风力发电机组设计与制造学习Word格式文档下载.docx
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4、设计依据
风力发电机组的设计依据是《风力发电机组的设计任务书》，一般包括基本形式、基本参数和外部条件。
（1）基本形式：
目前的主流机型是水平轴、上风向、三叶片、变桨距、变速恒频风电机组。
（2）基本参数：
风力发电机组的基本参数主要是指风力发电机组的额定功率、转速范围、总效率、设计寿命和生产成本等。
（3）外部条件：
风力发电机组的外部条件包括运行环境条件、电网条件和风场地质情况。
运行环境条件主要是风资源、湍流和阵风情况、气候情况等。
5、设计内容
设计内容包括风力发电机组设计图样和相关的设计文件。
设计图样包括外观图、部件图和零件图；
设计文件包括设计计算说明书、运输和安装说明书、用户使用和维护手册等。
（1）外观图：
风力发电机组的外观图描述了其整体结构并标注了主要尺寸，同时用文字注明了设备的技术特征，如机组类型、功率调节方式、风轮旋转方向、额定功率、额定风速、风轮直径、风轮转速范围、风轮倾角、风轮圆锥角、变距最大角度、齿轮箱类型、齿轮箱增速比、发电机类型、塔架类型、轮毂中心高和各主要部件质量。
（2）部件图：
部件图是各层次安装工作的指导图样，表示各零件之间的装配关系、配合公差、轮廓尺寸、装配技术条件和标题栏等。
（3）零件图：
零件图是生产零件的依据，包括零件的结构和形状、尺寸、表面粗糙度和几何公差、材料及表面处理技术要求、技术条件、标题栏等。
设计零件时，要进行相应的载荷分析和强度校核。
（4）设计文件：
设计文件是与设计相关的规范性文件，详细描述了机组设计、制造、装配、运行维护过程的理念、标准、理论依据、方法和技术要求，用于设计部门存档、指导装配和安装、指导用户作业和指导维修人员的维修作业。
6、设计原则
可靠性、经济性与社会效益、先进性、工艺性和易维修性、标准化。
7、设计步骤
（1）方案设计（概念设计）：
确定风力发电机组的主要参数、整体布局和结构形式；
对机组的整体载荷及整机质量进行初步计算，选择主要部件的结构，完成机舱布局的计算机设计模型；
同时给定控制策略。
在此基础上撰写方案设计说明书。
（2）技术设计（初步设计）：
根据方案设计资料，进行整机和部件结构设计和确定技术要求；
进行机组载荷计算和分析；
对关键零部件进行校核计算和分析；
进行电气控制与安全系统设计；
初步选择外购件的型号。
在此基础上提供技术设计图样和技术设计说明书。
（3）施工设计（详细设计）：
根据技术设计结果，进行载荷计算，对零部件进行强度和刚度校核及失效分析，对关键零部件进行优化设计；
对整机进行可靠性分析和动态分析。
修改和审定加工图样和技术文件，填写标准件和外购件明细表，撰写设计计算说明书、运输和安装说明书以及用户使用和维修手册。
第二章、风力发电机组机械设计基础
1、风力发电机组等级由风速和湍流参数决定，分级的目的在于最大限度的利用风能，风速和湍流参数代表了相应风电机组安装场地的类型。
风力发电机安全等级
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
S
Vref（m/s）
50
42.5
37.5
设计值由设计者选定
AIref（-）
0.16
BIref（-）
0.14
CIref（-）
0.12
注：
1、表中所示参数值对应于轮毂高度。
2、Vref表示10min平均参考风速；
A表示高湍流特性等级；
B表示中湍流特性等级；
C表示低湍流特性等级；
Iref表示风速为15m/s时湍流强度的期望值。
2、风况分为：
正常风况（风力机正常运行期间频繁出现的风况条件）和极端风况（1年一遇或50年一遇的风况条件）。
参考风速：
50年一遇在轮毂高度处持续10min阵风。
3、风况条件是由平均恒流与确定阵风或湍流结合而成。
4、每种类型的外部条件又可分为正常外部条件和极端外部条件。
5、湍流：
风速矢量相对于10min平均值的随机变化。
在使用湍流模型时应考虑风速、风向和风切边变化的影响。
6、湍流风速矢量的三个分量；
纵向（沿着平均风速方向）横向（水平并且与纵向垂直的方向）竖向（与纵向和侧向均垂直的方向）
7、正常风廓线模型（NWP）：
风廓线v（z）是地表以上平均风速对垂直高度z的函数。
V（z）=Vhub（Z/Zhub）的a次方。
8、极端风况：
用于确定风力发电机组的极端风载荷，这些风况包括由暴风及风速和风向的迅速变化造成的风速峰值。
9、极端风速模型（EWM）：
极端风速模型可能为稳定的或波动的风模型。
风速模型应该基于参考风速Vref和确定的湍流标准差σ1，σ1=Iref（0.75Vhub+b）;
b=5.6m/s，σ1=qita0.11Vhub。
10、其他环境条件：
热、光、腐蚀、机械、电或其他物理作用、温度、湿度、空气密度、阳光辐射、雨、冰雹、雪和冰、活学活性物质、雷电、地震、盐雾。
11、正常环境：
温度-30~+150，湿度<
=95%，阳光辐射强度1000W/m2。
12、电网条件：
（1）电压标称值+10%
（2）频率标称值+2%（3）三相电压不平衡度，电压负序分量的比率不超过2%（4）适合的自动重合周期（5）断电，假定电网一年内断电20次，一次断电6小时为正常条件，断电一周为极端条件。
13、设计工况：
分为运行工况（启动发电关机）和临时性工况（运输吊装维护）
14、设计工况：
发电、发电兼有故障、起动、正常关机、紧急关机、停机、停机兼有故障、运输装配维护和修复。
15、DLC设计载荷状态ECD方向变化的极端连续阵风模型EDC极端风向变化模型EOG极端运行阵风模型EWM极端风速模型EWS极端风切变模型ETM极端湍流模型NTM正常湍流模型NWP正常风廓线模型F疲劳性载荷分析U极限强度分析N正常A非正常T运输和安装Vmaint维修保养风速。
16、局部安全系数：
由于载荷和材料的不确定性和易变性，分析方法的不确定性以及零件的重要性，在设计中一定要有必要的安全储备。
17、载荷局部安全系数：
载荷特征值出现不利偏差的可能性或不确定性；
载荷模型的不确定性。
18、材料局部安全系数：
材料特征值出现不利偏差的可能性或不确定性；
零件截面抗力或结构承载能力评估不确定的可能性；
几何参数不确定性；
结构材料性能与试验样品所测性能之间的差别；
换算误差。
19、失效影响安全系数用来区分以下几类零件：
（1）一类零件：
失效安全结构件结构件失效后不会引起风力发电机组重要零件的失效
（2）二类零件：
非失效安全结构件（3）三类零件：
非失效安全机械件把驱动机构和制动机构与主结构连接起来，以执行风力发电机组无冗余的保护功能。
20、风力发电机组极限状态分析内容：
极限强度分析；
疲劳失效分析；
稳定性分析；
临界挠度分析。
21、稳定性分析：
在设计载荷作用下，非失效安全的承载件不应发生屈曲。
对于其他零件在设计载荷下，允许发生弹性变形。
在特征载荷下，任何零件都不应发生屈曲。
第三章、总体设计
总体参数是涉及到风力发电机组总结结构和功能的基本参数，主要包括额定功率、发电机额定转速、总效率、设计寿命、年发电量、发电成本、总重量、重心。
1、额定功率是正常工作条件下，风力发电机组的设计要达到的最大连续输出电功率。
2、设计寿命：
风电机组安全等级I到Ⅲ的设计寿命至少为20年。
3、额定风速是锋利发电机组达到额定功率输出时规定的风速。
10~15m/s；
切入风速是风力发电机组开始发电时，轮毂高度处的最低风速。
3~4m/s；
切出风速是风力发电机组达到设计功率时，轮毂高度处的最高风速。
25m/s攻角不变，半径r处的叶素弦长与风轮转速Ω的平方成反比；
变桨距攻角改变，反比于转速。
4、叶片质量正比于外壳厚度与弦长的乘积，因此它随转速而正比增加。
5、转速增加导致叶片重量增加、成本增加，同时转速增加导致叶片平面外的疲劳弯矩减小，机舱和塔架成本减少。
6、风力发电机组产生的气动噪声正比于叶尖速度的5次方。
陆基叶尖速限制在65m/s，海上74m/s。
7、比功率：
风力发电机组额定功率与风轮的扫掠面积的比值。
405W/m平方。
风电机组的总体布局包括整机各部件、各系统、附件和设备等布置。
8、总体布置原则：
保证风力发电机组的强度、刚度、抗振性、平衡和稳定性，支撑部件要力求有足够的刚度；
整机各部件、各系统、附件和设备等，要考虑布置得合理、协调、紧凑；
保证正常工作和便于维护，并考虑有较合理的重心位置；
传统系统力求简短，达到结构紧凑、体积小、重量轻。
9、相似设计：
根据研究出来的性能良好、运行可靠地模型来设计与模型相似的新风力机。
10、风力机相似是指风轮与气体的能量传递过程以及气体在风力机内流动过程相似，他们在任一对应点的同名物理量之比保持常数，这些常数叫相似常数。
11、相似条件：
几何相似、运动相似、动力相似。
12、几何相似：
模型与原型风力机的几何形状相同，对应的线性长度比为一定值。
13、运动相似：
空气流经几何相似的模型与原型机时，其对应点的速度方向相同、比例保持常数。
14、动力相似：
满足几何相似、运动相似的模型与原型机上，作用于对应点力的方向相同，大小之比应保持常数。
15、Re为雷诺数，表示作用于流体上的惯性力与黏性力之比
16、对于具有相同叶尖速比的相似模型和原型机，他们的效率也相等。
17、模型试验中，雷诺数的值比临界雷诺数高，相似性依旧成立。
相反相似性差。
18、风电机组成本排序：
叶片、塔架、齿轮箱、机舱、电网联接、发电机。
第四章、风轮与叶片设计
风轮的作用是把风的动能转换成风轮的旋转机械能。
风轮的输出功率与风轮扫掠面积（或风轮直径的平方）、风速的立方和风能利用系数成正比。
第一节、概述
一、叶片的基本概念
1、叶片长度：
叶片径向方向上的最大长度；
2、叶片面积：
叶片旋转平面上的投影面积；
3、叶片弦长：
叶片径向各剖面翼型的弦长；
4、叶片扭角：
叶片各剖面弦线和风轮旋转平面的夹角。
二、风轮的几何参数
1、叶片数：
风轮的叶片数取决于风轮尖速比；
2、风轮直径：
风轮在旋转平面上的投影圆的直径；
3、轮毂高度：
风轮旋转中心到基础平面的垂直距离；
4、风轮扫掠面积：
风轮在旋转平面上的投影面积；
5、风轮锥角：
叶片相对于和旋转轴垂直的平面的倾斜角；
其作用是在风轮运行状态下减少离心力引起的叶片弯曲应力和防止叶尖与塔架碰撞的机会。
6、风轮仰角：
风轮的旋转轴线和水平面的夹角；
其作用是避免叶尖和塔架的碰撞。
7、风轮偏航角：
风轮旋转轴线和风向在水平面上投影的夹角；
偏航角可以起到调速和限速的作用，但在大型风力发电机组中一般不采用这种方式。
8、风轮实度：
叶片在风轮旋转平面上投影面积的总和与风轮扫掠面积的比值；
实度大小与尖速比成反比。
三、风轮的物理特性
1、风轮转速。
2、风轮叶尖速比（公式）。
3、风轮轴功率（公式）。
第二节、风轮载荷设计计算
一、叶片受力示意图
升力，阻力系数（公式）。
翼型的选择：
对于低速风轮，由于叶片数较多，不需要特殊的翼型升阻比；
对于高速风轮，由于叶片数较少，应当选用在很宽的风速范围内具有较高升阻比和平稳失速特性的翼型，对粗糙度不敏感，以便获得较高的功率系数；
另外要求翼型的气动噪声低。
二、叶片载荷
1、静载荷
（1）最大受力：
50年一遇的最大阵风作为最大静载荷值；
（2）最大弯矩：
当重力和气动力在同一方向上；
（3）最大扭矩：
当最大阵风时。
2、动载荷
（1）由阵风频谱的变化引起的受力变化；
（2）风剪切影响引起的叶片动载荷；
（3）偏航过程引起的叶片上作用力的变化；
（4）弯曲力矩变化，由于自重及升力产生的弯曲变形；
（5）在最大转速下，机械、空气动力制动，风轮制动的情况下；
（6）电网周期性变化。
三、叶片的受力分析
离心力、风压力、气动力矩、陀螺力矩。
四、风轮的强度校核
1、在载荷下运转时叶片强度的计算。
2、无载荷运转时叶片轴强度的计算。
3、叶片停转时叶片轴强度的计算。
第三节、叶片气动设计
一、风力机的性能指标
风轮输出功率、风能利用系数、尖速比、推力系数。
（相关公式）
二、风力机的空气动力学设计
动量理论、叶素理论。
三、叶片结构设计与制造
（一）轻型结构叶片的优缺点：
优点：
1、在变距时驱动质量小，在很小的叶片机构动力下产生很高的调节速度；
2、减少风力发电机组总质量；
3、风轮的机械制动力矩小；
4、周期振动弯矩由于自重减轻而很小；
5、减少了材料成本；
6、运费减少；
7、便于安装。
缺点：
1、要求叶片结构必须可靠，制造费用高；
2、所用材料成本高；
3、风轮在阵风时反应灵敏，因此，要求功率调节也要快；
4、材料特性和载荷计算必须很准确，以免超载。
（二）叶片材料
用于制造叶片的主要材料有玻璃纤维增强塑料（GRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）、木材、钢和铝等。
目前叶片多为玻璃纤维增强复合材料（GRP），基体材料为聚酯树脂或环氧树脂。
环氧树脂比聚酯树脂强度高，材料疲劳特性好，且收缩变形小。
聚酯材料较便宜，它在固化时收缩大，在叶片的连接处可能存在潜在的危险，即由于收缩变形在金属材料与玻璃钢材料之间可能产生裂纹。
复合材料的优点：
可设计性强、易成型性好、耐腐蚀性强、维护少，易修补。
耐热性差；
抗剪切强度低；
存在老化问题；
生产时安全防护；
表面强度低；
可以燃烧。
GRP材料的风力发电机组叶片成形工艺有手工湿法成形、真空辅助注胶成形和手工预浸布铺层等。
（三）叶片主体结构
叶片截面类型：
实心截面、空心截面、空心薄壁复合截面等。
蒙皮：
提供叶片的气动外形，同时承担部分弯曲载荷与大部分剪切载荷。
蒙皮的层状结构包括胶衣层、玻纤毡增强层、强度层。
主梁：
承载叶片的大部分弯曲载荷，是主要的承力结构。
（四）铺层设计原则
1、均衡对称原则；
2、定向原则；
3、按照内力方向的取向原则；
4、顺序原则；
5、抗局部屈曲设计原则；
6、最小比例原则；
7、变厚度设计原则；
8、冲击载荷区设计原则。
（五）叶根结构形式
1、螺纹件预埋式：
连接最可靠，但每个螺纹件的定位必须准确；
2、钻孔组装式：
不需要贵重且质量大的法兰盘；
在批量生产中只有一个力传递元件；
由于采用预紧螺栓，疲劳可靠性很好；
通过螺栓很好的机械联接，法兰不需要粘接。
需要很高的组装精度；
在现场安装，要求可靠的螺栓预紧。
（六）功率调节方法
1、失速控制
叶片和轮毂之间无运动部件，轮毂结构简单，费用低；
没有功率调节系统的维护费用；
在失速后功率的波动相对较小。
气动制动系统可靠性设计和制造要求高；
叶片、机舱和塔架上的动态载荷高；
由于常需要制动过程，在叶片和传动系统中产生很高的机械载荷；
起动性差；
机组承受的风载荷大；
在低空气密度地区难以达到额定功率。
2、变浆距控制
起动性好；
刹车机构简单，叶片顺浆后风轮转速可以逐渐下降；
额定点以后的输出功率平滑；
风轮叶根承受的静、动载荷小。
由于有叶片变距机构，轮毂较复杂，可靠性设计要求高，维护费用高；
功率调节系统复杂，费用高。
（七）防雷击保护
雷击造成叶片损坏的机理：
一方面，雷电击中叶尖后，释放大量能量，使叶尖结构内部的温度急剧升高，引起气体高温膨胀，压力上升，造成叶尖结构爆裂破坏，严重时使整个叶片开裂；
另一方面，雷击造成的巨大声波对叶片结构造成冲击损坏。
（八）降噪措施
提高制造精度，降低表面粗糙度；
修正轮齿缘。
在制造齿轮时，在齿轮顶侧沿齿宽修成直线或均匀曲线；
改用斜齿轮；
改进齿轮参数。
减小v、d，选取互为质数的传动比；
齿轮的阻尼处理。
高阻尼、不淬火；
改进润滑方式。
第四节、轮毂设计
一、风轮轮毂的结构设计
轮毂是连接叶片与主轴的重要部件，作用是传递风轮的力和力矩到后面的机械结构中去。
通常轮毂的形状为三通形或三角形。
常用的轮毂形式有：
（1）刚性轮毂；
（2）柔性轮毂（铰链式轮毂），叶片在挥舞方向、摆振方向和扭转方向上都可以自由活动。
由于铰链式轮毂具有活动部件，相对于刚性轮毂来说，制造成本高，可靠性相对较低，维护费用高；
它与刚性轮毂相比所说力与力矩较小。
二、风轮轮毂的载荷分析
轮毂载荷的分析方法：
最大剪切法、ASME锅炉和压力容器规则法、变形能法。
第五章、传动与控制机构设计
1、传动与控制机构：
传动机械能所需传动机构和机组控制调节所需驱动机构
2、主传动链：
风轮轴功率传递到发电机系统所需机构。
典型的主传动链包括风轮主轴系统、增速传动机构（齿轮箱）、轴系的支撑与连接（轴承、联轴器）和制动装置。
设计要求：
载荷传递路径最短，结构紧凑，机械传动系统与承载轴承部件集成。
主要构件支撑方式：
由独立轴承支撑主轴，三点支撑式主轴，主轴集成到齿轮箱，轴承集成在机舱底盘，固定主轴支撑风轮。
3、主轴轴承：
径向与轴向支撑通常采用滚动轴承，易产生弯曲变形。
轴承计算包括静态和动态额定值、轴承寿命分析等。
4、主轴：
仅考虑主轴传递扭矩的初步结构设计（计算），考虑综合载荷作用的主轴强度计算。
5、轴系连接构件：
高速轴与发电机轴采用柔性联轴器，以弥补安装误差、解决不对中问题；
需考虑对机组安全保护功能；
可降低成本；
还需考虑完备的绝缘措施。
轴与齿轮键连接（平键、花键）。
6、主传动链齿轮：
采用大传动比齿轮传动装置，将风轮所产生转矩传递到发电机，使其得到相应转速。
基本特点：
大传动比，大功率，难以确定动态载荷；
常年运行在极端环境下，高空维修困难；
设法见效其结构和重量；
设置刹车装置，配合风轮气动制动。
在满足可靠性和工作寿命要求前提下，以最小体积和重量为目标，获得优化的传动方案。
7、齿轮箱：
箱体，传动机构，支撑构件，润滑系统，其他附件。
传动形式：
定轴，行星齿轮以及组合传动；
级数：
单级，多级；
布置形式：
展开式，分流式，同轴式。
风电齿轮箱：
多级齿轮传动，采用一级或两级行星齿轮与定轴齿轮组成的混合轮系。
8、轮系：
由若干对啮合齿轮组成的传动机构，以满足复杂的工程要求。
定轴：
所有齿轮几何轴线位置固定，分为平面和空间定轴轮系，尽可能使传动级数少。
星系轮系：
至少有一个齿轮的轴线可绕其他齿轮轴线转动，传动效率高，承载能力强，结构简单工艺性好。
9、设计载荷：
分析过程要参照相应设计标准。
最重要载荷参数是反映风轮输出转矩及其相应特性的载荷谱。
制动载荷：
风轮制动主要依靠气动制动功能，制动时间比机械制动时间短，机械制动多用于紧急情况。
10、齿轮箱结构设计：
内部构件尺寸+运行环境确定外部载荷准确信息。
一般传动系统设计标准给出工况系数KA。
。
结构设计：
初步确定总体结构参数，箱体结构设计，齿轮与轴的结构设计，构建连接。
11、传动效率与噪声：
散热是紧凑结构齿轮箱的关键，定轴轮系每级损失2%，行星轮1%，机组传动载荷小时效率会有明显下降。
12、润滑油：
减少摩擦，较高承载，防止胶合，降震，防疲劳点蚀，冷却防腐蚀。
润滑系统：
强制润滑，设置基本回路以及对润滑油加热冷却的回路。
润滑方式有飞溅润滑和强制润滑。
润滑油换油周期：
开始，500h；
运行过程，5000~10000h；
定期抽样检测；
半年检修；
对齿轮箱重新进行检测。
13、关机运动方程：
空气动力矩，机械制动力矩，发电机电磁力矩。
空气制动：
定桨距由叶尖扰流器实现，变桨距由顺桨实现。
机械制动：
多置于高速轴。
限制条件（离心应力，摩擦速度，摩擦片温升，制动盘温升）
14、变桨距系统：
起动，功率调节，主传动链制动。
运动方程：
空气动力矩，重力矩，摩擦力矩。
15、电机驱动机构：
驱动功率计算，电动机选择，变距轴承齿轮副传动比，减速箱基本参数。
电机外壳的防护等级：
IP--。
电机外壳的防护（GB/T4942.1-1985）
表征数字
简述
含义
表示方法
第
一位
表
征
数
字
无防护电机
无专门防护
表示防护等级的代号由表征字母:
IP”及附加在后面两个表征数字组成;
IP44
表表表
示示示
国防防
际护溅
防大水
护于电
一机
豪
米
的
固
体
电
机
1
防护大于50mm固体的电机
能防止大面积的人体（如手）偶然或意外地触及或接近壳内带电或转动部件（但不排除故意接触）
能防止直径大于50mm的固体异物进入壳内
2
防护大于12mm固体的电机
能防止手指或长度不超过800mm的类似物体触及或接近壳内带电或转动部件
能防止直径大于12mm的固体异物进入壳内
3
防护大于2.5mm固体的电机
能防止直径大于2.5mm的工具或导线触及或接近壳内带电或转动部件
能防止直径大于2.5mm的固体异物进入壳内
4
防护大于1mm固体的电机
能防止直径或厚度大于1mm导线触及或接近壳内带电或转动部件
能防止直径大于1mm的固体异物进入壳内
5
防尘电机
能防止触及或接近壳内带电或转动部件,进尘量不足以影响电机正常运行
二
位
防滴电机
垂直滴水应无影响
注:
1,第一位数字表示第一种防护的各个等级,即防止人体触及或接近壳内带电部份和触及内部转动部件,以及防止固体异物进入电机.第二位数字表示
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