风力发电机组设计与制造课程设计报告文档格式.docx
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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G曲线和G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G曲线和G曲线，计算几种关键篆部件的载荷（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
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
4
齿轮箱、发电机、变流器技术参数
塔架根部截面应力计算
1天
5
报告撰写
6
课程设计答辩
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5MWO
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
切入凤速取Vin=3m/s
切出风速取Vuut=25m/s
额定凤速取V.=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左右，在70m处:
Vr==X^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克径:
其中：
P厂-风力发电机组额定输出功率，取5000kW；
P--空气密度（一般取标准大气状态），取卅；
V厂-额定凤速，取13m/s；
D—风轮直径;
ri/--传动系统效率，取；
n2■-发电机效率，取；
n3一变流器效率，取；
Cp—额定功率下风能利用系数，取。
由直径计算可得扫掠面积：
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口？
综上可得风轮直径D=114m,扫掠面积S=10207Zyo
<
（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Zu表示
Zhub=Zt+Z,i=70+.=
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：
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。
7、功率曲线和G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）=Pst.t（t）+（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；
Pet（t）—在给定时间段内V（t）的平均值所对应的功率；
□h（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Pz（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=—Z17□［口2口3口口^^
8a~
j
式中：
n/--传动系统效率，取；
n2■■一发电机效率，取；
G—额定功率下风能利用系数，取；
p--空气密度（一般取标准大气状态），取£
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凤速-功率曲线图•该曲线图即是机组的靜态功率曲线。
静态功率曲线
6000.00
（2）、G曲线
计算并参考相关数据得到G曲线如下:
风机推力系数曲线
8、确定攻角，升力系数C”叶尖速比,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a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5二此时升力系数Cf,C尸本设计取攻角a=10°
为，此时升力系数和阻力系数分别为G=,Cd=。
三叶片风力发电机组的风轮叶尖速比入一般在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G入曲线如图,由G入曲线可得出C产。
9.风轮额定转速
风轮额定转速可由下式计算得到:
60□□口60x13x7十/・
n-^^-^77F-lor/mln
10.功率控制方式：
主动变桨距控制。
11.制动系统形式：
第一制动釆用气动刹车，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IECIIIAo
WTGS等级
I
II
III
IV
S
vICf[m/s]
.50
3（）
由设计者规定各参数
vavc[m/s]
1（）
>
A
Iis
?
a
B
IlS
:
；
阶段性总结
总体参数
设计值
叶片数
B二3
风轮直径
D二114m
额定输出功率
P二5MW
轮殽高度
Zhub=70m
设计寿命
20年
风能利用系数
Cp=
切入风速
Vinr3ni/s
叶尖速比
X=7
切出风速
Voui=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、机核刹车
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
3.叶片气动优化设计
K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。
叶片内圈釆用钝后缘翼型，外圈采用63418翼型。
根据下式求各叶素的叶尖速比兄。
叶素位置和叶尖速比数值见下表:
叶素位置/96
10
15
20
25
30
35
40
45
50
叶素位置/%
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
7
2.叶片攻角及弦长优化设计计算步骤
⑴求田利用公式
T=3arCtan24
⑵求轴向干扰因子k利用公式
⑶求切向干扰因子力利用公式
⑷求入流角0利用公式
⑸求叶素桨距角0
1+1）
⑹计算叶片弦长C
P=0_Q
C_8岔（/z-l）cos0
BC^h+l）
叶片气动待性通过excel计算，得到:
位置％
半径r（m/s）
叶尖速比入
V
k
h
9
P
C（修正后）
0.050
2.850
0.350
1.159
0.424
2.775
0.823
0.648
5.842
0.100
5.700
0.700
1.251
0.384
1.655
0.640
0.466
7.232
0.150
8.550
1.050
1.317
0.364
337
0.507
0.333
6.903
0.200
11.400
1.400
1.364
0.353
1.203
0.413
0.239
6.158
0.250
14.250
1.750
1.398
0.347
1.135
0.346
0.172
5.416
0.300
17.100
2.100
1.423
0.343
1.095
0.296
0.122
4・776
19.950
2.450
1.442
0.341
1.071
0.258
0.084
4.244
0.400
22.800
2.800
1.456
0.339
1.055
0.229
0.054
3.805
0.450
25.650
3.150
1.468
0.338
1.044
0.205
0.030
3・440
0.500
28.500
3.500
1.478
0.337
4036
0.186
0.011
3・135
0.550
31.350
3.850
1.486
_1.029
0.169
-0.005
2.877
0.600
34.200
4.200
1.493
0.336
1.025
0.156
-0・019
2.656
0.650
37.050
4.550
1.499
1.021
6.144
-0.030
2.466
39.900
4.900
1.504
0.335
1.018
0.134
-0・040
2.300
0.750
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