2390.3881.7350.66329.0066.9147.275156.50.9751.3050.3671.3820.53221.4976.7689.7206.51.31.3520.3561.2320.43716.0516.14912.125256.51.6251.3870.3491.1540.36812.0965.44414.55306.51.951.4130.3451.1100.3169.1154.85316.975356.52.2751.4330.3421.0820.2766.8224.33019.4406.52.61.4480.3401.0630.2455.0453.86921.825456.52.9251.4610.3391.0500.2203.6113.49724.25506.53.251.4710.3381.0410.1992.4083.21426.675556.53.5751.4800.3371.0340.1821.4332.95229.1606.53.91.4870.3361.0290.1670.5732.76131.525656.54.2251.4930.3361.0250.155-0.1152.58833.95706.54.551.4990.3361.0210.144-0.7452.35036.375756.54.8751.5030.3351.0190.135-1.2612.28338.8806.55.21.5070.3351.0160.127-1.7202.05641.225856.55.5251.5110.3351.0140.119-2.1781.91543.65906.55.851.5140.3351.0130.113-2.5221.88546.075956.56.1751.5170.3351.0120.107-2.8661.83948.51006.56.51.5200.3341.0100.102-3.1531.616單位和組件載荷計算3.1葉片載荷計算FC作用在刀片上當葉片圍繞轉(zhuǎn)子軸旋轉(zhuǎn)時，離心力作用在葉片上。離心力的方向從旋轉(zhuǎn)中心徑向向外。那么葉片的離心力為：在：-葉片密度，單位為kg/m3，本設計為530kg/m3；——葉片元件處的葉片橫截面積，m2；——風輪的角速度，rad/s；-葉片開始處的旋轉(zhuǎn)半徑；—葉片末端的旋轉(zhuǎn)半徑。用gambit軟件粗略計算，用excel表格計算出每個截面的面積，然后用matlab軟件擬合半徑和葉元截面面積的函數(shù)，計算積分，得到39786kN。r2.4254.857.2759.712.12514.5516.97519.421.82524.25C5.3996.9146.7686.1495.4444.8534.3303.8693.4973.214氬2.433.983.813.152.471.961.561.251.020.86r26.67529.131.52533.9536.37538.841.22543.6546.07548.5C2.9522.7612.5882.3502.2832.0561.9151.8851.8391.616氬0.730.630.560.460.430.350.310.300.280.22FV作用在刀片上風壓是沿風速方向作用在葉片上的氣動力。當轉(zhuǎn)子靜止和旋轉(zhuǎn)時，風壓不相等。當轉(zhuǎn)子靜止時，風壓為：FV的作用點與風輪軸的距離為：風輪轉(zhuǎn)動時的風壓為：用Matlab計算，F(xiàn)V1=289.3962N，rm1=14.01m；FV2=1969.4952kN，rm2=33.95m。Mb作用在刀片上Mb是使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的力矩，由下式求得：用matlab計算：Mb=3568.7628kN·mMK作用在刀片上Mk是風輪在調(diào)整風向時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量。當風向改變時，風輪除了以角速度繞Ox軸旋轉(zhuǎn)外，還以角速度繞Oz軸旋轉(zhuǎn)。整個葉片的轉(zhuǎn)動慣量為調(diào)整風向時產(chǎn)生的最大科里奧利加速度為：由于科里奧利加速度而產(chǎn)生科里奧利角加速度。根據(jù)動量定理，葉片受到慣性力矩Mk的作用，稱為陀螺力矩，Mk=。用matlab計算J=512.47Mkg*m2；,Mk=23.3686MN·m3.2風輪轂載荷計算作用在整個轉(zhuǎn)子上的軸向推力可以表示為。作用在整個轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩可以表示為：.用matlab計算T=627.4529kN；M=3274.2981kN·m3.3主軸負載計算傳動軸選用實心鋼軸，最大應力fs=55MPa低速軸角速度為高速軸的角速度為高速軸功率為低速軸功率為低速軸扭矩高速軸扭矩低速軸徑高速軸徑3.5塔載計算本機組塔架采用等強度設計理論的錐形鋼筒結構塔架。它由5個部分組成。這些部分通過法蘭連接。底部最大直徑為6m，頂部最小直徑為4m。圓柱體的壁厚從底部的30mm過渡到頂部的12mm。塔的總質(zhì)量約為180噸。作用在塔上的載荷分為以下幾類：風力渦輪機等部件上的空氣動力載荷1、重力和慣性載荷：由重力、振動、旋轉(zhuǎn)和地震引起的靜態(tài)和動態(tài)載荷。2、運行負荷：機組運行和控制過程中產(chǎn)生的負荷。如制動過程中產(chǎn)生的功率變化、偏航、俯仰和負載。 3、其他載荷：如尾流載荷、沖擊載荷、結冰載荷等。下面只討論與塔架結構強度計算相關的兩種載荷，即風輪作用的最大氣動推力產(chǎn)生的載荷和塔架自身承受的最大風壓。3.5.1風暴條件下風輪氣動推力計算因為，所以取vs=60m/s。1.前端鏈接的Fadeev公式在：Ab——葉片的投影面積（葉尖速比為6.5時，轉(zhuǎn)子的實心度為0.05，其中Ab=0.05A/3=， A為 轉(zhuǎn)子的掃掠面積），m2；Vs——旋翼中心風暴風速，m/s。計算：。2.荷蘭ECN的公式在：Ct——推力系數(shù)，取Ct=1.5；q——動態(tài)風壓，單位為：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，在風輪中心高度H=97m處對應的q約為1420，單位為：N/m2。計算：。3.德國DFVLR公式在：Ct——推力系數(shù)，取Ct=2.2。計算：。4.丹麥RIS公式在：P1——風輪單位掃掠面積上的平均風壓，通常P1=300N/m2；As——風輪的掃掠面積，單位為m2。計算：。3.5.2歐美國家鐵塔靜強度設計的一般荷載條件1）風載荷工況：風速65m/s，（平均2s）轉(zhuǎn)子停止，葉片順槳，風向沿機艙橫向作用于塔架。2）正常運行條件下的地震載荷：考慮額定風速下風輪產(chǎn)生的最大軸向力，同時將其產(chǎn)生的慣性力按水平載荷加到風輪的軸向推力上地震引起的統(tǒng)一建筑物因素。3）機組最大運行負荷：一般為額定風速正常運行負荷的2倍。3.5.3確定塔架設計載荷的要求設計載荷需要正確分析各種載荷及其對塔架的影響，大致可分為三類設計載荷：1）最大極限載荷：指塔架所能承受的最大載荷。2）疲勞載荷：指塔架構件承受交變載荷次數(shù)的能力。3）共振激勵載荷：塔架結構系統(tǒng)的共振響應。3.6耦合載荷計算聯(lián)軸器上的負載主要是扭矩低速聯(lián)軸器負載高速聯(lián)軸器負載主要部件技術參數(shù)4.1變速箱一、基本參數(shù)：傳動形式：二級行星齒輪系、一級平行齒輪系速比：88輸入轉(zhuǎn)速：17rpm輸出轉(zhuǎn)速：1500rpm設計功率：3.4MW潤滑方式：油潤滑 質(zhì)量：變速箱結構圖：4.2生成器基本參數(shù)：發(fā)電機類型：雙饋異步變速恒頻發(fā)電機額定功率：3000千瓦絕緣等級：F級（真空壓力浸漆）額定電壓：700V冷卻方式：IC41（機殼表面自然通風冷卻）頻率：50赫茲定子線圈允許溫升：105K額定轉(zhuǎn)速：1500r/min重量：發(fā)電機類型：雙饋異步變速恒頻發(fā)電機額定功率：3000千瓦絕緣等級：F級（真空壓力浸漆）額定電壓：700V冷卻方式：IC41（機殼表面自然通風冷卻）頻率：50赫茲定子線圈允許溫升：105K額定轉(zhuǎn)速：1500r/min重量：4.3轉(zhuǎn)換器由于采用雙饋發(fā)電機組，只需要確定與轉(zhuǎn)子相連的變流器的功率即可。對于雙饋機組，變流器的功率通常為風機功率的1/2~1/3。為保證機組的可靠性，通常為額定功率的1/2，因此變流器的功率為1500kW。4.4聯(lián)軸器高速聯(lián)軸器的功率為：低速聯(lián)軸器的功率為：4.5偏航執(zhí)行器1、偏航形式的選擇：采用偏航電機進行機械偏航，采用外齒偏航軸承；2、偏航驅(qū)動裝置設計：包括驅(qū)動電機、減速機、傳動齒輪、齒輪間隙調(diào)整機構；3、驅(qū)動電機功率：一般由最大偏航力矩決定，本設計采用4個3kW偏航電機4、驅(qū)動減速機結構形式：行星減速機5、傳動齒輪結構形式：采用漸開線圓柱齒輪6、偏航技術要求：需要有電纜釋放保護裝置；大型風力發(fā)電機的偏航速度不宜過高。本機組設計偏航速度ω=0.75°/s，無法保證偏航液壓系統(tǒng)的正常運行。漏油;安裝偏航計數(shù)器。4.6變槳執(zhí)行器1、變槳形式的選擇：變槳電機為機械變槳，采用齒距軸承。2、變槳驅(qū)動裝置設計：包括驅(qū)動電機、減速機、傳動齒輪、齒輪間隙調(diào)整機構3、驅(qū)動電機功率選擇：P偏航電機=5kw4、驅(qū)動減速機結構形式：行星減速機5、傳動齒輪結構形式：采用漸開線圓柱齒輪6、間距性能設計要求：確保俯仰速度為1°/s，并安裝節(jié)圓計數(shù)器裝置；為保證停電時球場的正常運行，使用充電電池；選用液壓制動鉗，保證俯仰制動時的穩(wěn)定性，制動過程為15°/s。4.7塔根截面應力計算鐵塔通常采用等強度變截面設計，危險斷面一般位于鐵塔根部。塔根的結構強度分析是確定塔的整體結構尺寸的基本設計依據(jù)。下面只討論一種分析方法：考慮塔高折減系數(shù)的強度計算。塔根處的截面應力可表示為：在：Fas——考慮在3.5.1中計算的最大值，即Fas=2216.94kNFts-塔上的風壓，H——塔的高度，即H=95m，h1—轉(zhuǎn)子半徑的1/20，h1=48.5/20=2.425mW——塔根彎曲截面模量，cm3，A——塔根截面積，cm2，QUOTEG1——塔頂重量，本機組塔頂重量為200噸，G1=10*200*1000=2000kNG2——塔的重量，本機組塔頂重量為180噸，G2=10*180*1000=1800kNQUOTE——為變截面塔的長度折減系數(shù)，可根據(jù)下圖確定變截面塔的長度縮減系數(shù)在公式，-與塔截面變化有關的換算長度修正系數(shù)，可按比例取的參考設計值0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.651.451.331.241.181.141.101.061.031.00—塔頂截面的轉(zhuǎn)動慣量，cm4，