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1、華北電力大學(xué)控計(jì)學(xué)院 肖運(yùn)啟1第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu) 2內(nèi)容n1.主要機(jī)組類型n2.基本性能和主要參數(shù)n3.機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)3 1.主要機(jī)組類型1)根據(jù)風(fēng)輪與塔架的相對(duì)位置,可分為上風(fēng)向和下風(fēng)向機(jī)組 4 1.主要機(jī)組類型2)根據(jù)功率調(diào)節(jié)方式,可分為失速機(jī)組和變槳機(jī)組 失速機(jī)組主要利用葉片的氣動(dòng)失速特性,即當(dāng)入流風(fēng)速超過(guò)一定值時(shí),在葉片后端將形成湍流狀態(tài),使升力系數(shù)下降,而阻力系數(shù)增加,從而限制了機(jī)組功率的進(jìn)一步增加。 變槳距機(jī)組的葉片和輪轂不是固定連接,葉片槳距角可調(diào)。在超過(guò)額定風(fēng)速范圍時(shí),通過(guò)增大葉片槳距角,使攻角減小,以改變?nèi)~片升力FL與阻力FD的比例,達(dá)到限制風(fēng)輪功率的目的,使機(jī)組能夠在
2、額定功率附近輸出電能。 51.主要機(jī)組類型a) 帶增速齒輪箱風(fēng)電機(jī)組 b) 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組 3)根據(jù)主軸傳動(dòng)方式,可分為帶齒輪箱機(jī)組和直驅(qū)機(jī)組 61.主要機(jī)組類型a) 陸上風(fēng)機(jī) b) 海上風(fēng)機(jī) 4)根據(jù)安裝地理位置,可分為陸上機(jī)組和海上機(jī)組 7海上風(fēng)機(jī)特殊性n1)海上風(fēng)電場(chǎng)一般處于深度小于30米的中淺深海域,海面平坦無(wú)障礙物,風(fēng)況條件優(yōu)于陸地。但是風(fēng)場(chǎng)與海浪、潮汐具有較強(qiáng)的耦合作用,使得海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在隨機(jī)海浪干擾下載荷條件比較復(fù)雜。n2)海上風(fēng)場(chǎng)遭遇極端氣象條件的可能性大,強(qiáng)陣風(fēng)、臺(tái)風(fēng)和巨浪等極端惡劣天氣條件都會(huì)造成嚴(yán)重破壞,對(duì)于機(jī)組安全可靠性要求更高。8海上風(fēng)機(jī)特殊性n3)海上機(jī)組的基礎(chǔ)比
3、陸地機(jī)組復(fù)雜,必須根據(jù)海域的情況,選擇不同的基礎(chǔ)形式。中淺海域常用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式包括重力基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、吸力式桶形基礎(chǔ)、三足(四足)樁基礎(chǔ)或三足(四足)吸力式桶形基礎(chǔ),而當(dāng)水深大于50米時(shí),多則選擇懸浮式基礎(chǔ)。用于基礎(chǔ)的建設(shè)費(fèi)用占據(jù)較大比例。(a)重力式結(jié)構(gòu) (b)筒式結(jié)構(gòu) (c)樁基固定式(單立柱、單立柱三樁、四腿導(dǎo)管架)9海上風(fēng)機(jī)特殊性4)海上風(fēng)電機(jī)安裝、運(yùn)行、操作和維護(hù)等方面都比陸地風(fēng)場(chǎng)困難。10我國(guó)海上風(fēng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)灘涂風(fēng)電場(chǎng)目前,我國(guó)已建或在建的灘涂風(fēng)電場(chǎng)主要集中在潮上帶及圍墾區(qū)。潮間帶由于淤泥地質(zhì),風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸安裝都是難題。但是相比于近海風(fēng)電,業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為潮間帶風(fēng)電場(chǎng)還具有一定成本優(yōu)
4、勢(shì)。國(guó)內(nèi)首個(gè)海上潮間帶風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目龍?jiān)唇K如東海上潮間帶試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)于09年10月并網(wǎng)發(fā)電成功,首批兩臺(tái)1.5兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正式并網(wǎng)運(yùn)行。 112.基本性能和主要參數(shù)n1)功率曲線(切入、額定、切出風(fēng)速) n2)風(fēng)輪直徑和輪轂高度 n3)葉片數(shù)n4)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、葉尖速比n5)風(fēng)輪錐角和風(fēng)輪仰角 12表3-1 某型號(hào)1.5MW機(jī)組的主要技術(shù)規(guī)格額定功率 / kW1500轉(zhuǎn)子直徑 / m77塔架高度 / m65切入風(fēng)速 / m/s3額定風(fēng)速 / m/s12切出風(fēng)速 / m/s20轉(zhuǎn)子上風(fēng)向、順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)葉片數(shù)3偏角 / 4標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速 / rpm20齒輪箱結(jié)構(gòu)形式一級(jí)行星輪兩級(jí)平行軸斜齒圓柱齒輪變槳控制方式
5、獨(dú)立電動(dòng)變槳控制制動(dòng)剎車方式獨(dú)立葉片變槳控制+盤剎車偏航控制系統(tǒng)四個(gè)電動(dòng)齒輪電機(jī)發(fā)電機(jī)類型感應(yīng)式帶滑環(huán)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)4額定功率 / kW1500功率因數(shù)cos0.9-1-0.9電網(wǎng)連接通過(guò)變流器塔架錐形鋼筒塔架132.基本性能和主要參數(shù)1)功率曲線(切入、額定、切出風(fēng)速) 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線 142.基本性能和主要參數(shù)2)風(fēng)輪直徑和輪轂高度 風(fēng)電機(jī)組功率和直徑的發(fā)展 152.基本性能和主要參數(shù)3)葉片數(shù) 帶有單葉片風(fēng)輪、雙葉片風(fēng)輪和三葉片風(fēng)輪的三種水平軸風(fēng)電機(jī)組形式 163)葉片數(shù)(續(xù))采用不同的葉片數(shù),對(duì)風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都將產(chǎn)生不同的影響。風(fēng)輪的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率取決于風(fēng)輪
6、的功率系數(shù)。 不同葉片數(shù)的風(fēng)輪的功率系數(shù)隨葉尖速比的變化曲線在相同風(fēng)速條件下,葉片數(shù)越少,風(fēng)輪最佳轉(zhuǎn)速越高.多葉片風(fēng)輪由于功率系數(shù)很低.173)葉片數(shù)(續(xù))因此用于衡量風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩性能的另一個(gè)重要參數(shù)是轉(zhuǎn)矩系數(shù),它定義為功率系數(shù)除以葉尖速比。不同葉片數(shù)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩系數(shù)曲線葉片數(shù)越多,最大轉(zhuǎn)矩系數(shù)值也越大,對(duì)應(yīng)的葉尖速比也越小,表明啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大182.基本性能和主要參數(shù)4)葉尖速比 葉尖速比描述風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪特性的一個(gè)重要的無(wú)量剛量,定義為風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比,即RV 192.基本性能和主要參數(shù)5)風(fēng)輪錐角和風(fēng)輪仰角 風(fēng)輪錐角是葉片與風(fēng)輪主軸相垂直的旋轉(zhuǎn)平面的夾角,風(fēng)輪仰角是風(fēng)輪主軸與水平面的夾
7、角。 20風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)級(jí)別 n國(guó)際電工委員會(huì)在其頒布的風(fēng)電機(jī)組相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中(IEC64000-1),根據(jù)風(fēng)速和湍流狀態(tài)參數(shù)將水平軸風(fēng)電機(jī)組分成三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別和一個(gè)特殊級(jí)別 。 21風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)級(jí)別223.機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)n1)總體結(jié)構(gòu)n2)葉片n3)輪轂n4)軸系n5)發(fā)電機(jī)n6)機(jī)艙n7)偏航n8)塔架與基礎(chǔ)231)總體結(jié)構(gòu)大型水平軸風(fēng)電機(jī)組主要由風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架和基礎(chǔ)組成。 風(fēng)電機(jī)組基本結(jié)構(gòu) 241)總體結(jié)構(gòu)(續(xù))雙饋風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部結(jié)構(gòu) 252)葉片風(fēng)電機(jī)組葉片應(yīng)滿足以下要求:n1)良好的空氣動(dòng)力外形,能夠充分利用風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)資源條件,獲得盡可能多的風(fēng)能;n2)可靠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,具備足夠的承受極限
8、載荷和疲勞載荷能力;合理的葉片剛度,葉尖變形位移,避免葉片與塔架碰撞;n3)良好的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性和氣動(dòng)穩(wěn)定性,避免發(fā)生共振和顫振現(xiàn)象,振動(dòng)和噪聲小;n4)耐腐蝕、防雷擊性能好,方便維護(hù);n5)在滿足上述目標(biāo)的前提下,優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),盡可能減輕葉片重量、降低制造成本。 26 2)葉片 幾何形狀及翼型a) 風(fēng)電機(jī)組葉片(E112型)長(zhǎng)度與A340型客機(jī)比較 b) 葉片幾何參數(shù)c) 葉片翼型沿展向變化272)葉片 幾何結(jié)構(gòu)葉片剖面多采用蒙皮與主梁構(gòu)造形式,中間有硬質(zhì)泡沫夾層作為增強(qiáng)材料。葉片主梁材料一般需采用單向程度較高的玻纖織物,葉片蒙皮主要由膠衣、表面氈和雙向復(fù)合材料鋪層構(gòu)成。 葉片主梁葉片鋪層2
9、82)葉片 加工制造葉片上下兩半部分分別在固定形狀的模具中完成鋪層,然后在前后緣粘合在一起,形成整體葉片。 葉片制造293031322)葉片葉尖氣動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)于失速機(jī)組,葉片端部(葉尖)采用制動(dòng),超速保護(hù)。 33342)葉片葉根與輪轂連接形式 a) 法蘭連接 b) 預(yù)埋金屬根端連接 葉片根端必須具有足夠的剪切強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度,與金屬的連接強(qiáng)度也要足夠高,這些強(qiáng)度均低于其拉彎強(qiáng)度。常用方式有法蘭連接與預(yù)埋金屬根端連接。 352)葉片葉片故障a)葉片表面覆冰 b) 表面腐蝕 c)裂紋 d) 極端風(fēng)破壞 葉片故障統(tǒng)計(jì) 362)葉片葉片防雷閃電可以產(chǎn)生超過(guò)億伏的平均電壓,百萬(wàn)安培的平均電流。風(fēng)電機(jī)組通常
10、樹立在比較空曠的地域,容易遭受雷擊,葉片上必須安裝防雷擊裝置。在葉尖部位安裝一個(gè)金屬(鋁或銅)接受塊,然后通過(guò)葉片內(nèi)部金屬導(dǎo)線連接到葉根部的柔性金屬板上,經(jīng)過(guò)塔架內(nèi)的接地系統(tǒng),將雷擊電流接地。 葉片防雷裝置示意圖 372)葉片葉片除冰系統(tǒng)a) 電加熱除冰系統(tǒng)概念 b) 熱空氣除冰系統(tǒng)概念 針對(duì)一些地區(qū)容易造成葉片覆冰的環(huán)境條件,一些葉片制造企業(yè)也考慮了多種解決覆冰問(wèn)題的方案,例如葉片表面采用特殊的防冰涂層、葉片中安裝覆冰報(bào)警及除冰系統(tǒng)等。 38a) 運(yùn)行狀態(tài)下的輪轂 b) 風(fēng)輪吊裝 輪轂用于連接葉片和主軸,承受來(lái)自葉片的載荷并將其傳遞到主軸上。對(duì)于變槳距風(fēng)電機(jī)組,輪轂內(nèi)的空腔部分還用于安裝變槳
11、距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。 3)輪轂393)輪轂形狀a) 三角形輪轂 b) 三通式輪轂 三角形輪轂,內(nèi)部空腔小,體積小,制造成本低,適用于定槳距機(jī)組;三通式輪轂,主要用于變槳距機(jī)組,其形狀如球形,內(nèi)部空腔大,可以安裝變槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),承載能力大。 403)輪轂變槳機(jī)構(gòu)現(xiàn)代大型并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組多數(shù)采用變槳距機(jī)組,其主要特征是葉片可以相對(duì)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)槳距角的調(diào)節(jié)。其主要作用有以下兩點(diǎn):1)在正常運(yùn)行狀態(tài)下,當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí),通過(guò)改變?nèi)~片槳距角,改變?nèi)~片的升力與阻力比,實(shí)現(xiàn)功率控制。2)當(dāng)風(fēng)速超過(guò)切出風(fēng)速時(shí),或者風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)故障狀態(tài)時(shí),迅速將槳距角從工作角度調(diào)整到順槳狀態(tài),實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。413)輪轂變槳
12、機(jī)構(gòu)變槳機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)424)軸系軸系用來(lái)連接風(fēng)輪與發(fā)電機(jī),將風(fēng)輪產(chǎn)生的機(jī)械轉(zhuǎn)矩傳遞給發(fā)電機(jī),同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的變換。 帶增速齒輪箱的風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖434)軸系主軸主軸一端連接風(fēng)輪輪轂,另一端連接增速齒輪箱的輸入軸,用滾動(dòng)軸承支撐在主機(jī)架上。風(fēng)輪主軸的支撐結(jié)構(gòu)形式與增速齒輪箱的形式密切相關(guān)。按照支撐方式不同,主軸可以分為三種結(jié)構(gòu)形式,適用于不同機(jī)組。風(fēng)輪主軸支撐形式444)軸系齒輪箱a) 齒輪箱于風(fēng)輪側(cè)外觀視圖 b)于發(fā)電機(jī)側(cè)外觀視圖 風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計(jì)條件比較苛刻,同時(shí)也是機(jī)組的主要故障源之一, 其基本設(shè)計(jì)特點(diǎn)表現(xiàn)在:1.傳動(dòng)比大,傳遞功率大 2.運(yùn)行條件惡劣c)多級(jí)行星輪系風(fēng)電機(jī)組齒輪箱 45
13、4)軸系齒輪箱故障齒輪在運(yùn)行過(guò)程中,齒面承受交變壓應(yīng)力、交變摩擦力以及沖擊載荷的作用,將會(huì)產(chǎn)生各種類型的損傷,導(dǎo)致運(yùn)行故障甚至失效。 齒輪典型故障 464)軸系連接與制動(dòng)為實(shí)現(xiàn)機(jī)組傳動(dòng)鏈部件間的扭矩傳遞,齒輪箱高速軸與發(fā)電機(jī)軸采用柔性聯(lián)軸器,以彌補(bǔ)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程軸系的安裝誤差。機(jī)械剎車機(jī)構(gòu)一般采用盤式結(jié)構(gòu),制動(dòng)盤安裝在齒輪箱輸出軸與發(fā)電機(jī)軸的彈性聯(lián)軸器前端。制動(dòng)剎車時(shí),液壓制動(dòng)器抱緊制動(dòng)盤,通過(guò)摩擦力實(shí)現(xiàn)剎車動(dòng)作。 某機(jī)組的聯(lián)軸器 475)發(fā)電機(jī)大型風(fēng)電機(jī)組一般采用雙饋異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)。雙饋風(fēng)電機(jī)組永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組48機(jī)艙裝配現(xiàn)場(chǎng) 6)機(jī)艙為了保護(hù)傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)以及控制裝置等部
14、件,將它們用輕質(zhì)外罩封閉起來(lái),稱為機(jī)艙。機(jī)艙通常采用重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕的玻璃鋼制作。497)偏航系統(tǒng)n偏航系統(tǒng)主要用于調(diào)整風(fēng)輪的對(duì)風(fēng)方向。大型風(fēng)電機(jī)組主要采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的偏航系統(tǒng)。該系統(tǒng)的風(fēng)向感受信號(hào)來(lái)自裝在機(jī)艙上面的風(fēng)向標(biāo)。通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪方向的調(diào)整。偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1主機(jī)架,2偏航驅(qū)動(dòng),3運(yùn)輸支架508)塔架與基礎(chǔ)n塔架是機(jī)組的支撐部件,承受機(jī)組重量、風(fēng)載荷及各種動(dòng)載荷,并將這些載荷傳遞到基礎(chǔ)。塔架結(jié)構(gòu)形式主要有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)和鋼筒結(jié)構(gòu)三種 。a) 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)塔架 b) 鋼筒塔架和桁架塔架518)塔架與基礎(chǔ)塔筒加工n塔筒通常采用寬度為2米、厚度為10至40毫米的鋼板,經(jīng)過(guò)卷板機(jī)卷成筒狀,然后焊接而成。塔同加工528)塔架與基礎(chǔ)塔筒安裝n每段塔筒兩端焊有連接法蘭,在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí),用螺栓將各節(jié)塔筒連成一體,形成最終的整體塔筒。 a 塔筒法蘭連接b 現(xiàn)場(chǎng)吊裝c 塔筒內(nèi)部538)塔架與基礎(chǔ)基礎(chǔ)n基礎(chǔ)主要提供塔筒底部的連接和固定,塔架基礎(chǔ)應(yīng)使機(jī)組在所有可能出現(xiàn)的載荷條件下保持穩(wěn)定狀態(tài),不能出現(xiàn)傾倒、失穩(wěn)或其它問(wèn)題。n塔架基礎(chǔ)均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ),根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址工程地質(zhì)條件和地基承載力以及基礎(chǔ)荷載、結(jié)構(gòu)等條件有
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