课程设计(综合实验)报告-风力发电机组设计与制造

课程设计(综合实验)报告( 2011 - 2012年度第 2 学期)名 称： 风力发电机组设计与制造 题 目： 风力发电机组设计与制造 院 系： 可再生能源学院 班 级： 风能0903 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 2周 成 绩： 日期：2012 年 6 月 一 设计任务要求1. 设计内容风电机组总体技术设计2. 目的与任务1.2.1.2.2.1. 主要目的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；熟悉相关的工程设计软件；掌握科研报告的撰写方法。2.2. 主要任务：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；熟悉相关的工程设计软件；掌握科研报告的撰写方法。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。二 设计正文1. 原始参数风力机的安装场地50米高度年平均风速为7.0ms，60米高度年平均风速为7.3ms，70米高度年平均风速为7.6 ms，当地历史最大风速为48ms，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1.225kgm3。表1 63418翼型的升力系数、阻力系数数据2. 确定整机设计的技术参数2.1. 额定功率Pr：3MW2.2. 设计寿命：20年2.3. 叶片数B： 3一般来说，要得到很大的输出扭矩就需要较大的叶片实度，现代风力发电机组实度较小，一般只需要13个叶片。3叶轮的平衡简单，动态载荷小，通常能提供较佳的效率，而且噪声小，从审美的角度也比较令人满意。综上所述，叶片数选择3。2.4. 切入风速vin：3ms切出风速vout：25ms额定风速vr：vr = 1.70 vave =1.70*7.6 = 12.9ms2.5. 叶尖速比叶尖速比是风轮的叶尖线速度的与额定风速之比式中， 风轮角速度R 风轮半径对于三叶片的风机，叶尖速比选在68的范围内，风电机组具有较高的风能利用系数。由于风力发电机组产生的气动噪声正比于5，通常将陆基风力发电机组的叶尖速度限制在65ms左右，近海74ms。本设计取=6.5。不同攻角下的风能利用系数随叶尖速比的变化曲线即Cp-曲线如图1，由Cp-曲线可得出此时Cp = 0.35。图1不同攻角下的Cp -曲线1.2.2.1.2.2.2.3.2.4.2.5.2.6. 风轮直径 式中，Pr 风力机额定功率，设计值为2MW （标准大气压）空气密度，取1.225 kgm3Vr 额定风速，取12.9 ms - 传动系统效率，取0.96 - 发电机效率，取0.97Cp 额定功率下风能利用系数，取0.35则叶片长度取47m风轮扫掠面积: 2.7. 塔架高度由于风速与距地面高度有关，增高塔架可使风轮获取更多风能，但制造更高的塔架就需要更多的材料，成本也会增加。大型机组塔架高度H可按下式初步确定：H = （0.81.3）D式中，D风轮直径另外，塔架高度选择与地形与地貌有关，考虑地貌因数的塔架最低设计高度一般可按下式估算：H = 。1.1.1. 齿轮箱图8 齿轮箱结构传动形式：齿轮箱选用2级行星轮+1级平行轴齿轮齿轮箱效率：= 传动比：低速轴转速：17 rmin高速轴转速：1500 rmin齿轮箱功率：考虑到齿轮箱的效率，近似计算齿轮箱功率1.1.2. 联轴器低速轴联轴器功率：高速轴联轴器功率：1.1.3. 变流器由于采用的是双馈式发电机组，所以只需要确定和转子连接的变流器功率，对于双馈机组，变流器功率一般取机组额定功率的1312，考虑到机组的可靠性，此处去变流器功率为额定功率的12,变流器额定功率为1500kw。1.1.4. 偏航执行机构偏航形式选择：采用变桨电机机械变桨，并采用外齿偏航轴承形式 偏航驱动装置设计：包括驱动电机、减速器、传动齿轮、齿轮间隙调整机构n 驱动电机功率：一般由最大偏航扭矩确定，本设计采用四台3kW偏航电机n 驱动装置减速器结构形式：采用行星减速器n 传动齿轮结构形式：采用渐开线圆柱齿轮偏航技术要求：要求有解缆保护装置；大型风力发电机组偏航转速不可过高，对于此机组，设计偏航转速为= 0.75°s，保证偏航液压系统正常工作是不能漏油；安装偏航计数器。图9 偏航执行机构1.1.5. 变桨距执行机构变桨形式选择：采用变桨电机机械变桨，并采用内齿变桨轴承形式变桨驱动装置设计：包括驱动电机、减速器、传动齿轮、齿轮间隙调整机构n 驱动电机功率选择：P偏航电机 = 5kwn 驱动装置减速器结构形式：采用行星减速器n 传动齿轮结构形式：采用渐开线圆柱齿轮变桨性能设计要求：n 保证变桨速度1°s，并装上变桨圈数计数器装置；n 确保变桨在断电时的正常工作，采用可充电蓄电池；n 选择液压刹车钳形式保证变桨刹车时的稳定，制动过程15°s 。图10 电动变距机构1.2. 风电机组的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，一般为图11所示的偏置一字型布置图11 风电机组总体布置图12 风电机组整体外观图图13 机舱示意图图14 机舱主要零部件名称1.3. 主要部件的载荷1.3.1. 叶片载荷计算n 作用在叶片上的离心力Fc：式中，r0 - 叶片起始处的旋转半径,约为R的120，为2.35m-叶片的密度，本设计为530 kgm3 - 风轮角速度，Ar叶素处叶片截面积，Ar = Cdr用matlab计算得出：Fc = 55216kNn 作用在叶片上的风压力FvØ 叶轮静止时的风压力：式中，-空气密度，为1.225 kgm3v-额定风速，为12.9msC-叶素的弦长Cd-阻力系数用matlab计算得出：Fv1 =242.22NØ 叶轮静止时作用点距风轮轴距离:用matlab计算得出：rm1 = 18.83mØ 叶轮转动时的风压力：式中，I-安装角Cl-升力系数Cd-阻力系数用matlab计算得出：Fv2 =1648.3kNØ 叶轮转动时作用点距风轮轴距离式中，I-入流角l-叶素处的弦长，即为Cr-叶素半径用matlab计算得出：rm2 =30.71mn 作用在叶片上的气动力矩Mb用matlab计算得出：Mb =3370.8kN·mn 作用在叶片上的陀螺力矩MkØ 整个叶片的转动惯量为：式中，F-叶素处的截面积，即ArØ 柯氏加速度：，式中，-惯性半径-偏航角速度，本设计取0.01rads-切向速度与偏航角速度的夹角，=90°时ak最大柯氏角加速度：Ø 陀螺力矩Mk = I=90°时，陀螺力矩Mk最大用matlab计算得出：Mk =16164N·m1.3.2. 风轮载荷计算n 作用在整个风轮上轴向推力：n 作用在整个风轮上的转矩可表示为：式中，k-轴向诱导因子=lambda*60*12.9piD;a=0.05:0.1:1;b=lambda*a;psi=13*atan(b)+pi3;k=sqrt(b.2+1).*cos(psi);(1-k).(1+(I).2).*(cl*cos(I)+cd*sin(I).*C;Fv2=12*1.225*12.92*trapz(r,y2)y3=y2.*r;Rm2=trapz(r,y3).trapz(r,y2)X=(1+(1.tan(I).2).*(cl*sin(I)-cd*cos(I).*C.*r;Mb=12*1.225*12.92*trapz(r,X)x=3.3*C.*r.2;J=1.8e3*trapz(r,x);epsilon=2*0.01*lambda*12.9R;Mk=J*epsilonr1=0,r;a1=0.00001,a;b1=lambda*a1;psi1=13*atan(b1)+pi3;k1=sqrt(b1.2+1).*cos(psi1);y4=(1-k1.2).*r1;T=pi*1.225*12.92*trapz(r1,y4)h1=sqrt(1-k1.2).b1.2+1);y5=(h-1).*(k+1).*r.3;M=pi*1.225*omega*12.9*trapz(r,y5)Fas1=pi*D24*0.053*0.784*602*3Fas2=1.5*1390*1.2*0.05*pi*D24*1.5*3Fas3=2.2*0.5*1.225*602*0.05*pi*D24*3Fas4=300*pi*D24