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
=；一般风力机组设计寿命至少为20根据《设计任务书》选定额定功率P
r
年，这里选20年设计寿命。
2.切出风速、切入风速、额定风速
= 3m/s
切入风速取 V
in
切出风速取 V
= 25m/s
out
= 12m/s（对于一般变桨距风力发电机组（选）的额定风速与平额定风速 V
r
==×≈12m/s）
均风速之比为左右,V
r
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：
——风力发电机组额定输出功率，取；
P
r
——空气密度（一般取标准大气状态），取m3；
——额定风速，取12m/s；
V
r
D——风轮直径；
η——传动系统效率，取；
1
η——发电机效率，取；
2
η——变流器效率，取；
3
C p ——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=84822
m
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：
)(t P ——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;
)(t P stat ——在给定时间段内V(t)的平均值所对应的功率；
)(△t P ——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：
1η——传动系统效率，取；
2η——发电机效率，取； 3η——变流器效率，取；
——空气密度（一般取标准大气状态），取m 3； V r ——额定风速，取12m/s ； D ——风轮直径；
C p ——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0λ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C P 0λ曲线如图。
图C P 0λ曲线
由C p 0λ曲线可得出0λ =，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
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
/1800m kg 。
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λ。
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
3. 根据翼型确定叶片最佳攻角α，升力系数C l ，C d
风力机翼型为NACA63-415，图3
