风力发电机组设计与制造_课程设计_

2 / 23 课程 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 (综合实验)报告 风电机组总体技术设计 日期：2013年 7月3日 目录  任务 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 3 一 设计内容 3 二 目的与任务 3 三 主要内容 3 四 进度 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 3 五 设计（实验）成果要求 3 六 考核方式 3  总体参数设计 3 一 额定功率 3 二 设计寿命 3 三 额定风速、切入风速、切除风速 3 四 重要几何尺寸 3 1 风轮直径和扫掠面积 3 2 轮毂高度 3 五 总质量 3 六 发电机额定转速和转速范围 3 七 叶片数B 3 八 功率曲线和Ct曲线 3 1 功率曲线 3 2 Ct曲线 3 九 确定攻角α，升力系数CL，叶尖速比λ，风能利用系数Cp 3 十 风轮转速 3 十一 其他 3 十二 风电机组等级选取 3  叶片气动优化设计 3 一 优化过程 3 二 叶片优化结果 3  主要部件载荷计算 3 一 叶片载荷计算 3 1 作用在叶片上的离心力Fc 3 2 作用在叶片上的风压力Fv 3 3 作用在叶片上的气动力矩 3 4 作用在叶片上的陀螺力矩Mk 3 二 主轴载荷计算 3 三 塔架载荷计算 3 1 暴风工况风轮气动推力计算 3 2 塔架的强度设计（考虑塔架高度折减系数的强度计算） 3  主要部件功率 3 一 发电机 3 二 变流器 3 三 齿轮箱 3 四 联轴器 3 五 偏航 3  风电机组布局 3  设计总结 3  附录 3 图1 3 图2 3 图3 3 图4 3 图5 3 图6 3 图7 3 图8 3 图9 3 图10 3 图11 3 图12 3 图13 3 图14 3 图15 3  参考文献 3 任务书 设计内容 风电机组总体技术设计 目的与任务 主要目的： 1. 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； 2. 熟悉相关的工程设计软件； 3. 掌握科研报告的撰写方法。 主要任务： 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 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 6. 每人撰写一份课程设计报告。 主要内容 每人选择功率范围在1.5MW至6MW之间的风电机组进行设计。 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49m/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。 2.设计内容 （1）确定整机设计的技术参数。设定几种风力机的Cp曲线和Ct曲线，风力机基本参数包括叶片数、风轮直径、额定风速、切入风速、切出风速、功率控制方式、传动系统、电气系统、制动系统形式和塔架高度等，根据 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 确定风力机等级； （2）关键部件气动载荷的计算。设定几种风轮的Cp曲线和Ct曲线，计算几种关键零部件的载荷（叶片载荷、风轮载荷、主轴载荷、连轴器载荷和塔架载荷等）；根据载荷和功率确定所选定机型主要部件的技术参数（齿轮箱、发电机、变流器、连轴器、偏航和变桨距电机等）和型式。以上内容建议用计算机编程实现，确定整机和各部件（系统）的主要技术参数。 （3）塔架根部截面应力计算。计算暴风工况下风轮的气动推力，参考风电机组的整体设计参数，计算塔架根部截面的应力。最后提交有关的分析计算报告。 进度计划 序号 设计(实验)内容 完成时间 备注 1 风电机组整体参数设计 2.5天 2 风电机组气动特性初步计算 2天 3 机组及部件载荷计算 2天 4 齿轮箱、发电机、变流器技术参数 1.5天 4 塔架根部截面应力计算 1天 5 报告撰写 1.5天 6 课程设计答辩 1.5天 设计（实验）成果要求 提供设计的风电机组的性能计算结果； 绘制整机总体布局工程图。 考核方式 每人提交一份课程设计报告；准备课程设计PPT，答辩。 总体参数设计 额定功率 根据《设计任务书》要求，选择2.5MW进行设计。 设计寿命 风力发电机组安全等级Ⅰ~Ⅲ的设计寿命至少为20年。故设计寿命为20年。 额定风速、切入风速、切除风速 切入风速Vin=3m/s； 额定风速Vr=13m/s； 切除风速Vout =25m/s。 重要几何尺寸 风轮直径和扫掠面积 风轮直径决定机组在多大的范围内获取风中蕴含的能量。直径应根据不同风况与额定功率匹配，以获得最大的年发电量和最低的发电成本。风轮直径有下述简单计算公式： 式中 ——额定输出功率，取2.5MW； ——主传动系统的总效率，取0.95； ——发电系统效率，发电机效率取0.96，变流器效率取0.95； —— 风能利用系数，取0.44 ； ρ——空气密度，取1.225kg/m3； ——额定风速，13m/s。 扫掠面积。 轮毂高度 塔架高度取60m。 轮毂高度 。 式中 ——塔顶平面到风轮扫掠面中心的距离，取2.25m; ——塔架高度。 总质量 机舱和风轮等总质量为m1=174t，塔架质量取160t。 发电机额定转速和转速范围 采用双馈异步发电机，极对数p=2，额定转速由下式求出 双馈异步机转速范围 。 叶片数B 叶片数B取3，三叶片风电机组有其显著的优势，是目前风电市场主流。 功率曲线和Ct曲线 功率曲线 由于风速具有波动的特征，所以功率曲线也会有细微波动，此处采取平均风速绘制功率曲线。风速未达到切入风速的时候，P=0；风速达到切入风速之后，机组启动，以最大Cp捕捉风能；达到额定风速后，采取控制策略，限制功率在额定功率附近。 式中C为考虑到实际情况的常数。 曲线绘制见图1。 Ct曲线 通过Cp求出轴向气流诱导因子a，再由a求出Ct，得到Ct曲线如图2，但是考虑到其他因素和实际情况，和某风电机组Ct的试验结果（见图3）相比，趋势相同，数值不一样。 确定攻角α，升力系数CL，叶尖速比λ，风能利用系数Cp 根据已知翼型数据，求出升阻比，绘制升阻比曲线见图4，发现α为5°时，CL/CD取到最大值，此处选取α为10°，升阻比CL/CD为72.6；叶尖速比λ大概为7，风能利用系数Cp风速的关系，由于假设是变速风机，额定值前捕捉最大风能，Cp保持0.44，当达到额定以后，Cp下降，见图5，实际上，双馈异步机转速范围为，额定值前有一段Cp是上升过程，图6为某风电机组Cp的试验结果，对比发现，趋势是相同的。 风轮转速 风轮转速，齿轮箱传动比约为68。 其他 上风向主动偏航，偏航变桨均采用电动机驱动，制动方式第一制动为气动制动，第二制动为高速轴机械制动。 风电机组等级选取 风力发电机组安全等级基本参数 风力发电机组安全等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ S vref (m/s) 50 42.5 37.5 设计值由设计者选定 A Iref (-) 0.16 B Iref (-) 0.14 C Iref(-) 0.12 由于已知条件，年均风速vave=7.6m/s，选取Ⅲ级，但是没有湍流数据，因此无从在A、B、C之间做出判别。 叶片气动优化设计 优化过程 给出r，攻角α已知，CL也已知； 记λ0=Ωr/v1； 由下式求出 由下式求出 由下式求出 由下式求出 叶素桨距角β=； 弦长。 叶片优化结果 现选取叶片5%~100%长度，步长5%展示优化结果，0~5%叶片形状为圆筒形，根部采用钻孔组装方式。计算内容见图7，弦长和桨距角β随半径变化见图8。 主要部件载荷计算 叶片载荷计算 作用在叶片上的离心力Fc 叶片离心力 式中 ——叶片的密度，取540kg/m3； ——风轮转速，计算得2.3rad/s； ——半径r处对应叶素面积； r——叶素所在半径。 Naca翼型63418几何参数见图9，翼型几何形状见图10，可近似求出单位弦长叶素对应的面积；与弦长平方成正比，所以可以用数值积分的方法近似求出上式。 求出单位弦长叶素面积Ar=0.112m2；大致求出Fc=1118kN。 作用在叶片上的风压力Fv 作用在叶片上的风压力Fv由下式给出 近似计算得出Fv=349786N； 等效作用点可由下式求出 经计算得出rm=27m。 作用在叶片上的气动力矩 Mb是一个叶片产生的转动力矩，可由下式求出 近似计算得Mb=54528 N·m。 作用在叶片上的陀螺力矩Mk 叶片的转动惯量由下式求出 陀螺力矩Mk由下式求出 式中 ——偏航转速，取1︒/s，即0.0175rad/s； ——叶尖速比，取7； R——风轮半径，39.35m； ——风速，取额定值13m/s； ——与的夹角，当叶片铅垂位置时，︒，达到最大。 经计算，，308400Nm。 主轴载荷计算 低速轴转速 高速轴转速 高速轴功率 低速轴功率 高速轴转矩 低速轴转矩 高速轴直径 低速轴直径 式中 ——实心钢轴最大应力，取55MPa。 塔架载荷计算 暴风工况风轮气动推力计算 当时，；当时，；当时，。本设计年均风速，所以。 暴风条件的风轮气动推力目前有几种计算方式，结果相差较大。以下分别计算几种常用的方法。 前苏联法捷耶夫公式 式中 ——叶片的投影面积； ——叶片数。 叶片投影面积可根据风轮扫掠面积与风轮实度求出，风轮实度σ取0.064，则叶片面积为 荷兰ECN的公式 式中 ——推力系数，取1.5； ——动态风压，与轮毂高度有对应关系，取1330N/m2； ——动态系数，取1.2； ——安全系数，取1.5。 计算得 德国DFVLR公式 式中，取2.2，计算 丹麦RIS公式 塔架的强度设计（考虑塔架高度折减系数的强度计算） 塔架高度60m，采用锥形钢筒结构，分段加工，顶部直径4m，壁厚20mm，底部直径5m，壁厚30mm。 塔架受力分析见图11，根部截面应力可表示为下式 式中 ——塔架根部抗弯截面系数，单位cm3； ——塔架根部截面积，单位cm2； ——塔架本身所受重力，单位N； ——变截面塔架长度折减系数，可根据λ2从图12查出。 而 式中 ——与塔架截面变化有关的这算长度修正系数，可根据差表（见图13）得出；、分别是塔架顶部和根部截面惯性矩，单位cm4； ——塔架根部截面的惯性半径，，单位cm。 计算过程： 取上述荷兰公式结果，即； 按下式求出 式中 ——平面系数，平面取1，此处取0.7。 取1.29； 查图11得（低碳钢）； 最终得 主要部件功率 发电机 双馈异步发电机，功率为2.5MW，转轴直径见上述高速轴直径。 变流器 变流器功率一般选为发电机额定功率的1/2~1/3，此处选择1MW。 齿轮箱 采用一级行星齿轮两级圆柱齿轮传动，功率为上述所求低速轴功率，低速轴转速与高速轴转速也分别求出，传动比为68.2。 联轴器 低速轴、高速轴联轴器功率、转速都已由上述高速轴、低速轴功率求出。 偏航 类型：主动偏航； 偏航轴承：4点接触球轴承； 偏航驱动：4个3kW偏航电机； 偏航制动：液压控制摩擦制动。 风电机组布局 采用主流的风电机组布置方式，如图14所示。 传动系统采用双馈型风力发电机组典型的偏一字型布置，见图15。 叶片变桨采取独立变桨控制。 设计总结 总体参数计算部分 额定功率 2.5MW 设计寿命 20年 切入风速 3m/s 额定风速 13m/s 切除风速 25m/s 风轮直径/扫掠面积 78.7m/4864m2 轮毂高度 62.25m 总质量 334t 发电机转速 (1±30%) n1（1500r/min） 叶片数 3 功率曲线和Ct曲线 ~ 攻角 10︒ 升力系数 1.307 阻力系数 0.018 风能利用系数 0.44（额定） 风轮转速 22r/min 偏航 上风向主动偏航 制动 气动、高速轴 机组等级 Ⅲ* 叶片气动优化部分 详见图表 主要部件载荷计算部分 叶片载荷计算 叶片离心力 1118kN 风压力 340kN 等效作用点 27m 气动力矩 54528 Nm 最大陀螺力矩 308400Nm 主轴计算 低速轴转速 2.30rad/s 高速轴转速 157.1rad/s 高速轴功率 2747kW 低速轴功率 2892kW 高速周转矩 17487 Nm 低速轴转矩 1257kN∙m 高速轴直径 117.4mm 低速轴直径 488mm 塔架载荷计算 暴风风况气动推力计算 苏联法捷耶夫 881kN 荷兰ECN 1109kN 德国DFVLR 1513kN 丹麦RIS 1459kN 塔架强度设计（根部截面应力） 186.8MPa 主要部件功率 发电机 2.5MW双馈异步 变流器 1MW 齿轮箱 一级行星齿轮两级圆柱齿轮（传动比68.2）功率为上述所求低速轴功率 联轴器 低速轴、高速轴联轴器功率、转速都已由上述高速轴、低速轴功率求出。 偏航 4个3kW偏航电机/液压控制摩擦制动 风电机组布局 采用主流风电机组布局方式 传动系统采用双馈型风力发电机组典型的偏一字型布置 附录 参考文献 ［1］ 姚兴佳，田德．风力发电机组设计与制造[M]．北京：机械工业出版社，2012. ［2］ 陈建宏. 风力发电机组设计与制造课程设计报［OL］． http://wenku.baidu.com/view/75998e0403d8ce2f00662312.html ［3］ 运达风电. windey 2.5MW风电机组介绍[OL]. http://wenku.baidu.com/view/b85d15f19e31433239689336.html