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《风力发电机组设计与制造》课程设计报告-图文.pdf
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《风力发电机组设计与制造》
课程设计报告
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/m
3
。
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 C
p
曲线和 C
t
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 C
p
曲线和 C
t
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
1
2
3
4
风电机组整体参数设计
风电机组气动特性初步计算
机组及部件载荷计算
完成时间
2.5 天
2 天
2 天
备注
齿轮箱、发电机、变流器技术参 1.5 天
数
2
4
5
6
塔架根部截面应力计算
报告撰写
课程设计答辩
1 天
1.5 天
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 V
in
=3m/s
切出风速 取 V
out
=25m/s
额定风速 取 V
r
=13m/s
对于一般变桨距风力发电机组(选 5MW)的额定风速与平均风速之比为 1.70 左
右,在 70m 处:
V
r
=1.70V
ave
=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:
8P
r
=
3
V
r
C
p
1
2
3
D= =114m
其中:
3
P
r
--风力发电机组额定输出功率,取 5000kW;
--空气密度(一般取标准大气状态),取 1.225kg/m
3
;
V
r
--额定风速,取 13m/s;
D--风轮直径;
--传动系统效率,取 0.92;
--发电机效率,取 0.95;
--变流器效率,取 0.95;
C
p
--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= ==10207
。综上可得风轮直径 D=114m,扫掠面积 S=10207
(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 Z
hub
表示
Z
hub
=Z
t
+Z
j
=70+2.25.=72.25m
式中 Z
j
—塔架高度;
Z
t
—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。
4
7、功率曲线和 C
t
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)=P
stat
(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;
P
stat
(t)--在给定时间段内 V(t)的平均值所对应的功率;
(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
P
stat
(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:
式中:
--传动系统效率,取 0.92;
--发电机效率,取 0.95;
--变流器效率,取 0.95;
C
p
--额定功率下风能利用系数,取 0.44;
--空气密度(一般取标准大气状态),取 1.225kg/m
3
;
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。
5
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