CN106640516A - 中型变速风电机组及低风速叶片优化设计 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种中型变速风电机组及低风速叶片优化设计。风电机组采用驱动链结构三点支撑，双轴承排列结构，二级行星一级平行齿轮箱增速，风冷式双馈风力发电机。机组的结构特性更好，传动系统功率损耗小，载荷冲击均匀，可满足机组长期可靠运行的要求。低风速叶片设计以LCB低风速系列翼型为基础，运用如图1的设计方法，进行叶片最佳攻角α计算；调整该段质量、刚度和强度；确定叶片结构参数；进行LCB88XXX新翼型族的设计；最后确定低风速叶片结构尺寸。LCB88XXX新翼型族的设计如图2，输入叶片翼型段的雷诺数和攻角便可建立翼型族模型。该翼型实现高风速段功率变化平缓，可抑制机组频频变化的载荷冲击。保证低风速时也可获得最佳的功率转化系数。
Description
技术领域：
本发明属于清洁能源风力发电领域。主要在于中型变速风电机组及低风速叶片优化设计。
背景技术：
兆瓦级风电机组已有多种多样产品，但针对于年平均风速在5米/秒的风场却没有对应的机型。本发明就是这种适应于低风速区域运行的兆瓦级风电机组。机组不仅结构简单可靠、发电效率高、制造成本低和运行维护性好，而且机组通过低风速叶片优化设计和最佳功率系数控制，实现了低风速高效率发电和变速稳定运行控制。
发明内容：
本发明采用驱动链结构三点支撑，双轴承排列结构，二级行星一级平行齿轮箱增速，风冷式双馈风力发电机，使机组的结构特性更好，传动系统功率损耗小，载荷冲击均匀，可满足机组长期可靠运行的要求。本发中的风电机组就是这种结构简单，性能可靠，发电效率高，其特点如下：
1、低风速叶片设计方法实现：1）以LCB低风速系列翼型为基础，设计整个叶片的每个翼型段保证在低风速3~9区间，运行在最佳攻角α， 2）低风速叶片优化的结构和强度设计，实现高风速段功率变化平缓，可抑制机组频频变化的载荷冲击。3）LCB系列翼型以功率转化系数为优化参数，通过叶片的翼型和结构设计，保证低风速时也可获得最佳的功率转化系数。
2、LCB系列低风速翼型是专用于低风速的叶片设计翼型，翼型共10种，适合于1.0E06至7.0E06雷诺数的低转速风力发电机组，当风速增大转速增加时，升力特性变化平缓，随着正变距的增加功率输出保持恒定。
3、控制系统软件的设计方法：1）变速控制实现发电机在工作转速下发出优化的功率。2）变速变距控制优化算法实现额定风速附近运行转速恒定，输出功率平滑过渡，3）变距控制优化算实现发电机组振动控制和稳定发电。
附图说明：
图1为低风速叶片结构尺寸设计流程图。
其中：n、r、 c、υ、 v1分别为翼型n段处的叶片半径、弦长、粘性系数和风速。a、b为轴向和切向诱导系数.，α为攻角，△β为扭角。
图2为低风速翼型族设计方法。
图3为低风速翼型族外形图。
图4为中型风电机组原理结构图。
具体实施方式：
以100kW风电机组为例。低风速风轮叶片设计步骤如下：
（一）、低风速叶片结构尺寸设计（如图1）
设计的条件风速从上至下3~9m/s,风轮转速为24—50r/min。
将翼型n段数据n、r、ν、v1,调计算优化a、b、β和c程序输入编好的软件中，软件根据规定的算法进行低风速区攻角α计算，并判断5°<α<7°是否成立，不成立重新设计扭角，成立则执行确定低风速翼型参数，调低风速区雷诺数计算程序；根据计算结果进行LCB88XXX新翼型族的设计，同时要求输入翼型n段的质量、刚度和强度，分别进行扭角精算，并分别判断2°<△β<4°是否成立，不成立，返回要求调整该段质量、刚度和强度，成立则输出确定的叶片结构参数，最后根据叶片结构参数和LCB88XXX新翼型族对应的翼型进行低风速叶片结构尺寸设计。
LCB88XXX新翼型族设计步骤如实施方式（二）所描述。
（二）低风速翼型族设计方法（如图2）
输入叶片翼型段的雷诺数和攻角到已经编好的软件中，并在风电机组设计软件翼型设计模块中输入原始翼型形状参数，软件根据算法程序建立低风速叶片设计目标和风频权重函数， ，然后要求输入需要优化的设计目标，根据输入目标调相应气动计算程序进行优化，并判断是否满足要求，不满足则调整参数重新进行优化，满足则判断是否完成目标设计，否则返回输入需要优化的设计目标层继续进行相应新目标优化，是的话与NREL翼型进行对比判断是否满意，满意结束设计，不满意返回到建立低风速叶片设计目标和风频权重函数层重新进行优化。
权重函数关系表达式如实施方式（三）所描述。
（三）权重函数关系表达式：
以低风速100千瓦级变速风电机组设计为例，ai fi
（四）低风速翼型族外形图（如图3）
经过（一）的完整设计即可得到如图3所示的LCB88XXX翼型族叶片模型，分别为LCB88150、LCB88180、LCB88210、LCB88240、LCB88300、LCB88350型。编号根据叶片叶宽进行赋值。
（五）中型风电机组结构设计（如图4）
中型风电机组由叶片、变频柜、偏航电机、机舱罩、主轴、齿轮箱、变距系统、发电机、控制组、底板、偏航制动器、塔架、轮毂、主轴支撑、高速轴制动器、并网柜组成。
叶片采用低风速设计，提高机组低风速段发电运行效率；齿轮箱采用两极行星增速，抗载荷冲击。齿轮箱壳体与塔筒偏转前臂通过减震器连接，后底座机舱定位。塔架采用钢网状结构支撑，结构简单，易于运输和装卸，网状结构保证其承重性能好。
Claims (4)
1.该案属于低风速双馈式变速恒频风力发电机组，驱动链系统结构简单可靠，主轴轴承支撑载荷均匀，钢架设计结构弹性好抗振动；低风速叶片设计，提高机组低风速段发电运行效率；齿轮箱采用两极行星增速，抗载荷冲击；齿轮箱壳体与塔筒偏转前臂通过减震器连接，后底座机舱定位；机组的结构示意图（详见图4）。
2.低风速叶片设计方法，在额定转速的风速以前，对每个叶片的n个翼型段，用下面图1所示的设计步骤进行设计，然后确定在LCB翼型库中翼型参数，再根据风机安装场地的风速分布几率，确定该翼型段的翼型组合，优化设计出低风速区段的最大功率利用系数。
3.风电机组采用低风速翼型族设计方法，进行特定风电场场址的风轮叶片设计，以1.5兆瓦风电机组为例设计步骤如图2。
4.变速变距控制系统算法如下：变速控制采用线性化变增益PID控制算法，控制算法如图1所示。
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Cited By (1)
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| CN109766604A (zh) * | 2018-12-27 | 2019-05-17 | 浙江大学 | 一种基于随机等几何分析的叶片高刚度设计方法 |
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2016
- 2016-10-28 CN CN201610970686.6A patent/CN106640516A/zh active Pending
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