【机械】水平轴风力涡轮机（HAWT）的初步设计附Matlab代码

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🔥 内容介绍

水平轴风力涡轮机（HAWT）因风能捕获效率高、适应风速范围广，是当前风电市场的主流机型（占全球风电装机量 95% 以上）。初步设计作为 HAWT 研发的关键阶段，需在满足功率目标、成本控制、可靠性要求的前提下，确定整机核心参数与关键部件方案，为后续详细设计与仿真验证奠定基础。本文围绕 “小型分布式 HAWT（10kW-100kW）” 与 “大型并网 HAWT（1.5MW-15MW）” 两类典型场景，从设计目标、核心参数确定、关键部件设计、性能校核四个维度，系统梳理 HAWT 初步设计的核心流程与方法。

一、HAWT 初步设计的核心目标与约束条件

初步设计需先明确 “设计边界”，平衡性能、成本、可靠性三者关系，避免后续设计偏离实际应用需求。

（一）核心设计目标

1. 功率目标：根据应用场景确定额定功率（Pₙ）—— 小型 HAWT（如分布式家庭用）通常取 10kW-50kW，大型并网机组取 2MW-8MW；需同时明确 “额定风速”（vₙ，通常为 12m/s-15m/s），即达到额定功率时的最小风速。

1. 效率目标：风能捕获效率需接近贝茨极限（理论最大值 59.3%），大型 HAWT 的风能利用系数（Cₚ）通常设计为 0.4-0.45，小型机组因成本限制可适当降低至 0.35-0.4。

1. 成本目标：度电成本（LCOE）是核心经济指标，大型 HAWT 的 LCOE 需控制在 0.03-0.06 美元 / 千瓦时，小型机组因装机规模小，LCOE 可放宽至 0.08-0.12 美元 / 千瓦时（主要控制叶片、传动系统成本）。

1. 可靠性目标：设计寿命通常为 20-25 年，关键部件（叶片、主轴、齿轮箱）的故障间隔时间（MTBF）需≥5000 小时，且需适应目标风场的极端环境（如极端风速、温度、湿度）。

（二）关键约束条件

1. 风场条件约束：需基于目标风场的 “风资源评估报告” 确定设计参数 —— 如平均风速（v_avg）决定轮毂高度（平均风速低则需提高轮毂高度以捕获更高风速）、湍流强度（Iₜ，湍流强则需加强叶片结构强度）、极端风速（v_ext，如 50 年一遇最大风速，用于校核结构抗风载能力）。

1. 尺寸与安装约束：小型 HAWT 需考虑运输便利性（如叶片长度≤12m，可通过公路运输），大型机组需适配吊装设备（如轮毂高度≤160m，对应主流风电吊装车的作业范围）。

1. 标准规范约束：需符合国际电工委员会（IEC）61400 系列标准（如 IEC 61400-1 用于整机安全设计，IEC 61400-2 用于小型机组设计）或国家规范（如中国 GB/T 19073-2008）。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

disp('PRELIMINARY DESIGN OF HORIZONTAL WIND TURBINE BLADES')

disp('Statistic diagram with Betz theory')

disp(' ')

disp('Author: Oboe Daniele, Marinomi Andrea and Mastrandrea Sabino')

disp('Release: 1.0')

%% USER INPUT

%Boundary conditions of the site location

air.T = 15; %ait temperature [癈]

z = 900; %altitude from the sea level [m]

c1 = 10; %undisturbed wind speed [m/s]

%Mechanical Power to produce [W]

P_target = 360e3;

%% Other input data

%Air features

air.R = 287; % gas constant

%relation between altitude and air pressure

air.P = (1.01325 - z*10^(-4))*1e5; %air pressure [Pa]

air.rho = air.P/(air.R * (air.T + 273.15)); %air density [kg/m^3]

%linear interpolation for the air viscosity at your temperature

viscosity_T = [-50 0 20 50 100]; %reference temperature [癈]

viscosity_mu = [1.49 1.70 1.77 1.89 2.10].*1e-5; %reference voscosity [Pa*s]

%ait visvosity at the temperature T

🔗 参考文献

[1]杜朝辉.水平轴风力涡轮设计与性能预估方法的三维失速延迟模型--Ⅲ.模型改进[J].太阳能学报, 2000.DOI:CNKI:SUN:TYLX.0.2000-02-004.

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