《风力发电机组设计与制造》
课程设计报告
院系：可再生能源学院
班级：风能0902班
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学号：**********
指导老师：田德、王永
提交日期：
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/m3。
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。
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）的额定风速羽平均风速之比为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：
=√8×5000000
1.225×133×π×0.42×0.92×0.95×0.95
=114m
其中：
P r--风力发电机组额定输出功率，取5000kW；
ρ--空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m3；
V r--额定风速，取13m/s；
D--风轮直径；
η1--传动系统效率，取0.92；
η2--发电机效率，取0.95；
η3--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=πD2
4=π×1142
4
=10207m2
综上可得风轮直径D=114m，扫掠面积S=10207m2。
（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。
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)+PΔ(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；
PΔ(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：
P=1
8
C pη1η2η3ρπD2V3
式中：
η1--传动系统效率，取0.92；
η2--发电机效率，取0.95；
η3--变流器效率，取0.95；
C p--额定功率下风能利用系数,取0.44；
ρ--空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m3；
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。
