风力发电机组设计与制造课程设计报告


     《风力发电机组设计与制造》 课程设计报告 院 系:可再生能源学院 班 级:风能班 姓 名: 学 号: 指导老师: 提交日期: 一、设计任务书 1、 设计内容 风电机组总体技术设计 2、 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。 每人撰写一份课程设计报告。 3、 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48m/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。 4、 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 5、 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。 6、 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。 二、总体参数设计 1、额定功率 根据《设计任务书》选定额定功率为5MW。 2、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 切入风速 取 Vin=3m/s 切出风速 取 Vout=25m/s 额定风速 取 Vr=13m/s 对于一般变桨距风力发电机组(选5MW)的额定风速羽平均风速之比为1.70左右,在70m处: Vr=1.70Vave=1.70×7.6≈13m/s 4、发电机额定转速和转速范围 5、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==8×50000001.225×133×π×0.42×0.92×0.95×0.95=114m 其中: Pr--风力发电机组额定输出功率,取5000kW; ρ--空气密度(一般取标准大气状态),取1.225kg/m3; Vr--额定风速,取13m/s; D--风轮直径; η1--传动系统效率,取0.92; η2--发电机效率,取0.95; η3--变流器效率,取0.95; Cp--额定功率下风能利用系数,取0.44。 由直径计算可得扫掠面积: S=πD24=π×11424=10207m2 综上可得风轮直径D=114m,扫掠面积S=10207m2。 (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=70+2.25.=72.25m 式中Zj—塔架高度; Zt—塔顶平面到风轮扫掠中心高度。 6、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: l 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; l 能提供较佳的效率; l 更加美观; l 噪声较小; l 轮毂较简单等。 综上所述,叶片数选择3。 7、功率曲线和Ct曲线 (1)、功率曲线 自然界风速的变化是随机的, 符合马尔可夫过程的特征, 下一时刻的风速和上一时刻的结果没什么可预测的规律。由于风速的这种特性, 可以把风力发电机组的功率随风速的变化用如下的模型来表示: P(t)=Pstat(t)+PΔ(t) 式中P(t)--在真实湍流风作用下每一时刻产生的功率, 它由t时刻的V(t)决定; Pstat(t)--在给定时间段内V(t)的平均值所对应的功率; PΔ (t) 表示t 时刻由于风湍流引起的功率波动。 对功率曲线的绘制, 主要在于对风速模型的处理。若假定上式表示的风模型中Pstat(t)的始终为零, 即视风速为不随时间变化的稳定值, 在切入风速到切出风速的范围内按照设定的风速步长, 得到对应风速下的最佳叶尖速比和功率系数,带入式: P=18Cpη1η2η3ρπD2V3 式中: η1--传动系统效率,取0.92; η2--发电机效率,取0.95; η3--变流器效率,取0.95; Cp--额定功率下风能利用系数,取0.44; ρ--空气密度(一般取标准大气状态),取1.225kg/m3; D—风轮直径,取114m; V—风速,单位m/s。 由以上公式,使用excel计算出不同风速对应的功率值, 将得到的数据对绘制成风速-功率曲线图, 该曲线图即是机组的静态功率曲线。 (2)、Ct曲线 计算并参考相关数据得到Ct曲线如下: 8、确定攻角a,升力系数Cl,叶尖速比l,风能利用系数Cp 风力机翼型为63418,根据翼型的气动数据得到升阻比随攻角α变化的曲线见下图: 从图中可以得出翼型取得最佳升阻比时攻角5°,此时升力系数Cl=0.904,Cd=0.007本设计取攻角α=10°为,此时升力系数和阻力系数分别为Cl=1.307, Cd=0.018。 三叶片风力发电机组的风轮叶尖速比λ一般在6至8之间,本设计取7。不同攻角下的风能利用系数随叶尖速比的变化曲线即CP-λ曲线如图1,由Cp-λ曲线可得出Cp=0.44。 9、风轮额定转速 风轮额定转速可由下式计算得到: nr=60λVrπD=60×13×7π×114=15r/min 10、功率控制方式:主动变桨距控制。 11、制动系统形式:第一制动采用气动刹车,第二制动采用高速轴机械刹车。 12、风力机等级 由IEC标准,如下表,选择风力机等级为IECIIIA。 WTGS等级 I II III IV S vref[m/s] 50 42.5 37.5 30 由设计者规定各参数 vave[m/s] 10 8.5 7.5 A I15 0.18 0.18 0.18 0.18 a 2 2 2 2 B I15 0.16 0.16 0.16 0.16 a 3 3 3 3 阶段性总结 总体参数 设计值 总体参数 设计值 叶片数 B=3 风轮直径 D=114m 额定输出功率 P=5MW 轮毂高度 Zhub=70m 设计寿命 20年 风能利用系数 Cp=0.44 切入风速 Vin=3m/s 叶尖速比 λ=7 切出风速 Vout=25m/s 功率控制方式 主动变桨距控制 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 nr=15r/min 传动系统 高传动比齿轮箱传动 风力机等级 IECIIIA 电气系统 双馈发电机+变流器 三、叶片气动优化设计 1、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0.05R,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。 叶素位置和叶尖速比数值见下表: 叶素位置/% 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 叶尖速比l 0.35 0.7 1.05 1.4 1.75 2.1 2.45 2.8 3.15 3.5 叶素位置/% 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 叶尖速比l 3.85 4.2 4.55 4.9 5.25 5.6 5.95 6.3 6.65 7 2、叶片攻角及弦长优化设计计算步骤 ⑴求利用公式 ⑵求轴向干扰因子利用公式 ⑶求切向干扰因子利用公式 ⑷求入流角利用公式 ⑸求叶素桨距角 ⑹计算叶片弦长C 叶片气动特性通过excel计算,得到: 叶片根部处理方式:距叶根0 ~ 5m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。 四、主要部件功率 1、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: T发电机主轴=9550×Prnr×η=9550×50001500×0.95=33.51×103N·m 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: D发电机=2×32×T发电机主轴πfs=2×32×33.51×103π×55×106=0.14m 2、变流器 变流器功率通常为风力发电机组的1/2~1/3,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。 3、齿轮箱 方式:齿轮箱选用2级行星轮+1级平行轴齿轮; 低速轴转速:nl=15r/min; 高速轴转速:nh=1500r/min 传动比:i=100 齿轮箱效率:30.92=0.973 齿轮箱功率: PGB=Prη3η23η1=50000.95×0.95×30.92=5694kW 4、联轴器 低速轴联轴器功率: Pm=Prη3η23η12=50000.95×0.95×30.922=5852kW 高速轴联轴器功率: Pr=Prη3η2=50000.95×0.95=5540kW 5、偏航系统 类型:主动偏航 偏航轴承:4点接触球轴承 偏航驱动:6个3kW偏航电机 偏航制动:液压控制摩擦制动 五、主要部件的载荷计算 1、叶片载荷计算 (1)、作用在叶片上的离心力Fc Fc=ρyω2r0RArrdr 其中旋转角速度ω由下式算得: ω=2πn60=2π×1560=1.57rad/s r0—叶片起始处旋转半径,约为R的1/20,即为2.85m ρy—叶片的密度,为1.8kg/m3 Ar—叶素处的叶片截面积 用matlab计算得: Fc=66760N (2)、叶轮转动时的风压力: Fv=12ρV2r0R(1+ctg2I)(ClcosI+CdsinI)Cdr 用matlab计算得: Fv= 2842551N Fv作用点距叶轮轴的距离为rm,则有: rm=r0R(1+ctg2I)(ClcosI+CdsinI)Crdrr0R(1+ctg2I)(ClcosI+CdsinI)Cdr 用matlab计算得: rm=37.96m (3)、作用在叶片上的陀螺力矩Mk 整个叶片的转动惯量为: I=ρyr0RFr2dr 此处F即Ar 用matlab计算得: I= 26199kg·m 当β=90°时,科氏加速度最大,为 εk=2Ωλ0VR 由matlab计算得: 由动量矩定理知,叶片受到惯性力矩Mk的作用,这个力矩称为陀螺力矩,用matlab计算得: Mk=Iεk= 133551N·m 2、风轮载荷计算 (1)、轴向诱导因子a=12(1-k),周向诱导因子b=12(h-1) 则作用在风轮上的轴向推力可表示为: T=4πρV20Ra1-ardr=πρV20R(1-k2)rdr 用matlab计算得: T= 935790N (2)作用在整个风轮上的转矩可表示为: M=4πρΩV0Rb(1-a)r3dr=πρΩV0R(h-1)(k+1)r3dr 用matlab计算得: M= 4980888N·m 3、主轴载荷计算 低速轴角速度为: ωm=ω=1.57rad/s 高速轴角速度为: ωt=2πnr60=2π×150060=157.08rad/s 低速轴功率为: Pm=Prη3η23η12=50000.95×0.95×30.922=5852kW 高速轴功率为: Pt=Prη3η2=50000.95×0.95=2216kW 低速轴转矩为 Tm=pmωm=58520001.57=3727389N·m 高速轴转矩为: Tt=Ptωt=2216000157.08=14107N·m 低速轴直径: DL=232Tmπfs=232×3727389π×55×106=0.702m 高速轴直径: DH=232Ttπfs=232×14107π×55×106=0.109m 4、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: 1) 风轮等构件承受的空气动力载荷 2) 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。 3) 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。 4) 其它载荷:诸如尾迹载荷、冲击载荷、覆冰载荷等。 5) 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。 ⑴、暴风工况的风轮气动推力计算 因为Vave>7m/s,所以取Vs=60m/s。 前苏联的法捷耶夫公式: Fas=0.784Abvs2B 式中,Ab——叶片的投影面积; Vs——风轮中心处的暴风风速; 叶片投影面积: Ab=AσB 其中σ为风轮实度,风轮实度与叶尖速比有关,λ=7时,近似认为σ=0.05。 可算得: Fas=1440kN 荷兰ECN的公式 Fas=CtqAbBφS 式中,Ct——推力系数,取; q——动态风压; φ——动态系数,取; S——安全系数,取。 q随高度变化,风轮中心高度Zhub=70m处对应的q=1120N/m2。求得: Fas=1543kN 丹麦RIS公式 Fas=PlAs 式中,Pl——风轮单位扫掠面积上的平均风压,通常取Pl=300N/m2 As——风轮的扫掠面积。 算得 Fas=3062k N 5.5塔架根部截面应力计算 塔架的受力分析如下图 塔架根部截面应力可表示为: σ=Fash1+H+FtsH2W×100+(G1+G2)φA Fas考虑前面计算合理值, 即Fas=1543kN, Fts是塔架受的风压力 Fts=A塔架×12×ρv2=4+5×702×12×1.225×602=694575N H是塔架高度,即H=70m, h1是轮毂高度,由前面知道为h1=1.5m, W为塔架根部抗弯截面模数 W=πD3(1-(dD)4)32=π×53×(1-(5-0.065)4)32=0.579m3 A是塔架根部截面积, A=π(D2-d2)4=π(52-4.942)4=0.468m2 G1是塔顶的重量,本机组塔顶重为180t,则: G1=10×180×1000=1.8×106N , G2是塔筒的重量, G2=175×10×1000=1.75×106N φ是变截面塔架的长度折减系数,可根据图10变截面塔架的长度折减系数来确定。 λ=μHγ 式中: μ-与塔架截面变化有关的折算长度修正系数,可根据JminJmax之比由下表的选择参考设计值, JminJmax 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 μ 1.65 1.45 1.33 1.24 1.18 1.14 1.10 1.06 1.03 1.00 Jmin是塔架顶部截面惯性矩,由下式计算: Jmin=πD4(1-(d顶D顶)4)64=π×44×(1-(4-0.044)4)64=0.495m4 Jmax是塔架底部截面惯性矩,由下式计算得: Jmax=πD4(1-(dD)4)64=π×54×(1-(5-0.065)4)64=1.446m4 JminJmax=0.4951.446=0.342 查表得μ=1.30 γ-是塔架根部截面的惯性半径, γ=JmaxA=1.4460.468=1.758m 由以上可计算得 λ=μHγ=1.30×701.758=51.76 查下图所示曲线可知所以取φ=0.8。 代入计算得: σ=Fash1+H+FtsH2W+(G1+G2)φA=241.3MPa 五、风电机组布局 1、总体机舱结构方案 采用成熟的主流风机结构布置,如下图所示,可以有效减少机舱震动和有害载荷影响。 2.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 选用强制外置6电机偏航。 4、变桨系统 3叶片独立变桨控制,结构布置如下图所示 六、设计总结 1、总体参数 总体参数 设计值 总体参数 设计值 叶片数 B=3 风轮直径 D=114m 额定输出功率 P=5MW 轮毂高度 Zhub=70m 设计寿命 20年 风能利用系数 Cp=0.44 切入风速 Vin=3m/s 叶尖速比 λ=7 切出风速 Vout=25m/s 功率控制方式 主动变桨距控制 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 nr=15r/min 传动系统 高传动比齿轮箱传动 风力机等级 IECIIIA 电气系统 双馈发电机+变流器 2、功率、气动特性和载荷计算总结 气动特性 攻角 10° 升力系数 1.307 阻力系数 0.018 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 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 低速轴联轴器功率 5852kW 高速轴联轴器功率 5540kW 变流器 变流器功率 2500kW 偏航电机 数量×偏航电机功率 6×3kW 叶片载荷 离心力 66760N 风压力 284255N 陀螺力矩 133551N·m 风压力作用点距叶轮轴距离 37.96m 风轮载荷 轴向推力 935790N 转矩 4980888N·m 主轴载荷 低速轴转矩 3727389N·m 高速轴转矩 14107N·m 低速轴直径 0.702m 高速轴直径 0.109m 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 3、其余部分设计总结 机组 运行环境温度 -30°~45° 生存环境温度 -45°~45° 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 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 控制方式 PLC+远程监控 塔筒 类型 钢制锥形塔筒 七、参考文献 [1]《风力发电机组设计与制造》. 华北电力大学, 姚兴佳, 田德.校内试用教材(第二版) [2]《风力发电原理》.华北电力大学.徐大平等著 [3]《风力机空气动力学》.华北电力大学校内试用教材.贺德馨等著 [4]《XE115-5MW海上风机技术规范》,湘电风能有限公司 [5]《大型风电机组功率曲线的分析与修正》. 浙江运达风力发电工程有限公司. 申新贺, 潘东浩, 唐继光 等。 八、附录 1、叶片设计和各部分载荷计算的MATLAB程序 clc clear D=ceil(sqrt(8*5e6/0.95/0.92/0.95/0.44/pi/1.225/(13^3))); lambda=7; n=lambda*60*13/pi/D; a=[0.05:0.05:1]; 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-10; C=8*pi*a.*(D/2).*(h-1).*cos(I)/3/1.307./(h+1); R=D/2; r=a*R; omega=lambda*13/R; y1=r.*C*3.3; Fc=1.8*1.57^2*trapz(r,y1); cl=1.307; cd=0.018; y2=(1+(1./tan(I)).^2).*(cl*cos(I)+cd*sin(I)).*C; Fv2=1/2*1.225*13^2*trapz(r,y2); y3=y2.*r; Rm2=trapz(r,y3)./trapz(r,y2); J=Fc/omega^2; epsilon=2*omega*lambda*13/R; Mk=J*epsilon; r1=[0,r]; a1=[0.00001,a]; b1=lambda*a1; psi1=1/3*atan(b1)+pi/3; k1=sqrt(b1.^2+1).*cos(psi1); y4=(1-k1.^2).*r1; T=pi*1.225*13^2*trapz(r1,y4); h1=sqrt((1-k1.^2)./b1.^2+1); y5=(h1-1).*(k1+1).*r1.^3; M=pi*1.225*omega*13*trapz(r1,y5); 本文档由香当网(https://www.xiangdang.net)用户上传

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    文档贡献者

    文***享

    贡献于2022-06-23

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