风力发电机设计与制造课程设计
Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】
一．总体参数设计
总体参数是设计风力发电机组总体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、风轮转速、设计寿命等。
1. 额定功率、设计寿命
根据《设计任务书》选定额定功率Pr =；一般风力机组设计寿命至少为20年，这里选20年设计寿命。
2. 切出风速、切入风速、额定风速
切入风速 取 Vin = 3m/s
切出风速 取 Vout = 25m/s
额定风速 Vr = 12m/s（对于一般变桨距风力发电机组（选）的额定风速与平均风速之比为左右,Vr==×≈12m/s）
3. 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：
其中：
Pr——风力发电机组额定输出功率，取；
——空气密度（一般取标准大气状态），取m3；
Vr——额定风速，取12m/s；
D——风轮直径；
1——传动系统效率，取；
2——发电机效率，取；
3——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：
综上可得风轮直径D=104m，扫掠面积A=84822m
4. 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：
)(tP——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;
)(tPstat——在给定时间段内V(t)的平均值所对应的功率；
)(△tP——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Pstat(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：
1——传动系统效率，取；
2——发电机效率，取；
3——变流器效率，取；
——空气密度（一般取标准大气状态），取m3；
Vr——额定风速，取12m/s；
D——风轮直径；
Cp——额定功率下风能利用系数,取。
由以上公式，使用excel计算出不同风速对应的功率值,见表1
表1 风速功率关系 风速（m/s） 3 4 5 6 7 8 9 10 11
功率（w） 54744 129763 253444 437952 695452 1038109 1478090 2027558 2698680
风速（m/s） 12 13 14 15 16 17 18 19 20
功率（w） 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000
风速（m/s） 21 22 23 24 25
功率（w） 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000
将得到的数据对绘制成静态风功率曲线，如图一
图1 P—v静态功率曲线
5. 风轮额定转速
三叶片风力发电机组的风轮叶尖速比0一般在6至8之间，不同攻角下的风能利用系数随叶尖速比的变化曲线即CP0曲线如图。
图CP0曲线
由Cp0曲线可得出0 =，则风轮额定转速可由下式计算得到：
6. 叶片数
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、功率控制方式、制动系统形式
功率控制方式选择主动变桨距控制；制动系统形式为第一制动采用气动刹车，第二制动采用高速轴机械刹车。
8、风力机等级
由IEC标准，如表2，选择风力机等级为IECIIIA。
WTGS等级 I II III S
50
设计值由设计者选定 A
B
C
表2 风机等级规范表
注：表中数据为轮毂高度处值，其中：A表示较高湍流特性级；参考风速Vref为10min平均风速；B表示中等湍流特性级；I15风速为15m/s时的湍流强度特性值。C表示较低湍流特性级；除表基本参数外，在风力发电机组设计中，还需要某些更重要的参数来规定外部条件。对风力发电机组IA～IIIC级，统称为风力发电机组的标准等级。
阶段性总结表
总体参数 设计值 总体参数 设计值
叶片数 B=3 风轮直径 D=104m
额定输出功率 P= 轮毂高度 Zhub=
设计寿命 20年 风能利用系数 Cp=
切入风速 Vin=3m/s 叶尖速比
切出风速 Vout=25m/s 功率控制方式 主动变桨距控制
额定风速 Vr=12m/s 制动形式 气动刹车、机械刹车
风轮额定转速 nr=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
二．叶片设计
1. 叶片材料选择
叶片选用T-700碳纤维，相比玻璃纤维，叶片密度较小，发电效率更高，密度为3/1800mkg。
2. 计算各剖面的叶尖速比
将叶片分为20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。叶片内圈采用钝后缘翼型，外圈采用63415翼型。 根据下式求各叶素的叶尖速比。
叶素位置和叶尖速比数值见下表2：
表2 不同叶素位置的叶尖速比
叶素位置/% 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
叶尖速比
叶素位置/% 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
叶尖速比 7．500
3. 根据翼型确定叶片最佳攻角α，升力系数Cl，Cd
风力机翼型为NACA63-415，图3
图3 NACA63-415翼型图
计算雷诺数Re
在20℃，压强为标准大气压时，空气的动力粘度6109.17
根据所得雷诺数查得Cl/Cd、Cl/alpha，见图4
图4 Cl-Cd曲线 和Cl-alpha曲线
图5 Cl/Cd——alpha图
从图中可以得出翼型取得最大升阻比时，最佳攻角25.5，此时升力系数Cl=，Cd=，最佳升阻比7.118/dlCC,本次设计选取最佳攻角25.5，则升力系数和阻力系数分别为Cl=，Cd=。叶片每个截面的升力系数相同，为Cl=。
4. 叶片弦长计算步骤
通过下面的计算，可以得到沿叶片各径向位置r上的弦长C和叶素桨距角，即可完成叶片的初步设计，但要是想对叶片进一步优化，还需对翼型、叶根、叶尖风进行气动优化设计和工艺优化设计，在本次设计报告中，只对叶片作了初步设计。如下：
（1）求利用公式
（2）求轴向干扰因子k利用公式
（3）求切向干扰因子h利用公式
(4）求入流角利用公式
（5）求叶素桨距角
（6）计算叶片弦长C
叶片气动特性通过excel计算，得到叶片各个截面气动特性参数，如表3：
表3 叶片气动特性参数
位置(%) 半径r(m) 叶尖速比λ ψ k h φ β C(修正)
5
10
15
20
25 13
30
35
40 3
45
50 26
55
60
65
70
75 39
80 6
85
90
95
100 52
5. 叶片根部载荷计算与材料选择
叶片根部处理方式：距叶根0 ~ 5m处制作成直径为3m的圆柱结构处理，且根部采用金属法兰连接。见图 6
图6 金属法兰连接
表4 增强材料力学性能
根据表4 材料选择为T700碳纤维，抗拉强度为
取papa991047.1109.43.0
取min1555.311.72121dmcd
所以风轮根部直径选择
三. 确定主要部件
1．发电机
发电机类型：双馈异步变速恒频发电机；
额定功率：；
额定转速：1500r/min；
发电机极对数为2，发电机主轴转矩T发电机主轴为：
选择刚轴推荐最大扭剪应力：MPafs55
则发电机的主轴直径D发电机为：
取发电机主轴直径D为.
2．变流器
变流器功率通常为风力发电机组的1/2~1/3，为保证机组可靠性，通常为额定功率的1/2,所以变流器功率为1500kW。
3．齿轮箱
方式：行星齿轮传动两级NGW；
低速轴转速：ln =min
高速轴转速：hn=1500r/min
传动比：i = 90
齿轮箱效率：983.095.0331
齿轮箱功率：
4．联轴器
低速轴联轴器功率
高速轴联轴器功率：
5．主轴
低速轴角速度为：
高速轴角速度为：
低速轴功率为：
高速轴功率为：
低速轴转矩为：
高速轴转矩为：
低速轴直径：
高速轴直径：
综上可得，低速轴直径取，高速轴直径取。
6．偏航系统
类型：主动偏航，并选用强制外置6电机偏航；
偏航范围：o800——o800
偏航角速度：so/6.0
偏航轴承：4点接触球轴承；
偏航驱动：6个3kW偏航电机；
偏航制动：液压控制摩擦制动；
大齿轮齿数：135；小齿轮齿数：16