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《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
姓 名：陈建宏 学 号：04
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
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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 风电机组整体参数设计 风电机组气动特性初步计算 机组及部件载荷计算 齿轮箱、发电机、变流器技术参数 塔架根部截面应力计算 报告撰写 课程设计答辩 完成时间 2.5天 2天 2天 1.5天 1天 1.5天 1.5天 备注 1 2 3 4 4 5 6 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）的额定风速羽平均风速之比为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=8Pr8×
√==114m .225×133×??×0.42×0.92×0.95×0.95
?Vr3?Cp?1?2?3其中：
Pr--风力发电机组额定输出功率，取5000kW；
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ρ--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；
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；
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=
????2??×11424
=4
=10207??2
综上可得风轮直径D=114m，扫掠面积S=10207??2。 （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。 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)+??Δ(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； ??Δ (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：
1
P=??????1??2??3??????2??3
8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；
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风力发电机组设计与制造课程设计报告
