风电机组设计风能0902陈建宏1091540204主要内容一、课程设计的内容与要求二、总体参数设计三、叶片气动优化设计四、主要部件功率五、主要部件的载荷计算五、结构设计六、设计总结课程设计的目的与要求课程设计的目的与要求 以大型水平轴风力机组为研究对象，掌握总体设计的方法；熟悉相关的工程设计软件；要求：独立完成机组设计，并对其性能进行计算分析；撰写设计报告总体参数设计总体参数设计1、额定功率、额定功率根据设计任务书选定额定功率为5MW。2、设计寿命、设计寿命一般风力机组设计寿命至少为20年，这里选20年设计寿命。3、切出风速、切入风速、额定风速、切出风速、切入风速、额定风速切入风速取Vin=3m/s切出风速取Vout=25m/s对于一般变桨距风力发电机组（选5MW）的额定风速于平均风速之比为左右，在70m处：额定风速取Vr=13m/sVrave13m/s总体参数设计4、发电机额定转速和转速、发电机额定转速和转速范围范围采用双馈异步发电机，转速范围较大。采用双馈异步发电机，转速范围较大。额定转速额定转速Nr=1500r/min转速范围转速范围10002000r/min总体参数设计5、重要几何尺寸、重要几何尺寸（1）风轮直径和扫掠面积 由风力发电机组输出功率得叶片直径：=D=114m由直径计算可得扫掠面积：总体参数设计（2）、轮毂高度轮毂高度是从地面到风轮扫掠面中心的高度，用Zhub表示Zhub=Zt+Zj式中Zj塔架高度；Zt塔顶平面到风轮扫掠中心高度。总体参数设计6、叶片数、叶片数 B=3现代风力发电机的实度比较小，一般需要1-3个叶片。选择风轮叶片数时考虑风电机组性能和载荷、风轮和传动成本、风力机气动噪声及景观影响等因素。3叶片较1、2叶片风轮有如下优点：平衡简单、动态载荷小。基本消除了系统的周期载荷，输出较稳定转矩；能提供较佳的效率；更加美观；噪声较小；轮毂较简单等。综上所述，叶片数选择3。总体参数设计7、功率曲线和、功率曲线和Ct曲线曲线总体参数设计总体参数设计总体参数设计总体参数设计总体参数设计总体参数设计总体参数总体参数设计值设计值总体参数总体参数设计值设计值叶片数叶片数B=3风轮直径D=114m额定输出功率额定输出功率P=5MW轮毂高度Zhub=70m设计寿命设计寿命20年风能利用系数Cp=0.44切入风速切入风速Vin=3m/s叶尖速比切出风速切出风速Vout=25m/s功率控制方式主动变桨距控制额定风速额定风速Vr=13m/s制动形式气动刹车、机械刹车风轮额定转速风轮额定转速nr=15r/min传动系统高传动比齿轮箱传动风力机等级风力机等级IECIIIA电气系统双馈发电机+变流器叶片气动优化设计叶片气动优化设计1、计算各剖面的叶尖速比、计算各剖面的叶尖速比将叶片分为10个叶素，每个叶素间隔，其中5%半径处叶片是筒状，10%-60%半径处采用钝后缘叶片，65%-100%半径处 采用通用风电机组叶片翼型。叶片内圈采用钝后缘翼型，外圈采用63418翼型。 根据下式求各叶素的叶尖速比。叶素位置叶素位置/%5101520253035404550叶尖叶尖速比速比0.350.71.051.41.752.12.452.83.153.5叶素位置叶素位置/%556065707580859095100叶尖叶尖速比速比3.854.24.554.95.255.65.956.36.657叶片气动优化设计叶片气动优化设计叶片根部处理方式：距叶根05m处制作成直径为2m的圆柱结构处理；且根部采用钻孔组装式结构。叶片气动优化设计主要部件功率主要部件功率1、发电机、发电机发电机类型：双馈异步变速恒频发电机额定功率：5MW额定转速：1500r/min发电机极对数为2，发电机主轴转矩T发电机主轴为：选择刚轴推荐最大扭剪应力：则发电机的主轴直径D发电机为：主要部件功率2、变流器、变流器变流器功率通常为风力发电机组的1/21/3，为保证机组可靠性，通常为额定功率的1/2,所以变流器功率为2500kW。主要部件功率主要部件的载荷计算主要部件的载荷计算主要部件的载荷计算主要部件的载荷计算主要部件的载荷计算主要部件的载荷计算主要部件的载荷计算主要部件的载荷计算4、塔架载荷计算、塔架载荷计算本机组的塔架采用等强度设计理论的锥形钢筒结构塔架。其由5段组成，段与段之间靠法兰连接，底最大直径部为5m,顶部最小直径为4m，筒体壁厚由最底部的30mm过渡到顶部的20mm。塔筒的总质量为170t。作用在塔架上的载荷有以下几类：风轮等构件承受的空气动力载荷重力和惯性载荷：由重力、振动、旋转以及地震等引起的静态和动态载荷。操作载荷：在机组运行和控制过程中产生的载荷。如功率变化、偏航、变桨以及制动过程产生的载荷等。其它载荷：诸如尾迹载荷、冲击载荷、覆冰载荷等。下面只讨论与塔架结构强度计算有关的两种载荷，即由风轮作用的最大气动推力以及塔架本身所承受最大风压产生的载荷。主要部件的载荷计算、暴风工况的风轮气动推力计算、暴风工况的风轮气动推力计算经比较选用荷兰ECN公式进行计算：主要部件的载荷计算(2)、塔架根部截面应力计算塔架的受力分析如下图结构设计结构设计机舱机舱结构结构设计轮毂轮毂结构图结构设计2.主传动系统布局主传动系统布局本设计风电机组为双馈型风力发电机组，现在其总体布置多为一字型结构，一般为下图所示的一字型布置：3、偏航系统、偏航系统选用强制外置6电机偏航。4、变桨系统、变桨系统3叶片独立变桨控制，结构布置如下图所示结构设计刹车系统刹车系统形式：偏航和变桨距的刹车系统均采用液压控制方式机械刹车机构图机械制动器位置机械制动器A-A剖面设计总结1、总体、总体参数参数总体参数总体参数设计值设计值总体参数总体参数设计值设计值叶片数叶片数B=3风轮直径D=114m额定输出功率额定输出功率P=5MW轮毂高度Zhub=70m设计寿命设计寿命20年风能利用系数Cp=0.44切入风速切入风速Vin=3m/s叶尖速比切出风速切出风速Vout=25m/s功率控制方式主动变桨距控制额定风速额定风速Vr=13m/s制动形式气动刹车、机械刹车风轮额定转速风轮额定转速nr=15r/min传动系统高传动比齿轮箱传动风力机等级风力机等级IECIIIA电气系统双馈发电机+变流器功率、气动特性和载荷计算总结功率、气动特性和载荷计算总结气动特性气动特性攻角攻角10升力系数1.307阻力系数0.018发电机发电机发电机额定功率5MW发电机额定转速1500r/min发电机轴直径0.14m齿轮箱齿轮箱形式齿轮箱选用2级行星轮+1级平行轴齿轮齿轮箱传动比100低速轴转速15r/min高速轴转速1500r/min齿轮箱功率5694kW联轴器联轴器低速轴联轴器功率5852kW高速轴联轴器功率5540kW变流器变流器变流器功率2500kW偏航电机偏航电机叶片载荷叶片载荷离心力66760N风压力284255N陀螺力矩133551Nm风压力作用点距叶轮轴距离37.96m风轮载荷风轮载荷轴向推力935790N转矩4980888Nm主轴载荷主轴载荷低速轴转矩3727389Nm高速轴转矩14107Nm低速轴直径0.702m高速轴直径0.109m塔架载荷塔架载荷作用在塔架上载荷Fas=1543kN作用在在塔架上风压力Fts=694975N塔架根部截面应力241.3MPa机组机组运行环境温度运行环境温度-3045生存环境温度-4545发电机发电机输出电压690V频率50Hz功率因数容性0.95感性0.9叶片叶片空气动力外形 63418翼型圆锥体叶尖1.5m 处预弯材料玻璃纤维增强树脂控制系统控制系统控制方式PLC+远程监控塔筒塔筒类型钢制锥形塔筒3、其余部分设计总结、其余部分设计总结课程设计课程设计总结总结设计得到5MW异步双馈风力发电机组的基本参数，和部分部件、系统的参数。通过本次设计，我更加清楚明白一台风力发电机组的设计步骤，对设计工作有了进一步了解。进一步认识风力发电机各部分的结构、功能、设计方法；提高综合能力，这不只是一次设计作业，更是全面的锻炼，设计过程中用到了各种编程软件，数据处理软件；谢谢大家！