Vin=3m/s 切出风速 Vou：指风力发电机组在这个风速的工况下停止运行的风速，取
Vout=25m/s 额定风速 Vr：使风力发电机组开始发出额定功率的风速称为额定风速，取
Vr=13m/s。对于一般变桨距风力发电机组（选 5MW）的额定风速与平均风 速比为 1.70 左右，在 70 米处：Vr=1.70Vave=1.70 7.6 13m/s 5. 叶尖速比λ 叶尖速比 λ：叶轮转动时，叶尖速度与来流风速之比。 有风力发电机组产生的气动噪声与叶尖速度的 5 次方成正比。一次，限制风 力发电机组的转速是必要的， 陆上限制在 65m/s，变速机组典型的范围是 70~85m/s。海上风力发电机组不用像陆上风力发电机组一样在最大叶尖速度问题 上考虑环境噪声，因此，专门为海上设计的典型机组叶尖速度要比较大。 三叶片风力发电机组的风轮叶尖速比一般在 6-8，设计的最佳叶尖速比为 7， 本设计取λ =7。由下图 Cp-λ 曲线可得出，Cp=0.44 。
b) 关键部件气动载荷的计算。设定几种风力机的 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，联轴器载荷和塔架载荷）；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，联轴
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
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图 1. 风能利用系数 Cp 与叶尖速比λ 的曲线
6. 发电机额定转速与转速范围
额定转速：1500r/min 转速范围：1000-2000r/min
7. 重要几何尺寸
1) 风轮直径与扫掠面积 由风力发电机组输出功率得叶片直径：
其中： D ----风轮直径，m； Pr ----风机发电机组额定输出功率，取 6MW; Cp ----额定功率下风能利用系数，取 0.44（目前为止，尚没有风力发电机组的风 能利用系数超过 0.44）； ρ ----空气密度，（标准大气压下，海平面高度，20℃），取 1.225kg/m3; η 1 --传动系统效率，取 0.92； η 2 –发电机效率，去 0.95； η 3 –变流器效率，取 0.95。 由直径计算可得扫掠面积：
设计目的、 1) 原始参数：风力机的安装场地 50m 高度的平均风速 7.0m/s，60m 的高度年平均风
主要内容
速 7.3m/s，70m 的高度年平均风速 7.6m/s，当地历史最大风速 49m/s，用户希望安
（参数、方
装 1.5MW 至 6MW 之间的风力机。采用 NACA63418 翼型，NACA63418 翼型的升
2 天全体成员 2 天全体成员 1 天全体成员 1 天全体成员
5 天分工负责，选作 2 天全体成员 1 天全体成员
主要参考 资料
[1] Wind Energy Handbook. John Wiley & Sons Ltd. JOHN WILEY. Tony Burdon, David
Sharpe, Nick Jenkins. [2] 理想风力机理论与叶片函数化设计.科学出版社.姜海波. [3]风能技术(第二版).科学出版社. JOHN WILEY. Tony Burdon, David Sharpe, Nick Jenkins.武鑫.译 [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 [6] 《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） [7] 《风力发电原理》.华北电力大学.徐大平等著 [8] 《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
3. 主要任务：
确定风机组的整体设计参数
关键零部件（齿轮箱，发电机，变流器）的技术参数
计算关键零件部位（叶片，风轮，主轴，联轴器和计任务
完成 3D 画图模型和实体模型的制作
撰写一份课程设计报告
4. 主要内容
选择功率在 1.5MW 至 6MW 之间的风电机组进行设计
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课程设计任务书
专业：
学生姓名
班级：
学号
设计题目
风力发电机组设计与制造
1. 设计内容
风电机组总体技术设计
2. 设计目的
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，如 Matlab, Solidworks,Fluent
掌握可研报告的撰写方法
和各零部件的主要技术参数。
c) 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。提交有关的分析计算报告。
d) 学习叶片理论，对选取的叶片进行理论分析与计算；用 Solidworks 画整机 3D 模型；
购买和自己动手制作组装整机模型；进行气动方面的实验。
5. 设计（实验）成果要求
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《风力发电机组设计与制造》 课程设计报告
设计题目：风力发电机组设计与制造 专 业： 班 级： 学生姓名: 学 号: 指导教师：
2016 年 01 月 20 日 Key Lab. of EPM (Ministry of Education) Northeastern University(东北大学), Shenyang, China
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目录
《风力发电机组设计与制造》 ....................................................................................................... 1 课程设计报告...................................................................................................................................1
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2) 轮毂高度 轮毂高度是从地面到风轮扫掠面积中心的高度，用 Zhub 表示：
式中： Zj ——塔架高度； Zt ——塔顶平面到风轮扫掠中心高度。
8. 叶片数 B=3
现代大功率风力发电机的实度(Solidity)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 叶片风轮有如下有点： 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； 综上所述，叶片数选择 3。
本设计就目前的主流现代大型风机进行设计计算，给出一些最基本的风场参 数，和设计要求，要求学生自主学习风力机发电原理，并粗略设计满足要求的风 力机。人类设计使用风力机已有上千年历史，但是效率最高的理想风力机是什么 样的结构，具有什么样的想能，这仍是人类渴望了解的谜题。弹指理想风力机的 内部构造，解释它的运行规律，是改报告的深入目的之一。 关键词：风能利用，风力发电，风力机发电原理，理想风机
附录 ..................................................................................................................................... 27
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一、 总体设计参数
指导教师 签字
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摘要
人类利用风能的历史较为悠久。最早可以追溯到 3000 年前风车的使用。那 时候风车的主要用途是磨碎粮食和提水。当然，最早在海上航行的船只依靠的最 基本动力源是风能。现代风力机发电在大型工业生产中已经得到较好的应用，并 且每年新增的容量达数吉瓦。我国风能资源较为丰富，大力发展风电事业符合我 国确立的可持续性发展战略，也是完成节能减排目标的重要手段。
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1. 额定功率及种类
根据《设计任务书》选定额定功率为 5MW 级别的双馈变速恒频式风力发电机组。
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. 各部分效率
η 1 --传动系统效率，取 0.92； η 2 –发电机效率，去 0.95； η 3 –变流器效率，取 0.95。 4. 切入风速、切出风速、额定风速、叶尖速比 切入风速 Vin：使风力发电机组的风轮开始转动的风速称为切入风速，取
法）及要求
力系数、阻力系数可查表。空气密度设定为 1.225kg/m3。
2) 设计内容
a) 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
系数，电气系统，制动系统形式和塔筒高度等，根据标准确定风力机等级；
1) 提供设计的风电机组设计书和性能计算结果
2) 提供相关理论分析结果；3D 大图；实体模型；气动实验数据
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进度安排
1. 风电机组整体参数设计 2. 风电机组气动特性初步计算 3. 机组及部件载荷计算 4. 齿轮箱、发电机、变流器技术参数确定 5. 叶片相关理论分析与计算，3D 画图， 6. 实体模型制作，整机模拟实验 7. 报告撰写，制作答辩 PPT 8. 课程设计答辩
摘 要 ............................................................................................................................... 1 一、 总体设计参数...................................................................................................................3 阶段性总结....................................................................................................................................... 9 二、 叶片气动性优化设计.....................................................................................................10 三、 主要部件功率.................................................................................................................13 四、 主要部件的载荷计算.....................................................................................................14 五、 风电机组布局.................................................................................................................19 六、 设计总结.........................................................................................................................20 七、 理想风力机叶片翼型二维数值模拟分析.....................................................................22 参考文献......................................................................................................................................... 23