風(fēng)力發(fā)電原理第三章

風(fēng)力發(fā)電原理第三章1第1頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四風(fēng)力機(jī)的類型風(fēng)電機(jī)組主要參數(shù)及設(shè)計(jì)級別水平軸風(fēng)力機(jī)構(gòu)造第三章風(fēng)力機(jī)分類和構(gòu)成2第2頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四§3-1

風(fēng)力機(jī)的類型

按容量劃分

小型風(fēng)力機(jī)：容量小于60kW中型風(fēng)力機(jī)：容量為70～600kW大型風(fēng)力機(jī)：容量為600～1000kW（1MW）巨型風(fēng)力機(jī)：容量大于1000kW。

單機(jī)容量越大，槳葉越長。2MW風(fēng)力機(jī)葉片的直徑已經(jīng)達(dá)到72m，最長的葉片已經(jīng)做到50m，且隨著機(jī)組容量的增加會更長。3第3頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四4第4頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四按照風(fēng)輪結(jié)構(gòu)及其在氣流中的位置：水平軸風(fēng)力機(jī):葉片圍繞一個水平軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平按風(fēng)輪結(jié)構(gòu)劃分按功率調(diào)節(jié)方式劃分

定槳距風(fēng)力機(jī)變槳距風(fēng)力機(jī)主動失速型風(fēng)力機(jī)面與風(fēng)向垂直。

垂直軸風(fēng)力機(jī):風(fēng)輪圍繞一個垂直軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，為了保證發(fā)電機(jī)的輸出功率維持在額定功率附近，需要對風(fēng)輪葉片吸收的氣動功率進(jìn)行控制。對于確定的葉片翼型，在風(fēng)作用下產(chǎn)生的升力和阻力主要取決于風(fēng)速和攻角，在風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，通過調(diào)整攻角，可以改變?nèi)~片的升力和阻力比例，實(shí)現(xiàn)功率控制。

5第5頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

定槳距風(fēng)力機(jī):葉片固定在輪轂上，槳距角不變，風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的失速性能。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，在葉片后端將形成邊界層分離，使升力系數(shù)下降，阻力系數(shù)增加，從而限制了機(jī)組功率的進(jìn)一步增加。

優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單。

缺點(diǎn):不能保證超過額定風(fēng)速區(qū)段的輸出功率恒定，并且由于阻力增大,導(dǎo)致葉片和塔架等部件承受的載荷相應(yīng)增大。此外，由于槳距角不能調(diào)整，沒有氣動制動功能，因此定槳距葉片在葉尖部位需要設(shè)計(jì)專門的制動機(jī)構(gòu)。

6第6頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

變槳距風(fēng)力機(jī)：葉片和輪轂不是固定連接，葉片槳距角可調(diào)。在超過額定風(fēng)速范圍時(shí)，通過增大葉片槳距角，使攻角減小，以改變?nèi)~片升力與阻力的比例，達(dá)到限制風(fēng)輪功率的目的，使機(jī)組能夠在額定功率附近輸出電能。

優(yōu)點(diǎn)：高于額定風(fēng)速區(qū)域可以獲得穩(wěn)定的功率輸出。

缺點(diǎn)：需要變槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性降低。

目前的大型兆瓦級風(fēng)電機(jī)組普遍采用變槳距控制技術(shù)。

主動失速型風(fēng)力機(jī)：工作原理相當(dāng)于以上兩種形式的組合。利用葉片的失速特性實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，葉片與輪轂不是固定連接，葉片可以相對輪轂轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)槳距角調(diào)節(jié)。當(dāng)機(jī)組達(dá)到額定功率后，使葉片向槳距角向減小的方向轉(zhuǎn)過一個角度，增大來風(fēng)攻角，使葉片主動進(jìn)入失速狀態(tài)，從而限制功率。

優(yōu)點(diǎn)：改善了被動失速機(jī)組功率調(diào)節(jié)的不穩(wěn)定性。

缺點(diǎn)：增加了槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使設(shè)備變得復(fù)雜。

7第7頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四通過傳動系統(tǒng)連接風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子達(dá)到所需要的轉(zhuǎn)速。并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組所用交流發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為為發(fā)電機(jī)磁極對數(shù)；為電網(wǎng)頻率，50Hz。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速較低，約10~20r/min，而發(fā)電機(jī)要輸出50Hz的交流電功率，當(dāng)發(fā)電機(jī)的磁極對數(shù)不同時(shí)，要求轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也不同。如當(dāng)磁極對數(shù)為2時(shí)，要求發(fā)電機(jī)其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在1500r/min左右，這時(shí)需要在風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)組之間用齒輪箱進(jìn)行增速。如果發(fā)電機(jī)組的極對數(shù)足夠大，使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速接近，就不需要增速齒輪箱。8第8頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

高傳動比齒輪箱型：

優(yōu)點(diǎn)：由于極對數(shù)小，結(jié)構(gòu)簡單，體積小；

缺點(diǎn)：傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，齒輪箱設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，容易出故障。

直接驅(qū)動型：采用多級同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，讓風(fēng)輪直接帶動發(fā)電機(jī)低速旋轉(zhuǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：沒有了齒輪箱所帶來的噪聲、故障率高和維護(hù)成本大等，提高了運(yùn)行可靠性。缺點(diǎn)：發(fā)電機(jī)極對數(shù)高，體積比較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

半直驅(qū)型：上述兩種類型的綜合。中傳動比型風(fēng)力機(jī)減少了傳統(tǒng)齒輪箱的傳動比，同時(shí)也相應(yīng)減少了多極同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極數(shù)，從而減少了發(fā)電機(jī)的體積。按傳動形式劃分9第9頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四10第10頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

恒速型風(fēng)力機(jī)：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定不變，不隨風(fēng)速的變化而變化。

變速型風(fēng)力機(jī)：發(fā)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速時(shí)刻變化而變化。主流大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本都采用變速恒頻運(yùn)行方式。

多態(tài)定速風(fēng)力機(jī)：發(fā)電機(jī)組中包含兩臺或多臺發(fā)電機(jī)，根據(jù)風(fēng)速的變化，可以有不同大小和數(shù)量的發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行。

按發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化劃分

11第11頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

沿海風(fēng)場風(fēng)況和環(huán)境條件與陸地風(fēng)場存在差別，海上風(fēng)電機(jī)組具有一些特殊性：

1)適合選用大容量風(fēng)電機(jī)組。海上風(fēng)速通常比沿岸陸地高，風(fēng)速比較穩(wěn)定，不受地形影響，風(fēng)湍流強(qiáng)度和風(fēng)切變都比較小，并且具有穩(wěn)定的主導(dǎo)風(fēng)向。在相同容量下，海上風(fēng)電機(jī)組的塔架高度比陸地機(jī)組低。

陸地風(fēng)電機(jī)組海上風(fēng)電機(jī)組

12第12頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四2)風(fēng)電機(jī)組安全可靠性要求更高。海上風(fēng)電場遭遇極端氣象條件的可能性大，強(qiáng)陣風(fēng)、臺風(fēng)和巨浪等極端惡劣天氣條件都會對機(jī)組造成嚴(yán)重破壞。海上風(fēng)電場與海浪、潮汐具有較強(qiáng)的耦合作用，使得風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在海浪干擾下的隨機(jī)風(fēng)場中，載荷條件比較復(fù)雜。海上風(fēng)電機(jī)組長期處在含鹽濕熱霧腐蝕環(huán)境中，加之海上風(fēng)電機(jī)組安裝、運(yùn)行、操作和維護(hù)等方面都比陸地風(fēng)場困難。因此，海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)，尤其是葉片材料的耐久性問題極為重要。

3)基礎(chǔ)形式與陸地風(fēng)電機(jī)組有巨大差別。由于不同海域的水下情況復(fù)雜、基礎(chǔ)建造需要綜合考慮海床地質(zhì)結(jié)構(gòu)、離岸距離、風(fēng)浪等級、海流情況等多方面影響，因此海上風(fēng)電機(jī)組復(fù)雜，用于基礎(chǔ)的建設(shè)費(fèi)用也占較大比例。海上風(fēng)電在風(fēng)資源評估、機(jī)組安裝、運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備監(jiān)控、電力輸送等許多方面都與陸地風(fēng)電存在差異，技術(shù)難度大、建設(shè)成本高。13第13頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

水平軸風(fēng)力機(jī)的葉片圍繞一個水平軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向垂直。葉片徑向安置于風(fēng)輪上，與旋轉(zhuǎn)軸垂直或近似垂直。風(fēng)輪葉片數(shù)目視風(fēng)力機(jī)用途而定，用于風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)力機(jī)的葉片數(shù)一般取1～3片，用于風(fēng)力提水的風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)一般取12～24片。

一、水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)

14第14頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

按風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的快慢劃分，可分為高速風(fēng)力機(jī)和低速風(fēng)力機(jī)。高速風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)較少，1～3片應(yīng)用得較多，其最佳轉(zhuǎn)速對應(yīng)的風(fēng)輪葉尖線速度為5～15倍風(fēng)速。在高速運(yùn)行時(shí)，高速風(fēng)力機(jī)有較高的風(fēng)能利用系數(shù)。由于葉片數(shù)較少，在輸出功率相同的條件下，比低速風(fēng)輪要輕得多，因此適用于發(fā)電。葉片數(shù)較多的風(fēng)力機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速較低，為高速風(fēng)力機(jī)的一半甚至更低，風(fēng)能利用率也較高速風(fēng)輪的低，通常稱為低速風(fēng)力機(jī)。起動力矩大，起動風(fēng)速低。低速運(yùn)行產(chǎn)生較高的轉(zhuǎn)矩，因而適用于提水。15第15頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四按照風(fēng)輪與塔架相對位置的不同劃分

逆風(fēng)式風(fēng)力機(jī)順風(fēng)式風(fēng)力機(jī)水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪在塔架的下風(fēng)位置旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)。能夠自動對準(zhǔn)風(fēng)向，不需要調(diào)向裝置。缺點(diǎn)：空氣流先通過塔架然后再流向風(fēng)輪，會造成塔影效應(yīng)，風(fēng)力機(jī)性能降低。

以空氣流向作為參考，風(fēng)輪在塔架前迎風(fēng)旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)為逆風(fēng)式風(fēng)力機(jī)。需要調(diào)風(fēng)裝置，使風(fēng)輪迎風(fēng)面正對風(fēng)向。16第16頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

定義：垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪圍繞一個垂直軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

特點(diǎn)：①無需調(diào)風(fēng)向裝置，可接受來自任何方向的風(fēng)，風(fēng)向改變時(shí)無需對風(fēng)。②齒輪箱和發(fā)電機(jī)均可安裝在地面上或風(fēng)輪下，運(yùn)行維修簡便，費(fèi)用較低。③葉片結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，設(shè)計(jì)費(fèi)用較低。二、垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)

分類：阻力型風(fēng)力機(jī)：利用空氣對葉片的阻力做功。升力型風(fēng)力機(jī)：利用翼型升力做功。17第17頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

S形風(fēng)力機(jī)由兩個軸線錯開的半圓柱形葉片組成，其優(yōu)點(diǎn)可在較低風(fēng)速下運(yùn)行，但S形風(fēng)輪由于風(fēng)輪周圍氣流不對稱，從而產(chǎn)生側(cè)向推力。受側(cè)向推力與安全極限應(yīng)力的限制，S形風(fēng)力機(jī)大型化比較困難。風(fēng)能利用系數(shù)也遠(yuǎn)低于高速垂直軸或水平軸風(fēng)力機(jī)，僅為0.15左右。在風(fēng)輪尺寸、重量和成本相同的條件下，其功率輸出較低，因而用于發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性較差。

18第18頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四升力型:達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)是水平軸風(fēng)力機(jī)的主要競爭者。形式:有φ形、H形、△形、Y形和菱形等。根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)形狀，可簡單地歸納為直葉片和彎葉片兩種。

H形風(fēng)輪和φ形風(fēng)輪應(yīng)用最為廣泛。葉片具有翼型剖面，空氣繞葉片流動而產(chǎn)生的合力形成轉(zhuǎn)矩，因此葉片幾乎在旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)的任何角度都有升力產(chǎn)生。達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)最佳轉(zhuǎn)速較水平軸的慢，但比S形風(fēng)輪快很多，其風(fēng)能利用系數(shù)與水平軸風(fēng)力機(jī)相當(dāng)。19第19頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四H形風(fēng)輪結(jié)構(gòu)簡單，但離心力使葉片在其連接點(diǎn)處產(chǎn)生嚴(yán)重的彎曲應(yīng)力。直葉片借助支撐件或拉索來支撐，這些支撐產(chǎn)生氣動阻力，降低了風(fēng)力機(jī)的效率。φ形風(fēng)輪所采用的彎葉片只承受張力，不承受離心力載荷，使彎曲應(yīng)力減至最小。由于材料可承受的張力比彎曲應(yīng)力要強(qiáng)，對于相同的總強(qiáng)度，φ形葉片比較輕，且比直葉片可以更高的速度運(yùn)行。但φ形葉片不便采用變漿距方法來實(shí)現(xiàn)自起動和控制轉(zhuǎn)速。對于高度和直徑相同的風(fēng)輪，φ形轉(zhuǎn)子比H形轉(zhuǎn)子的掃掠面積要小一些。

20第20頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四§3-2

風(fēng)電機(jī)組主要參數(shù)及設(shè)計(jì)級別風(fēng)電機(jī)組的性能和技術(shù)規(guī)格可以通過一些主要參數(shù)反映。21第21頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風(fēng)輪直徑是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的外圓直徑，用D表示。風(fēng)輪直徑大小決定了風(fēng)輪掃掠面積的大小以及葉片的長度，是影響機(jī)組容量大小和機(jī)組性價(jià)比的主要因素之一。根據(jù)貝茨理論，風(fēng)輪從自然風(fēng)中獲取的功率為式中，S為風(fēng)輪的掃掠面積，D增加，則其掃掠面積與D2成比例增加，其獲取的風(fēng)功率也相應(yīng)增加。風(fēng)輪直徑與掃掠面積一.主要參數(shù)22第22頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑和相應(yīng)功率的發(fā)展變化情況。早期的風(fēng)電機(jī)組直徑很小，額定功率也相對較低，大型兆瓦機(jī)組的風(fēng)輪直徑在70~80m范圍，目前風(fēng)輪直徑超過100m、額定功率超過若干兆瓦的風(fēng)電機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行。23第23頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四風(fēng)輪高度是指風(fēng)輪輪轂中心離地面的高度，是風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的一個重要參數(shù)。由于風(fēng)剪切特性，離地面越高，風(fēng)速越大，具有的風(fēng)能也越大，因此大型風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展趨勢是輪轂高度越來越高。但是輪轂高度增加，所需要的塔架高度也相應(yīng)增加，當(dāng)塔架高度達(dá)到一定水平時(shí)，設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸和安裝等方面都將產(chǎn)生新的問題，也導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組成本相應(yīng)增加。輪轂高度

24第24頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四組成風(fēng)輪的葉片個數(shù)，用B表示。選擇風(fēng)輪葉片數(shù)時(shí)要考慮風(fēng)電機(jī)組的性能和載荷、風(fēng)輪和傳動系統(tǒng)的成本、風(fēng)力機(jī)氣動噪聲及景觀效果等因素。葉片數(shù)

采用不同的葉片數(shù)，對風(fēng)電機(jī)組的氣動性能和結(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)輪的功率系數(shù)。25第25頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四多葉片風(fēng)車的最佳葉尖速比較低，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速可以很慢，因此也稱為慢速風(fēng)輪。當(dāng)然多葉片風(fēng)輪由于功率系數(shù)很低，因而很少用于現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組?，F(xiàn)代水平軸風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪的功率系數(shù)比垂直軸風(fēng)輪高，其中三葉片風(fēng)輪的功率系數(shù)最高，其最大功率系數(shù)約為0.47，對應(yīng)葉尖速比約為7；雙葉片和單葉片風(fēng)輪的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率略低，其最大功率系數(shù)對應(yīng)的葉尖速比也高于三葉片風(fēng)輪，即在相同風(fēng)速條件下，葉片數(shù)越少，風(fēng)輪最佳轉(zhuǎn)速越高，因此有時(shí)也將單葉片和雙葉片風(fēng)輪稱為高速風(fēng)輪。26第26頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風(fēng)輪的作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成推動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。衡量風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩性能重要參數(shù)：

轉(zhuǎn)矩系數(shù)：功率系數(shù)除以葉尖速比。轉(zhuǎn)矩系數(shù)決定了傳動系統(tǒng)中主軸及齒輪箱的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組希望轉(zhuǎn)矩系數(shù)小，以降低傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)費(fèi)用。葉片數(shù)越多，最大轉(zhuǎn)矩系數(shù)值也越大，對應(yīng)的葉尖速比也越小，表明起動轉(zhuǎn)矩越大。27第27頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四三葉片風(fēng)輪的性能比較好，目前，水平軸風(fēng)電機(jī)組一般采用兩葉片或三葉片風(fēng)輪，其中以三葉片風(fēng)輪為主。我國安裝投運(yùn)的大型并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組幾乎全部采用三葉片風(fēng)輪。葉片數(shù)量減少，將使風(fēng)輪制造成本降低，但也會帶來很多不利的因素，在選擇風(fēng)輪葉片數(shù)時(shí)要綜合考慮。兩葉片風(fēng)輪上的脈動載荷大于三葉片風(fēng)輪。另外，由于兩葉片風(fēng)輪轉(zhuǎn)速高，在旋轉(zhuǎn)時(shí)將產(chǎn)生較大的空氣動力噪聲，對環(huán)境產(chǎn)生不利影響，而且風(fēng)輪轉(zhuǎn)速快視覺效果也不好。風(fēng)輪實(shí)度：風(fēng)輪葉片總面積與風(fēng)輪掃掠面積的比值，常用于反映風(fēng)輪的風(fēng)能轉(zhuǎn)換性能。風(fēng)輪的葉片數(shù)多，風(fēng)輪的實(shí)度大，功率系數(shù)比較大，但功率曲線較窄，對葉尖速比的變化敏感。葉片數(shù)減小，風(fēng)輪實(shí)度下降，其最大功率系數(shù)相應(yīng)降低，但功率曲線也越平坦，對葉尖速比變化越不敏感。

28第28頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

葉尖速比為風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比，是描述風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪特性的一個重要的無量綱量。

風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、葉尖速比

對于特定的風(fēng)輪形式，其功率系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線確定，形狀如同一個山包。在某一葉尖速比值處，功率系數(shù)達(dá)到最大值，此時(shí)，風(fēng)輪吸收的風(fēng)能最多，對應(yīng)的葉尖速比值稱為最佳葉尖速比。風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪的一個主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡可能多地吸收風(fēng)能，因此在低于額定風(fēng)速的區(qū)域，希望使風(fēng)輪盡可能工作在最大功率系數(shù)附近，即風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的比值盡可能保持在最佳葉尖速比附近。由于風(fēng)速是連續(xù)不斷變化的，因此需要對風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使之與風(fēng)速變化匹配。29第29頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四以表所列的1.5MW風(fēng)電機(jī)組為例，三葉片風(fēng)輪，直徑77m，額定風(fēng)速12m/s為例。粗略估算風(fēng)輪的額定轉(zhuǎn)速。設(shè)三葉片風(fēng)輪對應(yīng)的最佳葉片速比約為7，風(fēng)輪的額定轉(zhuǎn)速約為實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速范圍的確定，還要考慮其他多種因素，如所列機(jī)組的實(shí)際轉(zhuǎn)速范圍約在11～20r/min之間。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速除了影響風(fēng)能吸收特性以外，還對風(fēng)輪的機(jī)械轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組的額定功率和風(fēng)輪直徑確定后，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增加，則風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩減小，因而作用在傳動系統(tǒng)上的載荷也相應(yīng)減小，并使齒輪箱的增速比降低。30第30頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風(fēng)輪錐角:葉片與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸相垂直的平面的夾角。

風(fēng)輪仰角：風(fēng)輪主軸與水平面的夾角。由于葉片為細(xì)長柔性體結(jié)構(gòu)，在其旋轉(zhuǎn)過程中，受風(fēng)載荷和離心載荷的作用，葉片將發(fā)生彎曲變形，風(fēng)輪錐角和仰角的主要作用是防止葉片在發(fā)生彎曲變形狀態(tài)下，其葉尖部分與塔架發(fā)生碰撞。

風(fēng)輪錐角和風(fēng)輪仰角

31第31頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

偏航角：通過風(fēng)輪主軸的鉛垂面與風(fēng)速在水平面上的分量的夾角。風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，根據(jù)測量的風(fēng)速方向，通過偏航系統(tǒng)對風(fēng)輪的方向進(jìn)行調(diào)整，使其始終保持正面迎向來風(fēng)方向，以獲得最大風(fēng)能吸收率。偏航角

32第32頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四主要指其吸收和轉(zhuǎn)化風(fēng)能的性能，即風(fēng)輪的氣動性能。

功率特性是反映風(fēng)電機(jī)組基本性能的重要指標(biāo)，用風(fēng)電機(jī)組輸出功率隨風(fēng)速的變化曲線來表示。功率曲線直接影響風(fēng)電機(jī)組的年發(fā)電量。

風(fēng)電機(jī)組的基本性能不同風(fēng)速對應(yīng)的理論風(fēng)功率曲線、根據(jù)貝茨理論計(jì)算的理想風(fēng)輪吸收風(fēng)功率曲線以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際功率曲線。其中理論風(fēng)功率與風(fēng)速的三次方成正比，而根據(jù)貝茨定理，理想風(fēng)輪只能吸收部分風(fēng)功率（極限狀態(tài)下，只能吸收理論風(fēng)功率的0.59倍），實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪不滿足理想風(fēng)輪條件，并且存在各種損失，其風(fēng)能吸收數(shù)量低于貝茨極限。風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展過程，一直追求使機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)接近貝茨極限。33第33頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風(fēng)場條件（風(fēng)況條件、地理和氣候環(huán)境特點(diǎn)等）是風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)和選型的主要影響因素。在世界范圍內(nèi)，可用于風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)場條件千差萬別。國際電工委員會在其頒布的風(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)組分成若干個級別，這樣就減少了風(fēng)電機(jī)組的類型，從而可以降低風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)成本，增加風(fēng)電機(jī)組的競爭力。將風(fēng)電機(jī)組分成四個級別，即三個標(biāo)準(zhǔn)級別(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)和一個特殊級別(S)。

二、風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)級別

34第34頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四所列數(shù)值是風(fēng)輪輪轂高度處的值。風(fēng)電機(jī)組分級標(biāo)準(zhǔn)只依據(jù)風(fēng)場的平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度兩個主要參數(shù)。1)為10min參考平均風(fēng)速，實(shí)際風(fēng)場的10min平均風(fēng)速值計(jì)算：即，三個標(biāo)準(zhǔn)級別機(jī)組所適用的風(fēng)場的平均風(fēng)速分別為：I級機(jī)組：10m/s平均風(fēng)速；Ⅱ級機(jī)組：8.5m/s平均風(fēng)速；Ⅲ級機(jī)組：7.5m/s平均風(fēng)速。2)為風(fēng)速在15m/s時(shí)的湍流強(qiáng)度期望值，表中對每個標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組級別都分為A、B、C三種不同的風(fēng)湍流狀態(tài)，其湍流強(qiáng)度期望值分別為0.16、0.14和0.12。即標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組共有9個類型。3)為了解決一些特殊風(fēng)場條件的機(jī)組設(shè)計(jì)和選用問題，標(biāo)準(zhǔn)中在三個標(biāo)準(zhǔn)級別以外，還列出一個特殊級別S，具體設(shè)計(jì)參數(shù)由設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際風(fēng)況條件制定。35第35頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四§3-3

水平軸風(fēng)力機(jī)構(gòu)造水平軸風(fēng)力機(jī)主要由以下幾部分組成：葉片、機(jī)艙、輪轂、調(diào)速器、調(diào)向裝置、傳動機(jī)構(gòu)、機(jī)械剎車裝置和塔架等。36第36頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風(fēng)電機(jī)組主要由風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架和基礎(chǔ)等部分組成。風(fēng)輪和機(jī)艙置于塔架頂端，機(jī)艙內(nèi)包括風(fēng)輪主軸、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)等部件。機(jī)艙內(nèi)的所有部件安裝在主機(jī)架上，主機(jī)架通過軸承與塔架頂端相連接，可以在偏航系統(tǒng)的驅(qū)動下，相對于塔架軸線旋轉(zhuǎn)，使風(fēng)輪和機(jī)艙隨著風(fēng)向的變化調(diào)整方向。塔架固定在基礎(chǔ)上，將作用于風(fēng)輪上的各種載荷傳遞到基礎(chǔ)上。風(fēng)輪是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的部件，其上安裝若千個葉片，葉片根部與輪轂相連。風(fēng)以一定速度和攻角作用于葉片上，使葉片產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動風(fēng)輪主軸旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。風(fēng)輪主軸經(jīng)傳動系統(tǒng)帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。機(jī)組通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在各種條件下的運(yùn)行控制。37第37頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四風(fēng)輪變槳機(jī)構(gòu)輪轂葉片偏航系統(tǒng)軸的連接與制動增速齒輪箱風(fēng)輪主軸傳動系統(tǒng)塔架與基礎(chǔ)38第38頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四葉片

風(fēng)力機(jī)葉片安裝在輪轂上，輪轂與主軸相連，并將葉片力矩傳遞到發(fā)電機(jī)。風(fēng)輪39第39頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風(fēng)輪葉片主要實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的吸收，其形狀決定了空氣動力學(xué)特性，設(shè)計(jì)目標(biāo)是最大可能吸收風(fēng)能，同時(shí)使重量盡可能減輕，降低制造成本。葉片應(yīng)滿足以下要求：良好的空氣動力外形，能夠充分利用風(fēng)電場的風(fēng)資源條件，獲得盡可能多的風(fēng)能?？煽康慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度，具備足夠的承受極限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。良好的結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性和氣動穩(wěn)定性，避免發(fā)生共振和顫振現(xiàn)象，振動和噪聲小。耐腐蝕、防雷擊性能好，方便維護(hù)。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。40第40頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四葉片長度很長，旋轉(zhuǎn)過程中，不同部位的圓周速度相差很大，導(dǎo)致來風(fēng)的攻角相差很大，因此風(fēng)電機(jī)組葉片沿展向各段處的幾何尺寸及剖面翼型都發(fā)生變化。1．葉片幾何形狀及翼型

41第41頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

葉片特征：沿展向方向上，翼型不斷變化，各剖面的弦長不斷變化，各剖面的前緣和后緣形狀也不同。葉片扭角也沿展向不斷變化，葉尖部位的扭角比根部小。這里的葉片扭角指在葉片尖部槳距角為零的情況下，各剖面的翼弦與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角。葉片的剖面翼型應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的外部條件并結(jié)合載荷分析進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率與空氣流過葉片翼型產(chǎn)生的升力有關(guān)，因此葉片的翼型性能直接影響風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。應(yīng)用較多的有NACA翼型、SERI翼型、NREL翼型和FFA-W翼型等。42第42頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

小型風(fēng)力機(jī)葉片常用整塊木材加工而成，表面涂層保護(hù)漆，根部通過金屬接頭用螺栓與輪轂相連。有的采用玻璃纖維或其他復(fù)合材料作為蒙皮，使葉片具有更佳的耐磨性能。大、中型風(fēng)力機(jī)采用木質(zhì)葉片時(shí)，不用整塊木料進(jìn)行制作，而是采用很多縱向木條膠接在一起，以保證選用優(yōu)質(zhì)木材，提高葉片質(zhì)量。為減輕重量，在木質(zhì)葉片的后緣部分填塞質(zhì)地較輕的泡沫塑料，表面用玻璃纖維作蒙皮。采用泡沫塑料的優(yōu)點(diǎn)不僅可以減輕質(zhì)量，而且能使翼型重心前移，重心設(shè)計(jì)在近前緣1/4弦長處為最佳，可以減輕葉片的質(zhì)量。

2．葉片的材料

43第43頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四為減輕葉片的質(zhì)量，有的葉片用一根金屬管作為受力梁，以蜂窩結(jié)構(gòu)、泡沫塑料或輕木材作中間填充物，外面再包上玻璃纖維防腐防磨。大型風(fēng)力機(jī)的葉片較長，如3MW風(fēng)力機(jī)葉片達(dá)到50m左右，承受的風(fēng)載荷較大，因此葉片設(shè)計(jì)要保證一定的強(qiáng)度和剛度要求。目前，大、中型風(fēng)力機(jī)的葉片都采用玻璃纖維或高強(qiáng)度復(fù)合材料進(jìn)行制作。葉片蒙皮的鋪層形式主要取決于葉片所受的外載荷，根據(jù)外載荷的大小和方向，確定葉片鋪層數(shù)量，以及鋪層增強(qiáng)纖維的方向。由于葉片所受彎矩、轉(zhuǎn)矩和離心力都是從葉尖向葉根逐漸遞增，因此鋪層結(jié)構(gòu)的厚度一般從葉尖向葉根逐漸遞增。

44第44頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

由于風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)動慣量很大，所以當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時(shí)，變槳調(diào)節(jié)的風(fēng)電機(jī)組通過對槳距角的調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)氣動制動。對于失速控制的風(fēng)電機(jī)組，由于葉片與輪轂固定連接，通常采用可旋轉(zhuǎn)的葉尖實(shí)現(xiàn)氣動制動。圖為一種具有旋轉(zhuǎn)葉尖的制動結(jié)構(gòu)。在風(fēng)輪運(yùn)行時(shí)，葉尖部分和其他部分方向一致，形成一個整體。當(dāng)需要制動時(shí)，葉尖部分繞葉片軸向旋轉(zhuǎn)90°，實(shí)現(xiàn)制動功能。

3．氣動制動系統(tǒng)

45第45頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

葉片所受的各項(xiàng)載荷，無論是拉力還是彎矩、轉(zhuǎn)矩、剪力都在根端達(dá)到最大值，如何把整個葉片上所承受的載荷傳遞到輪轂上去，關(guān)鍵在于葉片的根端連接設(shè)計(jì)。玻璃鋼強(qiáng)度性能的一個弱點(diǎn)是層間剪切強(qiáng)度較低，強(qiáng)度矛盾集中在根端，根端設(shè)計(jì)成為葉片設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵問題。葉片根端必須具有足夠的剪切強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度，與金屬的膠接強(qiáng)度也要足夠高，這些強(qiáng)度均低于其拉彎強(qiáng)度，因此葉片的根端是危險(xiǎn)的部位，設(shè)計(jì)應(yīng)予以重視。如果不注意根端連接設(shè)計(jì)，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致整個葉片飛出，使整臺風(fēng)電機(jī)組毀壞。

4．葉根連接46第46頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

法蘭連接這種形式的葉根像一個法蘭翻邊。在此法蘭上，除了有玻璃鋼外，還與金屬盤對拼，在金屬盤上的附件與輪轂相連。

預(yù)埋金屬根端連接在根端設(shè)計(jì)中，預(yù)埋上一個金屬根端，此結(jié)構(gòu)一端可通過螺栓與輪轂連接，另一端牢固預(yù)埋在玻璃鋼葉片內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)形式避免了對葉片根部結(jié)構(gòu)層的加工損傷，提高了根部連接的可靠性，也減小了法蘭盤的重量。缺點(diǎn)就是每個螺紋件的定位必須準(zhǔn)確。47第47頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四常見的葉片故障類型包括表面腐蝕、雷擊、覆冰、裂紋以及極端風(fēng)造成的葉片斷裂等。

5．葉片失效與防護(hù)措施48第48頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

德國某公司對在德國安裝的20000臺風(fēng)電機(jī)組的葉片故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其中氣動部件故障率約為40%，導(dǎo)致風(fēng)輪不平衡問題（氣動不平衡、質(zhì)量不平衡、不平衡超限）的故障也約占40%，風(fēng)輪其他故障略低于20%。49第49頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

葉片故障主要對葉片的氣動性能、主軸不平衡以及振動和噪聲狀態(tài)產(chǎn)生影響。圖為表面干凈葉片和表面臟污葉片的功率特性，臟污葉片導(dǎo)致葉片氣動性能明顯下降，輸出功率減少。葉片各類故障造成風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)質(zhì)量不平衡，對葉片、變槳驅(qū)動電機(jī)、主軸，齒輪箱（裂縫、損壞）、發(fā)電機(jī)（阻尼線圈的磨損）、電子器件（沒有緊緊固定的控制柜的振動）、偏航驅(qū)動、偏航制動以及塔筒和地基的裂縫都將產(chǎn)生影響。

50第50頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

熱膨脹性：葉片結(jié)構(gòu)中使用了不同的材料，所以必須考慮各種材料熱膨脹系數(shù)的不同，以免因溫度變化而產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而破壞葉片。

密封性：空心葉片應(yīng)有很好的密封性，一旦密封失效，其內(nèi)必然形成冷凝水集聚，造成危害?？稍谌~尖、葉根各預(yù)開一個小孔，以使葉片內(nèi)部空間進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐L(fēng)，并排除積水。需要注意的是小孔尺寸要適當(dāng)，過大的孔徑將氣流從內(nèi)向外流動，產(chǎn)生功率損失，還將伴隨產(chǎn)生噪聲。

51第51頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

雷擊保護(hù)：為了防止被雷電擊毀、支撐發(fā)電機(jī)的塔架必須用良好的導(dǎo)線接地。復(fù)合材料制成的葉片，需要特殊的防雷裝置。風(fēng)力機(jī)葉片的防雷設(shè)計(jì)一般有4種。大型復(fù)合材料葉片上預(yù)防措施最好是在葉尖處沿整個翼型外圍做一個金屬的尖帽，從葉尖向內(nèi)延伸8～l0cm。通過安裝在葉片內(nèi)部的金屬導(dǎo)線連接到葉根部的柔性金屬板上，并經(jīng)過塔架內(nèi)的接地系統(tǒng)，將雷擊電流接地。52第52頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四葉片除冰系統(tǒng)針對一些地區(qū)容易造成葉片覆冰的環(huán)境條件，提出了多種解決覆冰問題的方案。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。圖為兩種葉片除冰系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)示意圖。除冰系統(tǒng)53第53頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

輪轂是連接葉片與風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸的部件，用于傳遞風(fēng)輪力和力矩到后面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)的機(jī)構(gòu)。

分類：固定式輪轂、葉片之間相對固定鉸鏈?zhǔn)捷嗇灪透魅~片自由的鉸鏈?zhǔn)捷嗇灐?/p>

輪轂

1．固定式輪轂

特點(diǎn)：主軸與葉片長度方向夾角固定不變；制作成本低，維護(hù)少，不存在鉸接葉片的磨損問題；但葉片上全部力和力矩都經(jīng)輪轂傳遞到后續(xù)部件。目前大型三葉片風(fēng)輪常用結(jié)構(gòu)，輪轂形狀比較復(fù)雜，通常采用球磨鑄鐵制成，澆注方法容易成形與加工，球磨鑄鐵抗疲勞性能高。

54第54頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

鉸鏈?zhǔn)箖扇~片之間固定連接，軸向相對位置不變，但可繞鉸鏈軸沿風(fēng)輪拍向在設(shè)計(jì)位置做正負(fù)5°～10°的擺動，類似蹺蹺板。當(dāng)來流速度在葉輪掃風(fēng)面內(nèi)上下有差別或陣風(fēng)出現(xiàn)時(shí)，葉片的載荷使得葉片離開設(shè)計(jì)位置，若位于上部的葉片向前，則下方的葉片向后。由于兩葉片在旋轉(zhuǎn)過程中的驅(qū)動力矩變化很大，因此葉輪會產(chǎn)生很高的噪聲。葉片被懸掛的角度與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越低，角度越大。具有這種鉸鏈輪轂式的風(fēng)輪具有阻尼器的作用。當(dāng)來流速度變化時(shí)，葉片偏離原懸掛角度，其安裝角也發(fā)生變化，一片葉片因安裝角的變化升力下降，而另一片升力提高，因而產(chǎn)生反抗風(fēng)向變化的阻尼作用。

2．葉片之間相對固定鉸鏈?zhǔn)捷嗇灒ㄔ缙趹?yīng)用）

55第55頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四3.各葉片自由的鉸鏈?zhǔn)捷嗇?/p>

輪轂的每個葉片之間互不依賴，在外力作用下，可單獨(dú)做調(diào)整運(yùn)動。這種調(diào)整不但可做成僅具有拍向椎角的形式，還可以做成拍向、揮向角度均可以變化的方式。理論上講，采用這種鉸鏈結(jié)構(gòu)可保持恒速運(yùn)行。56第56頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

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輪轂轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)槳距角的調(diào)節(jié)。主要作用：在正常運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，通過改變?nèi)~片槳距角，改變?nèi)~片的升力與阻力比，實(shí)現(xiàn)功率控制。當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時(shí)，或者風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程出現(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。

變槳機(jī)構(gòu)

57第57頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

葉片的變槳距操作通過變槳距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。變槳距系統(tǒng)按照驅(qū)動方式可以分為液壓變槳距系統(tǒng)和電動變槳距系統(tǒng)，按照變槳距操作方式可以分為同步變槳距系統(tǒng)和獨(dú)立變槳距系統(tǒng)。同步變槳距系統(tǒng)中，風(fēng)輪各葉片的變槳距動作同步進(jìn)行，而獨(dú)立變槳距系統(tǒng)中，每個葉片具有獨(dú)立的變槳距機(jī)構(gòu)，變槳距動作獨(dú)立進(jìn)行。變槳距機(jī)組的變槳角度范圍為0-90°。正常工作時(shí)，葉片槳距角在0°附近，進(jìn)行功率控制時(shí)，槳距角調(diào)節(jié)范圍約為0-25°，調(diào)節(jié)速度一般為1°/s左右。制動過程，槳距角從0°迅速調(diào)整到90°左右，稱為順槳位置，一般要求調(diào)節(jié)速度較高，可達(dá)15°/s左右。機(jī)組起動過程中，葉片槳距角從90°快速調(diào)節(jié)到0°，然后實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。58第58頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

葉片變槳距系統(tǒng)主要由葉片與輪轂間的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變槳驅(qū)動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、備用供電機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成。變槳距系統(tǒng)的硬件安裝在輪轂內(nèi)部，圖為變槳機(jī)構(gòu)的基本構(gòu)成。由電動機(jī)和減速器構(gòu)成驅(qū)動機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，葉片變槳旋轉(zhuǎn)動作通過內(nèi)嚙合齒輪副實(shí)現(xiàn)。59第59頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

機(jī)艙

機(jī)艙內(nèi)，布置有剎車制動器、傳動機(jī)構(gòu)（齒輪箱）、發(fā)電機(jī)、機(jī)座、調(diào)速器或限速器、調(diào)向裝置等重要設(shè)備。機(jī)艙通常采用重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕的玻璃鋼制作。60第60頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四61第61頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

機(jī)艙裝配時(shí)需要注意，從風(fēng)輪到負(fù)載各部件之間的聯(lián)軸器要精確對中。由于所有的力、力矩、振動通過風(fēng)輪傳動裝置作用在機(jī)艙結(jié)構(gòu)上，反過來機(jī)艙結(jié)構(gòu)的彈性變形又作為相應(yīng)的耦合增載施加在主軸、軸承、機(jī)殼上。為減少這些載荷，建議使用彈性聯(lián)軸器。所有的聯(lián)軸器既要承受風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行時(shí)所傳遞的力矩，也要承受機(jī)械剎車的剎車力矩。為了避免聯(lián)軸器被損壞和失效，應(yīng)在設(shè)計(jì)中對聯(lián)軸器的載荷和失效進(jìn)行認(rèn)真研究。62第62頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

傳動系統(tǒng)用來連接風(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。圖為一種目前風(fēng)電機(jī)組較多采用的帶齒輪箱風(fēng)電機(jī)組的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。包括風(fēng)輪主軸（低速軸）、增速齒輪箱、高速軸（齒輪箱輸出軸）及機(jī)械剎車制動裝置等部件。整個傳動系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)安裝在主機(jī)架上。作用在風(fēng)輪上的各種氣動載荷和重力載荷通過主機(jī)架及偏航系統(tǒng)傳遞給塔架。風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)

63第63頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四64第64頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風(fēng)輪主軸一端連接風(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。風(fēng)輪主軸

主軸支撐結(jié)構(gòu)形式

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獨(dú)立軸承支撐結(jié)構(gòu)。主軸由前后兩個獨(dú)立安裝在主機(jī)架上的軸承支撐，共同承受懸臂風(fēng)輪的重力載荷，軸向推力載荷由前軸承（靠近風(fēng)輪）承受，只有風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩通過主軸傳遞給齒輪箱。由于前軸承為主要承載部件，通常為減小懸臂風(fēng)輪重力產(chǎn)生的彎矩，前軸承支撐盡可能靠近輪轂，并通過增加前后軸承的間距調(diào)整軸承的載荷。因而此種主軸結(jié)構(gòu)相對較長，制作成本較高。但由于齒輪箱與主軸相對獨(dú)立，便于采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪箱和主軸支撐構(gòu)件。66第66頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

主軸前軸承獨(dú)立安裝在機(jī)架上，后軸承與齒輪箱內(nèi)軸承做成一體，前軸承和齒輪箱兩側(cè)的扭轉(zhuǎn)臂形成對主軸的三點(diǎn)支撐，故也稱為三點(diǎn)支撐式主軸。這種主軸支撐結(jié)構(gòu)形式在現(xiàn)代大型風(fēng)電機(jī)組中較多采用，其優(yōu)點(diǎn)是，主軸支撐的結(jié)構(gòu)趨于緊湊，可以增加主軸前后支撐軸承的距離，有利于降低后支撐的載荷，齒輪箱在傳遞轉(zhuǎn)矩的同時(shí)承受葉片作用的彎矩。67第67頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四主軸軸承與齒輪箱集成形式。主軸的前后支撐軸承與齒輪箱做成整體，其主要優(yōu)點(diǎn)是，風(fēng)輪通過輪轂法蘭直接與齒輪箱連接，可以減小風(fēng)輪的懸臂尺寸，從而降低了主軸載荷。此外主軸裝配容易、軸承潤滑合理。主要問題是，難于直接選用標(biāo)準(zhǔn)齒輪箱，維修齒輪箱必須同時(shí)拆除主軸。

68第68頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

從齒輪箱維修角度看，主軸單獨(dú)支撐，既便于與齒輪箱分離，又能減輕齒輪箱的承載，大大降低維修費(fèi)用，較為合理。制造主軸的材料一般選擇碳素合金鋼，毛坯通常采用鍛造工藝。由于合金鋼對應(yīng)力集中的敏感性較高，軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注意減小應(yīng)力集中，并對表面質(zhì)量提出要求。各種熱處理、化學(xué)處理及表面強(qiáng)化處理，可顯著提高主軸的機(jī)械性能。69第69頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四主要功能是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，用以降低設(shè)備在傳動過程中的機(jī)械載荷摩擦系數(shù)。主軸的前軸承需要承受風(fēng)輪產(chǎn)生的彎矩和推力，通常采用雙列滾動軸承作為徑向與軸向支撐。主軸軸承

70第70頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

相對于其他工業(yè)齒輪箱，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。傳動條件風(fēng)電齒輪箱屬于大傳動比、大功率的增速傳動裝置，且需要承受多變的風(fēng)載荷作用及其他沖擊載荷；由于維護(hù)不便，對其運(yùn)行可靠性和使用壽命的要求較高，通常要求設(shè)計(jì)壽命不少于20年；設(shè)計(jì)過程往往難以確定準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)載荷，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與載荷譜的匹配問題也是導(dǎo)致其故障的重要誘因。運(yùn)行條件與環(huán)境風(fēng)電齒輪箱常年運(yùn)行于酷暑、嚴(yán)寒等極端自然環(huán)境條件，且安裝在高空，維修困難。因此，除常規(guī)狀態(tài)機(jī)械性能外，對構(gòu)件材料還要求低溫狀態(tài)下抗冷脆性等特性。由于風(fēng)電機(jī)組長期處于自動控制的運(yùn)行狀態(tài)，需考慮對齒輪傳動裝置的充分潤滑條件及其監(jiān)測，并具備適宜的加熱與冷卻措施，以保證潤滑系統(tǒng)的正常工作。特點(diǎn)

增速齒輪箱

71第71頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)與安裝條件齒輪箱的體積和重量對風(fēng)電機(jī)組其他部件的載荷、成本具有影響，減小其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和減輕重量顯得尤為重要。但結(jié)構(gòu)尺寸與可靠性方面的矛盾，往往使風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)陷入兩難境地。

其他一般需要在齒輪箱的輸入端（或輸出端）設(shè)置機(jī)械制動裝置，配合風(fēng)輪的氣動制動實(shí)現(xiàn)對機(jī)組的制動功能。但制動產(chǎn)生的載荷對傳動系統(tǒng)會產(chǎn)生不良影響，應(yīng)考慮防止沖擊和振動措施，設(shè)置合理的傳動軸系和齒輪箱體支撐。其中，齒輪箱與主機(jī)架間一般不采用剛性連接，以降低齒輪箱產(chǎn)生的振動和噪聲。72第72頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風(fēng)電齒輪箱的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)很明確，即在滿足傳動效率、可靠性和工作壽命要求的前提下，以最小體積和重量為目標(biāo)，獲得優(yōu)化的傳動方案。齒輪箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，應(yīng)以傳遞功率和空間限制為前提，盡量選擇簡單、可靠、維修方便的結(jié)構(gòu)方案。

73第73頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四齒輪傳動具有傳動比恒定、結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞功率大、傳動效率高、零部件使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是制造和安裝的成本高、吸振性差等。

齒輪傳動概述

通過主動齒輪與從動齒輪的嚙合，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動和轉(zhuǎn)矩的傳遞。主動齒輪與從動齒輪的轉(zhuǎn)速比稱為齒輪的傳動比，取決于從動齒輪與主動齒輪的節(jié)圓半徑之比，或從動齒輪與主動齒輪的齒數(shù)比，即n、r、z分別表示轉(zhuǎn)速、齒輪節(jié)圓半徑和齒數(shù)，下標(biāo)1、2分別表示主、從動齒輪。

74第74頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

齒輪傳動輸出軸轉(zhuǎn)矩與輸入軸轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為

對于增速齒輪，n2>n1，則有M2<M1。即齒輪箱實(shí)現(xiàn)增速的同時(shí)，也降低了輸出轉(zhuǎn)矩。對于風(fēng)電機(jī)組而言，傳動系統(tǒng)中帶增速齒輪箱，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩下降，增速比越大，轉(zhuǎn)矩降低越多，這樣發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑可以減小，此外將機(jī)械制動盤安裝在齒輪箱輸出軸上，制動力矩也比較小。75第75頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

由于受結(jié)構(gòu)和加工條件限制，單級齒輪傳動的傳動比不能太大，而每個齒輪的齒數(shù)也不能太少。因此，在需要大傳動比的場合，采用多級齒輪構(gòu)成的輪系實(shí)現(xiàn)傳動，輪系傳動分為定軸輪系傳動和周轉(zhuǎn)輪系傳動。定軸輪系中，所有齒輪的軸線位置不變，如果各軸線相互平行，則稱為平面定軸輪系，或平行軸輪系。圖為三級平行軸齒輪傳動實(shí)例。76第76頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

周轉(zhuǎn)輪系中，至少有一個齒輪的軸線可以繞其他齒輪軸線轉(zhuǎn)動。其中只有一個齒輪軸可以繞其他齒輪軸轉(zhuǎn)動的輪系稱為行星輪系。圖為一種行星輪系的基本結(jié)構(gòu)示意圖，其中軸線可動的齒輪稱為行星輪，位于中間的齒輪稱為太陽輪，行星輪與太陽輪及外部的內(nèi)齒圈嚙合，太陽輪和內(nèi)齒圈的軸線不變，其中內(nèi)齒圈固定不動，行星輪即繞自身軸線轉(zhuǎn)動，同時(shí)其軸線還繞太陽輪轉(zhuǎn)動。行星輪系具有結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比高等優(yōu)點(diǎn)，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和維護(hù)困難。77第77頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四圖為一種用于風(fēng)電機(jī)組齒輪箱第一級傳動的行星輪系結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中，往往同時(shí)應(yīng)用定軸輪系和行星輪系，構(gòu)成組合輪系。這樣可以在獲得較高傳動比的同時(shí)，使齒輪箱結(jié)構(gòu)比較緊湊。在風(fēng)電機(jī)組增速齒輪箱中，多數(shù)采用行星輪系和定軸輪系結(jié)合的組合輪系結(jié)構(gòu)。78第78頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)中的主要部件，需要承受來自風(fēng)輪的載荷，同時(shí)要承受齒輪傳動過程產(chǎn)生的各種載荷。需要根據(jù)機(jī)組總體布局設(shè)計(jì)要求，為風(fēng)輪主軸、齒輪傳動機(jī)構(gòu)和傳動系統(tǒng)中的其他構(gòu)件提供可靠的支撐與連接，同時(shí)將載荷平穩(wěn)傳遞到主機(jī)架。風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的構(gòu)成及形式結(jié)構(gòu)形式

由于要求的增速比往往很大，風(fēng)電齒輪箱通常需要多級齒輪傳動。大型風(fēng)電機(jī)組的增速齒輪箱的典型設(shè)計(jì)，多采用行星齒輪與定軸齒輪組成混合輪系的傳動方案。79第79頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四圖為一種一級行星+兩級定軸齒輪傳動的齒輪箱結(jié)構(gòu)，低速軸為行星齒輪傳動，可使功率分流，同時(shí)合理應(yīng)用了內(nèi)嚙合。后兩級為平行軸圓柱齒輪傳動，可合理分配傳動比，提高傳動效率。

80第80頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

有些齒輪箱采用多級行星輪系的傳動形式，如圖三級行星輪加一級平行軸齒輪的傳動結(jié)構(gòu)。多級行星輪結(jié)構(gòu)殼可以獲得更加緊湊的結(jié)構(gòu)，但也使齒輪箱的設(shè)計(jì)、制造與維護(hù)難度和成本大大增加。因此，齒輪箱的設(shè)計(jì)和選型過程，應(yīng)綜合考慮設(shè)計(jì)要求、齒輪箱總體結(jié)構(gòu)、制造能力，以及與機(jī)組總體成本平衡等因素間的關(guān)系，盡可能選擇相對合理的傳動形式。81第81頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

由子傳動構(gòu)件的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境和載荷情況復(fù)雜，要求所設(shè)計(jì)采用的材料除滿足常規(guī)機(jī)械性能條件外，還應(yīng)具有極端溫差條件下的材料特性，如抗低溫冷脆性、極端溫差影響下的尺寸穩(wěn)定性等。齒輪、軸類構(gòu)件材料一般采用低碳合金鋼，毛坯的制備多采用鍛造工藝獲得，以保證良好的材料組織纖維和力學(xué)特征。外嚙合齒輪推薦采用20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiM06、17Cr2Ni2MoA等材料；內(nèi)嚙合的齒圈和軸類零件推薦采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料。

齒輪材料

82第82頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四箱體要承受風(fēng)輪的作用力和齒輪傳動過程產(chǎn)生的各種載荷，必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證傳動的質(zhì)量。箱體的設(shè)計(jì)一般應(yīng)依據(jù)主傳動鏈的布局需要，并考慮加工、裝配和安裝條件，同時(shí)要便于檢修和維護(hù)。批量生產(chǎn)的箱體一般采用鑄造成型，常用材料有球墨鑄鐵或其他高強(qiáng)度鑄鐵。用鋁合金或其他輕合金制造的箱體，可使其重量較鑄鐵降低20%-30%。但當(dāng)輕合金鑄件材料的強(qiáng)度性能指標(biāo)較低時(shí)，需要增加鑄造箱體的結(jié)構(gòu)尺寸，可能使其降低重量的效果并不顯著。單件小批量生產(chǎn)時(shí)，常采用焊接箱體結(jié)構(gòu)。為保證箱體的質(zhì)量，鑄造或焊接結(jié)構(gòu)的箱體均需在加工過程安排必要的去應(yīng)力熱處理環(huán)節(jié)。齒輪箱的箱體結(jié)構(gòu)

83第83頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四齒輪箱在機(jī)架上的安裝一般需考慮彈性減振裝置，最簡單的彈性減振器是用高強(qiáng)度橡膠和鋼結(jié)構(gòu)制成的彈性支座塊。在箱體上應(yīng)設(shè)有觀察窗，以便于裝配和傳動情況的檢查。箱蓋上還應(yīng)設(shè)有透氣罩、油標(biāo)或油位指示器。采用強(qiáng)制潤滑和冷卻的齒輪箱，在箱體的合適部位需設(shè)置進(jìn)出油口和相關(guān)的液壓元件的安裝位置。84第84頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

齒輪傳動的效率一般比較高，與傳動比、齒輪類型及潤滑油粘度等因素有關(guān)。對于定軸傳動齒輪，每級約有2%的損失，而行星輪每級約有1%的損失。在很多情況下，造成齒輪箱傳動功率損失的主要原因，是齒側(cè)的摩擦和潤滑過程中以熱或噪聲形式的能量消耗，因此，有效的散熱可以提高風(fēng)電齒輪箱的傳動效率。采用緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)型齒輪箱需要考慮的主要問題，除了表面冷卻裝置外，一般還應(yīng)該配備相應(yīng)的潤滑冷卻系統(tǒng)。除此之外，齒輪箱的傳動效率還與額定功率以及實(shí)際傳遞功率有關(guān)。機(jī)組傳動載荷較小時(shí)，效率會有明顯的下降，其原因是此種條件下的潤滑、摩擦等空載損失的比重相對增大，會使傳動效率相應(yīng)地下降。

傳動效率與噪聲

85第85頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對齒輪箱的傳動噪聲也有相應(yīng)要求，而噪聲與齒輪箱傳動構(gòu)件的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量密切相關(guān)。齒輪箱設(shè)計(jì)通常應(yīng)提供傳動噪聲的聲壓級別，根據(jù)DIN(德國的標(biāo)準(zhǔn)化主管機(jī)關(guān))標(biāo)準(zhǔn)的測試條件，1m距離測得的聲壓值，通常希望控制在表所示的范圍內(nèi)。

86第86頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四齒輪在運(yùn)行過程中，齒面承受交變壓應(yīng)力、交變摩擦力以及沖擊載荷的作用，將會產(chǎn)各種類型的損傷，導(dǎo)致運(yùn)行故障甚至失效。齒輪失效的主要形式包括斷齒、齒面變形等。根據(jù)制造、安裝、操作、維護(hù)、潤滑、承載大小等方面的條件不同，故障發(fā)生的時(shí)間程度有很大差異。

齒輪箱及軸承故障

87第87頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四齒輪嚙合過程中，齒面和齒根部均受周期交變作用，在材料內(nèi)部形成交變應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過材料疲勞極限時(shí)，將在表面產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞損傷。這類損傷通常由小到大，由某個（幾個）輪齒局部到整個齒面逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致齒輪失效，失效過程通常會持續(xù)一定的時(shí)間。疲勞失效主要表現(xiàn)為齒根斷裂和齒面點(diǎn)蝕。

疲勞斷齒：齒根主要承受交變彎曲應(yīng)力，產(chǎn)生彎曲疲勞裂紋并不斷擴(kuò)展，最終使齒根剩余部分無法承受外載荷，造成斷齒。點(diǎn)蝕：齒面在接觸點(diǎn)既有相對滾動，又有相對滑動。滾動過程由于表面產(chǎn)生交變接觸壓應(yīng)力，和交變脈動剪應(yīng)力，使齒面產(chǎn)生疲勞裂紋，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，將造成局部齒面金屬剝落，形成小坑，稱為“點(diǎn)蝕”故障。隨著齒輪工作時(shí)間加長，點(diǎn)蝕故障逐漸擴(kuò)大，各點(diǎn)蝕部位連成一片，將導(dǎo)致齒面整片金屬剝落，齒厚減薄，造成輪齒從中間部位斷裂。交變載荷引起的疲勞損傷

88第88頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

如果設(shè)計(jì)載荷過大，或齒輪在工作承受嚴(yán)重的瞬時(shí)沖擊、偏載，使接觸部位局部應(yīng)力超過材料的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力，導(dǎo)致輪齒產(chǎn)生突然損傷，輕則造成局部裂紋、塑性變形或膠合現(xiàn)象，重則造成輪齒斷裂。對于風(fēng)電機(jī)組，由于瞬時(shí)陣風(fēng)、變槳操作、制動、機(jī)組起停以及電網(wǎng)故障等作用，經(jīng)常會發(fā)生傳動系統(tǒng)載荷突然增加，超過設(shè)計(jì)載荷的現(xiàn)象。過載斷齒主要表現(xiàn)形式為脆性斷裂，通常斷面粗糙，有金屬光澤。過載引起的損傷

89第89頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四主要有齒面磨損和膠合，其他故障包括電蝕、腐蝕等。

齒面磨損：由于潤滑不足或潤滑油不清潔，將造成齒面嚴(yán)重的磨粒磨損，使齒廓逐漸減薄，間隙加大，最終可能導(dǎo)致斷齒。

膠合：對于重載和高速齒輪，齒面溫度較高，如果潤滑條件不好，兩個嚙合齒可能發(fā)生熔焊現(xiàn)象，在齒面形成劃痕，稱為膠合。維護(hù)不當(dāng)引起的故障

90第90頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四滾動軸承在正常工作條件下，由于受交變載荷作用，工作一定條件后，不可避免會產(chǎn)生疲勞損壞，導(dǎo)致軸承失效，達(dá)到所謂的軸承“壽命”。軸承壽命是發(fā)生點(diǎn)蝕破壞前軸承累計(jì)運(yùn)行的小時(shí)數(shù)。軸承疲勞損壞的主要形式是在軸承內(nèi)、外圈或滾動體上發(fā)生“點(diǎn)蝕”，點(diǎn)蝕發(fā)生機(jī)理與齒輪點(diǎn)蝕故障機(jī)理相同，即由于長期受交變應(yīng)力作用，在材料表面層產(chǎn)生微裂紋，隨著軸承運(yùn)行時(shí)間加長，裂紋逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致局部金屬剝落，形成點(diǎn)蝕，如果不及時(shí)更換軸承，點(diǎn)蝕部位將逐漸擴(kuò)展，造成軸承失效。超載造成軸承局部塑性變形、壓痕；潤滑不足造成軸承燒傷、膠合；潤滑油不清潔造成軸承磨損；裝配不當(dāng)造成軸承卡死、內(nèi)圈脹破、結(jié)構(gòu)破碎等。軸承損傷使軸承工作狀態(tài)變壞，摩擦阻力增大、轉(zhuǎn)動靈活性喪失、旋轉(zhuǎn)精度降低、軸承溫度升高、振動噪聲加劇。軸承故障

91第91頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的失效形式與設(shè)計(jì)和運(yùn)行工況有關(guān)，但良好的潤滑是保證齒輪箱可靠運(yùn)行的必備條件。需要配備可靠的潤滑油和潤滑系統(tǒng)?？煽康臐櫥到y(tǒng)是齒輪箱的重要配置，風(fēng)電機(jī)組齒輪箱通常采用強(qiáng)制潤滑系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)傳動構(gòu)件的良好潤滑。同時(shí)，為確保極端環(huán)境溫度條件的潤滑油性能，一般需要考慮設(shè)置相應(yīng)的加熱和冷卻裝置。齒輪箱還應(yīng)設(shè)置對潤滑油、高速端軸承等溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的傳感器、空氣過濾器，以及雷電保護(hù)裝置等附件。

齒輪箱的潤滑與冷卻92第92頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四潤滑油的品質(zhì)是潤滑決定性因素之一，對潤滑油的基本要求是考慮其對齒輪和軸承的保護(hù)作用。選用的潤滑油應(yīng)關(guān)注的性能包括減少摩擦、較高的承載與防止膠合能力、降低振動沖擊、防止疲勞點(diǎn)蝕和冷卻防腐蝕等。由于風(fēng)電機(jī)組齒輪箱屬于閉式硬齒面齒輪傳動，齒面會產(chǎn)生高溫和較大接觸應(yīng)力，在滑動與滾動摩擦的綜合作用下，若潤滑不良，很容易產(chǎn)生齒面膠合與點(diǎn)蝕失效。因此，硬齒面齒輪傳動潤滑油的選擇，應(yīng)重點(diǎn)保證足夠的油膜厚度和邊界膜強(qiáng)度。還應(yīng)注意，常用潤滑油使用一段時(shí)間后的性能將會降低，而高品質(zhì)潤滑油在其整個預(yù)期壽命內(nèi)都應(yīng)保持良好的抗磨損與抗膠合性能。

93第93頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

黏度是潤滑油的另一個最重要的指標(biāo)，為提高齒輪的承載能力和抗沖擊能力，根據(jù)環(huán)境和操作條件，往往需要適當(dāng)?shù)剡x擇一些添加劑構(gòu)成合成潤滑油。但添加劑有一些副作用，應(yīng)注意所選擇的合成潤滑油的性能，保證在極低溫度狀況下具有較好的流動性，而在高溫時(shí)的化學(xué)穩(wěn)定性好并可抑制黏度降低。為解決低溫下起動時(shí)普通礦物油解凍問題，高寒地區(qū)安裝的機(jī)組需要設(shè)置油加熱裝置，一般安裝在油箱底部。在冬季低溫狀況下，可將油液加熱至一定溫度再起動機(jī)組，避免因油流動性降低造成的潤滑失效。94第94頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

為實(shí)現(xiàn)機(jī)組傳動鏈部件間的轉(zhuǎn)矩傳遞，傳動鏈的軸系需要設(shè)置必要的連接構(gòu)件（如聯(lián)軸器等）。聯(lián)軸器是用來聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件。圖為某風(fēng)電機(jī)組高速軸與發(fā)電機(jī)軸間的聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)示意。齒輪箱高速軸與發(fā)電機(jī)軸的連接構(gòu)件一般采用柔性聯(lián)軸器，以彌補(bǔ)機(jī)組運(yùn)行過程軸系的安裝誤差，解決主傳動鏈的軸系不對中問題。同時(shí)，柔性聯(lián)軸器還可以增加傳動鏈的系統(tǒng)阻尼，減少振動的傳遞。

軸的連接與制動

高速軸聯(lián)軸器

95第95頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四齒輪箱與發(fā)電機(jī)之間的聯(lián)軸器設(shè)計(jì)，需要同時(shí)考慮對機(jī)組的安全保護(hù)功能。由于機(jī)組運(yùn)行過程可能產(chǎn)生異常情況下的傳動鏈過載，如發(fā)電機(jī)短路導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩甚至可以達(dá)到額定值的6倍，為了降低設(shè)計(jì)成本，不可能將該轉(zhuǎn)矩值作為傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。采用在高速軸上安裝防止過載的柔性安全聯(lián)軸器，不僅可以保護(hù)重要部件的安全，也可以降低齒輪箱的設(shè)計(jì)與制造成本。聯(lián)軸器設(shè)計(jì)還需要考慮完備的絕緣措施，以防止發(fā)電系統(tǒng)寄生電流對齒輪箱產(chǎn)生不良影響。96第96頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)遇有破壞性大風(fēng)、風(fēng)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)異?；蛘咝枰獙C(jī)組進(jìn)行保養(yǎng)維修時(shí)，需用制動機(jī)構(gòu)使風(fēng)輪靜止下來。大型風(fēng)電機(jī)組的制動機(jī)構(gòu)均由氣動制動和機(jī)械制動兩個部分組成，在實(shí)際制動操作過程中，首先執(zhí)行氣動制動，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降到一定程度后，再執(zhí)行機(jī)械制動。只有在緊急制動情況下，同時(shí)執(zhí)行氣動和機(jī)械制動。定槳距機(jī)組通過葉尖制動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)氣動制動，變槳距機(jī)組則通過將葉片槳距角調(diào)整到順槳位置，就可以實(shí)現(xiàn)氣動制動。機(jī)械制動機(jī)構(gòu)一般采用盤式結(jié)構(gòu)，制動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，機(jī)械制動時(shí)，液壓制動器抱緊制動盤，通過摩擦力實(shí)現(xiàn)制動。機(jī)械制動系統(tǒng)需要一套液壓系統(tǒng)提供動力。對于采用液壓變槳系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組，為了使系統(tǒng)簡單、緊湊，可以使變槳距機(jī)構(gòu)和機(jī)械制動機(jī)構(gòu)共用一個液壓系統(tǒng)。機(jī)械制動機(jī)構(gòu)97第97頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

偏航系統(tǒng)主要用于調(diào)整風(fēng)輪的對風(fēng)方向。下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪能自然地對準(zhǔn)風(fēng)向，因此一般不需要進(jìn)行調(diào)向控制（對大型的下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)，為減輕結(jié)構(gòu)上的振動，往往也采用對風(fēng)控制系統(tǒng)）。上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)則必須采用偏航系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)向，以使風(fēng)力機(jī)正面迎風(fēng)。偏航系統(tǒng)

大型風(fēng)電機(jī)組主要采用電動機(jī)驅(qū)動的偏航系統(tǒng)。該系統(tǒng)的風(fēng)向感受信號來自裝在機(jī)艙上面的風(fēng)向標(biāo)。通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪方向的調(diào)整。98第98頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四偏航系統(tǒng)是水平軸風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分。根據(jù)風(fēng)向的變化，偏航操作裝置按系統(tǒng)控制單元發(fā)出指令，使風(fēng)輪處于迎風(fēng)狀態(tài)，同時(shí)還應(yīng)提供必要的鎖緊力矩，以保證機(jī)組的安全運(yùn)行和停機(jī)狀態(tài)的需要。偏航操作裝置主要由偏航軸承、傳動、驅(qū)動與制動等功能部件或機(jī)構(gòu)組成。偏航系統(tǒng)要求的運(yùn)行速度較低，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所允許的安裝空間、承受的載荷更大，因而需要有更多的技術(shù)解決方案可供選擇?；緲?gòu)成99第99頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

圖為一種采用滑動軸承支撐的主動偏航裝置結(jié)構(gòu)示意圖。偏航操作裝置安裝于塔架與主機(jī)架之間，采用滑動軸承實(shí)現(xiàn)主機(jī)架的定位與支撐；用四組偏航電動機(jī)主軸軸承與齒輪箱集成形式的風(fēng)電機(jī)組主機(jī)架與塔架固定連接的大齒圈，實(shí)現(xiàn)偏航的操作。在主機(jī)架上安裝主傳動鏈部件和偏航驅(qū)動裝置，通過偏航滑動軸承實(shí)現(xiàn)與大齒圈的連接和偏航傳動。當(dāng)需要隨風(fēng)向改變風(fēng)輪位置時(shí)，通過安裝在驅(qū)動部件上的小齒輪與大齒圈嚙合，帶動主機(jī)架和機(jī)艙旋轉(zhuǎn)使風(fēng)輪對準(zhǔn)風(fēng)向。

100第100頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四采用電力拖動的偏航驅(qū)動部件一般由電動機(jī)、大速比減速機(jī)和開式齒輪傳動副組成，通過法蘭連接安裝在主機(jī)架上。偏航驅(qū)動電動機(jī)一般選用轉(zhuǎn)速較高的電動機(jī)，以盡可能減小體積。但由于偏航驅(qū)動所要求的輸出轉(zhuǎn)速又很低，必須采用緊湊型的大速比減速機(jī)，以滿足偏航動作要求。偏航減速器可選擇立式或其他形式安裝，采用多級行星輪系傳動，以實(shí)現(xiàn)大速比、緊湊型傳動的要求。偏航減速器多采用硬齒面嚙合設(shè)計(jì)，減速器中主要傳動構(gòu)件，可采用低碳合金鋼材料，如17CrNiM06，42CrMoA等制造，齒面熱處理狀態(tài)一般為滲碳淬硬(硬度一般大于HRC58)。

偏航驅(qū)動部件101第101頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

根據(jù)傳動比要求，偏航減速器通常需要采用3-4級行星輪傳動方案，而大速比行星齒輪的功率分流和均載是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。同時(shí)，若考慮立式安裝條件，設(shè)計(jì)也需要特別關(guān)注輪系構(gòu)件的重力對均載問題影響。因此，行星齒輪傳動裝置的前三級行星輪的系桿構(gòu)件以及除一級傳動的太陽輪軸需要采用浮動連接設(shè)計(jì)方案。為解決各級行星傳動輪系構(gòu)件的干涉與裝配問題，各傳動級間的構(gòu)件連接多采用漸開線花鍵連接。

花鍵：軸和輪轂上有多個凸起和凹槽構(gòu)成的周向聯(lián)接件。漸開線花鍵：齒形是漸開線的花鍵。齒數(shù)多、齒端齒根部厚，承載能力強(qiáng)，易自動定心，安裝精度高。

102第102頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四偏航軸承是保證機(jī)艙相對塔架可靠運(yùn)動的關(guān)鍵構(gòu)件，采用滾動體支撐的偏航軸承雖然也是一種專用軸承，但已初步形成標(biāo)準(zhǔn)系列?？蓞⒖紮C(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10705-2007進(jìn)行設(shè)計(jì)或選型。圖為偏航軸承制造實(shí)例。偏航軸承103第103頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四滾動體支撐的偏航軸承與變槳軸承相似。相對普通軸承而言，偏航軸承的顯著結(jié)構(gòu)特征在于，具有可實(shí)現(xiàn)外嚙合或內(nèi)嚙合的齒輪輪齒。104第104頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風(fēng)電機(jī)組偏航運(yùn)動的速度很低，一般軸承的轉(zhuǎn)速n≤10r/min。但要求軸承部件有較高的承載能力和可靠性，可同時(shí)承受機(jī)組的幾乎所有運(yùn)動部件產(chǎn)生的軸向、徑向力和傾翻力矩等載荷?？紤]到機(jī)組的運(yùn)行特性，此類軸承需要承受載荷的變動幅度較大，因此對動載荷條件下滾動體的接觸和疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求較高。偏航軸承的齒輪為開式傳動，輪齒的損傷是導(dǎo)致偏航和變槳軸承失效的重要因素。由于設(shè)計(jì)載荷難以準(zhǔn)確掌握，傳動部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度往往決定了軸承的設(shè)計(jì)質(zhì)量，是設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。同時(shí)，由于此種開式齒輪傳動副，需要與之嚙合的小齒輪現(xiàn)場安裝形成。其嚙合間隙和潤滑條件均難以保證，給齒輪設(shè)計(jì)帶來一定困難。105第105頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四為保證機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，偏航系統(tǒng)一般需要設(shè)置制動器，多采用液壓鉗盤式制動器。制動器的環(huán)狀制動盤通常裝于塔架（或塔架與主機(jī)架的適配環(huán)節(jié)）。制動盤的材質(zhì)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和韌性，如采用焊接連接，材質(zhì)還應(yīng)具有比較好的可焊性。一般要求機(jī)組壽命期內(nèi)制動盤主體不出現(xiàn)疲勞等形式的失效損壞。偏航制動

106第106頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四制動鉗一般由制動鉗體和制動襯塊組成，鉗體通過高強(qiáng)度螺栓連接于主機(jī)架上，制動襯塊應(yīng)由專用的耐磨材料（如銅基或鐵基粉末冶金）制成。對偏航制動器的基本設(shè)計(jì)要求，是保證機(jī)組額定負(fù)載下的制動力矩穩(wěn)定，所提供的阻尼力矩平穩(wěn)（與設(shè)計(jì)值的偏差小于5%），且制動過程沒有異常噪聲。制動器在額定負(fù)載下閉合時(shí)，制動襯墊和制動盤的貼合面積應(yīng)不小于設(shè)計(jì)面積的50%；制動襯墊周邊與制動鉗體的配合間隙應(yīng)不大于0.5mm。制動器應(yīng)設(shè)有自動補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，以便在制動襯塊磨損時(shí)進(jìn)行間隙的自動補(bǔ)償，保證制動力矩和偏航阻尼力矩的要求。偏航制動器可采用常閉和常開兩種結(jié)構(gòu)形式。常閉式制動器是指在有驅(qū)動力作用條件下制動器處于松開狀態(tài)；常開式制動器則是在驅(qū)動力作用時(shí)處于鎖緊狀態(tài)?？紤]制動器的失效保護(hù)，偏航制動器多采用常閉式制動結(jié)構(gòu)形式。107第107頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四塔架是風(fēng)電機(jī)組的支撐部件，承受機(jī)組的重量、風(fēng)載荷以及運(yùn)行中產(chǎn)生的各種動載荷，并將這些載荷傳遞到基礎(chǔ)。大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架高度一般超過幾十米，甚至超過百米，重量約占整個機(jī)組重量的一半左右，成本占風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造成本的15%-20%。由于風(fēng)電機(jī)組的主要部件全部安裝在塔架頂端，因此塔架一旦發(fā)生傾倒垮塌，往往造成整個機(jī)組報(bào)廢。因此塔架和基礎(chǔ)對整個風(fēng)電機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有重要影響。對塔架和基礎(chǔ)的要求是，保證機(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)或其他問題。塔架與基礎(chǔ)

108第108頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

鋼筋混凝土塔架：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可以現(xiàn)場澆注，也可以在工廠做成預(yù)制件，然后運(yùn)到現(xiàn)場組裝。鋼筋混凝土塔架的主要特點(diǎn)是剛度大，一階彎曲固有頻率遠(yuǎn)高于機(jī)組工作頻率，因而可以有效避免塔架發(fā)生共振。早期的小容量機(jī)組中曾使用過這種結(jié)構(gòu)。但是隨著機(jī)組容量增加，塔架高度升高，鋼混結(jié)構(gòu)塔的制造難度和成本均相應(yīng)增大，因此在大型機(jī)組中很少使用。

結(jié)構(gòu)類型

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)和鋼筒結(jié)構(gòu)三種。塔架

109第109頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

桁架塔架：結(jié)構(gòu)與高壓線塔架相似。桁架塔架的耗材少，便于運(yùn)輸；但需要連接的零部件多，現(xiàn)場施工周期較長，運(yùn)行中還需要對連接部位進(jìn)行定期檢查。在早期小型風(fēng)電機(jī)組中，較多采用這種類型塔架結(jié)構(gòu)。隨著高度的增大，這種塔架逐漸被鋼筒塔架結(jié)構(gòu)取代。但是，在一些高度超過l00m的大型風(fēng)電機(jī)組塔架中，桁架結(jié)構(gòu)又重新受到重視。因?yàn)樵谙嗤母叨群蛣偠葪l件下，桁架結(jié)構(gòu)比鋼筒結(jié)構(gòu)的材料用量少，而且桁架塔的構(gòu)件尺寸下，便于運(yùn)輸。對于下風(fēng)向布置形式的風(fēng)電機(jī)組，為了減小塔架尾流的影響，也多采用桁架結(jié)構(gòu)塔架。

110第110頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

鋼筒塔架：是目前大型風(fēng)電機(jī)組主要采用的結(jié)構(gòu)形式，從設(shè)計(jì)與制造、安裝和維護(hù)等方面看，這種形式的塔架指標(biāo)相對比較均衡。111第111頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四風(fēng)電機(jī)組的額定功率取決于風(fēng)輪直徑和塔架高度，隨著風(fēng)電機(jī)組不斷向大功率方向發(fā)展，風(fēng)輪直徑越來越大，塔架也相應(yīng)地越來越高。為了降低造價(jià)，塔架的重量往往受到限制，塔架的結(jié)構(gòu)剛度相對較低。因此細(xì)長、輕質(zhì)塔架體現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組塔架的主要結(jié)構(gòu)特征。塔架結(jié)構(gòu)特征

塔架高度

塔架高度是塔架設(shè)計(jì)的主要因素，塔架高度決定了塔架的類型、載荷大小、結(jié)構(gòu)尺寸以及剛度和穩(wěn)定性等。塔架越高，需要材料越多，造價(jià)高，同時(shí)運(yùn)輸、安裝和維護(hù)問題也越大。因此在進(jìn)行塔架設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)對塔架高度進(jìn)行優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，完成塔架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核。112第112頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四塔架高度H與風(fēng)輪直徑D具有一定的比例關(guān)系，在風(fēng)輪直徑D已經(jīng)確定的條件下，可按照下式初步確定塔架高度：確定塔架高度時(shí)，應(yīng)考慮風(fēng)電機(jī)組附近的地形地貌特征。對于同樣容量的風(fēng)電機(jī)組，在陸地和海上的塔架高度不同。陸地地表粗糙，風(fēng)速隨高度變化緩慢，需要較高的塔架。而海平面相對光滑，風(fēng)速隨高度變化大，因此塔架高度相對較小。塔架最低高度可以按下式確定：式中，h為機(jī)組附近障礙物高度；為障礙物最高點(diǎn)到風(fēng)輪掃掠面最低點(diǎn)距離，最小取1.5~2.0m；R為風(fēng)輪半徑。

113第113頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四剛度是結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。鋼筒塔架是質(zhì)量均勻分布的細(xì)長結(jié)構(gòu)，塔頂端安裝占機(jī)組約1/2重量的風(fēng)輪和機(jī)艙，質(zhì)量相對集中。塔架結(jié)構(gòu)的固有頻率取決于塔架的剛度和質(zhì)量，剛度越低，固有頻率越低。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，塔架承受風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的周期性載荷，如果載荷的頻率接近甚至等于塔架的固有頻率，將會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，使塔架產(chǎn)生很大的振動。對于剛度較低的塔架結(jié)構(gòu)，振動問題是塔架設(shè)計(jì)考慮的主要因素之一。為保證作用在塔架上的周期性載荷的頻率（如風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率、葉片通過頻率及其諧振頻率等）避開塔架結(jié)構(gòu)彎曲振動的固有頻率，要求塔架具有合適的剛度。塔架剛度

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按照整體剛度不同，塔架結(jié)構(gòu)形式可以分為兩類：剛性塔架：剛度較高，塔架的一階彎曲振動固有頻率高于葉片通過頻率。例如鋼筋混凝土塔架結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是可以有效避免共振，缺點(diǎn)是使用材料多，成本高，現(xiàn)代大型風(fēng)電機(jī)組很少采用這類剛性塔架結(jié)構(gòu)。柔性塔架：整體剛度較低，塔架的一階彎曲振動固有頻率低于葉片通過頻率。塔架的一階彎曲振動固有頻率介于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率和葉片通過頻率之間的塔架稱為柔性塔架。一階彎曲振動固有頻率低于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率的塔架稱為超柔性塔架。

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鋼筒塔架通常均為柔性塔架，其優(yōu)點(diǎn)是塔架重量小、耗材少、成本低，但是由于塔架固有頻率與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率以及葉片通過頻率處于同一數(shù)量級，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能使