风力发电机设计与制造课程设计【参考】.doc

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。 额定功率、设计寿命 根据《设计任务书》选定额定功率Pr =3.5MW；一般风力机组设计寿命至少为20年，这里选20年设计寿命。 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 Vr = 12m/s（对于一般变桨距风力发电机组（选3.5MW）的额定风速与平均风速之比为1.70左右,Vr=1.70Vave=1.70×7.0≈12m/s） 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： Pr——风力发电机组额定输出功率，取3.5MW； ——空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m3； Vr——额定风速，取12m/s； D——风轮直径； ——传动系统效率，取0.95； ——发电机效率，取0.96； ——变流器效率，取0.95； Cp——额定功率下风能利用系数,取0.45。 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=8482 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： ——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; ——在给定时间段内V(t)的平均值所对应的功率； ——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： ——传动系统效率，取0.95； ——发电机效率，取0.96； ——变流器效率，取0.95； ——空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m3； Vr——额定风速，取12m/s； D——风轮直径； Cp——额定功率下风能利用系数,取0.45。 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 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?由Cp?曲线可得出 =.5，则风轮额定转速可由下式计算得到： 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 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