风力发电机组设计与制造_课程设计_
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课程设计(综合实验)报告
风电机组总体技术设计
日期:2013年 7月3日
目录
任务书 3
一 设计内容 3
二 目的与任务 3
三 主要内容 3
四 进度计划 3
五 设计(实验)成果要求 3
六 考核方式 3
总体参数设计 3
一 额定功率 3
二 设计寿命 3
三 额定风速、切入风速、切除风速 3
四 重要几何尺寸 3
1 风轮直径和扫掠面积 3
2 轮毂高度 3
五 ...
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课程设计(综合实验)
风电机组总体技术设计
日期:2013年 7月3日
任务书 3
一 设计内容 3
二 目的与任务 3
三 主要内容 3
四 进度
3
五 设计(实验)成果要求 3
六 考核方式 3
总体参数设计 3
一 额定功率 3
二 设计寿命 3
三 额定风速、切入风速、切除风速 3
四 重要几何尺寸 3
1 风轮直径和扫掠面积 3
2 轮毂高度 3
五 总质量 3
六 发电机额定转速和转速范围 3
七 叶片数B 3
八 功率曲线和Ct曲线 3
1 功率曲线 3
2 Ct曲线 3
九 确定攻角α,升力系数CL,叶尖速比λ,风能利用系数Cp 3
十 风轮转速 3
十一 其他 3
十二 风电机组等级选取 3
叶片气动优化设计 3
一 优化过程 3
二 叶片优化结果 3
主要部件载荷计算 3
一 叶片载荷计算 3
1 作用在叶片上的离心力Fc 3
2 作用在叶片上的风压力Fv 3
3 作用在叶片上的气动力矩 3
4 作用在叶片上的陀螺力矩Mk 3
二 主轴载荷计算 3
三 塔架载荷计算 3
1 暴风工况风轮气动推力计算 3
2 塔架的强度设计(考虑塔架高度折减系数的强度计算) 3
主要部件功率 3
一 发电机 3
二 变流器 3
三 齿轮箱 3
四 联轴器 3
五 偏航 3
风电机组布局 3
设计总结 3
附录 3
图1 3
图2 3
图3 3
图4 3
图5 3
图6 3
图7 3
图8 3
图9 3
图10 3
图11 3
图12 3
图13 3
图14 3
图15 3
参考文献 3
任务书
设计内容
风电机组总体技术设计
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
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
。
6. 每人撰写一份课程设计报告。
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49m/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。
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
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
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。
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。
总体参数设计
额定功率
根据《设计任务书》要求,选择2.5MW进行设计。
设计寿命
风力发电机组安全等级Ⅰ~Ⅲ的设计寿命至少为20年。故设计寿命为20年。
额定风速、切入风速、切除风速
切入风速Vin=3m/s;
额定风速Vr=13m/s;
切除风速Vout =25m/s。
重要几何尺寸
风轮直径和扫掠面积
风轮直径决定机组在多大的范围内获取风中蕴含的能量。直径应根据不同风况与额定功率匹配,以获得最大的年发电量和最低的发电成本。风轮直径有下述简单计算公式:
式中
——额定输出功率,取2.5MW;
——主传动系统的总效率,取0.95;
——发电系统效率,发电机效率取0.96,变流器效率取0.95;
—— 风能利用系数,取0.44 ;
ρ——空气密度,取1.225kg/m3;
——额定风速,13m/s。
扫掠面积。
轮毂高度
塔架高度取60m。
轮毂高度 。
式中
——塔顶平面到风轮扫掠面中心的距离,取2.25m;
——塔架高度。
总质量
机舱和风轮等总质量为m1=174t,塔架质量取160t。
发电机额定转速和转速范围
采用双馈异步发电机,极对数p=2,额定转速由下式求出
双馈异步机转速范围 。
叶片数B
叶片数B取3,三叶片风电机组有其显著的优势,是目前风电市场主流。
功率曲线和Ct曲线
功率曲线
由于风速具有波动的特征,所以功率曲线也会有细微波动,此处采取平均风速绘制功率曲线。风速未达到切入风速的时候,P=0;风速达到切入风速之后,机组启动,以最大Cp捕捉风能;达到额定风速后,采取控制策略,限制功率在额定功率附近。
式中C为考虑到实际情况的常数。
曲线绘制见图1。
Ct曲线
通过Cp求出轴向气流诱导因子a,再由a求出Ct,得到Ct曲线如图2,但是考虑到其他因素和实际情况,和某风电机组Ct的试验结果(见图3)相比,趋势相同,数值不一样。
确定攻角α,升力系数CL,叶尖速比λ,风能利用系数Cp
根据已知翼型数据,求出升阻比,绘制升阻比曲线见图4,发现α为5°时,CL/CD取到最大值,此处选取α为10°,升阻比CL/CD为72.6;叶尖速比λ大概为7,风能利用系数Cp风速的关系,由于假设是变速风机,额定值前捕捉最大风能,Cp保持0.44,当达到额定以后,Cp下降,见图5,实际上,双馈异步机转速范围为,额定值前有一段Cp是上升过程,图6为某风电机组Cp的试验结果,对比发现,趋势是相同的。
风轮转速
风轮转速,齿轮箱传动比约为68。
其他
上风向主动偏航,偏航变桨均采用电动机驱动,制动方式第一制动为气动制动,第二制动为高速轴机械制动。
风电机组等级选取
风力发电机组安全等级基本参数
风力发电机组安全等级
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
S
vref (m/s)
50
42.5
37.5
设计值由设计者选定
A Iref (-)
0.16
B Iref (-)
0.14
C Iref(-)
0.12
由于已知条件,年均风速vave=7.6m/s,选取Ⅲ级,但是没有湍流数据,因此无从在A、B、C之间做出判别。
叶片气动优化设计
优化过程
给出r,攻角α已知,CL也已知;
记λ0=Ωr/v1;
由下式求出
由下式求出
由下式求出
由下式求出
叶素桨距角β=;
弦长。
叶片优化结果
现选取叶片5%~100%长度,步长5%展示优化结果,0~5%叶片形状为圆筒形,根部采用钻孔组装方式。计算内容见图7,弦长和桨距角β随半径变化见图8。
主要部件载荷计算
叶片载荷计算
作用在叶片上的离心力Fc
叶片离心力
式中
——叶片的密度,取540kg/m3;
——风轮转速,计算得2.3rad/s;
——半径r处对应叶素面积;
r——叶素所在半径。
Naca翼型63418几何参数见图9,翼型几何形状见图10,可近似求出单位弦长叶素对应的面积;与弦长平方成正比,所以可以用数值积分的方法近似求出上式。
求出单位弦长叶素面积Ar=0.112m2;大致求出Fc=1118kN。
作用在叶片上的风压力Fv
作用在叶片上的风压力Fv由下式给出
近似计算得出Fv=349786N;
等效作用点可由下式求出
经计算得出rm=27m。
作用在叶片上的气动力矩
Mb是一个叶片产生的转动力矩,可由下式求出
近似计算得Mb=54528 N·m。
作用在叶片上的陀螺力矩Mk
叶片的转动惯量由下式求出
陀螺力矩Mk由下式求出
式中
——偏航转速,取1︒/s,即0.0175rad/s;
——叶尖速比,取7;
R——风轮半径,39.35m;
——风速,取额定值13m/s;
——与的夹角,当叶片铅垂位置时,︒,达到最大。
经计算,,308400Nm。
主轴载荷计算
低速轴转速
高速轴转速
高速轴功率
低速轴功率
高速轴转矩
低速轴转矩
高速轴直径
低速轴直径
式中
——实心钢轴最大应力,取55MPa。
塔架载荷计算
暴风工况风轮气动推力计算
当时,;当时,;当时,。本设计年均风速,所以。
暴风条件的风轮气动推力目前有几种计算方式,结果相差较大。以下分别计算几种常用的方法。
前苏联法捷耶夫公式
式中
——叶片的投影面积;
——叶片数。
叶片投影面积可根据风轮扫掠面积与风轮实度求出,风轮实度σ取0.064,则叶片面积为
荷兰ECN的公式
式中
——推力系数,取1.5;
——动态风压,与轮毂高度有对应关系,取1330N/m2;
——动态系数,取1.2;
——安全系数,取1.5。
计算得
德国DFVLR公式
式中,取2.2,计算
丹麦RIS公式
塔架的强度设计(考虑塔架高度折减系数的强度计算)
塔架高度60m,采用锥形钢筒结构,分段加工,顶部直径4m,壁厚20mm,底部直径5m,壁厚30mm。
塔架受力分析见图11,根部截面应力可表示为下式
式中
——塔架根部抗弯截面系数,单位cm3;
——塔架根部截面积,单位cm2;
——塔架本身所受重力,单位N;
——变截面塔架长度折减系数,可根据λ2从图12查出。
而
式中
——与塔架截面变化有关的这算长度修正系数,可根据差表(见图13)得出;、分别是塔架顶部和根部截面惯性矩,单位cm4;
——塔架根部截面的惯性半径,,单位cm。
计算过程:
取上述荷兰公式结果,即;
按下式求出
式中
——平面系数,平面取1,此处取0.7。
取1.29;
查图11得(低碳钢);
最终得
主要部件功率
发电机
双馈异步发电机,功率为2.5MW,转轴直径见上述高速轴直径。
变流器
变流器功率一般选为发电机额定功率的1/2~1/3,此处选择1MW。
齿轮箱
采用一级行星齿轮两级圆柱齿轮传动,功率为上述所求低速轴功率,低速轴转速与高速轴转速也分别求出,传动比为68.2。
联轴器
低速轴、高速轴联轴器功率、转速都已由上述高速轴、低速轴功率求出。
偏航
类型:主动偏航;
偏航轴承:4点接触球轴承;
偏航驱动:4个3kW偏航电机;
偏航制动:液压控制摩擦制动。
风电机组布局
采用主流的风电机组布置方式,如图14所示。
传动系统采用双馈型风力发电机组典型的偏一字型布置,见图15。
叶片变桨采取独立变桨控制。
设计总结
总体参数计算部分
额定功率
2.5MW
设计寿命
20年
切入风速
3m/s
额定风速
13m/s
切除风速
25m/s
风轮直径/扫掠面积
78.7m/4864m2
轮毂高度
62.25m
总质量
334t
发电机转速
(1±30%) n1(1500r/min)
叶片数
3
功率曲线和Ct曲线
~
攻角
10︒
升力系数
1.307
阻力系数
0.018
风能利用系数
0.44(额定)
风轮转速
22r/min
偏航
上风向主动偏航
制动
气动、高速轴
机组等级
Ⅲ*
叶片气动优化部分
详见图表
主要部件载荷计算部分
叶片载荷计算
叶片离心力
1118kN
风压力
340kN
等效作用点
27m
气动力矩
54528 Nm
最大陀螺力矩
308400Nm
主轴计算
低速轴转速
2.30rad/s
高速轴转速
157.1rad/s
高速轴功率
2747kW
低速轴功率
2892kW
高速周转矩
17487 Nm
低速轴转矩
1257kN∙m
高速轴直径
117.4mm
低速轴直径
488mm
塔架载荷计算
暴风风况气动推力计算
苏联法捷耶夫
881kN
荷兰ECN
1109kN
德国DFVLR
1513kN
丹麦RIS
1459kN
塔架强度设计(根部截面应力)
186.8MPa
主要部件功率
发电机
2.5MW双馈异步
变流器
1MW
齿轮箱
一级行星齿轮两级圆柱齿轮(传动比68.2)功率为上述所求低速轴功率
联轴器
低速轴、高速轴联轴器功率、转速都已由上述高速轴、低速轴功率求出。
偏航
4个3kW偏航电机/液压控制摩擦制动
风电机组布局
采用主流风电机组布局方式
传动系统采用双馈型风力发电机组典型的偏一字型布置
附录
参考文献
[1] 姚兴佳,田德.风力发电机组设计与制造[M].北京:机械工业出版社,2012.
[2] 陈建宏. 风力发电机组设计与制造课程设计报[OL]. http://wenku.baidu.com/view/75998e0403d8ce2f00662312.html
[3] 运达风电. windey 2.5MW风电机组介绍[OL]. http://wenku.baidu.com/view/b85d15f19e31433239689336.html
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