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风力发电机叶片设计及三维建模

风力发电机叶片设计及三维建模
风力发电机叶片设计及三维建模

华北电力大学(保定)

硕士学位论文

风力发电机叶片设计及三维建模

姓名:王学永

申请学位级别:硕士

专业:机械工程

指导教师:祝晓燕;赵彦茹

20080521

风力发电机叶片数目与风能利用率

风力发电机叶片数目与风能利用率 曹连芃 摘要:介绍风轮实度大小对风力机运行特性的影响,为什么现在风力发电机多为“一根杆子三根针”的结构。 关键字:风轮,风轮实度,叶尖速比,风能利用系数,一根杆子三根针,实度比,风能,风力发电机 图1是我们常见的风力发电机外观图,它有三个叶片,三个叶片与轮毂构成风轮,风轮转轴带动机舱内的发电机,由于风轮的转轴是水平的,故称为水平轴风力发电机。 图1-水平轴风力发电机 我们看到绝大多数风力发电机是三个叶片,这是为什么? 在谈这个问题之前,先介绍一个有关风力机叶片数目的概念——风轮实度。风力机叶片(在风向投影)的总面积与风通过风轮的面积(风轮扫掠面积)之比称为实度(或称实度比、容积比),是风力机的一个参考数据。 图2是几种水平轴风力机叶轮,绘有单叶片、双叶片、三叶片、多叶片四种

风轮的示意图,风轮实度的计算方法如下: S为每个叶片对风向的投影面积,R为风轮半径,B为叶片个数, σ为实度比 σ=BS/πR2 图2-单叶片至多叶片的风轮实度 在图2中从单叶片到三叶片的风轮实度比小,是低实度风轮,12叶片的风轮实度比高,是高实度风轮。 从图中看三个细细的叶片似乎让大多数风都漏掉了,为什么不采用多叶片风轮以便接受更多风能呢。 我们通过图3来做简单的解释:图上部分是风通过普通三叶片的气流示意图,气流通过叶轮做功后速度减慢,由于速度变慢气流体积有所增大,就有图中所示的气体发散的流动曲线。图2下部分是风通过多叶片的气流示意图,多叶片大大增加了气体通过的阻力,气流会分开绕过叶轮流向后方,只有部分气流通过叶轮做功,由于阻力大,通过叶片的风速也会降低得较多,所以叶轮实际得到的风功率减少了,这就是多叶片风力机得不到更多风能的重要原因。

风力发电机设计与制造课程设计

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。 1. 额定功率、设计寿命 根据《设计任务书》选定额定功率P r =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。 2. 切出风速、切入风速、额定风速 切入风速 取 V in = 3m/s 切出风速 取 V out = 25m/s 额定风速 V r = 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,V r =1.70V ave =1.70×7.0≈12m/s ) 3. 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: m C V P D p r r 10495.096.095.045.012225.13500000 883 3 213≈???????==πηηηπρ 其中: P r ——风力发电机组额定输出功率,取3.5MW ; 错误!未找到引用源。——空气密度(一般取标准大气状态),取1.225kg/m 3; V r ——额定风速,取12m/s ; D ——风轮直径; 1η——传动系统效率,取0.95; 2η——发电机效率,取0.96; 错误!未找到引用源。3η——变流器效率,取0.95; C p ——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: 22 2 84824 1044 m D A =?= = ππ错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。 综上可得风轮直径D=104m ,扫掠面积A=84822 m

4. 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: )()()(△t P t P t P sta t += )(t P ——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; )(t P stat ——在给定时间段内V(t)的平均值所对应的功率; )(△t P ——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P stat (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: 32123 8 1ηηπηρD V C P r P = 1η——传动系统效率,取0.95; 2η——发电机效率,取0.96; 错误!未找到引用源。3η——变流器效率,取0.95; 错误!未找到引用源。——空气密度(一般取标准大气状态),取1.225kg/m 3; V r ——额定风速,取12m/s ; D ——风轮直径; C p ——额定功率下风能利用系数,取0.45。

风力发电机的分类

1,风力发电机按叶片分类。 按照风力发电机主轴的方向分类可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。 (1)水平轴风力发电机:旋转轴与叶片垂直,一般与地面平行,旋转轴处于水平的风力发电机。水平轴风力发电机相对于垂直轴发电机的优点;叶片旋转空间大,转速高。适合于大型风力发电厂。水平轴风力发电机组的发展历史较长,已经完全达到工业化生产,结构简单,效率比垂直轴风力发电机组高。到目前为止,用于发电的风力发电机都为水平轴,还没有商业化的垂直轴的风力发电机组。 (2)垂直轴风力发电机:旋转轴与叶片平行,一般与地面吹垂直,旋转轴处于垂直的风力发电机。垂直轴风力发电机相对于水平轴发电机的优点在于;发电效率高,对风的转向没有要求,叶片转动空间小,抗风能力强(可抗12-14级台风),启动风速小维修保养简单。垂直轴与水平式的风力发电机对比,有两大优势:一、同等风速条件下垂直轴发电效率比水平式的要高,特别是低风速地区;二、在高风速地区,垂直轴风力发电机要比水平式的更加安全稳定;另外,国内外大量的案例证明,水平式的风力发电机在城市地区经常不转动,在北方、西北等高风速地区又经常容易出现风机折断、脱落等问题,伤及路上行人与车辆等危险事故。 按照桨叶数量分类可分为“单叶片”﹑“双叶片”﹑“三叶片”和“多叶片”型风机。 凡属轴流风扇的叶片数目往往是奇数设计。这是由于若采用偶数片形状对称的扇叶,不易调整平衡。还很容易使系统发生共振,倘叶片材质又无法抵抗振动产生的疲劳,将会使叶片或心轴发生断裂。因此设计多为轴心不对称的奇数片扇叶设计。对于轴心不对称的奇数片扇叶,这一原则普遍应用于大型风机以及包括部分直升机螺旋桨在内的各种扇叶设计中。包括家庭使用的电风扇都是3个叶片的,叶片形状是鸟翼型(设计术语),这样的叶片流量大,噪声低,符合流体力学原理。所以绝大多数风扇都是三片叶的。三片叶有较好的动平衡,不易产生振荡,减少轴承的磨损。降低维修成本。 按照风机接受风的方向分类,则有“上风向型”――叶轮正面迎着风向和“下风向型”――叶轮背顺着风向,两种类型。 上风向风机一般需要有某种调向装置来保持叶轮迎风。 而下风向风机则能够自动对准风向, 从而免除了调向装置。但对于下风向风机, 由于一部分空气通过塔架后再吹向叶轮, 这样, 塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应,使性能有所降低。 2,按照风力发电机的输出容量可将风力发电机分为小型,中型,大型,兆瓦级系列。 (1)小型风力发电机是指发电机容量为0.1~1kw的风力发电机。 (2)中型风力发电机是指发电机容量为1~100kw的风力发电机。 (3)大型风力发电机是指发电机容量为100~1000kw的风力发电机。 (4)兆瓦级风力发电机是指发电机容量为1000以上的风力发电机。 3,按功率调节方式分类。可分为定桨距时速调节型,变桨距型,主动失速型和 独立变桨型风力发电机。 (1)定桨距失速型风机;桨叶于轮毂固定连接,桨叶的迎风角度不随风速而变化。依靠桨叶的气动特性自动失速,即当风速大于额定风速时依靠叶片的失速特性保持输入功率基本恒定。

风力发电机结构图分析风力发电机原理

风力发电机结构图分析风力发电机原理 风力发电的原理,是利用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升,来促使发电机发电。风力研究报告显示:依据目前的风车技术,大约是每秒三公尺的微风速度(微风的程度),便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮,为风力发电没有燃料问题,也不会产生辐射或空气污染。下面先看风力发电机结构图。 风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行;我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高,但它不是只由一个发电机头组成的,而是一个有一定科技含量的小系统:风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要,各部分功能为:叶片用来接受风力并通过机头转为电能;尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能;转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能;机头的转子是永磁体,定子绕组切割磁力线产生电能。

风力发电机结构图指出:风力发电机因风量不稳定,故其输出的是13~25v变化的交流电,须经充电器整流,再对蓄电瓶充电,使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源,把电瓶里的化学能转变成交流220v市电,才能保证稳定使用。 通常人们认为,风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定,总想选购大一点的风力发电机,而这是不正确的。风力发电机结构图显示:目前的风力发电机只是给电瓶充电,而由电瓶把电能贮存起来,人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小,而不仅是机头功率的大小。在内地,小的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被小风量带动而发电,持续不断的小风,会比一时狂风更能供给较大的能量。当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能,也就是说一台200w风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用,获得500w甚至1000w乃至更大的功率出。 现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转距(风轮转动惯量),通过主轴传动链,经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后,通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速,转子也处于发电状态,通过变流器向电网馈电。 最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成,立在一定高度的塔干上,这是小型离网风机。最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无,电压和频率不稳定,没有实际应用价值。为了解决这些问题,现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。 齿轮箱可以将很低的风轮转速(1500千瓦的风机通常为12-22转/分)变为很高的发电机转速(发电机同步转速通常为1500转/分)。同时也使得发电机易于控制,实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。要知道,1500千瓦的风机机舱总重50多吨,叶轮30吨,使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。 风机是有许多转动部件的,机舱在水平面旋转,随时偏航对准风向;风轮沿水平轴旋转,以便产生动力扭距。对变桨矩风机,组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转,以便适应不同的风况而变桨距。在停机时,叶片要顺桨,以便形成阻尼刹车。 早期采用液压系统用于调节叶片桨矩(同时作为阻尼、停机、刹车等状态下使用),现在电变距系统逐步取代液压变距。 就1500千瓦风机而言,一般在4米/秒左右的风速自动启动,在13米/秒左右发出额定功率。然后,随着风速的增加,一直控制在额定功率附近发电,直到风速达到25米/秒时自动停机。 现代风机的设计极限风速为60-70米/秒,也就是说在这么大的风速下风机也不会立即破坏。理论上的12级飓风,其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒。 风力发电机结构图显示:风机的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制,在稳定的电压和频率下运行,自动地并网和脱网;同时监视齿轮箱、发电机的运行温度,液压系统的油压,对出现的任何异常进行报警,必要时自动停机,属于无人值守独立发电系统单元

永磁同步风力发电机的设计说明

哈尔滨工业大学 《交流永磁同步电机理论》课程报告题目:永磁同步风力发电机的设计 院 (系) 电气工程及其自动化 学科电气工程 授课教师 学号 研究生 二〇一四年六月

第1章小型永磁发电机的基本结构 小型风力发电机因其功率低,体积小,一般没有减速机构,多为直驱型。发电机型式多种多样,有直流发电机、电励磁交流发电机、永磁电机、开关磁阻电机等。其中永磁电机因其诸多优点而被广泛采用。 1.1小型永磁风力发电机的基本结构 按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系,永磁发电机可分为径向式、切向式和轴向式。 (1)径向式永磁发电机径向式转子磁路结构中永磁体磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近,漏磁系数较切向结构小,径向磁化结构中的永磁体工作于串联状态,只有一块永磁体的面积提供发电机每极气隙磁通,因此气隙磁密相对较低。这种结构具有简单、制造方便、漏磁小等优点。 径向磁场永磁发电机可分为两种:永磁体表贴式和永磁体内置式。表贴式转子结构简单、极数增加容易、永磁体都粘在转子表面上,但是,这需要高磁积能的永磁体(如钕铁硼等)来提供足够的气隙磁密。考虑到永磁体的机械强度,此种结构永磁电机高转速运行时还需转子护套。内置式转子机械强度较高,但制造工艺相对复杂,制造费用较高。 径向磁场电机用作直驱风力发电机,大多为传统的内转子设计。风力机和永磁体内转子同轴安装,这种结构的发电机定子绕组和铁心通风散热好,温度低,定子外形尺寸小;也有一些外转子设计。风力机与发电机的永磁体外转子直接耦合,定子电枢安装在静止轴上,这种结构有永磁体安装固定、转子可靠性好和转动惯量大的优点,缺点是对电枢铁心和绕组通风冷却不利,永磁体转子直径大,不易密封防护、安装和运输[1]。表贴式和径向式的结构如图1-1 a)所示。 a)径向式结构 b)切向式结构

风力发电机叶片工艺流程

风力发电机叶片制作工艺流程 传统能源资源的大量使用带来了许多的环境问题和社会问题,并且其存储量大大降低,因而风能作为一种清洁的可循环再生的能源,越来越受到世界各国的广泛关注。风力发电机叶片是接受风能的最主要部件,其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证发电机组正常稳定运行的决定因素,其成本约为整个机组成本的15%-20%。根据“风机功价比法则”,风力发电机的功率与叶片长度的平方成正比,增加长度可以提高单机容量,但同时会造成发电机的体积和质量的增加,使其造价大幅度增加。并且,随着叶片的增大,刚度也成为主要问题。为了实现风力的大功率发电,既要减轻叶片的重量,又要满足强度与刚度要求,这就对叶片材料提出了很高的要求。 1 碳纤维在风力发电机叶片中的应用 叶片材料的发展经历了木制、铝合金的应用,进入了纤维复合材料时代。纤维材料比重轻,疲劳强度和机械性能好,能够承载恶劣环境条件和随机负荷,目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯(环氧)树脂。但随着大功率发电机组的发展,叶片长度不断增加,为了防止叶尖在极端风载下碰到塔架,就要求叶片具有更高的刚度。国外专家认为,玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限,不能满足大型叶片的要求,因此有效的办法是采用性能更佳的碳纤维复合材料。 1)提高叶片刚度,减轻叶片质量 碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%,强度大40%,尤其是模量高3~8倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。荷兰戴尔弗理工大学研究表明,一个旋转直径为120m的风机的叶片,由于梁的质量超过叶片总质量的一半,梁结构采用碳纤维,和采用全玻璃纤维的相比,质量可减轻40%左右;碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2倍。据分析,采用碳纤维/玻璃纤维混杂增强方案,叶片可减轻20%~30%。Vesta Wind System 公司的V90型3.0 MW发电机的叶片长44m,采用碳纤维代替玻璃纤维的构件,叶片质量与该公司V80 型2.0MW发电机且为39m长的叶片质量相同。同样是34 m长的叶片,采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量为5800kg,采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为5200kg,而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。其他的研究也表明,添加碳纤维所制得的风机叶片质量比采用玻璃纤维的轻约32%,而且成本下降约16%。 2)提高叶片抗疲劳性能 风机总是处在条件恶劣的环境中,并且24h处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明,碳纤维合成材料具有良好的抗疲劳特性,当与树脂材料混合时,则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。 3)使风机的输出功率更平滑更均衡,提高风能利用效率 使用碳纤维后,叶片质量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能,减少对塔和轮轴的负载,从而使风机的输出功率更平滑更均衡,提高能量效率。同时,碳纤维叶片更薄,外形设计更有效,叶片更细长,也提高了能量的输出效率。 4)可制造低风速叶片 碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度,从而制造适合于低风速地区的大直径风叶,使风能成本下降。 5)可制造自适应叶片 叶片装在发电机的轮轴上,叶片的角度可调。目前主动型调节风机的设计风速为13~15m/s(29~33英里/h),当风速超过时,则调节风叶斜度来分散超过的风力,防止对风机的损害。斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的。但对狂风的反应太慢了,自适应的各向异性叶片可帮助斜度控制系统,在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。自适应叶片充分利用了纤维增强材料的特性,能产生非对称性和各向异性的材料,采用弯曲/扭曲叶片设计,使叶片在强风中旋转时可减少瞬时负载。美国Sandia National Laboratories致力于自适应叶片研究,使1.5MW风机的发电成本降到4.9美分/(kW?h),价格可和燃料发电相比。 6)利用导电性能避免雷击

风力发电机的组成部件其功用

风力发电机的组成部件及其功用 风力发电机是将风能转换成机械能,再把机械能转换成电能的机电设备。风力发电机通常由风轮、对风装置、调速装置、传动装置、发电机、塔架、停车机构等组成。下面将以水平轴升力型风力发电机为主介绍它的各主要组成部件及其工作情况。图3-3-4和3-3-5是小型和中大型风力发电机的结构示意图。 图3-3-4 小型风力发电机示意图 1—风轮2—发电机3—回转体4—调速机构5—调向机构6—手刹车机构7—塔架8—蓄电池9—控制/逆变器 图3-3-5 中大型风力发电机示意图 1—风轮;2—变速箱;3—发电机;4—机舱;5—塔架。 1 风轮 风轮是风力机最重要的部件,它是风力机区别于其它动力机的主要标志。其作用是捕捉和吸收风能,并将风能转变成机械能,由风轮轴将能量送给传动装置。

风轮一般由叶片(也称桨叶)、叶柄、轮毂及风轮轴等组成(见图3-3-6)。叶片横截面形状基本类型有3种(见图第二节的图3-2-3):平板型、弧板型和流线型。风力发电机的叶片横截面的形状,接近于流线型;而风力提水机的叶片多采用弧板型,也有采用平板型的。图3-3-7所示为风力发电机叶片(横截面)的几种结构。 图3-3-6 风轮 1.叶片 2.叶柄 3.轮毂 4.风轮轴 图3-3-7 叶片结构 (a)、(b)—木制叶版剖面; (c)、(d)—钢纵梁玻璃纤维蒙片剖面; (e) —铝合金等弦长挤压成型叶片;(f)—玻璃钢叶片。 木制叶片(图中的a与b)常用于微、小型风力发电机上;而中、大型风力发电机的叶片常从图中的(c)→(f)选用。用铝合金挤压成型的叶片(图中之e),基于容易制造角度考虑,从叶根到叶尖一般是制成等弦长的。叶片的材质在不

风力发电机设计

高等教育自学考试毕业设计(论文) 风力发电机设计题目 级机电一体化工程09专业班级 姓名高级工程师指导教师姓名、职称

所属助学单位 2011年 4月1 日 目录 1 绪论………………………………………………………………………………… 1 1.1 风力发电机简介 (1) 1.2 风力发电机的发展史简介 (1) 1.3 我国现阶段风电技术发展状况 (2) 1.4 我国现阶段风电技术发展前景和未来发展 (2) 2 风力发电机结构设计……………………………………………………………… 3 2.1 单一风力发电机组成 (3) 2.2 叶片数目 (3) 2.3 机舱 (4) 2.4 转子叶片 (5) 3 风力发电机的回转体结构设计和参数计算 (5) 3.1联轴器的型号及主要参数 (5) 3.2 初步估计回转体危险轴颈的大小 (5) 3.3 叶片扫描半径单元叶尖速比 (6) 4 风轮桨叶的结构设计……………………………………………………………… 6 4.1桨叶轴复位斜板设计 (6) 4.2托架的基本结构设计 (6) 5 风力发电机的其他元件的设计 (6) 5.1 刹车装置的设计 (6) 6 风力发电机在设计中的3个关键技术问题 (7) 6.1空气动力学问题 (7) 6.2结构动力学问题 (7) 6.3控制技术问题 (7)

7 风力发电机的分类………………………………………………………………… 7 8 风力发电机的选取标准 (8) 9 风力发电机对风能以及其它的技术要求………………………………………… 8 9.1风力发电机对风能技术要求 (8) 9.2风力发电机建模的技术是暂态稳定系统 (9) 9.3风力电动机技术之间的能量转换 (10) 10 风力发电机在现实中的使用范例 (10) 结论 (12) 致谢 (13) 参考文献 (14) 摘要 随着世界工业化进程不断加快,能源消耗不断增加,全球工业有害物质排放量与日俱增,造成了能源短缺和恶性疾病的多发,致使能源和环境成为当今世界两大问题。因此,风力发电的研究显得尤为重要。 我国风电场内无功补偿的方式是在风电场汇集站内装设集中无功补偿装置,这造成风电场无功补偿的投资很大。文章结合实例,通过对不同发电量下风电场的无功损耗和电压波动情况进行计算,提出利用风力发电机的无功功率可基本实现风电场的无功平衡,风电场母线电压的变化是无功补偿设备选型的依据,对于发电量变化引起的母线电压变化不超出电网要求的风电场,应利用风力发电机的无功功率减小汇集站内无功补偿装置的容量,降低无功补偿的投资。 关键词:风力发电、风电场、无功补偿、电压波动

风力发电机组总体设计

1.总体设计 一、气动布局方案 包括对各类构形、型式和气动布局方案的比较和选择、模型吹风,性能及其他气动特性的初步计算,确定整机和各部件(系统)主要参数,各部件相对位置等。最后,绘制整机三面图,并提交有关的分析计算报告。 二、整机总体布置方案 包括整机各部件、各系统、附件和设备等布置。此时要求考虑布置得合理、协调、紧凑,保证正常工作和便于维护等要求,并考虑有效合理的重心位置。最后绘制整机总体布置图,并编写有关报告和说明书。 三、整机总体结构方案 包括对整机结构承力件的布置,传力路线的分析,主要承力构件的承力型式分析,设计分离面和对接型式的选择,和各种结构材料的选择等。整机总体结构方案可结合总体布置一起进行,并在整机总体布置图上加以反映,也可绘制一些附加的图纸。需要有相应的报告和技术说明。 四、各部件和系统的方案 应包括对各部件和系统的要求、组成、原理分析、结构型式、参数及附件的选择等工作。最后,应绘制有关部件的理论图和有关系统的原理图,并编写有关的报告和技术说明。五、整机重量计算、重量分配和重心定位 包括整机总重量的确定、各部分重量的确定、重心和惯量计算等工作。最后应提交有关重量和重心等计算报告,并绘制重心定位图。 六、配套附件 整机配套附件和备件等设备的选择和确定,新材料和新工艺的选择,对新研制的部件要确定技术要求和协作关系。最后提交协作及采购清单等有关文件。总体设计阶段将解决全局性的重大问题,必须精心和慎重地进行,要尽可能充分利用已有的经验,以求总体设计阶段中的重大决策建立在可靠的理论分析和试验基础上,避免以后出现不应有重大反复。阶段的结果是应给出风力发电机组整机三面图,整机总体布置图,重心定位图,整机重量和重心计算报告,性能计算报告,初步的外负载计算报告,整机结构承力初步分析报告,各部件和系统的初步技术要求,部件理论图,系统原理图,新工艺、新材料等协作要求和采购清单等,以及其他有关经济性和使用性能等应有明确文件。 2.总体参数 在风轮气动设计前必须先确定下列总体参数。 一、风轮叶片数B 一般风轮叶片数取决于风轮的尖速比λ。目前用于风力发电一般属于高速风力发电机组,即λ=4-7 左右,叶片数一般取2—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

风力发电机原理及结构

风力发电机原理及结构 风力发电机是一种将风能转换为电能的能量转换装置,它包括风力机和发电机两大部分。空气流动的动能作用在风力机风轮上,从而推动风轮旋转起来,将空气动力能转变成风轮旋转机械能,风轮的轮毂固定在风力发电机的机轴上,通过传动系统驱动发电机轴及转子旋转,发电机将机械能变成电能输送给负荷或电力系统,这就是风力发电的工作过程。 1、风机基本结构特征 风力机主要有风轮、传动系统、对风装置(偏航系统)、液压系统、制动系统、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。 (1)风轮 风力机区别于其他机械的主要特征就是风轮。风轮一班有2~3个叶片和轮毂所组成,其功能是将风能转换为机械能。 风力发电厂的风力机通常有2片或3片叶片,叶尖速度50~70m/s,3也片叶轮通常能够提供最佳效率,然而2叶片叶轮及降低2%~3%效率。更多的人认为3叶片从审美的角度更令人满意。3叶片叶轮上的手里更平衡,轮毂可以简单些。 1)叶片叶片是用加强玻璃塑料(GRP)、木头和木板、碳纤维强化塑料(CFRP)、钢和铝职称的。对于小型的风力发电机,如叶轮直径小于5m,选择材料通常关心的是效率而

不是重量、硬度和叶片的其他特性,通常用整块优质木材加工制成,表面涂上保护漆,其根部与轮毂相接处使用良好的金属接头并用螺栓拧紧。对于大型风机,叶片特性通常较难满足,所以对材料的选择更为重要。 目前,叶片多为玻璃纤维增强负荷材料,基体材料为聚酯树脂或环氧树脂。环氧树脂比聚酯树脂强度高,材料疲劳特性好,且收缩变形小,聚酯材料较便宜它在固化时收缩大,在叶片的连接处可能存在潜在的危险,即由于收缩变形,在金属材料与玻璃钢之间坑能产生裂纹。 2)轮毂轮毂是风轮的枢纽,也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力,都通过轮毂传到传动系统,在传到风力机驱动的对象。同时轮毂也是控制叶片桨距(使叶片作俯仰转动)的所在。 轮毂承受了风力作用在叶片上的推理、扭矩、弯矩及陀螺力矩。通常安装3片叶片的水平式风力机轮毂的形式为三角形和三通形。 轮毂可以是铸造结构,也可以采用焊接结构,其材料可以是铸钢,也可以采用高强度球墨铸铁。由于高强度球墨铸铁具有不可替代性,如铸造性能好、容易铸成、减振性能好、应力集中敏感性低、成本低等,风力发电机组中大量采用高强度球墨铸铁作为轮毂的材料。 轮毂的常用形式主要有刚性轮毂和铰链式轮毂(柔性轮毂

桨叶可变风力发电机设计说明

可再生能源论文 题目:桨叶长度可变风电机的理论猜想与初步设计 姓名:涛 学号:3120206016 院系:能源与动力工程学院 专业:工程热物理及节能减排 任课教师:左然 二〇二〇年五月二十九日 一、绪论 (一)研究背景

风能是一种无污染、可再生的清洁能源。早在公元前200年,人类就开始利用风能了。提水、碾米、磨面及船的助航都有风能利用的记载。自第一次世界大战之后,丹麦仿造飞机螺旋桨制造二叶和三叶高速风力发电机发电发电并网并使用直至现在,风力发电机经历了近百年的发展历程。20世纪80年代之后,世界工业发达国家率先研究、快速发展风力发电机,建设了风电场。现在风力发电机制造成本不断下降,已接近水力发电机的水平,制造及使用技术也日趋成熟。20世纪末,世界每年风电装机容量已近20%的增长速度发展,风电成为世界诸能源中发展最快的能源。如果在总面积0.6%的地方安装上风力发电机,就能提供全部电力消耗的20%,可以关闭供电力20%的以燃烧煤、重油等碳氢化合物为燃料而排放2 SO、2 CO和烟尘对大气和地球环境造成污染和破坏的火电厂,这对于雾霾日益严重的当下有重大意义。 (二)国外发展 2012 年新增风电装机容量最多的10个国家占世界风电装机的87%。与2007 年相比,美国保持第1 名,中国超过西班牙从第3 名上升到第2 名,印度超过德国和西班牙从第5名升至第3 名,前3 名的国家合计新增装机容量占全世界的60%[4]。根据世界风能协会的统计,2012 年全世界风电装机容量新增约2726 万kW,增长率约为29%。累计达到1.21 亿kW,增长率为42%,突破1 亿kW 大关。风电总量为2600 亿kWh,占全世界总电量的比例从2000 年的0.25%增加到2012 年的1.5%。尽管风电的发展仍然存在着很多困难,如电网适应能力、风能资源、海上风电发展等,但相比于常规能源,经济性优势逐步凸显,世界各国都对风电发展充满了信心。例如,欧美都公布了2030 年风电满足20%甚至更多电力需求的宏大目标,这也为全球风电的长期发展定下了基调。从国际能源署(IEA)2012 年颁布的《2050 年能源技术情景》判断,2012-2050年,全球风电平均每年增加7000 万千瓦,风电将成为一个庞大的新兴电力市场。 我国是世界上风力资源占有率最高的国家之一,同时也是世界上最早利用风能的国家之一。据资料统计,我国10 m 高度层风能资源总量为3226GW,其中陆上可开采风能总量为253GW,加上风力资源,我国可利用风力资源约为1000GW。如果风力资源开发率可达到60%,仅风电一项就可支撑我国目前的全部电力需求。我国利用风电起步较晚,和世界上风电发达国家如德国、美国、西班牙等相比还有很大差距。风电是20 世纪80 年代开始迅速发展起来的,初期研制的风机主要是1kW、10kW、55kW、220kW 等小型风电机组,后期开始研发可充电型风电机组,并在海岛和风场广泛应用。(三)发展中存在的问题 风能是一种能量密度低、稳定性较差的能源。由于风速、风向随机变化,引起叶片攻角不断变化,导致风电机组的效率和功率的波动,并使传动力矩产生振荡,影响电能质量和电网稳定性。随着风电技术的发展,现在许多风电机组采用了变桨矩调节技术,其叶片的安装角可以根据风速的随机变化而改变,气流的攻角在风速变化时可保持在一个比较合理的围,从而有可能在很大的风速围保持较好的空气动力学特性,

风力发电机毕业设计正文

中国矿业大学 风力发电机毕业设计(含程序)

第一章绪论 4 1.1 引言 (4) 1.2 国内外风力发电技术的研究现状 (4) 1.3 风力发电机组控制技术概述 (6) 1.3.1 风力机定桨距控制技术 (6) 1.3.2 风力机变桨距控制技术 (6) 1.4 本课题的研究目的和意义 (7) 1.5 本文的主要研究工作 (7) 1.6 本章小结 (8) 第二章风力发电机的控制理论9 2.1 引言 (9) 2.2 风力发电机组的组成 (9) 2.3 风力发电机组空气动力学理论 (10) 2.3.1 风力发电机组空气动力学理论基础 (10) 2.3.2 风力机风轮空气动力学分析 (13) 2.4 风力机变桨距调节原理 (15) 2.4.1 变桨距控制理论简述 (15) 2.4.2 变桨距风力发电机组的运行状态 (17) 2.5 本章小结 (18) 第三章变桨系统的总体方案及机械机构设计19 3.1 风力发电的工作状态分析 (19) 3.2 现有的几种变桨系统比较 (20) 3.3 总体方案的设计 (21) 3.4 方案的选取 (22) 3.5 变桨系统的机构设计 (22) 3.5.1 轮毂 (23) 3.5.2 变浆轴承 (24) 3.5.3 变浆齿轮箱 (26) 3.5.4 电机 (27) 3.5.5 UPS (33) 3.5.6 变浆中心润滑系统 (36) 3.5.7 润滑剂 (38) 3.6 本章总结 (39) 第四章变桨控制系统的硬件和软件的设计40 4.1 变桨系统的功能概述 (40) 4.2 变桨距系统的控制原理 (40) 4.2.1 变距控制 (41) 4.2.2 转速控制A(发电机脱网) (41) 4.2.3 速度控制B(发电机并网) (42) 4.2.4 功率控制 (42) 4.3 控制系统实现方案 (47)

风力发电机叶片材料的选用

风力发电机叶片材料的选用 叶片是风力发电机组的重要构件。它将风能传递给发电机的转子,使之旋转切割磁力线而发电。为确保在野外极其恶劣环境中长期不停、安全地运行,对叶片材料的要求是:①密度小且具有最佳的疲劳强度和力学性能,能经受住极端恶劣条件和随机的负荷(如暴风等)的考验,确保安全运转20年以上;②成本(精确说为分摊到每度电的成本)低;③叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲红都正常,传递给整个发电系统的负荷稳定性好; ④耐腐蚀、耐紫外线(UV)照射和抗雷击性好;⑤维护费用低。 FRP完全可以满足以上要求,是最佳的风力发电机叶片材料。 1.1 GFRP 目前商品化的大型风机叶片大多采用玻璃纤维增强塑料(GFRP)制造。GFRP叶片的特点为: ①可根据风机叶片的受力特点来设计强度与刚度风机叶片主要是纵向受力,即气动弯曲和离心力,气动弯曲载荷比离心力大得多,由剪切与扭转产生的剪应力不大。利用玻璃纤维(GF)受力为主的受力理论,可将主要GF布置在叶片的纵向,这样就可使叶片轻量化。 ②翼型容易成型,可达到最大气动效率为了达到最佳气动效果,利用叶片复杂的气动外形,在风轮的不同半径处设计不同的叶片弦长、厚度、扭角和翼型,如用金属制造则十分困难。同时GFRP叶片可实现批量生产。 ③使用时间长达20年,能经受108以上疲劳交变载荷GFRP疲劳强度较高,缺口敏感性低,内阻尼大,抗震性能较好。 ④耐腐蚀性好由于GFRP具有耐酸、碱、水汽的性能,可将风机安装在户外,特别对于近年来大力发展的离岸风电场来说,能将风机安装在海上,使风力机组及其叶片经受各种气候环境的考验。 为了提高GFRP的性能,还可通过表面处理,上浆和涂覆等对GF进行改性。美国的研究表明,采用射电频率等离子体沉积去涂覆E-GF,其拉伸及耐疲劳性可达到碳纤维(CF)的水平。 GFRP的受力特点是在GF方向能承受很高的拉应力,而其它方向承受的力相对较小。 叶片由蒙皮和主梁组成,蒙皮采用夹芯结构,中间层是硬质泡沫塑料或Balsa木,上下面层为GFRP。面层由单向层和±45°层组成。单向层可选用单向织物或单向GF铺设,一般用7或4GF布,以承受由离心力和气动弯矩产生的轴向应力;为简化成型工艺,可不用

风力发电机设计

摘要 自然风的速度和方向是随机变化的,风能具有不确定特点,如何使风力发电机的输出功率稳定,是风力发电技术的一个重要课题。迄今为止,已提出了多种改善风力品质的方法,例如采用变转速控制技术,可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。由于变转速风力发电组采用的是电力电子装置,当它将电能输出输送给电网时,会产生变化的电力协波,并使功率因素恶化。 风能利用发展中的关键技术问题风能技术是一项涉及多个学科的综合技术。而且,风力机具有不同于通常机械系统的特性:动力源是具有很强随机性和不连续性的自然风,叶片经常运行在失速工况,传动系统的动力输入异常不规则,疲劳负载高于通常旋转机械几十倍。 本文通过对风力发电机的总体设计,叶片、轮毂机构的设计,水平回转机构的设计,齿轮箱系统的设计,以达到利用风能发电的目的,有效利用风能资源,减少对不可再生资源的消耗,降低对环境的污染。 关键词:风能;风力发电机;叶片;轮毂;齿轮箱

Abstract Natural wind speed and direction of change is random, wind characteristics of uncertainty, how to make wind turbine output power stability, wind power technology is an important subject. So far, have raised a variety of ways to improve the quality of the wind, such as the use of variable speed control technology, can make use of wind round the moment of inertia smooth power output. Because variable speed wind power group using a power electronic devices, when it will transfer to the output of electric power grids, will change in the wave's power, and power factor deterioration. Use of wind energy in the development of key technical issues involved in wind energy technology is one of a number of integrated technical disciplines. Moreover, the wind turbine is usually different from the mechanical system characteristics: a strong power source is not random and continuity of the natural wind, the leaves often run in the stall condition, the power transmission system very irregular importation, fatigue load than Rotating Machinery usually several times. Based on the wind turbine design, leaves, the wheel design, level of rotating the design, gear box system design, use of wind power to achieve the objective of effective use of wind energy resources, reduce non-renewable resources Consumption, reduce the environmental pollution. Key words: wind power;wind power generators;blade;wheel;Gearbox

风力发电机叶片结构设计及其有限元分析(精品doc)

风力发电机叶片结构设计及其有限元分析 摘要 为了更好地发展我国的风力发电事业,实现风力发电机的国产化,必须深入开展风力机设计、分析方面的研究。本文根据传统的 的叶片设计方法设计了2MW 风力机叶片,并生成三维几何模型, 然后利用有限元模拟对叶片进行了振动模态分析,得到各阶振动频 率和振型,为防止结构共振提供了依据。 关键词:风力机,叶片,有限元模拟,优化 THE FE SIMULATION AND OPTIMAL DESIGN OF WIND TURBINE COMPONENTS ABSTRACT In order to promote the capability of design and manufacturing of wind turbine in China, more study should be done in the field of wind turbine design and analysis. In this paper, a blade for 2MW wind turbine is designed according to the traditional design procedure and the 3D geometrical model is created. Then the modal analysis is done through the FE simulation to get the frequency and mode shape, which provides the theoretic basis to prevent resonance.

无叶片风力发电机--VORTEX

VORTEX——没有叶片的风力发电机就是这么酷 一.前言 风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大,全球的风能约为2.74×10^9MW,其中可利用的风能为2×10^7MW[1]。随着全球经济的发展,所面临的能源问题和环境问题越来越严峻,使得风能等可再生能源迅速发展起来。根据国家能源局数据,2014年中国全部发电设备容量为1360GW,其中并网风电的容量达到了95.8GW,也就是说说,风电装机量在中国发电装机总量当中占据大约7%的份额。 一般情况下,我们所看见的风力发电机都是水平轴扇叶风机,他们有着很大的风机叶片,以此来吸收风能并发电。然而,这样的风电机有一些弊端。一个风电场的众多风机之间的排列需要较大的安全距离,也就是说一块固定大小的地面上能够安装的风电机数量是有限的;另外,扇叶的旋转也对鸟类带来了危险。 想象一下,一个没有叶片的风机会是什么样纸?它需要更少的材料,成本更低,噪声更小,对环境友好度更好……关上你的脑洞,来一睹它的风采吧↓↓↓

这个酷炫的没有叶片的风机是由西班牙公司Vortex Bladeless开发。无叶片风机Vortex 的工作原理是利用结构的振荡捕获风的动能,从而利用感应发电机或压电发电机将风的动能转变成电能输出。该设计理念将减少常规涡轮机中很多零部件的设计与制造,如叶片,机舱,轮毂,变速器,制动装置,转向系统等,从而使无叶片风机Vortex具有无磨损、性价比高、便于安装和维护、环境友好型及土地利用率高等显著特点。 二.Vortex的发电原理——卡门涡街 无叶片风机Vortex的基本发电原理是卡门涡街,维基百科上这样描述它,“在流体中安置阻流体,在特定条件下会出现不稳定的边界层分离,阻流体下游的两侧,会产生两道非对称地排列的旋涡,其中一侧的旋涡循时针方向转动,另一旋涡则反方向旋转,这两排旋涡相互交错排列,各个旋涡和对面两个旋涡的中间点对齐,如街道两边的街灯般,这种现象,因匈牙利裔美国空气动力学家西奥多·冯·卡门最先从理论上阐明而得名卡门涡街”[2-3]。 卡门涡街可以解释许多现象。1940年11月7日美国华盛顿州塔科马海峡吊桥(Tacoma Narrow Bridge)崩塌事件。华盛顿州政府特为此而设立专案调查组,经过美国空气动力学家西奥多·冯·卡门在加州理工学院风洞进行模型测试,证明塔科马海峡吊桥倒塌事件的元凶,

风力发电机精准设计

风力发电机设计 摘要:本课题所研究的异步发电机是目前最理想的风力发电机,前景非常乐观。本文重点介绍了目前风电场中所采用的风力发电机组 ,包括风力机、风力机的功率调节及恒速恒频和变速恒频发电系统。 关键词:新能源;风力发电机;变速恒频;电磁计算 ABSTRACT:This lesson a study the three–phase asynchronous machines is the best wind turbine generator at present.The main topics mentioned here are about wind turbine, power regulation of wind turbine and induction generator in wind farms with electrical power system. Key words: New energy resource;Wind turbine generator;Variety invariable frequency ;electromagnetic calculation

引言 风能作为一种新能源它的开发利用是有一定动因的,而且随着时间的推移,开发利用风能的动因也在变化。 20世纪80年代以来,工业发达国家对风力发电机组的研制取得了巨大进展。1987年美国研制出单机容量为3.2MW的水平轴风力发电机组,安装于夏威夷群岛的瓦胡岛上。1987年加拿大研制出单机容量为4.0MW的立轴达里厄风力发电机组,安装于魁北克省的凯普-柴特。进入20世纪80年代,单机容量在100KW 以上的水平轴风力发电机组的研究开发及生产在欧洲的丹麦、德国、荷兰、西班牙等国取得了快速发展。到20世纪90年代,单机容量为100~200KW的机组已在中型和大型风电场中成为主导机型。同时单机容量在1MW以上的风力发电机组也研制开发成功,并在风电场中成功运行。 中国风力发电行业发展前景广阔,预计未来很长一段时间都将保持高速发展,同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。“十二五”期间,我国风电产业仍将持续每年10000兆瓦以上的新增装机速度,风电场建设、并网发电、风电设备制造等领域成为投资热点,市场前景看好。 1 变速恒频风力发电系统的总体设计 变速恒频风力发电系统的特点是风力机和发电机的转速可在很大范围内变化,而不影响输出电能的频率。可以通过适当的控制,使风力机的尖速比处于或接近最佳值,从而可以最大限度地利用风能。另外,对于恒速风机来说,当风速跃升时,巨大的风能将通过风轮机传递给主轴、齿轮和发电机等部件,在这些部件上产生很大的机械应力,如果这种过程重复出现会引起这些部件的疲劳损坏,因此设计时应该加大安全系数,从而导致制造成本增加。而风力发电机采取变速运行时,当风速跃升产生的巨大风能,部分被加速旋转的风轮吸收以功能的形式储存于高速运转的风轮中,从而避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力。当风速下降时,在电力电子装置调控下,将高速风轮所释放的能量转变为电能送入电网,风轮的加速、减速对风能的阶跃性变化起到缓冲作用,使风力机内部能量传输部件的应力变化比较平稳,防止破坏性机械应力产生,从而使风力发电机组运行更加平稳和安全。 变速恒频风力发电系统具有以下共同的优点: 1) 最大限度的捕捉风能。 2) 较宽的转速运行范围,以适应由于风速变化引起的风力机转速的变化。采用一定的控制策略(如矢量PWM)可灵活调节系统的有功和无功功率,对电

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