《风力发电机组设计与制造》课程设计报告模板
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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； 2 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、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 完成时间 备注
1 风电机组整体参数设计 2.5天
2 风电机组气动特性初步计算 2天
3 机组及部件载荷计算 2天
4 齿轮箱、发电机、变流器技术参数 1.5天 3 4 塔架根部截面应力计算 1天
5 报告撰写 1.5天
6 课程设计答辩 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 Vin=3m/s
切出风速 取 Vout=25m/s
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之比为1.70左右，在70m处：
Vr=1.70Vave=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：
D=3rp1238PVCr==114m
其中： 4 Pr--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/m3；
Vr--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；
Cp--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Zhub表示
Zhub=Zt+Zj=70+2.25.=72.25m
式中Zj—塔架高度；
Zt—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。 5 7、功率曲线和Ct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)=Pstat(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;
Pstat(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：
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；
Cp--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/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。 6
(2)、Ct曲线
计算并参考相关数据得到Ct曲线如下：
8、确定攻角，升力系数Cl，叶尖速比，风能利用系数Cp
风力机翼型为63418,根据翼型的气动数据得到升阻比随攻角变化的曲线见下图： 7
从图中可以得出翼型取得最佳升阻比时攻角，此时升力系数Cl=0.904，Cd=0.007本设计取攻角为，此时升力系数和阻力系数分别为Cl=1.307，
Cd=0.018。
三叶片风力发电机组的风轮叶尖速比一般在6至8之间，本设计取7。不同攻角下的风能利用系数随叶尖速比的变化曲线即CP曲线如图，由Cp曲线可得出Cp=0.44。
8 9、风轮额定转速
风轮额定转速可由下式计算得到：
nr===15r/min
10、功率控制方式：主动变桨距控制。
11、制动系统形式：第一制动采用气动刹车，第二制动采用高速轴机械刹车。
12、风力机等级
由IEC标准，如下表，选择风力机等级为IECIIIA。
WTGS等级 I II III IV S
vref[m/s] 50 42.5 37.5 30
由设计者规定各参数 vave[m/s] 10 8.5 7.5
A I15 0.18 0.18 0.18
0.18
a 2 2 2 2
B I15 0.16 0.16 0.16 0.16
a 3 3 3 3
阶段性总结
总体参数 设计值 总体参数 设计值
叶片数 B=3 风轮直径 D=114m
额定输出功率 P=5MW 轮毂高度 Zhub=70m
设计寿命 20年 风能利用系数 Cp=0.44
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=13m/s 制动形式 气动刹车、机械刹车
风轮额定转速 nr=15r/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 9 三、叶片气动优化设计
1、计算各剖面的叶尖速比
将叶片分为10个叶素，每个叶素间隔0.05R，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63418翼型。 根据下式求各叶素的叶尖速比。
0rR
叶素位置和叶尖速比数值见下表：
叶素位置/% 5 10 15 20
25
30 35 40 45
50
叶尖速比0.35 0.7 1.05 1.4 1.75 2.1 2.45 2.8
3.15 3.5
叶素位置/% 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
叶尖速比 3.85 4.2 4.55 4.9 5.25 5.6 5.95 6.3 6.65 7
2、叶片攻角及弦长优化设计计算步骤
⑴求利用公式
3arctan31
⑵求轴向干扰因子k利用公式
21cosk
⑶求切向干扰因子h利用公式
2211kh
⑷求入流角利用公式
)11cot(kharc
