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1、新新疆疆农农业业大大学学机机械械交交通通学学院院课课程程论论文文课程名称课程名称: : 风力发电机组设计与制造风力发电机组设计与制造 学学 期：期： 2015-20162015-2016 学年学年 第第 2 2 学期学期 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 任课教师：任课教师： 提交时间：提交时间： 20162016 年年 6 6 月月 2525 日日 课程设计任务书一、课程设计进度本课程设计进度安排如下：序号内容时间分 配备注1任务分配0.5教师进行任务分配并提出设计要求 2查阅资料，拟定计划1.5教师指导，学生主导3概念设计3学生根据分配的任务结合所学内容 完成设计
2、4零部件或子系统设计3学生根据分配的任务结合所学内容 完成设计 5文件整理与编写1按规定格式编写设计计算报告 6审核与定稿0.5学生互审、教师审核 7答辩准备与汇报1学生准备材料 8评分指导教师评分0设计内容1 总体参数设计如表为风力发电机的设计参数，包括风力发电机的额定功率，叶片个数，驱动方式。风力发电机设计参数额定功率（KW）1300叶片数量2驱动方式直接驱动设计寿命20 年1.1 额定风速的确定与分析额定风速是风力发电机组达到额定功率输出时规定的风速，大型风力发电机组额定风速一般为 10-15m/s。所以，选定额定风速：=13m/s。切入风速是风力发电机组开始发电时，轮毂高度处的最低风速
3、，大型风力发电机组切入风速一般为 3-4m/s。所以，选定切入风速：=3m/s。切出风速是风力发电机组达到设计功率时，轮毂高度处的最高风速，大型风力发电机组切入风速一般为 25m/s。所以，选定切出风速：=25m/s。12 叶轮直径设计和分析叶轮实现了风能转化为机械能，主要由叶片和轮毂构成。风轮叶片数一般风轮叶片数取决于风轮的尖速比 。目前用于风力发电一般属于高速风力发电机组，即 4-7 左右，叶片数一般取 2 或 3。用于风力提水的风力机一般属于低速风力机，叶片数较多。叶片数多的风力机在低尖速比运行时有较低的风能利用系数，即有较大的转矩，而且起动风速亦低，因此适用于提水。而叶片数少的风力发电
4、机组的高尖速比运行时有较高的风能利用系数，且起动风速较高。另外，叶片数目确定应与实度一起考虑，既要考虑风能利用系数，也要考虑起动性能，总之要达到最多的发电量为目标。由于双叶片的风力发电机的高尖速比运行时有较高的风能利用系数。所以本次设计选用 2 叶片。 B=2叶轮直径：根据叶轮扫风面积和叶轮直径的额定风速:Vr=13m/s计算直径的公式：3 218RPre VCpD1不同类型的风轮其风能利用系数不同，并网型风力发电机组的风能利用系数一般在 0.4以上。所以选择 =0.45 PC为发电机转换效率,为传动轴效率: =0.95 =0.961212为空气密度: 换算公式计算出叶轮直径的值： 3225.
5、 1mkgD58.02m取 D=58m风轮扫掠面积 22 m9 .26434DA1.3 额定转速的确定与分析风轮转速主要取决于尖速比，尖速比越大则转速越高，风力发电机的转速比通常取57。这里取=6风轮转速 (r/min)这里，Vr =13m/s,R=D/2=29m,可求得n=25.8r/min2 功率控制方式功率控制的方式主要分为被动失速控制、变桨距控制、主动失速控制。（1）被动失速控制的数学理论被动失速控制是最简单的控制方式，利用高风速时升力系数的降低和阻力系数的增加，限制功率输出的增加，在高风速时保持近似恒定。被动失速控制方式的优点：控制简单，百 KW 级多用。被动失速控制方式的缺点：功率
6、曲线由叶片的失速特性决定，功率输出不稳定，甚至是不确定的；阻尼较低，振动幅度较大，易疲劳损坏；高风速时，气动载荷较大，叶片及塔架等受载较大；在安装点需要试运行，优化安装角；低风速段，叶轮转速较低时的功率输出较高。（2）变桨距控制就是变桨距叶片用可转动的轴安装在轮毂上，轮毂上安装的几个叶片可同步转动以改变叶片的安装角，即同步改变叶片的迎角可以满足不同风速条件下风力发电机可以得到额定功率。变桨距控制方式的主要优点：更多获取风能；提供气动刹车；减少作用在机组上的极限载荷；桨距角的变化；速率：5/s 或更高；范围：运行时 035 ；刹车时 090 ,0 时，叶尖弦线位于转动平面内。变桨距控制方式的主要
7、缺点：增加一或三套变桨距系统（电动或液压驱动） ，从而增加了故2概率。（3）主动失速控制的特点：采用失速叶片保证功率调节简单可靠；利用桨距调节在中低风速区优化功率输出，高风速区维持额定功率输出；在临界失速点，通过桨距调节跨越失速不稳定区。主动失速的技术特点：与被动失速功率调节相比：可以补偿空气密度、叶片粗糙度、翼型变化对功率输出的影响,优化中低风速的出力,额定点之后可维持额定功率输出。叶片可顺桨，刹车平稳,冲击小，极限载荷小。被动失速与主动失速的功率曲线的比较，在超过额定风速后，被动失速的功率随风速的增加而减小，而主动失速的功率随风速的增加而无太大变化。与变桨距功率调节技术相比：受阵风、湍流影
8、响较小，功率输出平稳，无需特殊的发电 机桨距仅需微调，磨损少，疲劳载荷小。通过对被动失速控制，变桨距控制，主动失速控制的分析，以及风力发电机的额定功率 和其他因素的考虑，设计 1300KW 的风力发电机所选择的功率控制方式为主动失速控制。选择主动失速控制方式的理由：主动失速控制在低风速区优化功率输出，高风速区维持 额定功率输出；百兆瓦风力发电机组采用主动失速控制与变桨距控制，被动失速控制都有很 大的优势。变桨距机组和主动失速型机组的不同工作情况，变桨距机组在功率达到最大值时，随风 速的改变而改变攻角，从而使机组工作在功率在最大值附近。主动失速机组工作在功率达到 最大值要开始下降的区间，通过改变
9、攻角主动失速，从而保证机组工作在功率最大值附近。3 机组刹车系统 1300kw 风力发电机所采用的机械刹车系统是由气动刹车和 2 部机械盘式刹车组成。3.1 气动刹车1300kW 风力发电机采用主动失速型控制系统，因此有一套变桨系统如图 1。通过变桨起到气动刹车的功能。3.2 机组刹车系统的制动制动过程有三种情况：正常停机、安全停机、紧急停机（1）正常停机风力发电机已经联网，此时要正常停机，制动程序为：通过电磁阀释放叶尖；当发电机转速降至同步转速时，发电机主接触器动作，发电机与电网解裂；风轮转速低于设定值时，第一部盘式刹车投入；如果叶尖扰流器释放后转速继续上升，则第二部刹车立即投入；下一次使用
10、刹车系统时，第二个投入的刹车先投入；停机后叶尖扰流器收回。（2）安全停机叶尖扰流器释放的同时投入第一部刹车；当发电机转速降至同步转速时，发电机主接触器跳开，第二不部机械刹车被投入；叶尖扰流器不收回。（3）紧急停机3所有的继电器，接触器失电；叶尖扰流器和两部刹车同时投入，发电机同时与电网解裂。4 定速或变速转动模式1900kW 风力发电机的转动模式设计为定速双速转动模式。定速运行的特点：控制简单，但不能最大限度获得风能。定桨距机组在低风速运行时的效率较低；由于转速恒定，而风速变化（如运行风速范围为 325m/s） ；如果设计低风速时效率过高，叶片会过早失速 发电机本身在低负荷时的效率问题；当 P
11、30%的额定功率时，效率90%；当 P3P柔塔：1Pf3P 甚柔塔：f1P如果塔架满足强度要求，则它的刚度基本取决于塔架高度和直径的比值。比值越大，塔架越柔。刚塔的优势在于，运行时不会发生共振，噪声很小。但需用的材料太多，超过强度的需要。因此，通常多用柔塔。1300KW 风力发电机组选用柔性塔架，风轮转速为 25.8rpm 时风轮的转动频率和叶片的通过频率分别为：fr =25.8rpm/60s=0.43Hzfb = 1.29Hz因此，塔架的固有频率 f 应满足：0.43Hzf 1.29Hz如实际设计的塔架频率 f 为 0.8Hz，就满足要求。7 其他内容7.1 偏航系统偏航系统的功能：所有的水
12、平轴风力发电机必须偏航实现对风。 偏航运动由偏航机构实现。 偏航速率较低，以避免陀螺力过大。偏航系统类型：主动偏航用于上风式机组，利用电机驱动。自由偏航通常用于下风式机组，利用空气动力驱动。偏航系统中至少包含偏航轴承，偏航轴承必须能承载机组中部件的重量，并传递气动推力到塔架。 主动偏航的偏航轴承中含有齿圈，偏航驱动机构中的小齿轮与之啮合，驱动底板摆动。偏航驱动机构中通常包括：电机、减速器、驱动小齿轮偏航系统减速后，使小齿轮低速增扭。 主动偏航的一个问题是，断续的偏航运动使偏航齿轮易磨损或断齿。为了减缓冲击，设置偏航刹车，在不偏航时制动。 主动偏航系统的偏航运动是由偏航误差控制的。当偏航误差超过
13、一定时间段允许的范围时，偏航开始启动。 自由偏航系统中通常只有偏航轴承。 有的机组中设置偏航阻尼器，减慢偏航速率，减小陀螺载荷。1.9.3 轮毂轮毂的功能：连接叶片和主轴，最终连接到传动系的其余部件；必须传递并承受所有来自叶片的载荷。 轮毂的材料：通常用钢材，焊接或铸造制成，由于结构一般较复杂，多用球墨铸铁铸造。 轮毂的结构形式：结构形式取决于方案设计，两叶片或三叶片，定桨距或变桨距。水平轴风力发电机采用三种基本形式：刚性轮毂；跷跷板式叶片轮毂；铰接叶片轮毂。刚性轮毂：轮毂的主要部分相对主轴是固定的。使用最普遍，几乎为双叶片或多叶片机组用。6刚性轮毂可用于定桨距叶片和变桨距叶片。 如果叶片相对
14、主轴有锥度，可在轮毂上预留接合面。 要有足够的强度承受叶片上的气动载荷和其它动态载荷。 用于变桨距机组的轮毂，必须提供：叶根轴承；可靠的定位措施；变桨距机构。轮毂承受的三种载荷情况：(1) 对称叶轮推力：所产生的叶根弯矩在轮毂的前端生成双向拉力，在后端生成双向压力。推力本身在轮毂的连接低速轴的法兰附近产生挥舞弯曲应力。（2）在单个叶片上的推力：在轮毂的后端生成挥舞方向的弯曲应力；在轮毂上从变桨轴承的上风侧到连接低速轴的法兰的一段曲线附近生成摆振方向的拉伸应力。（3）叶片重力弯矩：在轮毂中，相等和相反的叶片重力弯矩经过圆柱筒传到轮毂的前端和后端附近，并互相抵消。8 塔架的设计8.1 选择塔架的类
15、型塔架将机组的主要部件升到一定的高度。由于风速随着高度增加，并且湍流现象减少。 从获取风能上讲，因此塔架越高越好，但受到成本的约束。通常塔架的高度为 11.5 叶轮直径。但不宜低于 24 米（风速、湍流因素） 。水平轴机组常用三种塔架：桁架式；圆筒式；拉索式。其中圆筒式的主要优势：无需定期拧紧结点螺栓；进入机舱的通道较安全；视觉较好。 塔架材料：塔架多用钢材，通常要做防腐处理,因此 1300KW 风力发电机组的塔架选择：圆筒式，材料为 Q235。8.2 塔架的设计问题塔架的主要功能是支撑风力发电机的机械部件，发电系统，承受风轮的作用力和风作用在塔架上的力（弯距，气动推力及对塔架的扭力） ，塔架还必须具有足够的疲劳强度，能承受风轮引起的振动载荷，包括启动和停机的周期性影响，突风变化，塔影效应等。塔架的刚度要适度，其自振频率（弯曲及扭转）要避开运行频率（风轮旋转频率的 3 倍）的整数倍。塔架自振频率高于运行频率的塔称之为刚塔，低于运行频率的塔称之为柔塔。塔架设计的基本问题： 动力学问题塔架固有频率的选定；静强
