风机叶轮的设计和风电场机组布置方案.doc

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1、 摘 要本次课题设计的题目是“风机叶轮的设计和风电场机组布置方案”。风机叶轮的设计主要是通过公式计算，得到风轮扫掠面积，风轮直径，增速比等重要参数，再采用三维CAD软件绘制叶片的翼型组合成三叶片三维立体风机示意图和风电场机组布置方案的比较选择。本次的设计具体内容主要包括：风轮设计的相关内容，比如:确定风轮扫掠面积、确定风轮直径、确定叶片数目、风轮转速计算、确定增速比等计算数据和翼型设计的一些相关数据计算关键词：风力机叶片 翼型 坐标变换 风电场机组布置方案（图）绪论能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去200多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。

2、然而，人们在物质生活和精神生活不断提高的同时，也越来越感悟到大规模使用化石燃料所带来的严重后果：资源日益枯竭，环境不断恶化。因此，人类必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系统。受化石能源资源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动，世界主要发达国家和一些发展中国家都重视风能的开发利用。特别是自20世纪90年代初以来，风力发电的发展十分迅速，世界风电机装机容量的年平均增长率超过了30%，2005年，中国政府对2020年的风电发展目标进行了修改，将风电装机容量由2000万千瓦增至3000万千瓦。与此同时，我国在风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人力及资金，充分综合利用新材料、新型电

3、机、电力电子技术、计算机、自动控制及通信技术等方面的最新成果，开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展了变桨距控制及失速控制的风力机设计理论，采用了新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出了变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。一、风轮设计1、 由匀风速Vm求额定风速 风轮扫掠面积、风轮半径由风电场具体资料可以获得单机额定容量，额定风速由上求得，便可由式子算出风轮扫掠面积后，由风轮扫掠面积由可算出风轮直径：，此处取风轮直径为30m那么风轮半径，即叶片长度就可求得2、 叶尖速比、叶

4、片个数K的确定叶尖速比与风轮转速成正比，叶尖速比越大风轮转速就越高，而风轮转速取决于风力机的用途.用于发电的风力机叶尖速比常取57.此处取6叶尖速比为6，由下表知叶片数可取2-4，但由于3叶片有以下优势。 二叶片风机功率系数低低实度变化的主要影响如图4-9所示. 低实度产生一个宽而平坦的曲线，表示在一个较宽的叶尖速比范围内变化小，但是的最大值较低，这是因为阻尼损失较高（阻尼损失大约与叶尖速比率的立方成比例）高实度产生一个含有尖锋的狭窄的性能曲线，这使得叶轮对叶尖速比变化非常敏感并且，若实度太高，最大值将相对角低，的降低是由失速损失所造成的。由图4-9可看出，3桨叶产生最佳实度。当然，两桨叶也是

5、可以接受的选择，虽然它的最大值稍微低点，但峰值较宽，这可以获得较大的风能捕获。风力机叶片数与叶尖速比的匹配叶尖速比叶片数叶尖速比叶片数18-2443-526-125-82-433-88-152-1 三叶片气动性能好,气动中心在旋转中心处,是叶片数且最少的类圆形风轮.由于3个均匀分布的叶片叶轮面上的惯性力和气动力较为均匀，故三叶片风机的动力学特性好。 从视觉角度出发，三叶片风机运行均匀分布，美观。综上所述，选择三叶片风轮。由下图(叶尖速比与风轮实度关系曲线)3、 单个叶片面积叶尖速比经计算得：4、风轮转速n5、增速比i发电机与转速1500rpm,可考虑用三级齿轮传动。 6、叶片不同半径处叶尖速比

6、是叶尖端线速度与风速之比。叶片从转速中心至叶片不同半径处的叶尖速比用表示可下式不同半径处的图风轮半径R=15m，叶尖速比由叶尖速比与叶片的相对迎风角的关系曲线得：7、叶片不同半径处处对应的入流角（相对迎风角）45 8、不同半径处的弦长 （m） 不同截面处叶片形状参数。1.不同截面处叶片形状参数如下：2.升力系数CL查升力系数及阻力系数、升阻比与攻角的关系曲线 升力系数CL取升阻比CL/CD最大时对应攻角处的升力系数最优攻角，不同半径处的玹长即可求出：不同半径ri（米）弦长Li（米）150.937513.60.96333312.21.01666710.80.9459.40.9481.333333

7、6.61.655.21.7333333.81.92.4210.8333332.1.9叶片平均玹长Lm=1.296 m2.1.10 验算叶片面积 实际单个叶片的面积为 单个叶片的面积满足要求.2.1.11 升力曲线的平均斜率KL ， ， 2.1.12 展玄比翼展的平方与翼的面积之比，即风轮直径的平方与面积之比，称展玹长比，用来表示2.1.13 平均攻角=8.5452.1.14 叶片从转动中心到叶尖不同位置的所应对的叶片实际安装角（）叶片的实际安转角由下式给出-0.5450.4552.4555.4558.45514.45523.45536.4552.1.15翼型尺寸的确定根据所选翼型查“翼型尺寸坐

8、标” 翼型尺寸坐标半径15m处XY上表面Y下表面0000.0117190.0225-0.013410.0234380.031781-0.018280.0468750.044344-0.023340.0703130.054-0.025690.093750.061781-0.026810.1406250.073969-0.0270.18750.0825-0.025690.2343750.088219-0.023440.281250.0915-0.021190.3750.091875-0.016880.468750.086156-0.013130.56250.076313-0.009380.6562

9、50.062719-0.006090.750.045844-0.003660.843750.025406-0.002060.8906250.013781-0.00150.937500半径13.6m处XY上表面Y下表面0000.0120420.02312-0.013780.0240830.032657-0.018790.0481670.045566-0.023990.072250.055488-0.02640.0963330.063484-0.027550.14450.076007-0.027740.1926670.084773-0.02640.2408330.09065-0.024080.28

10、90.094021-0.021770.3853330.094407-0.017340.4816670.08853-0.013490.5780.078415-0.009630.6743330.064447-0.006260.7706670.047107-0.003760.8670.026106-0.002120.9151670.014161-0.001540.96333300半径12.2m处XY上表面Y下表面0000.0127080.0244-0.014540.0254170.034465-0.019830.0508330.048088-0.025320.076250.05856-0.02786

11、0.1016670.066998-0.029080.15250.080215-0.029280.2033330.089467-0.027860.2541670.095668-0.025420.3050.099227-0.022980.4066670.099633-0.01830.5083330.093432-0.014230.610.082757-0.010170.7116670.068015-0.006610.8133330.049715-0.003970.9150.027552-0.002240.9658330.014945-0.001631.01666700半径10.8m处XY上表面Y下

12、表面0000.0118130.02268-0.013510.0236250.032036-0.018430.047250.044699-0.023530.0708750.054432-0.025890.09450.062276-0.027030.141750.074561-0.027220.1890.08316-0.025890.236250.088925-0.023630.28350.092232-0.021360.3780.09261-0.017010.47250.086846-0.013230.5670.076923-0.009450.66150.063221-0.006140.7560

13、.046211-0.003690.85050.02561-0.002080.897750.013892-0.001510.94500半径9.4m处XY上表面Y下表面0000.011750.02256-0.013440.02350.031866-0.018330.0470.044462-0.023410.07050.054144-0.025760.0940.061946-0.026880.1410.074166-0.027070.1880.08272-0.025760.2350.088454-0.02350.2820.091744-0.021240.3760.09212-0.016920.470

14、.086386-0.013160.5640.076516-0.00940.6580.062886-0.006110.7520.045966-0.003670.8460.025474-0.002070.8930.013818-0.00150.9400半径8m处XY上表面Y下表面0000.0166670.032-0.019070.0333330.0452-0.0260.0666670.063067-0.03320.10.0768-0.036530.1333330.087867-0.038130.20.1052-0.03840.2666670.117333-0.036530.3333330.1254

15、67-0.033330.40.130133-0.030130.5333330.130667-0.0240.6666670.122533-0.018670.80.108533-0.013330.9333330.0892-0.008671.0666670.0652-0.00521.20.036133-0.002931.2666670.0196-0.002131.33333300半径6.6m处XY上表面Y下表面0000.0206250.0396-0.02360.041250.055935-0.032180.08250.078045-0.041090.123750.09504-0.045210.165

16、0.108735-0.047190.24750.130185-0.047520.330.1452-0.045210.41250.155265-0.041250.4950.16104-0.037290.660.1617-0.02970.8250.151635-0.02310.990.13431-0.01651.1550.110385-0.010731.320.080685-0.006441.4850.044715-0.003631.56750.024255-0.002641.6500半径5.2m处XY上表面Y下表面0000.0216670.0416-0.024790.0433330.05876-

17、0.03380.0866670.081987-0.043160.130.09984-0.047490.1733330.114227-0.049570.260.13676-0.049920.3466670.152533-0.047490.4333330.163107-0.043330.520.169173-0.039170.6933330.169867-0.03120.8666670.159293-0.024271.040.141093-0.017331.2133330.11596-0.011271.3866670.08476-0.006761.560.046973-0.003811.64666

18、70.02548-0.002771.73333300半径3.8m处XY上表面Y下表面0000.023750.0456-0.027170.04750.06441-0.037050.0950.08987-0.047310.14250.10944-0.052060.190.12521-0.054340.2850.14991-0.054720.380.1672-0.052060.4750.17879-0.04750.570.18544-0.042940.760.1862-0.03420.950.17461-0.02661.140.15466-0.0191.330.12711-0.012351.520.

19、09291-0.007411.710.05149-0.004181.8050.02793-0.003041.900半径2.4m处XY上表面Y下表面0000.0250.048-0.02860.050.0678-0.0390.10.0946-0.04980.150.1152-0.05480.20.1318-0.05720.30.1578-0.05760.40.176-0.05480.50.1882-0.050.60.1952-0.04520.80.196-0.03610.1838-0.0281.20.1628-0.021.40.1338-0.0131.60.0978-0.00781.80.0542

20、-0.00441.90.0294-0.0032200半径1m处XY上表面Y下表面0000.0104170.02-0.011920.0208330.02825-0.016250.0416670.039417-0.020750.06250.048-0.022830.0833330.054917-0.023830.1250.06575-0.0240.1666670.073333-0.022830.2083330.078417-0.020830.250.081333-0.018830.3333330.081667-0.0150.4166670.076583-0.011670.50.067833-0.0

21、08330.5833330.05575-0.005420.6666670.04075-0.003250.750.022583-0.001830.7916670.01225-0.001330.83333300叶片展向不同安装角叶片不同半径的安装角（）1-3.0452-2.5453-1.5454-0.5455-0.45562.45575.45588.455914.4551023.4551136.455用CAD软件绘制叶片（见附图一）2.2风电场机组布置风电场机组的布置即风电机组位置的选择，应通过对若干方案的技术经济比较，确定风电场风电机组的布置方案，使发电厂获得较好的发电量。在风电场设计中，风力发

22、电机组的排列，应以风电场主导风向及主导能量向来确定排列方向。而风力发电机机组之间的间距和排距，应综合考虑风电场场地条件、风资源特性以及风机之间尾流影响等条件，通过技术经济比较确定。2.2.1 客观条件限制风电机组与村庄之间的距离一般要求500m以上，特殊情况至少300m。根据所给资料知：风电站最经村庄612m。风电机组离110KV以上电压等级线路150m以上。根据所给资料知：风电机组离110KV以上电压等级线路150m以上。发电机组要避开基本农田、矿产、文物、军事用地、自然保护区以及其他环境敏感地区。根据资料所知：该电站周围无基本农田、矿产、文物、军事用地、自然保护区及其他环境敏感地区。2.2

23、.2 地形条件地形条件应满足风电机组的运输条件和安装条件。在平坦的地形条件下，满足在给原则是很容易的。在山区，满足这医院则经常有难度。要根据所选机型需要的运输机械和安装的要求，机位附近要有足够的场地能够作业和摆放叶片、塔架，道路有足够的坡度、宽度和转弯半径使运输机械到达所选机位。根据所给资料知：此风电场位于华北平原，地形平坦,交通运输条件较为便利。2.2.3 障碍物影响在风电场中有时会碰到障碍物，障碍物的尾流的大小和体积有关。研究表明，对于无限长的障碍物，在障碍物下风向40倍障碍物高度，上方2倍障碍物高度的区域内，是较强的尾流扰动区，风电机组的布置必须避开这已区域。障碍物会降低障碍物下风向的区

24、域的风速，障碍物影响的大小取决于本身的疏密程度，即透风率。建筑物的透风率最低。一般来讲，障碍物的长度越长，高度越高，相应的对风速的阻碍效果明显，根据所给资料知：风电场所在出地形平坦，上下风向无障碍物，可不考虑障碍物对风电场机组的布置影响。2.2.4 尾流影响 气流在经过风电场机组叶片能量减小，实际上，风电机组的叶片对风速有阻挡作用，在风电机组的下风向会产生类似轮船尾流效果，该区域内会产生较大的湍流，同时风速也会降低。风电场的风电机组布置因考虑到发电机组之间尾流的影响，发电机组之间的距离至少保证3倍的叶轮直径，在主风向上，风电机组间的距离应更大一些。一方面，考虑到风电机组的尾流影响，应该使风电机

25、组的距离越大越好：另一方面，土地使用和电网连接的限制又要求风电机组间的距离尽可能减小。根据经验，在平行于主风向方向上，风电机组的距离一般保持59倍叶轮直径的距离；在垂直于主风向上，风电机组间的距离一般保持35倍叶轮直径距离。综合考虑，并根据已有电站的资料，此处可采用梅花型布置，如下图所示：机组梅花型布置图但具体怎样布置，需根据实际数据论证。根据有关资料，此处在平行于主风向方向上，风电机组的间距保持7倍叶轮直径的距离；在垂直于主风向方向上，风电机组的距离一般保持4倍叶轮直径距离。并根据所给资料，此地常年风向以西风为主，拟建风电站为一矩形区域，占地约24万平方米，风电场预装30台风力发电机组，由于

26、常年以西风为主，因在垂直于主风向的方向的方向上尽量多布置机组，于是有如下两种方案可供选择:方案A 经过计算其所用面积为: 可见，此种布置方式占地面积超过规定面积24万平方米，故不合理。方案B经计算其所用占地面积为： 可见，此种布置方式占地面积小于规定面积24万平方米，可采取此种机组布置方式。总结这次设计让我学到了许多的知识。与平时的课程设计不同的是，课程设计只需要考虑某一些方面，而毕业设计却要综合各方面的因素，将一些分散的部分连接成一个网络。所以，毕业设计也是锻炼一个人综合能力的一次好机会。本次设计是对我大学所学知识的一次综合检测。设计过程中，我发现自己有许多的不足，这也需要我在以后的学习中努

27、力地去弥补这些不足。再一次次的失败中我总结了好多经验，我也感悟到当我们在生活中遇到困难时也要敢于面对，敢于迎接生活给我们带来的一次又一次的考验。最后，由于本人初次进行如此大型的设计，难免经验不足，设计中出现或多或少的错误。希望老师给谅解，我会继续努力学习，不断拼搏的！参考文献：致谢毕业设计结束了，这段时间，我从分析任务书，查找资料到确定风机叶轮的设计和风电场机组布置的最佳方案。由始至终的每一个环节，都是对我所学专业课的全面考查。因此，在设计过程中难免遇到许多的困难，不过，这些困难在老师的指导下都得以解决。也正因为有老师的悉心指导，我的设计才能按时完成。在此再次向我的指导老师岳海方老师表示衷心的感谢！各位指导老师都给我们以极大的帮助，并且对学生的态度极好，给于我们以足够的亲切感，让我们更有斗志的设计，再次感谢老师给我们的大力支持与帮助，谢谢！附录：25