水平轴风力机课程设计

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1、沈阳航空航天大学课程设计说明书题 目 水平轴风力机的设计班级沈阳航空航天大学课程设计任务书课程名称风能利用技术院（系）专业 班级学号姓名课程设计题目课程设计时间:年_月_日至年_月_日一、课程设计的目的及任务1 主要目的：（1）以大型水平轴风力机为研究对象，掌握系统的总体技术参数计 算方法；（ 2）熟悉水平轴风力机的总体设计方法；（ 3 ）掌握科研报告的撰写方法。2主要任务：（ 1）确定风力机的总体技术参数；（ 2）计算关键零部件（叶片、风轮）载荷和技术参数；（ 3）完成叶片设计任务；（ 4）确定总体设计方案；（ 5）撰写一份课程设计报告。二、课程设计的主要内容选择功率范围在1.5MW至6MW

2、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C曲线和Ctpt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、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

3、键部件气动载荷的计算。设定几种风轮的C曲线和Ct曲pt 线，计算几种关键零部件的载荷(叶片、风轮)；根据载荷和功率确 定所选定机型主要部件的技术参数。以上内容建议用计算机编程实现 确定风力机的主要技术参数。(3) 最后提交有关的分析计算报告。指导教师年月日负责教师年月日学生签字年月日沈阳航空航天大学课程设计成绩评定单课程名称风能利用技术院/系能源与环境学院专业新能源科学与工程课程设计题目水平轴风力机的设计学号姓名答辩日期年_月_日指导教师（答辩组）评语：课程设计成绩：指导教师（答辩组）签字： 年_月_日目录一、设计概述 11 我国发展风能的趋势及优势 12 风力机概述 12.1 风力机类型12

4、.2 风力机的结构和组成13 大功率水平轴风力机发展的意义 24 国内外风力机技术的现状 24.1 国内风力机技术现状24.2 国外风力机技术现状 35 风力机叶片设计的理论基础 35.1 简化叶素理论设计方法35.2 Glauert 理论设计方法 4二、设计内容 51 风力机额定功率、寿命、相关速度参数及叶片数等的确定 51.1 额定功率51.2 设计寿命51.3 切入风速、切出风速、额定风速51.4 叶片数51.5 各部分效率52 风力机几何参数的确定 62.1 叶轮直径和扫掠面积62.2 叶轮扫掠面积63 风力机叶尖速比、转速的确定 63.1 叶尖速比的确定63.2 转速的确定74功率曲

5、线，风能利用系数QP曲线，推力系数曲线75 功率控制方式，传动系统，制动系统的选择105.1 功率控制方式105.2 传动系统115.3 制动系统116 塔架高度117 设计标准及风力机等级127.1 设计标准127.2 风力机等级128 关键部件气动载荷计算128.1 利用 Glauert 理论设计14三、设计结果 16四、相关图片及设计程序 171 相关图片 172 Glauert理论程序18五、结论201 设计命题的合理性202 设计的理论基础203 设计运用的工具 20参考文献4 设计中的不足与展望 20.2.2一、设计概述1 我国发展风能的趋势及优势1973 年发生的石油危机，特别是

6、世界范围内化石燃料能源的大量消耗产生 一系列的环境问题，给人类生存环境造成的危害日趋明显，风力发电才逐渐被重 视起来，尤其到 90 年代，由于科学技术的进步，风力发电从新能源中脱颖而出， 成为一种最具工业开发规模的新能源。风能是一种可再生能源，它资源丰富，是 一种永久性的本地资源，可为人类提供长期稳定的能源供应；它安全、清洁，没 有燃料燃烧所产生的危害，更不会在使用过程中污染环境。因此，世界各国都在 加快风力发电技术的研究，以缓解越来越重的能源与环境压力。中国具有丰富的风能资源，风电产业的发展具有良好的资源基础。据估计， 内地及近海风资源可开发量约为 10 亿千瓦，主要分布在东南沿海及附近岛屿

7、、 内蒙古、新疆和甘肃河西走廊，以及华北和青藏高原的部分地区。中国政府将风 力发电作为改善能源结构、应对气候变化和能源安全问题主要能源替代技术之一 给予有力的扶持。确定了 2010 年和 2020 年风电装机容量分别达到 1000 万千 瓦和 1 亿1.2 亿千瓦的目标，制定了风电设备国产化相关政策，并辅以“风电特 许权招标”等措施，推动技术创新、市场培育和产业化发展。2 风力机概述2.1风力机类型目前用于风力发电的风力机按风轮结构和在气流中的位置主要分为两种：一 种是水平轴风力机，一种是垂直轴风力机，两种风力机相比各有各的特点。2.2 风力机的结构和组成风力发电机组主要由叶轮、传动系统、偏航

8、系统、控制系统、发电机、机舱、 塔架与基础组成。叶轮是由叶片和轮毂组成，其功能是将风能转换为机械能。 其中，叶片是 风力机的关键部件之一，其主要作用是将风能转化为机械能，其良好的设计、可 靠的质量和优越的性能是保证风力机正常稳定运行的决定因素。传动系统一般包括低速轴、高速轴、增速齿轮箱、联轴节和制动器等。偏航系统的功能是跟踪风向变化，驱动机舱围绕塔架中心线旋转，使风轮扫 掠面与风向保持垂直。控制系统是风力机在各种自然条件与工况下正常运行的保障，包括调速、调 向和安全控制。发电机是将风轮的机械能转换为电能。 机舱由底盘和机舱罩组成，底盘上 安装除了控制器以外的主要部件。塔架支撑叶轮达到所需要的高

9、度，它除了要承受风力机的重力外，还要承受 吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行的动载荷。基础为钢筋混凝土结构，其中心位置与塔架连接在一起，保证风力发电机组 牢牢固定在基础上。3 大功率水平轴风力机发展的意义大型水平轴风力机因其技术特点突出，特别是具有风能利用率高、机构紧凑 等方面的优势，已经成为当前风力机发展的主要方向。因为传统垂直轴风机自启 动性能差、主轴易引起谐振、刹车制动难度大、效率低、并网困难等缺点，相较 于垂直轴风力机而言，水平轴风力机的技术相对成熟，所以，水平轴风力机已经 形成了大规模商业化生产。4 国内外风力机技术的现状4.1国内风力机技术现状2005 年之前，国内只能制造 6

10、00 千瓦以下风电设备，零部件配套能力也很 差，关键部件依赖进口，750 千瓦以上风机全部依赖进口。2005 年可再生能源 法颁布之后，在政策激励和市场拉动的双重作用下，风电设备制造和设计技术 加速发展，开始形成自主制造能力，2005 年 750 千瓦的国产风力机问世，成为 2006年、2007年的主流机型。2006 年 1.5 兆瓦的国产风机问世，2007 年开始大批量供应国内市场， 2007年底，2 兆瓦的风电设备开始下线调试，2008 年开始 批量供应市场。目前，我国虽然制造出兆瓦级的风力机，但是从根本上来说我们 还没有自主设计开发的能力。而自主设计开发对我国风电事业的长期发展是非常 重

11、要的，它不仅可以使我们摆脱从国外进口风力机的局面，而且可以从根本上解 决我国的风机行业的“瓶颈”问题，促进我国风电行业快速发展。4.2国外风力机技术现状国外风电企业起步较早，上世纪末，风电机组主流机型是750 千瓦，到 2002 年主流机型已经达到 1.5 兆瓦以上。2003 年全球安装的风电机组平均单机容量达 到 1.2 兆瓦，美国已经研制成功 7 兆瓦风力机，而英国正在研制 10 兆瓦的巨型 风力机。随着机组大型化的发展，兆瓦级以上的机组技术普遍采用了变桨距和变 速恒频的先进技术。欧洲是全世界风力发电发展速度最快、装机容量最多的地区。 国外建立了完善的风力发电机组设计、制造和监控体系，在风

12、力发电机组运行、 维护和管理方面积累了丰富的经验，大型风力发电机组质量、运行可靠性和效率 都处于领先地位。5 风力机叶片设计的理论基础5.1简化叶素理论设计方法根据贝茨理论的叶轮最大功率条件下，不考虑叶片涡流的分布和影响，经推 倒，叶素r处有：0 = coti (1.5A )又有：一般取冲角a是在升阻比Cl/Cd最大值附近，称为最佳冲角。 从而可以分别推到求出叶素r出的弦长t和叶素安装角B。5.2Glauert 理论设计方法Glauert 设计方法考虑了风轮后涡流流动的叶素理论(即考虑了轴向诱导因 子a和切向诱导因子b),但在另一方面，该方法忽略了叶片翼型阻力和翼梢损 失的影响，因为这两者对叶

13、片外形设计的影响较小，但对风能利用系数Cp的影响 较大。经公式推到，叶素r处有：Czt8兀(1 k)1I =x1 + h 0 = coti (2 -) r1 + kJ再根据：B = 0 a便可分别推到求出Glauert理论下叶素r出的弦长t和叶素安装角B。二、设计内容1 风力机额定功率、寿命、相关速度参数及叶片数等的确定1.1 额定功率根据设计任务书取额定功率：Pr = 2.0MW1.2 设计寿命一般风力机组的设计寿命至少为 20年，这里选 20 年设计寿命。1.3 切入风速、切出风速、额定风速切入风速取vin = 3m/s切出风速取vout = 25m/s额定风速取冬=12m/s1.4叶片数

14、一般风轮叶片数取决于风轮的尖速比入。目前用于风力发电一般属于高风速 发电机组，即入=4-7左右，叶片数一般取23。此外，叶片数目的确定应与实 度一起考虑，既要考虑风能利用系数，也要考虑启动性能，总之要达到最多的发 电量为目的。由于三叶片的风力发电机运行和输出功率较平稳，目前风力发电机 采用三叶片较多。所以叶片数取： B=31.5 各部分效率传动系统效率取0.952 风力机几何参数的确定2.1 叶轮直径和扫掠面积风力机额定功率：Pr =-CppFvi扫掠面积：F = 4其中：Pr风力发电机组的额定输出功率，取2.0MW，即2.0X106W；Cp额定功率下风能利用系数，取0.35；p空气密度，取1

15、.225Kg/m3；F叶轮扫掠面积；D叶轮直径；冬额定风速，取12m/s；叽传动系统效率，取0.95。由以上公式，可以计算出：叶轮直径： D = I8作 = l8x2.x106= 85.06m nCppv，r3-q1N 兀x0.35xl.225xl2 3x0.95为了便于计算，取 D=85m。2.2 叶轮扫掠面积扫掠面积：F = 巫=仝942 = 5674.5m2443 风力机叶尖速比、转速的确定3.1 叶尖速比的确定对于三叶片风力机，叶尖速比选在 6 左右，风电机组具有较高的风能利用技 术。由于风力发电机组产生的气动噪声正比于施，通常将陆基风力发电机组的叶 尖速度限制在65m/s左右，近海74m/