风力发电机组设计制造
课程设计报告
院 系：生源学院
班 级：风班
姓 名： 学 号：
指导老师：
提交日期：
设计务书
1 设计容
风电机组总体技术设计
2 目务
目：
1) 型水轴风力机研究象掌握系统总体设计方法
2) 熟悉相关工程设计软件
3) 掌握科研报告撰写方法
务：
位学独立完成风电机组总体技术设计包括：
1) 确定风电机组总体技术参数
2) 关键零部件（齿轮箱发电机变流器）技术参数
3) 计算关键零部件（叶片风轮轴连轴器塔架等）载荷技术参数
4) 完成叶片设计务
5) 确定塔架设计方案
撰写份课程设计报告
3 容
选择功率范围15MW6MW间风电机组进行设计
1）原始参数：风力机安装场50米高度年均风速70ms60米高度年均风速73ms70米高度年均风速76 ms历史风速48ms户希安装15 MW6MW间风力机采63418翼型63418翼型升力系数阻力系数数表1示空气密度设定1225kgm3
2）设计容
（1）确定整机设计技术参数设定种风力机Cp曲线Ct曲线风力机基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电气系统制动系统形式塔架高度等根标准确定风力机等级
（2）关键部件气动载荷计算设定种风轮Cp曲线Ct曲线计算种关键零部件载荷（叶片载荷风轮载荷轴载荷连轴器载荷塔架载荷等）根载荷功率确定选定机型部件技术参数（齿轮箱发电机变流器连轴器偏航变桨距电机等）型式容建议计算机编程实现确定整机部件（系统）技术参数
（3）塔架根部截面应力计算计算暴风工况风轮气动推力参考风电机组整体设计参数计算塔架根部截面应力提交关分析计算报告
4 进度计划
序号
设计(实验)容
完成时间
备注
1
风电机组整体参数设计
25天
2
风电机组气动特性初步计算
2天
3
机组部件载荷计算
2天
4
齿轮箱发电机变流器技术参数
15天
4
塔架根部截面应力计算
1天
5
报告撰写
15天
6
课程设计答辩
15天
5 设计（实验）成果求
提供设计风电机组性计算结果
绘制整机总体布局工程图
6 考核方式
提交份课程设计报告准备课程设计PPT答辩
二总体参数设计
1额定功率
根设计务书选定额定功率5MW
2设计寿命
般风力机组设计寿命少20年里选20年设计寿命
3切出风速切入风速额定风速
切入风速 取 Vin3ms
切出风速 取 Vout25ms
额定风速 取 Vr13ms
般变桨距风力发电机组（选5MW）额定风速羽均风速170左右70m处：
Vr170Vave170×76≈13ms
4发电机额定转速转速范围
5重尺寸
（1）风轮直径扫掠面积
风力发电机组输出功率叶片直径：
D8×50000001225×133×π×042×092×095×095114m
中：
Pr风力发电机组额定输出功率取5000kW
ρ空气密度（般取标准气状态）取1225kgm 3
Vr额定风速取13ms
D风轮直径
η1传动系统效率取092
η2发电机效率取095
η3变流器效率取095
Cp额定功率风利系数取044
直径计算扫掠面积：
SπD24π×1142410207m2
综风轮直径D114m扫掠面积S10207m2
（2）轮毂高度
轮毂高度面风轮扫掠面中心高度Zhub表示
ZhubZt+Zj70+2257225m
式中Zj—塔架高度
Zt—塔顶面风轮扫掠中心高度
6叶片数 B3
现代风力发电机实度较般需13叶片选择风轮叶片数时考虑风电机组性载荷风轮传动成风力机气动噪声景观影响等素
3叶片较12叶片风轮优点：
l 衡简单动态载荷基消系统周期载荷输出较稳定转矩
l 提供较佳效率
l 更加美观
l 噪声较
l 轮毂较简单等
综述叶片数选择3
7功率曲线Ct曲线
(1)功率曲线
然界风速变化机 符合马尔夫程特征 时刻风速时刻结果没什预测规律风速种特性 风力发电机组功率风速变化模型表示：
P(t)Pstat(t)+PΔ(t)
式中P(t)真实湍流风作时刻产生功率 t时刻V(t)决定
Pstat(t)定时间段V(t)均值应功率
PΔ (t) 表示t 时刻风湍流引起功率波动
功率曲线绘制 风速模型处理假定式表示风模型中Pstat(t)始终零 视风速时间变化稳定值 切入风速切出风速范围设定风速步长 应风速佳叶尖速功率系数带入式：
P18Cpη1η2η3ρπD2V3
式中：
η1传动系统效率取092
η2发电机效率取095
η3变流器效率取095
Cp额定功率风利系数取044
ρ空气密度（般取标准气状态）取1225kgm 3
D—风轮直径取114m
V—风速单位ms
公式excel计算出风速应功率值 数绘制成风速功率曲线图 该曲线图机组静态功率曲线
(2)Ct曲线
计算参考相关数Ct曲线：
8确定攻角a升力系数Cl叶尖速l风利系数Cp
风力机翼型63418根翼型气动数升阻攻角α变化曲线见图：
图中出翼型取佳升阻时攻角5°时升力系数Cl0904Cd0007设计取攻角α10°时升力系数阻力系数分Cl1307 Cd0018
三叶片风力发电机组风轮叶尖速λ般68间设计取7攻角风利系数叶尖速变化曲线CPλ曲线图1Cpλ曲线出Cp044
9风轮额定转速
风轮额定转速式计算：
nr60λVrπD60×13×7π×11415rmin
10功率控制方式：动变桨距控制
11制动系统形式：第制动采气动刹车第二制动采高速轴机械刹车
12风力机等级
IEC标准表选择风力机等级IECIIIA
WTGS等级
I
II
III
IV
S
vref[ms]
50
425
375
30
设计者规定参数
vave[ms]
10
85
75
A
I15
018
018
018
018
a
2
2
2
2
B
I15
016
016
016
016
a
3
3
3
3
阶段性总结
总体参数
设计值
总体参数
设计值
叶片数
B3
风轮直径
D114m
额定输出功率
P5MW
轮毂高度
Zhub70m
设计寿命
20年
风利系数
Cp044
切入风速
Vin3ms
叶尖速
λ7
切出风速
Vout25ms
功率控制方式
动变桨距控制
额定风速
Vr13ms
制动形式
气动刹车机械刹车
风轮额定转速
nr15rmin
传动系统
高传动齿轮箱传动
风力机等级
IECIIIA
电气系统
双馈发电机+变流器
三叶片气动优化设计
1计算剖面叶尖速
叶片分10叶素叶素间隔005R中5半径处叶片筒状1060半径处采钝缘叶片65100半径处 采通风电机组叶片翼型叶片圈采钝缘翼型外圈采63418翼型 根式求叶素叶尖速
叶素位置叶尖速数值见表：
叶素位置
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
叶尖速l
035
07
105
14
175
21
245
28
315
35
叶素位置
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
叶尖速l
385
42
455
49
525
56
595
63
665
7
2叶片攻角弦长优化设计计算步骤
⑴求利公式
⑵求轴干扰子利公式
⑶求切干扰子利公式
⑷求入流角利公式
⑸求叶素桨距角
⑹计算叶片弦长C
叶片气动特性通excel计算：
叶片根部处理方式：距叶根0 ~ 5m处制作成直径2m圆柱结构处理
根部采钻孔组装式结构
四部件功率
1发电机
发电机类型：双馈异步变速恒频发电机
额定功率：5MW
额定转速：1500rmin
发电机极数2发电机轴转矩T发电机轴：
T发电机轴9550×Prnr×η9550×50001500×0953351×103N·m
选择刚轴推荐扭剪应力：
发电机轴直径D发电机：
D发电机2×32×T发电机轴πfs2×32×3351×103π×55×106014m
2变流器
变流器功率通常风力发电机组12~13保证机组性通常额定功率12变流器功率2500kW
3齿轮箱
方式：齿轮箱选2级行星轮+1级行轴齿轮
低速轴转速：nl15rmin
高速轴转速：nh1500rmin
传动：i100
齿轮箱效率：30920973
齿轮箱功率：
PGBPrη3η23η15000095×095×30925694kW
4联轴器
低速轴联轴器功率：
PmPrη3η23η125000095×095×309225852kW
高速轴联轴器功率：
PrPrη3η25000095×0955540kW
5偏航系统
类型：动偏航
偏航轴承：4点接触球轴承
偏航驱动：63kW偏航电机
偏航制动：液压控制摩擦制动
五部件载荷计算
1叶片载荷计算
(1)作叶片离心力Fc
Fcρyω2r0RArrdr
中旋转角速度ω式算：
ω2πn602π×1560157rads
r0 —叶片起始处旋转半径约R120285m
ρy —叶片密度18kgm 3
Ar—叶素处叶片截面积
matlab计算：
Fc66760N
(2)叶轮转动时风压力：
Fv12ρV2r0R(1+ctg2I)(ClcosI+CdsinI)Cdr
matlab计算：
Fv 2842551N
Fv作点距叶轮轴距离rm：
rmr0R(1+ctg2I)(ClcosI+CdsinI)Crdrr0R(1+ctg2I)(ClcosI+CdsinI)Cdr
matlab计算：
rm3796m
(3)作叶片陀螺力矩Mk
整叶片转动惯量：
Iρyr0RFr2dr
处FAr
matlab计算：
I 26199kg·m
β90°时科氏加速度
εk2Ωλ0VR
matlab计算：
动量矩定理知叶片受惯性力矩Mk作力矩称陀螺力矩matlab计算：
MkIεk 133551N·m
2风轮载荷计算
(1)轴诱导子a12(1k)周诱导子b12(h1)
作风轮轴推力表示：
T4πρV20Ra1ardrπρV20R(1k2)rdr
matlab计算：
T 935790N
(2)作整风轮转矩表示：
M4πρΩV0Rb(1a)r3drπρΩV0R(h1)(k+1)r3dr
matlab计算：
M 4980888N·m
3轴载荷计算
低速轴角速度：
ωmω157rads
高速轴角速度：
ωt2πnr602π×15006015708rads
低速轴功率：
PmPrη3η23η125000095×095×309225852kW
高速轴功率：
PtPrη3η25000095×0952216kW
低速轴转矩
Tmpmωm58520001573727389N·m
高速轴转矩：
TtPtωt22160001570814107N·m
低速轴直径：
DL232Tmπfs232×3727389π×55×1060702m
高速轴直径：
DH232Ttπfs232×14107π×55×1060109m
4塔架载荷计算
机组塔架采等强度设计理锥形钢筒结构塔架5段组成段段间法兰连接底直径部5m顶部直径4m筒体壁厚底部30mm渡顶部20mm塔筒总质量170t
作塔架载荷类：
1) 风轮等构件承受空气动力载荷
2) 重力惯性载荷：重力振动旋转震等引起静态动态载荷
3) 操作载荷：机组运行控制程中产生载荷功率变化偏航变桨制动程产生载荷等
4) 载荷：诸尾迹载荷击载荷覆冰载荷等
5) 面讨塔架结构强度计算关两种载荷风轮作气动推力塔架身承受风压产生载荷
⑴暴风工况风轮气动推力计算
Vave>7ms取Vs60ms
前苏联法捷耶夫公式
Fas0784Abvs2B
式中Ab——叶片投影面积
Vs——风轮中心处暴风风速
叶片投影面积：
AbAσB
中σ风轮实度风轮实度叶尖速关λ7时似认σ005
算：
Fas1440kN
荷兰ECN公式
FasCtqAbBφS
式中Ct——推力系数取
q——动态风压
φ——动态系数取
S——安全系数取
q高度变化风轮中心高度Zhub70m处应q1120Nm2求：
Fas1543kN
丹麦RIS公式
FasPlAs
式中Pl——风轮单位扫掠面积均风压通常取Pl300Nm2
As——风轮扫掠面积
算
Fas3062k N
55塔架根部截面应力计算
塔架受力分析图
塔架根部截面应力表示：
σFash1+H+FtsH2W×100+(G1+G2)φA
Fas考虑前面计算合理值
Fas1543kN
Fts塔架受风压力
FtsA塔架×12×ρv24+5×702×12×1225×602694575N
H塔架高度H70m
h1轮毂高度前面知道h115m
W塔架根部抗弯截面模数
WπD3(1(dD)4)32π×53×(1(50065)4)320579m3
A塔架根部截面积
Aπ(D2d2)4π(524942)40468m2
G1塔顶重量机组塔顶重180t：
G110×180×100018×106N
G2塔筒重量
G2175×10×1000175×106N
φ变截面塔架长度折减系数根图10变截面塔架长度折减系数确定
λμHγ
式中
μ塔架截面变化关折算长度修正系数根JminJmax表选择参考设计值
JminJmax
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
μ
165
145
133
124
118
114
110
106
103
100
Jmin塔架顶部截面惯性矩式计算：
JminπD4(1(d顶D顶)4)64π×44×(1(40044)4)640495m4
Jmax塔架底部截面惯性矩式计算：
JmaxπD4(1(dD)4)64π×54×(1(50065)4)641446m4
JminJmax049514460342
查表μ130
γ塔架根部截面惯性半径
γJmaxA144604681758m
计算
λμHγ130×7017585176
查图示曲线知取φ08
代入计算：
σFash1+H+FtsH2W+(G1+G2)φA2413MPa
五风电机组布局
1总体机舱结构方案
采成熟流风机结构布置图示效减少机舱震动害载荷影响
2传动系统布局
设计风电机组双馈型风力发电机组现总体布置字型结构般图示字型布置：
3偏航系统
选强制外置6电机偏航
4变桨系统
3叶片独立变桨控制结构布置图示
六设计总结
1总体参数
总体参数
设计值
总体参数
设计值
叶片数
B3
风轮直径
D114m
额定输出功率
P5MW
轮毂高度
Zhub70m
设计寿命
20年
风利系数
Cp044
切入风速
Vin3ms
叶尖速
λ7
切出风速
Vout25ms
功率控制方式
动变桨距控制
额定风速
Vr13ms
制动形式
气动刹车机械刹车
风轮额定转速
nr15rmin
传动系统
高传动齿轮箱传动
风力机等级
IECIIIA
电气系统
双馈发电机+变流器
2功率气动特性载荷计算总结
气动特性
攻角
10°
升力系数
1307
阻力系数
0018
发电机
发电机额定功率
5MW
发电机额定转速
1500rmin
发电机轴直径
014m
齿轮箱
形式
齿轮箱选2级行星轮+1级行轴齿轮
齿轮箱传动
100
低速轴转速
15rmin
高速轴转速
1500rmin
齿轮箱功率
5694kW
联轴器
低速轴联轴器功率
5852kW
高速轴联轴器功率
5540kW
变流器
变流器功率
2500kW
偏航电机
数量×偏航电机功率
6×3kW
叶片载荷
离心力
66760N
风压力
284255N
陀螺力矩
133551N·m
风压力作点距叶轮轴距离
3796m
风轮载荷
轴推力
935790N
转矩
4980888N·m
轴载荷
低速轴转矩
3727389N·m
高速轴转矩
14107N·m
低速轴直径
0702m
高速轴直径
0109m
塔架载荷
作塔架载荷
Fas1543kN
作塔架风压力
Fts694975N
塔架根部截面应力
2413MPa
3余部分设计总结
机组
运行环境温度
30°~45°
生存环境温度
45°~45°
发电机
输出电压
690V
频率
50Hz
功率数
容性095~感性09
叶片
空气动力外形
63418翼型
圆锥体
叶尖15m 处预弯
材料
玻璃纤维增强树脂
控制系统
控制方式
PLC+远程监控
塔筒
类型
钢制锥形塔筒
七参考文献
[1]风力发电机组设计制造 华北电力学 姚兴佳 田德校试教材（第二版）
[2]风力发电原理华北电力学徐等著
[3]风力机空气动力学华北电力学校试教材贺德馨等著
[4]XE1155MW海风机技术规范湘电风限公司
[5]型风电机组功率曲线分析修正 浙江运达风力发电工程限公司 申新贺 潘东浩 唐继光
等
八附录
1叶片设计部分载荷计算MATLAB程序
clc
clear
Dceil(sqrt(8*5e6095092095044pi1225(13^3)))
lambda7
nlambda*60*13piD
a[0050051]
blambda*a
psi13*atan(b)+pi3
ksqrt(b^2+1)*cos(psi)
hsqrt((1k^2)b^2+1)
Iatan((1k)(1+h)b)
thetaI*180pi10
C8*pi*a*(D2)*(h1)*cos(I)31307(h+1)
RD2
ra*R
omegalambda*13R
y1r*C*33
Fc18*157^2*trapz(ry1)
cl1307
cd0018
y2(1+(1tan(I))^2)*(cl*cos(I)+cd*sin(I))*C
Fv212*1225*13^2*trapz(ry2)
y3y2*r
Rm2trapz(ry3)trapz(ry2)
JFcomega^2
epsilon2*omega*lambda*13R
MkJ*epsilon
r1[0r]
a1[000001a]
b1lambda*a1
psi113*atan(b1)+pi3
k1sqrt(b1^2+1)*cos(psi1)
y4(1k1^2)*r1
Tpi*1225*13^2*trapz(r1y4)
h1sqrt((1k1^2)b1^2+1)
y5(h11)*(k1+1)*r1^3
Mpi*1225*omega*13*trapz(r1y5)
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风力发电机组设计制造
课程设计报告
院 系：生源学院
班 级：风班
姓 名： 学 号：
指导老师：
提交日期：
设计务书
1 设计容
风电机组总体技术设计
2 目务
目：
1) 型水轴风力机研究象掌握系统总体设计方法
2) 熟悉相关工程设计软件
3) 掌握科研报告撰写方法
务：
位学独立完成风电机组总体技术设计包括：
1) 确定风电机组总体技术参数
2) 关键零部件（齿轮箱发电机变流器）技术参数
3) 计算关键零部件（叶片风轮轴连轴器塔架等）载荷技术参数
4) 完成叶片设计务
5) 确定塔架设计方案
撰写份课程设计报告
3 容
选择功率范围15MW6MW间风电机组进行设计
1）原始参数：风力机安装场50米高度年均风速70ms60米高度年均风速73ms70米高度年均风速76 ms历史风速48ms户希安装15 MW6MW间风力机采63418翼型63418翼型升力系数阻力系数数表1示空气密度设定1225kgm3
2）设计容
（1）确定整机设计技术参数设定种风力机Cp曲线Ct曲线风力机基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电气系统制动系统形式塔架高度等根标准确定风力机等级
（2）关键部件气动载荷计算设定种风轮Cp曲线Ct曲线计算种关键零部件载荷（叶片载荷风轮载荷轴载荷连轴器载荷塔架载荷等）根载荷功率确定选定机型部件技术参数（齿轮箱发电机变流器连轴器偏航变桨距电机等）型式容建议计算机编程实现确定整机部件（系统）技术参数
（3）塔架根部截面应力计算计算暴风工况风轮气动推力参考风电机组整体设计参数计算塔架根部截面应力提交关分析计算报告
4 进度计划
序号
设计(实验)容
完成时间
备注
1
风电机组整体参数设计
25天
2
风电机组气动特性初步计算
2天
3
机组部件载荷计算
2天
4
齿轮箱发电机变流器技术参数
15天
4
塔架根部截面应力计算
1天
5
报告撰写
15天
6
课程设计答辩
15天
5 设计（实验）成果求
提供设计风电机组性计算结果
绘制整机总体布局工程图
6 考核方式
提交份课程设计报告准备课程设计PPT答辩
二总体参数设计
1额定功率
根设计务书选定额定功率5MW
2设计寿命
般风力机组设计寿命少20年里选20年设计寿命
3切出风速切入风速额定风速
切入风速 取 Vin3ms
切出风速 取 Vout25ms
额定风速 取 Vr13ms
般变桨距风力发电机组（选5MW）额定风速羽均风速170左右70m处：
Vr170Vave170×76≈13ms
4发电机额定转速转速范围
5重尺寸
（1）风轮直径扫掠面积
风力发电机组输出功率叶片直径：
D8×50000001225×133×π×042×092×095×095114m
中：
Pr风力发电机组额定输出功率取5000kW
ρ空气密度（般取标准气状态）取1225kgm 3
Vr额定风速取13ms
D风轮直径
η1传动系统效率取092
η2发电机效率取095
η3变流器效率取095
Cp额定功率风利系数取044
直径计算扫掠面积：
SπD24π×1142410207m2
综风轮直径D114m扫掠面积S10207m2
（2）轮毂高度
轮毂高度面风轮扫掠面中心高度Zhub表示
ZhubZt+Zj70+2257225m
式中Zj—塔架高度
Zt—塔顶面风轮扫掠中心高度
6叶片数 B3
现代风力发电机实度较般需13叶片选择风轮叶片数时考虑风电机组性载荷风轮传动成风力机气动噪声景观影响等素
3叶片较12叶片风轮优点：
l 衡简单动态载荷基消系统周期载荷输出较稳定转矩
l 提供较佳效率
l 更加美观
l 噪声较
l 轮毂较简单等
综述叶片数选择3
7功率曲线Ct曲线
(1)功率曲线
然界风速变化机 符合马尔夫程特征 时刻风速时刻结果没什预测规律风速种特性 风力发电机组功率风速变化模型表示：
P(t)Pstat(t)+PΔ(t)
式中P(t)真实湍流风作时刻产生功率 t时刻V(t)决定
Pstat(t)定时间段V(t)均值应功率
PΔ (t) 表示t 时刻风湍流引起功率波动
功率曲线绘制 风速模型处理假定式表示风模型中Pstat(t)始终零 视风速时间变化稳定值 切入风速切出风速范围设定风速步长 应风速佳叶尖速功率系数带入式：
P18Cpη1η2η3ρπD2V3
式中：
η1传动系统效率取092
η2发电机效率取095
η3变流器效率取095
Cp额定功率风利系数取044
ρ空气密度（般取标准气状态）取1225kgm 3
D—风轮直径取114m
V—风速单位ms
公式excel计算出风速应功率值 数绘制成风速功率曲线图 该曲线图机组静态功率曲线
(2)Ct曲线
计算参考相关数Ct曲线：
8确定攻角a升力系数Cl叶尖速l风利系数Cp
风力机翼型63418根翼型气动数升阻攻角α变化曲线见图：
图中出翼型取佳升阻时攻角5°时升力系数Cl0904Cd0007设计取攻角α10°时升力系数阻力系数分Cl1307 Cd0018
三叶片风力发电机组风轮叶尖速λ般68间设计取7攻角风利系数叶尖速变化曲线CPλ曲线图1Cpλ曲线出Cp044
9风轮额定转速
风轮额定转速式计算：
nr60λVrπD60×13×7π×11415rmin
10功率控制方式：动变桨距控制
11制动系统形式：第制动采气动刹车第二制动采高速轴机械刹车
12风力机等级
IEC标准表选择风力机等级IECIIIA
WTGS等级
I
II
III
IV
S
vref[ms]
50
425
375
30
设计者规定参数
vave[ms]
10
85
75
A
I15
018
018
018
018
a
2
2
2
2
B
I15
016
016
016
016
a
3
3
3
3
阶段性总结
总体参数
设计值
总体参数
设计值
叶片数
B3
风轮直径
D114m
额定输出功率
P5MW
轮毂高度
Zhub70m
设计寿命
20年
风利系数
Cp044
切入风速
Vin3ms
叶尖速
λ7
切出风速
Vout25ms
功率控制方式
动变桨距控制
额定风速
Vr13ms
制动形式
气动刹车机械刹车
风轮额定转速
nr15rmin
传动系统
高传动齿轮箱传动
风力机等级
IECIIIA
电气系统
双馈发电机+变流器
三叶片气动优化设计
1计算剖面叶尖速
叶片分10叶素叶素间隔005R中5半径处叶片筒状1060半径处采钝缘叶片65100半径处 采通风电机组叶片翼型叶片圈采钝缘翼型外圈采63418翼型 根式求叶素叶尖速
叶素位置叶尖速数值见表：
叶素位置
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
叶尖速l
035
07
105
14
175
21
245
28
315
35
叶素位置
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
叶尖速l
385
42
455
49
525
56
595
63
665
7
2叶片攻角弦长优化设计计算步骤
⑴求利公式
⑵求轴干扰子利公式
⑶求切干扰子利公式
⑷求入流角利公式
⑸求叶素桨距角
⑹计算叶片弦长C
叶片气动特性通excel计算：
叶片根部处理方式：距叶根0 ~ 5m处制作成直径2m圆柱结构处理
根部采钻孔组装式结构
四部件功率
1发电机
发电机类型：双馈异步变速恒频发电机
额定功率：5MW
额定转速：1500rmin
发电机极数2发电机轴转矩T发电机轴：
T发电机轴9550×Prnr×η9550×50001500×0953351×103N·m
选择刚轴推荐扭剪应力：
发电机轴直径D发电机：
D发电机2×32×T发电机轴πfs2×32×3351×103π×55×106014m
2变流器
变流器功率通常风力发电机组12~13保证机组性通常额定功率12变流器功率2500kW
3齿轮箱
方式：齿轮箱选2级行星轮+1级行轴齿轮
低速轴转速：nl15rmin
高速轴转速：nh1500rmin
传动：i100
齿轮箱效率：30920973
齿轮箱功率：
PGBPrη3η23η15000095×095×30925694kW
4联轴器
低速轴联轴器功率：
PmPrη3η23η125000095×095×309225852kW
高速轴联轴器功率：
PrPrη3η25000095×0955540kW
5偏航系统
类型：动偏航
偏航轴承：4点接触球轴承
偏航驱动：63kW偏航电机
偏航制动：液压控制摩擦制动
五部件载荷计算
1叶片载荷计算
(1)作叶片离心力Fc
Fcρyω2r0RArrdr
中旋转角速度ω式算：
ω2πn602π×1560157rads
r0 —叶片起始处旋转半径约R120285m
ρy —叶片密度18kgm 3
Ar—叶素处叶片截面积
matlab计算：
Fc66760N
(2)叶轮转动时风压力：
Fv12ρV2r0R(1+ctg2I)(ClcosI+CdsinI)Cdr
matlab计算：
Fv 2842551N
Fv作点距叶轮轴距离rm：
rmr0R(1+ctg2I)(ClcosI+CdsinI)Crdrr0R(1+ctg2I)(ClcosI+CdsinI)Cdr
matlab计算：
rm3796m
(3)作叶片陀螺力矩Mk
整叶片转动惯量：
Iρyr0RFr2dr
处FAr
matlab计算：
I 26199kg·m
β90°时科氏加速度
εk2Ωλ0VR
matlab计算：
动量矩定理知叶片受惯性力矩Mk作力矩称陀螺力矩matlab计算：
MkIεk 133551N·m
2风轮载荷计算
(1)轴诱导子a12(1k)周诱导子b12(h1)
作风轮轴推力表示：
T4πρV20Ra1ardrπρV20R(1k2)rdr
matlab计算：
T 935790N
(2)作整风轮转矩表示：
M4πρΩV0Rb(1a)r3drπρΩV0R(h1)(k+1)r3dr
matlab计算：
M 4980888N·m
3轴载荷计算
低速轴角速度：
ωmω157rads
高速轴角速度：
ωt2πnr602π×15006015708rads
低速轴功率：
PmPrη3η23η125000095×095×309225852kW
高速轴功率：
PtPrη3η25000095×0952216kW
低速轴转矩
Tmpmωm58520001573727389N·m
高速轴转矩：
TtPtωt22160001570814107N·m
低速轴直径：
DL232Tmπfs232×3727389π×55×1060702m
高速轴直径：
DH232Ttπfs232×14107π×55×1060109m
4塔架载荷计算
机组塔架采等强度设计理锥形钢筒结构塔架5段组成段段间法兰连接底直径部5m顶部直径4m筒体壁厚底部30mm渡顶部20mm塔筒总质量170t
作塔架载荷类：
1) 风轮等构件承受空气动力载荷
2) 重力惯性载荷：重力振动旋转震等引起静态动态载荷
3) 操作载荷：机组运行控制程中产生载荷功率变化偏航变桨制动程产生载荷等
4) 载荷：诸尾迹载荷击载荷覆冰载荷等
5) 面讨塔架结构强度计算关两种载荷风轮作气动推力塔架身承受风压产生载荷
⑴暴风工况风轮气动推力计算
Vave>7ms取Vs60ms
前苏联法捷耶夫公式
Fas0784Abvs2B
式中Ab——叶片投影面积
Vs——风轮中心处暴风风速
叶片投影面积：
AbAσB
中σ风轮实度风轮实度叶尖速关λ7时似认σ005
算：
Fas1440kN
荷兰ECN公式
FasCtqAbBφS
式中Ct——推力系数取
q——动态风压
φ——动态系数取
S——安全系数取
q高度变化风轮中心高度Zhub70m处应q1120Nm2求：
Fas1543kN
丹麦RIS公式
FasPlAs
式中Pl——风轮单位扫掠面积均风压通常取Pl300Nm2
As——风轮扫掠面积
算
Fas3062k N
55塔架根部截面应力计算
塔架受力分析图
塔架根部截面应力表示：
σFash1+H+FtsH2W×100+(G1+G2)φA
Fas考虑前面计算合理值
Fas1543kN
Fts塔架受风压力
FtsA塔架×12×ρv24+5×702×12×1225×602694575N
H塔架高度H70m
h1轮毂高度前面知道h115m
W塔架根部抗弯截面模数
WπD3(1(dD)4)32π×53×(1(50065)4)320579m3
A塔架根部截面积
Aπ(D2d2)4π(524942)40468m2
G1塔顶重量机组塔顶重180t：
G110×180×100018×106N
G2塔筒重量
G2175×10×1000175×106N
φ变截面塔架长度折减系数根图10变截面塔架长度折减系数确定
λμHγ
式中
μ塔架截面变化关折算长度修正系数根JminJmax表选择参考设计值
JminJmax
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
μ
165
145
133
124
118
114
110
106
103
100
Jmin塔架顶部截面惯性矩式计算：
JminπD4(1(d顶D顶)4)64π×44×(1(40044)4)640495m4
Jmax塔架底部截面惯性矩式计算：
JmaxπD4(1(dD)4)64π×54×(1(50065)4)641446m4
JminJmax049514460342
查表μ130
γ塔架根部截面惯性半径
γJmaxA144604681758m
计算
λμHγ130×7017585176
查图示曲线知取φ08
代入计算：
σFash1+H+FtsH2W+(G1+G2)φA2413MPa
五风电机组布局
1总体机舱结构方案
采成熟流风机结构布置图示效减少机舱震动害载荷影响
2传动系统布局
设计风电机组双馈型风力发电机组现总体布置字型结构般图示字型布置：
3偏航系统
选强制外置6电机偏航
4变桨系统
3叶片独立变桨控制结构布置图示
六设计总结
1总体参数
总体参数
设计值
总体参数
设计值
叶片数
B3
风轮直径
D114m
额定输出功率
P5MW
轮毂高度
Zhub70m
设计寿命
20年
风利系数
Cp044
切入风速
Vin3ms
叶尖速
λ7
切出风速
Vout25ms
功率控制方式
动变桨距控制
额定风速
Vr13ms
制动形式
气动刹车机械刹车
风轮额定转速
nr15rmin
传动系统
高传动齿轮箱传动
风力机等级
IECIIIA
电气系统
双馈发电机+变流器
2功率气动特性载荷计算总结
气动特性
攻角
10°
升力系数
1307
阻力系数
0018
发电机
发电机额定功率
5MW
发电机额定转速
1500rmin
发电机轴直径
014m
齿轮箱
形式
齿轮箱选2级行星轮+1级行轴齿轮
齿轮箱传动
100
低速轴转速
15rmin
高速轴转速
1500rmin
齿轮箱功率
5694kW
联轴器
低速轴联轴器功率
5852kW
高速轴联轴器功率
5540kW
变流器
变流器功率
2500kW
偏航电机
数量×偏航电机功率
6×3kW
叶片载荷
离心力
66760N
风压力
284255N
陀螺力矩
133551N·m
风压力作点距叶轮轴距离
3796m
风轮载荷
轴推力
935790N
转矩
4980888N·m
轴载荷
低速轴转矩
3727389N·m
高速轴转矩
14107N·m
低速轴直径
0702m
高速轴直径
0109m
塔架载荷
作塔架载荷
Fas1543kN
作塔架风压力
Fts694975N
塔架根部截面应力
2413MPa
3余部分设计总结
机组
运行环境温度
30°~45°
生存环境温度
45°~45°
发电机
输出电压
690V
频率
50Hz
功率数
容性095~感性09
叶片
空气动力外形
63418翼型
圆锥体
叶尖15m 处预弯
材料
玻璃纤维增强树脂
控制系统
控制方式
PLC+远程监控
塔筒
类型
钢制锥形塔筒
七参考文献
[1]风力发电机组设计制造 华北电力学 姚兴佳 田德校试教材（第二版）
[2]风力发电原理华北电力学徐等著
[3]风力机空气动力学华北电力学校试教材贺德馨等著
[4]XE1155MW海风机技术规范湘电风限公司
[5]型风电机组功率曲线分析修正 浙江运达风力发电工程限公司 申新贺 潘东浩 唐继光
等
八附录
1叶片设计部分载荷计算MATLAB程序
clc
clear
Dceil(sqrt(8*5e6095092095044pi1225(13^3)))
lambda7
nlambda*60*13piD
a[0050051]
blambda*a
psi13*atan(b)+pi3
ksqrt(b^2+1)*cos(psi)
hsqrt((1k^2)b^2+1)
Iatan((1k)(1+h)b)
thetaI*180pi10
C8*pi*a*(D2)*(h1)*cos(I)31307(h+1)
RD2
ra*R
omegalambda*13R
y1r*C*33
Fc18*157^2*trapz(ry1)
cl1307
cd0018
y2(1+(1tan(I))^2)*(cl*cos(I)+cd*sin(I))*C
Fv212*1225*13^2*trapz(ry2)
y3y2*r
Rm2trapz(ry3)trapz(ry2)
JFcomega^2
epsilon2*omega*lambda*13R
MkJ*epsilon
r1[0r]
a1[000001a]
b1lambda*a1
psi113*atan(b1)+pi3
k1sqrt(b1^2+1)*cos(psi1)
y4(1k1^2)*r1
Tpi*1225*13^2*trapz(r1y4)
h1sqrt((1k1^2)b1^2+1)
y5(h11)*(k1+1)*r1^3
Mpi*1225*omega*13*trapz(r1y5)
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