第三讲风力发电机组的结构及组成借鉴教学.ppt

3.1 3.1 风力发电机组概述风力发电机组概述3.2 3.2 水平轴风力发电机组结构组成水平轴风力发电机组结构组成3.3 3.3 齿轮箱齿轮箱3.4 3.4 调速装置调速装置3.5 3.5 发电机发电机3.6 3.6 塔架塔架3.7 3.7 控制系统及附属部件控制系统及附属部件第三讲第三讲 风力发电机组的结构及组成风力发电机组的结构及组成1技术教育按其容量划分按其容量划分小型（小型（10KW10KW以下以下) )中型（中型（10~100KW)10~100KW)大型（大型（100KW100KW以上）以上））风力发电机组是将风力发电机组是将风能转化为电能的风能转化为电能的装置装置按按其其主轴与地面主轴与地面的相对位置的相对位置水平轴风力发电机组水平轴风力发电机组（主轴与地面平行）（主轴与地面平行）垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组（主轴与地面垂直（主轴与地面垂直））3.1 3.1 风力发电机组概述风力发电机组概述2技术教育小型及大型风力发电机组小型及大型风力发电机组3技术教育水平轴及垂直轴风力发电机组水平轴及垂直轴风力发电机组4技术教育3.2 水平轴风力发电机组的结构水平轴风力发电机组的结构大型风电机组基本结构大型风电机组基本结构 1 1－叶片；－叶片；2 2－轮毂；－轮毂；3 3－机舱；－机舱；4 4－叶轮轴与主轴连接；－叶轮轴与主轴连接；5 5－主轴；－主轴；6 6－齿－齿轮箱；轮箱；7 7－刹车机构；－刹车机构；8 8－联轴器；－联轴器；9 9－发电机；－发电机；1010－散热器；－散热器；1111－冷却风扇；－冷却风扇；1212－风速仪和风向标；－风速仪和风向标；1313－控制系统；－控制系统；1414－液压系统；－液压系统；1515－偏航驱动；－偏航驱动；1616－偏航轴承；－偏航轴承；1717－机舱盖；－机舱盖；1818－塔架；－塔架；1919、变桨距部分、变桨距部分5技术教育叶片叶片 轮毂风轮轴风轮的组成图风轮的组成图风轮风轮3.2.1 3.2.1 风轮及其组成风轮及其组成6技术教育 风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其它动力机的主要标志。

风轮的作用是捕捉和吸收风能并将风能转变成机械能再由风轮轴将能量送给传动装置以水平轴升力型风力机的风轮为例(下图)来说明风轮功率的计算7技术教育 风以速度V吹向风轮时，风轮转动设旋转着的风轮其扫掠面积为A，空气密度为 ，在1 s中内流向风轮的空气所具有的动能为 （1）若风轮的直径为D ，则 （2）这些风能不可能全部被风轮捕获8技术教育 风轮捕获风能并将之转换成机械能．再由风轮轴输出的功率为N（称之为风轮功率)它与 之比，称为风轮功率系数(或风能利用系数)，用 表示，即 （3） （4） 式中 的值为0.2～0.5。

9技术教育由式（3）得知：因此，当风轮大小、工作风速一定时，应尽可能提高 值，以增大风轮功率这是从事风能开发利用的科技人员追求的主要目标之一风轮功率与风轮直径的平方成正比风轮功率与风轮直径的平方成正比风轮功率与风速的立方成正比风轮功率与风速的立方成正比风轮功率与风轮的叶片数目无直接关系风轮功率与风轮的叶片数目无直接关系风轮功率与风轮功率系数成正比风轮功率与风轮功率系数成正比10技术教育新型复合材料叶片新型复合材料叶片复合材料叶片复合材料叶片铝合金叶片铝合金叶片钢梁玻璃纤维蒙皮叶片钢梁玻璃纤维蒙皮叶片布蒙皮叶片布蒙皮叶片叶片材料经历了木制叶片叶片材料经历了木制叶片叶片是风力机的关键部件，其良好的设计、可靠的质叶片是风力机的关键部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素3.2.1.1 叶片及叶片材料叶片及叶片材料11技术教育风力机风力机风轮叶片风轮叶片向大功率、长叶片方向发展向大功率、长叶片方向发展风力风力机机风轮叶片不断风轮叶片不断的的更新设计更新设计，以有好的气动性能，以有好的气动性能碳纤维复合材料在风力碳纤维复合材料在风力机风轮叶片机风轮叶片上的应用不断扩大上的应用不断扩大在风力在风力机叶片机叶片上大量采用上大量采用碳碳纤维复合材料纤维复合材料，但是又，但是又取取决于碳纤维的价格决于碳纤维的价格3.2.1.1 3.2.1.1 叶片发展趋势叶片发展趋势12技术教育叶片横截面形状基本类型平板型弧板型流线型 叶片是风力机捕捉风能的最重要部件。

风能利用效率取叶片是风力机捕捉风能的最重要部件风能利用效率取决于良好的叶片的空气动力外型，以及具有高强度、高硬度、决于良好的叶片的空气动力外型，以及具有高强度、高硬度、低密度以及较长使用寿命等优良特点的制造材料低密度以及较长使用寿命等优良特点的制造材料风力提水机的叶片风力发电机组的叶片13技术教育常见的风力机叶片的横截面结构图常见的风力机叶片的横截面结构图14技术教育3.2.1.23.2.1.2 叶片材料选择的要求及选择规则叶片材料选择的要求及选择规则叶片材叶片材料选择料选择要求要求运行要运行要求求材料特材料特性性可靠性可靠性物理属物理属性性可处理可处理性性回收再回收再利用性利用性经济性经济性安全性安全性15技术教育良好的力学、热学及化学特性良好的力学、热学及化学特性高硬度、高强度、低密度高硬度、高强度、低密度使用寿命长、良好的耐腐蚀性使用寿命长、良好的耐腐蚀性要易于生产加工、要价格合理要易于生产加工、要价格合理加工助剂的价格要尽量低廉并且操作时不污染环境加工助剂的价格要尽量低廉并且操作时不污染环境叶片材料选择规则叶片材料选择规则216技术教育纤维增强复合材料纤维增强复合材料玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料碳纤维复合材料碳纤维复合材料玻璃钢复合材料玻璃钢复合材料叶片的主要材料特性17技术教育 玻璃钢叶片玻璃钢叶片 用于叶片制造的材料一般有木材、金属，如用于叶片制造的材料一般有木材、金属，如钢和铝，以及玻璃钢。

由于叶片的木材一般要选钢和铝，以及玻璃钢由于叶片的木材一般要选用优质木材，如桦木、核桃木等，材料来源困难、用优质木材，如桦木、核桃木等，材料来源困难、取材率低、造价高、维修不便取材率低、造价高、维修不便钢钢金属材料制造，金属材料制造，又存在加工复杂、工艺装备多、生产周期长、产又存在加工复杂、工艺装备多、生产周期长、产品不耐腐蚀等一系列问题因此，目前在国内已品不耐腐蚀等一系列问题因此，目前在国内已很少选用木材或金属制造叶片，大多数采用玻璃很少选用木材或金属制造叶片，大多数采用玻璃钢钢318技术教育 玻璃钢叶片的优点玻璃钢叶片的优点可充分根据叶片的受力特点设计强度和刚度可充分根据叶片的受力特点设计强度和刚度容易成型，易于达到最大气动效果的翼型容易成型，易于达到最大气动效果的翼型优良的动力性能和较长的使用寿命优良的动力性能和较长的使用寿命维修简便，以节省大量人力物力维修简便，以节省大量人力物力耐腐蚀性和耐气候性好耐腐蚀性和耐气候性好易于修补易于修补419技术教育20技术教育3.2.2 3.2.2 轮毂轮毂轮毂是将叶片和叶片组固定到转轴上的装置它轮毂是将叶片和叶片组固定到转轴上的装置。

它将风轮的力和力矩传递到主传动机构中将风轮的力和力矩传递到主传动机构中•轮毂是用铸钢或钢板焊接而成铸钢在加工前要轮毂是用铸钢或钢板焊接而成铸钢在加工前要对其进行探伤，绝不允许有夹渣，缩孔，砂眼，对其进行探伤，绝不允许有夹渣，缩孔，砂眼，裂纹等缺陷焊接的轮毂，其焊缝必须经过超声裂纹等缺陷焊接的轮毂，其焊缝必须经过超声波检查，并按浆叶可能承受的最大离心力载荷确波检查，并按浆叶可能承受的最大离心力载荷确定钢板的厚度此外，还要考虑交变应力引起的定钢板的厚度此外，还要考虑交变应力引起的焊缝疲劳焊缝疲劳•焊接的轮毂，其焊缝必须经过超声波检查，并按焊接的轮毂，其焊缝必须经过超声波检查，并按浆叶可能承受的最大离心力载荷确定钢板的厚度浆叶可能承受的最大离心力载荷确定钢板的厚度此外，还要考虑交变应力引起的焊缝疲劳此外，还要考虑交变应力引起的焊缝疲劳21技术教育轮毂有固定式和铰链式两种轮毂有固定式和铰链式两种22技术教育 主轴也称为低速轴，安装在风轮和齿轮箱之间主轴也称为低速轴，安装在风轮和齿轮箱之间前端通过螺栓与轮毂刚性连接，后端与齿轮箱低速连前端通过螺栓与轮毂刚性连接，后端与齿轮箱低速连接，承力大而且复杂。

接，承力大而且复杂3.2.3 3.2.3 主轴主轴受力形式轴向力径向力转矩弯矩剪切力23技术教育风机每经历一次起动和停机，主轴所受的各种风机每经历一次起动和停机，主轴所受的各种力，都将经历一次循环力，都将经历一次循环因此会产生循环疲劳因此会产生循环疲劳主轴有较高的综合机械性主轴有较高的综合机械性24技术教育 齿轮箱是风力发电机组关键零部件之一由齿轮箱是风力发电机组关键零部件之一由于风力机工作在低转速下，而发电机工作在高转速于风力机工作在低转速下，而发电机工作在高转速下，为了实现风力机和发电机的匹配，采用增速齿下，为了实现风力机和发电机的匹配，采用增速齿轮箱3.3 3.3 齿轮箱齿轮箱25技术教育按传统类型圆柱齿轮箱行星齿轮箱互相组合的齿轮箱 齿轮箱的分类齿轮箱的分类按传动的级数单级齿轮箱多级齿轮箱按照传动的方式可以分为：展开式，分流式，同轴式以及混合式26技术教育 自然界的风速经常变化风轮的转速随风速的增自然界的风速经常变化风轮的转速随风速的增大而变快，发电机的输出电压、频率、功率也增加；大而变快，发电机的输出电压、频率、功率也增加；当风轮的转速超过额定值时，有可能影响机组的使当风轮的转速超过额定值时，有可能影响机组的使用寿命，甚至造成设备的毁坏。

为使风轮能以一定用寿命，甚至造成设备的毁坏为使风轮能以一定的转速稳定地工作，风力发电机组上设有调速装置的转速稳定地工作，风力发电机组上设有调速装置 调速装置是在风速大于设计额定风速时才起作用调速装置是在风速大于设计额定风速时才起作用 因此，又被称为限速装置当风速增至停机风速时，因此，又被称为限速装置当风速增至停机风速时， 调速装置能使风轮顺桨调速装置能使风轮顺桨( (风向与风轮旋转平面平行风向与风轮旋转平面平行) )停机3.4 3.4 调速装置调速装置27技术教育减少风轮迎风面积减少风轮迎风面积•侧翼装置侧翼装置•偏心装置偏心装置•缩小风轮圆形迎风缩小风轮圆形迎风面积面积改变叶片翼型攻角值改变叶片翼型攻角值•配重配重( (飞球飞球) )与弹簧配与弹簧配合装置合装置•叶片重量与弹簧配叶片重量与弹簧配合装置合装置•变桨距调速装置变桨距调速装置利用空气在风轮圆周利用空气在风轮圆周切线方向的阻力切线方向的阻力•阻力翼阻力翼•阻尼板阻尼板 风力机调速装置调速原理风力机调速装置调速原理28技术教育侧翼及偏心装置调速原理示意图侧翼及偏心装置调速原理示意图 29技术教育缩小风轮圆形迎风面积缩小风轮圆形迎风面积原理图原理图30技术教育发电机是将由风轮轴传来的机械能转变成电能的发电机是将由风轮轴传来的机械能转变成电能的设备设备。

3.5 3.5 发电机发电机直流发电机永磁发电机同步交流发电机异步交流发电机31技术教育 塔架的功能是支撑位于空中的风力发电系统，塔架的功能是支撑位于空中的风力发电系统，塔架与基础相连接，承受风力发电系统运行引起的塔架与基础相连接，承受风力发电系统运行引起的各种载荷，同时传递这些载荷到基础，使整个风力各种载荷，同时传递这些载荷到基础，使整个风力发电机组能稳定可靠地运行发电机组能稳定可靠地运行3.6 3.6 塔架塔架塔架的塔架的基本形基本形式式单管拉线单管拉线式式衍架式衍架式塔架塔架锥筒式塔锥筒式塔架架衍架拉衍架拉线式塔线式塔架架32技术教育33技术教育微型风力机微型风力机小，中型风小，中型风力机力机中，大小型中，大小型风力机风力机34技术教育3.7.1 3.7.1 机舱机舱3.7 3.7 控制系统及附属部件控制系统及附属部件风力机常风力机常年年在在野外运转野外运转狂风暴雨的狂风暴雨的袭击袭击尘砂磨损和尘砂磨损和盐雾侵蚀盐雾侵蚀为了使塔架上方为了使塔架上方的主要设备不受的主要设备不受风沙的直接侵害风沙的直接侵害罩壳罩壳————机机舱舱35技术教育 3.7.2 3.7.2 机头座机头座 它用来支撑塔架上方的所有装置及附属部件它用来支撑塔架上方的所有装置及附属部件 它牢固与否将直接关系到风力机的安危与寿命它牢固与否将直接关系到风力机的安危与寿命 由于微、小型风力机塔架上方的设备重量轻。

一般是由由于微、小型风力机塔架上方的设备重量轻一般是由钢板焊接而成，钢板焊接而成， 即根据设计要求在底板上焊上加强肋即根据设计要求在底板上焊上加强肋 中、大型风力机的机头座要复杂一些，它通常由以纵梁、中、大型风力机的机头座要复杂一些，它通常由以纵梁、横梁为主，再辅以台板、腹板、肋板等焊接而成横梁为主，再辅以台板、腹板、肋板等焊接而成 焊接质量要高台板面要刨平，安装孔的位置要精确焊接质量要高台板面要刨平，安装孔的位置要精确36技术教育 回转体回转体( (转盘转盘) )是塔架与机头座的连接是塔架与机头座的连接部件，通常由固定套、回转圈以及位于部件，通常由固定套、回转圈以及位于它们之间的轴承组成固定套销定在塔它们之间的轴承组成固定套销定在塔架上部，回转圈与机头座相连，通过它架上部，回转圈与机头座相连，通过它们之间的轴承和对风装置相连，们之间的轴承和对风装置相连， 在风向在风向变化时，机头便能水平地回转，使风轮变化时，机头便能水平地回转，使风轮迎风工作迎风工作3.7.3 3.7.3 回转体回转体37技术教育 大、中型风力机的回转体常借用塔式吊车上的大、中型风力机的回转体常借用塔式吊车上的回转机构。

回转机构 小型风力机的回转体通常是在上、下各设一组轴小型风力机的回转体通常是在上、下各设一组轴承，可采用圆锥滚子轴承也可以上面用向心球轴承承，可采用圆锥滚子轴承也可以上面用向心球轴承承受径向载荷下面用推力轴承来承受机头的全部重承受径向载荷下面用推力轴承来承受机头的全部重量 微型风力机的回转体不宜采用滚动轴承，而采用微型风力机的回转体不宜采用滚动轴承，而采用青铜加工的滑动轴承这是为了防止机头对瞬时变化青铜加工的滑动轴承这是为了防止机头对瞬时变化的风向过于敏感而导致风轮的频繁回转的风向过于敏感而导致风轮的频繁回转38技术教育 制动装置是使风力发电机停止运转的装制动装置是使风力发电机停止运转的装置置( (也称刹车系统也称刹车系统) )对于微型和小型风力发对于微型和小型风力发电机，可采用如图所示的刹车机构电机，可采用如图所示的刹车机构 3.7.4 3.7.4 制动装置制动装置39技术教育 在中型和大型风力发电机组中，有在中型和大型风力发电机组中，有采用叶尖气动刹车和机械式刹车组成的采用叶尖气动刹车和机械式刹车组成的制动系统。

制动系统 功率较大的风力发电机组，应用电功率较大的风力发电机组，应用电磁制动器和液压制动器的，当采用电磁磁制动器和液压制动器的，当采用电磁制动器时，需要有外电源；当采用液压制动器时，需要有外电源；当采用液压制动器时，除了需要外电源，还需要油制动器时，除了需要外电源，还需要油泵，电磁阀，液压油缸和管路等泵，电磁阀，液压油缸和管路等40技术教育 风力发电机组的传动装置包括增速器与联轴器等风力发电机组的传动装置包括增速器与联轴器等 通常，风轮的转速低于发电机转子需要的转速，通常，风轮的转速低于发电机转子需要的转速，所以要增速所以要增速( (有的微型风力发电机组不设增速器而直有的微型风力发电机组不设增速器而直接连接接连接) )增速器与发电机之间用联轴器连接，为了增速器与发电机之间用联轴器连接，为了少占用空间，往往将联轴器与制动器设计在一起少占用空间，往往将联轴器与制动器设计在一起 风轮轴与增速器之间也有用联轴器的，称低速联风轮轴与增速器之间也有用联轴器的，称低速联轴器3.7.5 3.7.5 传动装置传动装置41技术教育 控制系统的功能控制系统的功能 控制系统利用控制系统利用DSPDSP微机处理机，在正常运微机处理机，在正常运行状态下，主要通过对运行过程模拟量和开行状态下，主要通过对运行过程模拟量和开关量的采集、传输、分析，来控制风电机组关量的采集、传输、分析，来控制风电机组的转速和功率；如发生故障或其他异常情况的转速和功率；如发生故障或其他异常情况能自动地监测并分析确定原因，自动调整排能自动地监测并分析确定原因，自动调整排除故障或进入保护状态。

除故障或进入保护状态3.7.6 3.7.6 控制系统控制系统42技术教育 控制系统控制系统的的任务任务 控制系统主要任务就是能自动控制风电机组依照其特性运行，自动检测故障并根据情况采取相应的措施 根据风电机组的结构载荷状态、风况、变浆变速风电机组的特点及其它外部条件，将风电机组的运行情况主要分为以下几类：待机状态；发电状态；停机状态43技术教育待机状态待机状态没有发电（风速一般为没有发电（风速一般为0 0－－3m/s3m/s），刹车释放），刹车释放发电状态发电状态发电状态发电状态ⅠⅠ：启动后，到额定风速前，刹车释放：启动后，到额定风速前，刹车释放发电状态发电状态ⅡⅡ：额定风速到切出风速：额定风速到切出风速停车状态停车状态故障停机方式；人工停机方式；紧急停机方式故障停机方式；人工停机方式；紧急停机方式44技术教育1 水平轴风力发电机组由哪几部分组成？2 风力机最重要的部件是哪部分？3 风力机调速装置的调速原理有哪些？4 控制系统主要任务是什么？ 5 风电发电机组的运行情况主要分为哪几类？45技术教育。