风力发电机设计与制造课程设计文档格式.docx
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10
11
功率(w)
54744
129763
253444
437952
695452
1038109
1478090
2027558
2698680
12
13
14
15
16
17
18
19
20
3500000
21
22
23
24
25
将得到的数据对绘制成静态风功率曲线,如图一
图1P—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CP?
曲线如图?
。
图?
?
CP?
曲线
由Cp?
曲线可得出=7.5,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
S
50
42.5
37.5
设计值由设计者选定
A
0.16
B
0.14
C
0.12
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;
I?
15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
叶片数
B=3
风轮直径
D=104m
额定输出功率
P=3.5MW
轮毂高度
Zhub=106.25m
设计寿命
20年
风能利用系数
Cp=0.45
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=12m/s
制动形式
气动刹车、机械刹车
风轮额定转速
nr=16.5r/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
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。
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63415翼型。
根据下式求各叶素的叶尖速比。
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
叶素位置/%
30
35
40
45
叶尖速比?
0.375
0.750
1.125
1.500
1.875
2.250
2.625
3.000
3.375
3.750
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
4.125
4.500
4.875
5.250
5.625
6.000
6.375
6.750
7.125
7.500
3.根据翼型确定叶片最佳攻角α,升力系数Cl,Cd
风力机翼型为NACA63-415,图3
图3NACA63-415翼型图
计算雷诺数Re
在20℃,压强为标准大气压101.325kPa时,空气的动力粘度
根据所得雷诺数查得Cl/Cd、Cl/alpha,见图4
图4Cl-Cd曲线和Cl-alpha曲线
图5Cl/Cd——alpha图
从图中可以得出翼型取得最大升阻比时,最佳攻角,此时升力系数Cl=0.9461,Cd=0.00791,最佳升阻比,本次设计选取最佳攻角,则升力系数和阻力系数分别为Cl=0.9461,Cd=0.00791。
叶片每个截面的升力系数相同,为Cl=0.9461。
4.叶片弦长计算步骤
通过下面的计算,可以得到沿叶片各径向位置r上的弦长C和叶素桨距角,即可完成叶片的初步设计,但要是想对叶片进一步优化,还需对翼型、叶根、叶尖风进行气动优化设计和工艺优化设计,在本次设计报告中,只对叶片作了初步设计。
如下:
(1)求利用公式
(2)求轴向干扰因子利用公式
(3)求切向干扰因子利用公式
(4)求入流角利用公式
(5)求叶素桨距角
(6)计算叶片弦长C
叶片气动特性通过excel计算,得到叶片各个截面气动特性参数,如表3:
表3叶片气动特性参数
位置(%)
半径r(m)
叶尖速比λ
ψ
k
h
φ
β
C(修正)
2.6
1.167
0.420
2.619
0.808
0.716
7.116
5.2
0.75
1.262
0.380
1.588
0.618
0.527
8.522
7.8
1.329
0.361
1.299
0.484
0.393
7.947
10.4
1.5
1.375
0.351
1.179
0.392
0.300
6.985
1.407
0.346
1.118
0.327
0.235
6.086
15.6
2.25
1.431
0.342
1.084
0.279
0.187
5.335
18.2
1.449
0.340
1.062
0.243
0.151
4.721
20.8
1.464
0.339
1.048
0.215
0.123
4.221
23.4
1.475
0.337
1.038
0.192
0.100
3.809
26
3.75
1.484
1.031
0.174
0.082
3.466
28.6
1.492
0.336
1.026
0.159
0.067
3.177
31.2
4.5
1.498
1.022
0.146
0.054
2.930
33.8
1.503
0.335
1.019
0.135
0.043
2.718
36.4
5.25
1.508
1.016
0.125
0.034
2.534
39
1.512
1.014
0.117
0.026
2.373
41.6
1.516
1.012
0.110
0.018
2.230
44.2
1.519
1.011
0.104
0.012
2.104
46.8
6.75
1.522
0.334
1.010
0.098
0.006
1.991
49.4
1.524
1.009
0.093
0.001
1.889
52
7.5
1.527
1.008
0.088
-0.003
1.797
5.叶片根部载荷计算与材料选择
叶片根部处理方式:
距叶根0~5m处制作成直径为3m的圆柱结构处理,且根部采用金属法兰连接。
见图6
图6金属法兰连接
表4增强材料力学性能
根据表4材料选择为T700碳纤维,抗拉强度为4.9Gpa
取
所以风轮根部直径选择3.6m
三.确定主要部件
1.发电机
发电机类型:
双馈异步变速恒频发电机;
额定功率:
3.5MW;
额定转速:
1500r/min;
发电机极对数为2,发电机主轴转矩T发电机主轴为:
选择刚轴推荐最大扭剪应力:
则发电机的主轴直径D发电机为:
取发电机主轴直径D为0.1
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