风机发电机基础.pdf

1风机发电机基础 Fundamentals of wind turbinesFundamentals of wind turbines风机设计基础风机设计基础风机设计基础风机设计基础 (Basics of Wind Turbine Design)• 风机技术规范风机技术规范风机技术规范风机技术规范(Wind Turbine Specification)•功率等级功率等级功率等级功率等级(Rating)•叶片数目和风轮优化叶片数目和风轮优化叶片数目和风轮优化叶片数目和风轮优化(Blade Number & Rotor Optimisation)•气动调节气动调节气动调节气动调节(Aerodynamic Regulation)•安全系统安全系统安全系统安全系统 – 风轮刹车风轮刹车风轮刹车风轮刹车(Safety System – Rotor Brake)•转动模式转动模式转动模式转动模式(Speed Mode)2Fundamentals of wind turbines风机技术规范风机技术规范风机技术规范风机技术规范(Wind Turbine Specification)•目标市场目标市场目标市场目标市场(Target market)以便在开发进入产品设计时样机的确定和定义影响设计的关键以便在开发进入产品设计时样机的确定和定义影响设计的关键以便在开发进入产品设计时样机的确定和定义影响设计的关键以便在开发进入产品设计时样机的确定和定义影响设计的关键 市场约束市场约束市场约束市场约束 (噪音，视觉，噪音，视觉，噪音，视觉，噪音，视觉，电磁干扰，电网，运输限制等等电磁干扰，电网，运输限制等等电磁干扰，电网，运输限制等等电磁干扰，电网，运输限制等等)(for the prototype after development into a production design and definition of key market constraints that will affect the design (acoustic, visual, EMI, grid, transportation limits, other))•确定环境条件确定环境条件确定环境条件确定环境条件(Definition of the environmental conditions) 以便为风机设计选择设计标准和风场等级及以便为风机设计选择设计标准和风场等级及以便为风机设计选择设计标准和风场等级及以便为风机设计选择设计标准和风场等级及其他其他其他其他选择选择选择选择(for the design via selection of a design standard and site class or otherwise)Fundamentals of wind turbines风力发电机将风的动能转化成风力发电机将风的动能转化成风力发电机将风的动能转化成风力发电机将风的动能转化成 电能电能电能电能(A wind turbine converts the kinetic energy of the wind into electrical energy要求要求要求要求(Requirements:)•廉价的电廉价的电廉价的电廉价的电(low cost electricity)•能生存能生存能生存能生存(survival!)•对环境影响最小对环境影响最小对环境影响最小对环境影响最小(minimum environmental impact)WINDTEC 1.5MWFunctional Specification3Fundamentals of wind turbines1.叶片(Blade) 2. 叶片轮毂(Blade hub) 3. 叶片轴承( Blade bearing) 4. 主轴(Main shaft) 5. 次发电机(Secondary generator) 6. 齿轮箱(Gearbox) 7. 刹车片(Disk brake) 8. 冷油器(Oil cooler) 9. 万向轴(Cardan shaft) 10. 主发电机(Primary generator) 11. 维护吊车(Service crane) 12. 变浆液压缸(Pitch cylinder) 13. 设备基础(Machine) foundation 14. 塔架(Tower) 15. 偏航控制(Yaw control) 16. 齿轮连杆(Gear tie rod) 17. 偏航环(Yaw ring) 18. 偏航齿轮(Yaw gears) 19. VMP上部控制单元( VMP top control unit) 20. 液压单元(Hydraulic unit)风机的原理图风机的原理图风机的原理图风机的原理图(Schematic diagram of turbine)Fundamentals of wind turbines•风湍流风湍流风湍流风湍流(Wind turbulence) •失速失速失速失速(Stall) •高周疲劳高周疲劳高周疲劳高周疲劳(High cycle fatigue) •变化的传动系统载荷变化的传动系统载荷变化的传动系统载荷变化的传动系统载荷(Varying drive train loads) •共振动力学共振动力学共振动力学共振动力学(Resonant dynamics) •高可靠性高可靠性高可靠性高可靠性(High reliability) •低成本低成本低成本低成本(Low cost) •尾流相互作用尾流相互作用尾流相互作用尾流相互作用(Wake interactions)风机是复杂的风机是复杂的风机是复杂的风机是复杂的(Wind turbines are complicated)4Fundamentals of wind turbines•风风风风(Wind) •空气动力学空气动力学空气动力学空气动力学 (Aerodynamics) •叶片动力学叶片动力学叶片动力学叶片动力学(Blade dynamics) •控制控制控制控制(Control) •传动系统传动系统传动系统传动系统(Drive train) •电气网络电气网络电气网络电气网络(Electrical network) •塔架塔架塔架塔架(Tower) •基础基础基础基础(Foundations)每部分都是耦合在一起的每部分都是耦合在一起的每部分都是耦合在一起的每部分都是耦合在一起的(Everything is coupled)Fundamentals of wind turbines发电生产的基本概念发电生产的基本概念发电生产的基本概念发电生产的基本概念 (Basics of Power Production)•风功率与风速的三次方成正比风功率与风速的三次方成正比风功率与风速的三次方成正比风功率与风速的三次方成正比(Wind power proportional to cube of wind speed)•出于实际的和经济效益的考虑必须限制风机的功率出于实际的和经济效益的考虑必须限制风机的功率出于实际的和经济效益的考虑必须限制风机的功率出于实际的和经济效益的考虑必须限制风机的功率 (Practical and economic reasons for limiting turbine power)•风轮设计风轮设计风轮设计风轮设计(Rotor designs)5Fundamentals of wind turbines风的分布风的分布风的分布风的分布和和和和风机功率曲线风机功率曲线风机功率曲线风机功率曲线 (Wind distribution and power curve)风速风速风速风速[米米米米/秒秒秒秒]电电电电 功功功功 率率率率兆兆兆兆 瓦瓦瓦瓦概概概概 率率率率 密密密密 度度度度Fundamentals of wind turbines叶片数目叶片数目叶片数目叶片数目 (Blade Number)1236Fundamentals of wind turbines两片叶Wind Turbines with Two BladesWEG MS3?300WEG MS3?300从历史上看：高速，低转矩，但比从历史上看：高速，低转矩，但比从历史上看：高速，低转矩，但比从历史上看：高速，低转矩，但比 三叶片噪音大三叶片噪音大三叶片噪音大三叶片噪音大(Historically higher speed, lower torque, noisier than three blades)空气动力学效率比三叶片低空气动力学效率比三叶片低空气动力学效率比三叶片低空气动力学效率比三叶片低4% (Aerodynamic efficiency 4% lower than three blades)静止时可平衡静止时可平衡静止时可平衡静止时可平衡,但是需要跷跷板轮毂但是需要跷跷板轮毂但是需要跷跷板轮毂但是需要跷跷板轮毂 来减少循环载荷来减少循环载荷来减少循环载荷来减少循环载荷(Statically balanced but needs teeter hinge to reduce cyclic loading)Fundamentals of wind turbines•较小的循环载荷较小的循环载荷较小的循环载荷较小的循环载荷,简单刚性轮简单刚性轮简单刚性轮简单刚性轮 毂毂毂毂(Dynamically balanced and hence lower cyclic loads with simple rigid hub)•低视觉影响低视觉影响低视觉影响低视觉影响(More acceptable visual impact)三叶片Three Blades7Fundamentals of wind turbines上风向上风向上风向上风向(Upwind)下风向下风向下风向下风向(Downwind)设计选型设计选型设计选型设计选型?上风向或者下风向上风向或者下风向上风向或者下风向上风向或者下风向(Design options ? upwind or downwind)风风Fundamentals of wind turbines上风向或者下风向上风向或者下风向上风向或者下风向上风向或者下风向(Upwind or downwind?)上风向上风向上风向上风向(Upwind) •塔影对载荷和噪音的影响较小塔影对载荷和噪音的影响较小塔影对载荷和噪音的影响较小塔影对载荷和噪音的影响较小(reduced tower shadow effect on loads and noise) •叶轮推力可以补偿风轮的悬臂重力距叶轮推力可以补偿风轮的悬臂重力距叶轮推力可以补偿风轮的悬臂重力距叶轮推力可以补偿风轮的悬臂重力距(rotor thrust offsets overhung rotor weight) •叶片叶片叶片叶片?塔架的净空会有问题塔架的净空会有问题塔架的净空会有问题塔架的净空会有问题(blade ? tower clearance more problematic) •必须主动偏航必须主动偏航必须主动偏航必须主动偏航(active yaw)下风向下风向下风向下风向(Downwind) •塔影对载荷和噪音有很大的影响塔影对载荷和噪音有很大的影响塔影对载荷和噪音有很大的影响塔影对载荷和噪音有很大的影响(significant tower shadow effect on loads and noise) •风轮推力叠加到风轮的悬臂重力距上风轮推力叠加到风轮的悬臂重力距上风轮推力叠加到风轮的悬臂重力距上风轮推力叠加到风轮的悬臂重力距上(rotor thrust adds to overhung rotor weight) •净空问题不大净空问题不大净空问题不大净空问题不大(blade ? tower clearance less。