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1、本科生课程设计题 目：800KW风力发电机组概念设计 学 院：机械交通学院 专 业：风电专业 班级：052 姓 名：戴海波 学号：053735207 指导教师：崔新维 职称：副教授 2009 年 1 月 10 日目 录前 言4课程设计任务书51 概念设计71.1概念设计的定义72风力发电机的概念设计82.1风力发电机设计参数82.1.1 设计标准和设计等级82.1.2风力发电机的额定功率92.1.3风轮叶片数92.1.4风力发电机的驱动方式92.2额定风速的确定及分析102.3叶轮直径的设计和分析112.4额定转速的确定与分析122.4.1转速的确定需要考虑的因素122.4.2额定转速的计算1
2、22.5功率控制方式132.5.1被动失速控制132.5.2变桨距控制142.5.3主动失速控制152.5.4功率控制方式的选择162.6机组刹车系统172.6.1气动刹车172.6.2机械盘式刹车182.6.3机组刹车系统的制动182.7定速转动模式192.7.1定速转动模式的特点192.7.2定速运行存在的主要问题192.7.3定速转动的优化192.8发电机的选择212.8.1发电机的类型212.8.2定桨距风力发电机的选择212.9塔架刚度要求222.10其他要求232.10.1定桨距风力发电机组的液压系统232.10.2偏航系统252.10.3 机舱262.10.4轮毂273零部件设计
3、293.1塔架的成本293.2塔架的设计303.2.1选择塔架的类型303.2.2塔架的设计问题313.2.3塔架高度的计算313.2.4塔架固有频率的选定313.2.5塔架的载荷计算314.风力发电机齿轮箱的设定354.1设计说明354.2 设计要求364.2.1 效率364.2.2 噪声级364.2.3 可靠性374.3 齿轮箱设计思想374.4 设计载荷374.4.1 载荷分析374.4.2 载荷计算384.5 齿轮箱结构型式的确定394.5.1 齿轮箱的类型与特点394.5.2 齿轮箱图例414.5.3 齿轮箱型式的确定424.6 齿轮箱设计参数424.7 齿轮传动设计434.7.2
4、齿轮传动参数选择原则444.7.3 材料、精度等级及齿数选定454.7.4 按齿面接触强度设计454.8 轴的设计524.8.1 轴直径计算分析524.8.2 轴肩部位分析524.8.3 轴的材料分析534.9 轴承的选取534.9.1轴承类型确定534.9.2 轴承的分析计算公式534.10 齿轮与轴的联接544.11 箱体设计论述54结束语55参考文献56前 言学习完风力发电机设计基础这门课程，崔新维老师布置了有关风力发电机组概念设计的课程任务。课程设计时间为2个星期。这门课程是我们“风电工程”专业方向的最后一门专业课程，前期通过对空气动力学基础、风资源分析、风力发电机载荷分析、风电场运行
5、及维护、风力发电机组的控制技术等课程的学习以及有关风电的软件如Wasp、Bladed、 Wind farmer 的初步应用。对风力发电机的设计、制造、运行维护有了系统、初步的了解。为今后从事风力发电机的设计制造、运行维护、技术服务及相关技术工作奠定了一定的基础。通过这次风力发电机组的概念设计，巩固了以前所学的内容，理顺了专业课中所涉及的知识，进一步加深了对风力发电机组的认识。从已知风机额定功率如何求得叶轮直径、额定风速、额定转速到如何确定功率的控制方式、转动模式和如何选择适合机型的发电机、底座以及设计塔架中应考虑的问题、解决方法、强度计算和校核，对风力发电机的初步设计有了一定的掌握。本课程设计
6、参考了很多参考书和网上的资料，在设计中也查阅了图书馆中与风电相关的书籍。鉴于本人水平有限及对风力发电机组方面知识的了解不足，课程设计说明书中存在错误之处，请崔老师给予指导和指正。 戴海波 2009年1月课程设计任务书一. 课程设计的时间流程本课程设计按如下流程进行。序号内容时间分配(天)备注1任务分配与要求0.5指导教师2查阅资料，拟定计划1.5在教师指导下3概念设计3参考内容：本课程教材4零部件或子系统设计3参考内容：其他课程教材5文件整理与编写1按格式编写设计计算报告6审核与定稿0.5学生之间互审、教师审阅7答辩准备与汇报1做出PPT文件答辩8指导老师评分按5级记分二. 概念设计要求学生可
7、以以教材中第二章内容为线索，基于任务书完成下列概念设计内容：叶轮直径设计与分析额定风速的确定与分析额定转速的确定与分析功率控制方式机组刹车系统定速或变速转到模式发电机类型塔架刚度要求其他内容零部件设计学生可以选择一个下列零部件进行设计计算：齿轮箱偏航传动系统变桨传动系统塔架功率调节控制系统（定速、变速方式）机组传动系动力学分析整机动力学分析三. 课程设计任务序号112345678910额定功率（kW）500550600650700750800850900950序号111121314151617181920额定功率（kW）1000105011001150120012501300135014001
8、450序号212驱动方式带齿轮箱直接驱动序号312叶轮个数32按学号顺序，由序号1、2、3组合选择，组合顺序为：序号1+序号2+序号3，如0111、0211、0311依此类推。0111的含义是：额定功率为500kW，带齿轮箱，3叶片机组。本人学号053735207，所分到的课程设计题目组合顺序为0711。则风力发电机设计参数为：风力发电机设计参数额定功率（KW）800叶片个数3驱动方式齿轮箱风力发电机设计基础课程设计1 概念设计1.1概念设计的定义由于计算理论的不成熟，模型简化不准确，荷载因素不确定和建筑材料的弥散性等因素造成某些结构无法通过精确的力学分析计算来解决，此时需要运用合理的“结构概
9、念”来进行分析和判断，这些源于结构理论和工程实践经验同时被证实有效的设计称为概念设计。1.2概念设计运用于风力发电机的设计 通过完成风力发电机组的概念设计，使我们能综合运用风力发电机设计基础及有关专业的知识，对大学所学的知识融会贯通。通过设计，让我们具有设计与分析发电机组的初步能力，为将来从事风电工程技术事业奠定一定的基础。2风力发电机的概念设计2.1风力发电机设计参数如图2-1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）800叶片个数3驱动方式齿轮箱图2-12.1.1 设计标准和设计等级目前国际公认的风力发电机组设计标准主要是国际电
10、工委员会的IEC标准和德国Germanisch Lloyd公司推出的GL规范。设计风力发电机组首先要确定风力发电机组的设计等级，按照不同的风况，IEC标准的IEC61400-1定义了四种风力机设计等级，以适应于不同风资源地区，见表2-2：表2-2 风力机设计等级分类表2-2中：Vref是轮毂高度处多年平均最大风速，A是按照较高的湍流强度设计的等级，B是按照较低的湍流强度设计的等级，C是按照最低的湍流强度设计的等级，Iref是风速为15 m/s时的湍流强度，S是由设计者自定的等级。这里所选取的风力发电机等级为，最大风速。2.1.2风力发电机的额定功率风力发电机组设计首先要确定机组的额定功率，额定
11、功率一般根据市场需求以及经济性来确定。额定功率的选择直接影响风力发电叶轮直径、叶轮转速、额定风速等参数的确定。 （2.1）2.1.3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。由于三
12、叶片的风力发电机的运行和输出功率较平稳，目前风力发电机采用三叶片的较多。 （2.2）2.1.4风力发电机的驱动方式本文所设计的风力发电机的驱动方式是带齿轮箱的。详细设计过程会在下文零部件设计中说明这里主要介绍下齿轮箱设计所要注意的因数。齿轮箱的功能：提速。齿轮箱是机组中最贵的和最重的部件之一。通常由专业厂商设计制造。 由于风力发电机的齿轮箱的运行条件与其它齿轮箱的运行条件差异较大， 基本要求：重量轻、效率高（尤其对大型风力机）、承载能力大、躁声小、起动力矩小。齿轮箱主要有两种类型：平行轴式、行星式。设计齿轮箱时应考虑的因素 ：基本类型 齿轮箱与主轴轴承分离还是集成 增速比 级数 齿轮箱的重量和成本 齿轮箱的载荷 润滑 断续运行时的效率 噪声2.2额定风速的确定及分析机组在额定风速点达到额定功率。额定风速选择的目标是确定一个合理的额定风速值，这里存在一个涉及多方面因素的优化问题，其中的成本因素是优先考虑的。如果选取的额定值太高，机组很少能达到额定功率，总发电量降低，以至于成本相对发电量来说就不合理了。另一方面，如果额定值取在最优值以下，相对于发电量，成本又偏高。根据风频分布图2-3(a)和年发电量情况图2-3(b)可初步确定额定风速。图2-3(a
