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风力发电机组设计与制造学习.pdf

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风力发电机组设计与制造学习.pdf

上传人:1781111**** 2024/5/11 文件大小:2 MB

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】的内容,可以使用淘豆网的站内搜索功能,选择自己适合的文档,以下文字是截取该文章内的部分文字,如需要获得完整电子版,请下载此文档到您的设备,方便您编辑和打印。:..力发电机组设计与制造学****ThedocumentwaspreparedonJanuary2,2021:..一章、绪论、,在气流作用下产生力矩驱动风轮转动,、导流罩和机舱罩组成,,舱壁上有隔音和通风装置等,、控制和通信电缆,还装有供操作人员上下机舱的扶梯,,,、变桨距、变速型的风力发电机组内部结构1变桨距系统:设在轮毂之中,对于电动变距系统来说,包括变距电动机、变距减速器、变距轴承、:包括发电机、:包括主轴及主轴承、齿轮箱、:由偏航电动机、偏航减速器、偏航轴承、:包括传感器、电气设备、计算机控制与安全系统含相应软件和控制欲安全系统执行机构等.:..还设有液压系统,为高速轴上设置的制动装置、、、发电机、变流器的温度控制,设有循环油冷却系统、:a微型~1kw;b小型1~100kw;c中型100~1000kw;:,叫做上风向风力发电机组;风轮安装在塔架后面,风先经过塔架,再到风轮,,而下风向风力发电机组则能够自动对准风向,,由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮,这样塔架就干扰了流过叶片的气流而形成塔影效应,增加了风轮旋转过程中叶片载荷的复杂性,降低了风力发电机组的出力和其他性能;:a定桨距风力发电机组;b变桨距调节风力发电机组;:a高传动比齿轮箱型;b直接驱动型;:a定速恒速;b多态定速;、设计依据风力发电机组的设计依据是风力发电机组的设计任务书,一般包括基本形式、:目前的主流机型是水平轴、上风向、三叶片、变桨距、变速恒频风电机组.:..:风力发电机组的基本参数主要是指风力发电机组的额定功率、转速范围、总效率、:风力发电机组的外部条件包括运行环境条件、、湍流和阵风情况、、部件图和零件图;设计文件包括设计计算说明书、运输和安装说明书、:风力发电机组的外观图描述了其整体结构并标注了主要尺寸,同时用文字注明了设备的技术特征,如机组类型、功率调节方式、风轮旋转方向、额定功率、额定风速、风轮直径、风轮转速范围、风轮倾角、风轮圆锥角、变距最大角度、齿轮箱类型、齿轮箱增速比、发电机类型、塔架类型、:部件图是各层次安装工作的指导图样,表示各零件之间的装配关系、配合公差、轮廓尺寸、:零件图是生产零件的依据,包括零件的结构和形状、尺寸、表面粗糙度和几何公差、材料及表面处理技术要求、技术条件、,:设计文件是与设计相关的规范性文件,详细描述了机组设计、制造、装配、运行维护过程的理念、标准、理论依据、方法和技术要求,用于设计部门存档、指导装配和安装、、设计原则可靠性、经济性与社会效益、先进性、工艺性和易维修性、标准化.:..:确定风力发电机组的主要参数、整体布局和结构形式;对机组的整体载荷及整机质量进行初步计算,选择主要部件的结构,完成机舱布局的计算机设计模型;:根据方案设计资料,进行整机和部件结构设计和确定技术要求;进行机组载荷计算和分析;对关键零部件进行校核计算和分析;进行电气控制与安全系统设计;:根据技术设计结果,进行载荷计算,对零部件进行强度和刚度校核及失效分析,对关键零部件进行优化设计;,填写标准件和外购件明细表,撰写设计计算说明书、、风力发电机组机械设计基础1、风力发电机组等级由风速和湍流参数决定,分级的目的在于最大限度的利用风能,ⅠⅡⅢVm/s50设计值由设计者选定refAI-refBI-refCI-ref注:1、、V表示10min平均参考风速;A表示高湍流特性等级;B表示中湍流特性等级;C表示低湍ref流特性等级;I表示风速为15m/:..:、、、湍流:、、湍流风速矢量的三个分量;纵向沿着平均风速方向横向水平并且与纵向垂直的方向竖向与纵向和侧向均垂直的方向7、正常风廓线模型NWP:=VhubZ/、极端风况:用于确定风力发电机组的极端风载荷,、极端风速模型EWM:,σ1=Iref+b;b=s,σ1=.10、其他环境条件:热、光、腐蚀、机械、电或其他物理作用、温度、湿度、空气密度、阳光辐射、雨、冰雹、雪和冰、活学活性物质、雷电、地震、、正常环境:温度-30~+150,湿度<=95%,阳光辐射强度1000W/、电网条件:1电压标称值+10%2频率标称值+2%3三相电压不平衡度,电压负序分量的比率不超过2%4适合的自动重合周期5断电,假定电网一年内断电20次,一次断电6小时为正常条件,、设计工况:分为运行工况启动发电关机和临时性工况运输吊装维护:..障、、、局部安全系数:由于载荷和材料的不确定性和易变性,分析方法的不确定性以及零件的重要性,、载荷局部安全系数:载荷特征值出现不利偏差的可能性或不确定性;、材料局部安全系数:材料特征值出现不利偏差的可能性或不确定性;零件截面抗力或结构承载能力评估不确定的可能性;几何参数不确定性;结构材料性能与试验样品所测性能之间的差别;、失效影响安全系数用来区分以下几类零件:1一类零件:失效安全结构件结构件失效后不会引起风力发电机组重要零件的失效2二类零件:非失效安全结构件3三类零件:非失效安全机械件把驱动机构和制动机构与主结构连接起来,、风力发电机组极限状态分析内容:极限强度分析;疲劳失效分析;稳定性分析;、稳定性分析:在设计载荷作用下,,,任何零件都不应发生屈曲.:..主要包括额定功率、发电机额定转速、总效率、设计寿命、年发电量、发电成本、总重量、、额定功率是正常工作条件下,、设计寿命:风电机组安全等级I到Ⅲ、~15m/s;切入风速是风力发电机组开始发电时,~4m/s;切出风速是风力发电机组达到设计功率时,,半径r处的叶素弦长与风轮转速Ω的平方成反比;变桨距攻角改变,、叶片质量正比于外壳厚度与弦长的乘积,、转速增加导致叶片重量增加、成本增加,同时转速增加导致叶片平面外的疲劳弯矩减小,、,海上74m/、比功率:、各系统、、总体布置原则:保证风力发电机组的强度、刚度、抗振性、平衡和稳定性,支撑部件要力求有足够的刚度;整机各部件、各系统、附件和设备等,要考虑布置得合理、协调、紧凑;保证正常工作和便于维护,并考虑有较合理的重心位置;传统系统力求简短,达到结构紧凑、体积小、、相似设计:根据研究出来的性能良好、运行可靠地模型来设计与模型相似的新风力机.:..,他们在任一对应点的同名物理量之比保持常数,、相似条件:几何相似、运动相似、、几何相似:模型与原型风力机的几何形状相同,、运动相似:空气流经几何相似的模型与原型机时,其对应点的速度方向相同、、动力相似:满足几何相似、运动相似的模型与原型机上,作用于对应点力的方向相同,、Re为雷诺数,表示作用于流体上的惯性力与黏性力之比16、对于具有相同叶尖速比的相似模型和原型机,、模型试验中,雷诺数的值比临界雷诺数高,、风电机组成本排序:叶片、塔架、齿轮箱、机舱、电网联接、、、概述一、叶片的基本概念1、叶片长度:叶片径向方向上的最大长度;2、叶片面积:叶片旋转平面上的投影面积;3、叶片弦长:叶片径向各剖面翼型的弦长;:..叶片扭角:、叶片数:风轮的叶片数取决于风轮尖速比;2、风轮直径:风轮在旋转平面上的投影圆的直径;3、轮毂高度:风轮旋转中心到基础平面的垂直距离;4、风轮扫掠面积:风轮在旋转平面上的投影面积;5、风轮锥角:叶片相对于和旋转轴垂直的平面的倾斜角;、风轮仰角:风轮的旋转轴线和水平面的夹角;、风轮偏航角:风轮旋转轴线和风向在水平面上投影的夹角;偏航角可以起到调速和限速的作用,、风轮实度:叶片在风轮旋转平面上投影面积的总和与风轮扫掠面积的比值;、风轮的物理特性1、、、风轮轴功率公式.:..一、:对于低速风轮,由于叶片数较多,不需要特殊的翼型升阻比;对于高速风轮,由于叶片数较少,应当选用在很宽的风速范围内具有较高升阻比和平稳失速特性的翼型,对粗糙度不敏感,以便获得较高的功率系数;、叶片载荷1、静载荷1最大受力:50年一遇的最大阵风作为最大静载荷值;2最大弯矩:当重力和气动力在同一方向上;3最大扭矩:、动载荷1由阵风频谱的变化引起的受力变化;2风剪切影响引起的叶片动载荷;3偏航过程引起的叶片上作用力的变化;4弯曲力矩变化,由于自重及升力产生的弯曲变形;5在最大转速下,机械、空气动力制动,风轮制动的情况下;、叶片的受力分析离心力、风压力、气动力矩、陀螺力矩.:...2、、、叶片气动设计一、风力机的性能指标风轮输出功率、风能利用系数、尖速比、、风力机的空气动力学设计动量理论、、叶片结构设计与制造一轻型结构叶片的优缺点:优点:1、在变距时驱动质量小,在很小的叶片机构动力下产生很高的调节速度;2、减少风力发电机组总质量;3、风轮的机械制动力矩小;4、周期振动弯矩由于自重减轻而很小;5、减少了材料成本;6、运费减少;7、:1、要求叶片结构必须可靠,制造费用高;2、所用材料成本高;3、风轮在阵风时反应灵敏,因此,要求功率调节也要快;4、材料特性和载荷计算必须很准确,以免超载.:..叶片材料、碳纤维增强塑料CFRP、木材、,,材料疲劳特性好,,它在固化时收缩大,在叶片的连接处可能存在潜在的危险,:可设计性强、易成型性好、耐腐蚀性强、维护少,:耐热性差;抗剪切强度低;存在老化问题;生产时安全防护;表面强度低;、:实心截面、空心截面、:提供叶片的气动外形,、玻纤毡增强层、:承载叶片的大部分弯曲载荷,、均衡对称原则;2、定向原则;3、按照内力方向的取向原则;4、顺序原则;:..6、最小比例原则;7、变厚度设计原则;8、、螺纹件预埋式:连接最可靠,但每个螺纹件的定位必须准确;2、钻孔组装式:优点:不需要贵重且质量大的法兰盘;在批量生产中只有一个力传递元件;由于采用预紧螺栓,疲劳可靠性很好;通过螺栓很好的机械联接,:需要很高的组装精度;在现场安装,、失速控制优点:叶片和轮毂之间无运动部件,轮毂结构简单,费用低;没有功率调节系统的维护费用;:气动制动系统可靠性设计和制造要求高;叶片、机舱和塔架上的动态载荷高;由于常需要制动过程,在叶片和传动系统中产生很高的机械载荷;起动性差;机组承受的风载荷大;、变浆距控制优点:起动性好;刹车机构简单,叶片顺浆后风轮转速可以逐渐下降;额定点以后的输出功率平滑;风轮叶根承受的静、:由于有叶片变距机构,轮毂较复杂,可靠性设计要求高,维护费用高;功率调节系统复杂,费用高.:..:一方面雷电击中叶尖后,释放大量能量,使叶尖结构内部的温度急剧升高,引起气体高温膨胀,压力上升,造成叶尖结构爆裂破坏,严重时使整个叶片开裂;另一方面,①提高制造精度,降低表面粗糙度;②,在齿轮顶侧沿齿宽修成直线或均匀曲线;③改用斜齿轮;④、d,选取互为质数的传动比;⑤、不淬火;⑥、轮毂设计一、风轮轮毂的结构设计轮毂是连接叶片与主轴的重要部件,:1刚性轮毂;2柔性轮毂铰链式轮毂,叶片在挥舞方向、,相对于刚性轮毂来说,制造成本高,可靠性相对较低,维护费用高;它与刚性轮毂相比所说力与力矩较小.:..锅炉和压力容器规则法、、传动与控制机构设计1、传动与控制机构:传动机械能所需传动机构和机组控制调节所需驱动机构2、主传动链:、增速传动机构齿轮箱、轴系的支撑与连接轴承、:载荷传递路径最短,结构紧凑,:由独立轴承支撑主轴,三点支撑式主轴,主轴集成到齿轮箱,轴承集成在机舱底盘,、主轴轴承:径向与轴向支撑通常采用滚动轴承,、、主轴:仅考虑主轴传递扭矩的初步结构设计计算,、轴系连接构件:高速轴与发电机轴采用柔性联轴器,以弥补安装误差、解决不对中问题;需考虑对机组安全保护功能;可降低成本;、、主传动链齿轮:采用大传动比齿轮传动装置,将风轮所产生转矩传递到发电机,:大传动比,大功率,难以确定动态载荷;常年运行在极端环境下,高空维修困难;设法见效其结构和重量;设置刹车装置,,以最小体积和重量为目标,获得优化的传动方案.:..齿轮箱:箱体,传动机构,支撑构件,润滑系统,:定轴,行星齿轮以及组合传动;级数:单级,多级;布置形式:展开式,分流式,:多级齿轮传动,、轮系:由若干对啮合齿轮组成的传动机构,:所有齿轮几何轴线位置固定,分为平面和空间定轴轮系,:至少有一个齿轮的轴线可绕其他齿轮轴线转动,传动效率高,承载能力强,、设计载荷::风轮制动主要依靠气动制动功能,制动时间比机械制动时间短,、齿轮箱结构设计:内部构件尺寸+..结构设计:初步确定总体结构参数,箱体结构设计,齿轮与轴的结构设计,、传动效率与噪声:散热是紧凑结构齿轮箱的关键,定轴轮系每级损失2%,行星轮1%,、润滑油:减少摩擦,较高承载,防止胶合,降震,防疲劳点蚀,:强制润滑,:开始,500h;运行过程,5000~10000h;定期抽样检测;半年检修;、关机运动方程:空气动力矩,机械制动力矩,:定桨距由叶尖扰流器实现,:,摩擦速度,摩擦片温升,制动盘温升14、变桨距系统:起动,功率调节,:空气动力矩,重力矩,摩擦力矩.:..,电动机选择,变距轴承齿轮副传动比,:IP--.电机外壳的防护GB/简述含义表示方法第0无防护电机无专门防护表示防护等级的代号由表征字母:IP”及附加在后面两一1防护大于50mm固体的电机能防止大面积的人体如手偶然或意外地触及或接近壳内带电个表征数字组成;位或转动部件但不排除故意接触IP44能防止直径大于50mm的固体异物进入壳内表表表表2防护大于12mm固体的电机能防止手指或长度不超过800mm的类似物体触及或接近壳示示示征内带电或转动部件国防防数能防止直径大于12mm的固体异物进入壳内际护溅3防护大于固体的电机能防止直径大于的工具或导线触及或接近壳内带电或转动部字防大水件护于电能防止直径大于的固体异物进入壳内一机4防护大于1mm固体的电机能防止直径或厚度大于1mm导线触及或接近壳内带电或转豪动部件米能防止直径大于1mm的固体异物进入壳内的5防尘电机能防止触及或接近壳内带电或转动部件,进尘量不足以影响固电机正常运行体的第0无防护电机无专门防护电二机位1防滴电机垂直滴水应无影响注:1,第一位数字表示第一表种防护的各个等级,即防止征215°防滴电机当电机从正常位置向任何方向倾斜15°以内,垂直滴水应无人体触及或接近壳内带电影响部份和触及内部转动部件,数3防淋水电机与,垂直成60°,,本标准不规定电机防止机械损害或潮湿,以及腐蚀6防海浪电机承受猛烈的海浪冲击或强烈喷水时,电机进水量应不达到有性气体等条件下的防护等害的程度级,也不规定电机在暴炸气7防浸水电机当电机浸入规定压力的水中经规定的时间后,:,表示某一防护等级时,被省对某些类型电机也可允许水进入,但应不达到有害的程度略的数字应以字母“X”:当防护的内容有所增5:本表中“简述”,可用补充字母,补充字母6:第一位表征数字表示为1至4的电机所能防止的固体异物,系包括形状规则或不规则的物体,其3紧放在数字之后或紧跟个相互垂直尺寸均超过“定义”,当尘的颗粒太小`纤维状或“IP”,试验条件应由制造厂和用户协商确定..液压驱动机构:液压驱动力,液压缸,蓄能器,、偏航系统:自动偏航功能,手动偏航功能,自动解缆功能,:650..:..,机械制动力矩,、塔架设计要素1塔架高度H=h+C+Rh--机组附近障碍物高度;C--、塔架的基本结构形式1钢筋混凝土结构塔架;2桁架结构塔架;、塔架的载荷分析1塔架载荷的基本类型:a风轮等构件承受的空气动力载荷;、振动、旋转以及地震引起的静态和动态载荷;,如功率变化、偏航、变桨以及制动过程产生的载荷等;、冲击载荷、、、塔架的结构设计1设计内容:a动静载荷作用下的结构强度设计;b疲劳强度和塔架刚度分析;c对结构设计方案的初步力学分析;d制造工艺性和经济性分析;e详细分析和强度校核;、制造要求1塔筒设计需要提供相应的制造技术要求,如材质、,通常需要分段制作加工,,,卷板设备为常规设备,当厚度超过40mm,常规卷板设备不能加工,,如Q235、,以提高局部刚度.:..1基本设计要求:a要求作用于地基上的载荷不超过地基容许的承载能力,以保证地基在防止整体破坏方面有足够的安全储备;b控制基础的沉降,使其不超过地基的变形值,、基础形式1板状基础;2桩基础;3混凝土单桩基础;、机舱的装配1、技术要求1按照图样要求清点、检查每个装配工序所用零部件、外购件、、、翻边、氧化皮、锈蚀、,,,,、装配过程①首先将主轴总成所有部件轴承除外进行试装,检验后端盖、轴承压盖与轴承座的配合,确认无误后在后端盖、轴承压盖与轴承座相应位置做标记,然后拆下.②将主轴竖起,法兰面朝下放在两根木方上用水平仪将法兰调整水平.:..④将密封毡圈浸机油装在密封盖中,.⑤用专用工装将轴承吊起,并用水平仪调整轴承内环至水平.⑥将轴承用工频轴承加热器,,直到主轴轴肩无间隙结合用塞尺不得通过.⑦将风轮锁定盘装到主轴法兰上配钻螺孔,.⑧将轴承座竖起,大头朝下,,用紫铜锤锤打到位并用工装压盖压平用螺栓紧固.⑨,.⑩,完成其它零件的装配.?-、效率高,但设备较贵,.?油浴加热油箱可用2~3mm厚的铁板制成,距箱底50~70mm处应有一网栅或架子,轴承不应放到箱底,,严格控制油温不应超过120℃.当轴承加热完毕从油箱中取出后,应立即用干净的布不能用棉纱擦去附在轴承表面的油迹和附着物.