30、1.5MW风力发电机组传动系统

（一）变桨轴承的启动力矩过小，即变桨轴承内外 圈与滚子之间负游隙接触程度小，由于叶片受力复杂， 叶片常常会把所受的挥舞力矩传递给变桨轴承，因此变 桨轴承会产生一种振动趋势，由于变桨轴承负游隙接触 程度小，随着轴承工作时的磨损，变桨轴承内外圈很容 易产生间隙，变桨轴承内外圈和滚子之间一旦产生间隙 ，那么间隙在叶片挥舞力矩的作用下会急剧放大，最终 会导致变桨轴承失效，减少了变桨轴承的使用寿命。
轮毂是用来将叶片连接到旋转主轴上的固定部件 ，它将叶片的载荷风力发电机的支撑结构上，即最终 传递到塔架上。下图为轮毂结构图。
轮毂通常由球墨铸铁，也就是所谓的可锻铸铁铸造 而成。根据铸铁的力学性能和铸造的不稳定性，在轮毂 铸造出来后通常要进行超声波探伤检验。
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第二章 动链
第一节 主轴 主轴是把来自风轮轮毂的旋转机械能传递 给齿轮箱或直接传递给发电机。此外主轴的另 一个目的是把载荷传到机舱的固定系统上。除 了承受来自风轮的启动载荷，主轴还要承受重 力载荷以及轴承和齿轮箱的反作用力。
上诉形式的雷电保护并不适合所有情况，因为在设 计寿命内，叶片可能多次遭到雷击，可能会发生保护性 失效，如导电电缆熔断等。对于长度超过20m的大型叶片， 还必须考虑到叶尖外其他部位遭受雷击的情况，也要考 虑到叶尖玻璃纤维材料有限的导电率。目前一种在玻璃 纤维或碳纤维材料中加入金属薄片，金属网、金属线等， 使得这些材料本身成为导体，而不必在材料表面安装额 外的金属导体。
那么，叶片的长度又是如何设计的呢？对于 任何形式的风力发电机所产生的功率都可以表示 为：
式中
P--------风力发电机组输出功率；
ρ --------空气密度； V--------自由风速； A--------风轮扫风面积； CP-----Fra bibliotek--效率因子。
效率因子CP包括机械效率η m、电气效率η e以及空 气动力效率。所有三个因子分别取决于风速和所产生 的功率。机械效率η m主要取决于齿轮箱内的损失，典 型的是0.95到满负荷时的0.97。电气效率包括发电机 的损失和电气回路的损失。对于异步发电机，通常满 负荷时η e=0.97-0.98。最大可能的空气动力效率为 0.59，它在风力发电机将风速减小到自由来流风速的 1/3时到达。由此，我们在设计1.5MW风力发电机叶片 长度时，有以下运算过程：
变桨轴承承载叶片重力和来自叶片的弹力后，轴承 内圈在轴向和径向产生的位移分别为ε a和ε r，产生 的偏转角为θ ，产生的位移与转角造成沟道中心距发 生变化，变桨轴承的外圈和内圈上端转子侧沟道与外 圈和内圈下端叶片侧沟道的接触应力增加,如上图中 δ 1、δ 2和δ 3、δ 4所示。
结论：
风机运行时，由于变桨轴承外圈与轮毂固定， 轴承外圈没有绕其轴线方向的自转，对于轴承的外圈 来说，其高应力区域是固定的，即大概在轴承的第一 、三象限。这也为変桨轴承的润滑点的排布起到了指 导作用。
叶片的预弯
随着风力发电机额定功率不断增加，叶片的尺寸越来越 大，细长的叶片在风载荷的作用下更容易发生变形，为了减小 大变形带来的不利影响，出现了预弯叶片的设计理念。预弯叶 片相对于直叶片具有以下优点：
（一）叶片设计时，预先向偏离塔筒 方向弯曲，增大了空载时叶尖与塔筒 之间的间隙，减少了二者发生机械干 涉的可能性。
（一）、垂直轴风力发电机组 （二）、水平轴风力发电机组
（一）垂直轴风力发电机组
所谓垂直轴风力发电机就是发电机的传动轴垂直放置，其 转动原理与水车转动原理一致的，水车允许水从切向流经与 旋转轴垂直的水轮。只不过垂直轴风力发电机组的工作介质 是空气，在工作原理上，虽然垂直轴风力发电机与水平轴风 力风力发电机并无差别，但它要求更复杂的设计，否则它不 可能在效率方面超过水平轴风力发电机。 垂直轴风力发电机组的主要优点是它的发电机和齿轮箱放 在地面，很容易维护，也不需要偏航机构。因为它总能够利 用来自不同方向的风能。其缺点是效率太低，而且仅为了更 换主轴承，就需要拆卸整个风力发电机组，此外，它的风轮 距离地面很近，可获取的风资源有限。
变桨轴承的启动力矩 所谓变桨轴承的启动力矩就是在变桨轴承空载时， 能够使变桨轴承内圈相对于轴承外圈发生相对转动时的 力矩值。变桨轴承的启动力矩是变桨轴承的一个最重要 的性能指标，国电变桨轴承的启动力矩要求是在2000nm 至5000nm，启动力矩是衡量变桨轴承负游隙程度的外在 反馈，如果变桨轴承的启动的力矩大小不合适，那么会 有如下结果产生。
叶片的几何形状
风力发电机组风轮叶片的外形轮廓是基于空气动 力学考虑设计的，叶片的横截面是具有非对称的流线 形状，迎风缘扁平。气动外形确立后，叶片要具有足 够的强度和刚度。叶片的型腔是空心的，是由两个壳 体粘接在一起构成的，上壳面是吸力面，下壳面是压 力面为使叶片有足够的强度和刚度，叶片型腔内有腹 板与上下大梁粘接，形成箱型端面结构。从结构力学 角度讲，叶片的腹板起到一个类似于梁的作用，简单 的梁理论在结构分析时可以用于模化叶片，从而确定 叶片的整体强度。
水平轴风力发电机
叶片的数量
对于水平轴风力发电机来说，三叶片风力发电机 组是最常见的。相对于三叶片，双叶片和单叶片也有 它们的优点，可以节约成本减少风轮的重量。然而， 以保证同尺寸的三叶片风力发电机具有同样的出力， 使用的叶片越少，旋转速度就越高，或者叶片弦长就 越长。采用单叶片或双叶片还会由于惯性的变化导致 载荷的波动，这取决于叶片是在水平位置还是在垂直 位置，以及叶片位于上端及下端位置时的风速变化。
根据叶片叶形的特点和变桨控制系统的要求，安 装时叶片的0°刻线与变桨轴承的0°位置对齐，如图 所示，该位置也是外界条件达不到切入风速或风机停 机检修时，风机顺桨的位置。
见《风机运行到停机视频》
目前1.5MW风力发电机组所采用的一般是40.25m或 42m的玻璃钢材质的叶片，由于配重等因素的影响，每 片叶片的重量在6.2T-6.3T,因此叶片自重会对变桨轴 承产生巨大的转矩，在风机运行的过程中，叶片会在 风力的作用下产生一定的形变，从而变桨轴承会受到 一个叶片所给的弹力（记为F风） ，下图为某变桨位 置时变桨轴承受力示意图。
重要的是靠近轮毂的叶片截面要承受来自叶 片其他部位的力和应力。因此，靠近叶根部叶片 翼型既厚又宽，同时沿叶片展向叶片翼型逐渐变 薄，以获得较好的气动性能。随着沿叶尖方向叶 片速度的增加，升力沿叶尖增加，叶片弦宽沿叶 尖方向逐步减小，抵消了这种效应。换句话说， 叶片从叶根某一部位到叶尖成锥度变化，一般而 言，翼型变化兼顾叶片强度和空气动力特性。在 叶根处，翼型通常较窄且成管状与轮毂连接。
（二）变桨轴承的启动力矩过大，即变桨轴承内 外圈与滚子之间负游隙接触程度大，那么在变桨时需变 桨电机提供更大的转矩才能实现变桨轴承内外圈的相对 运动，提高了对变桨电机的要求，增加了变桨装置的成 本，再者，较大的启动力矩会加大変桨轴承滚子与沟道 间的磨损速度，也会减少変桨轴承的使用寿命。
第三节
轮毂
风轮扫风面积为：
有
A = 3448 m2
叶轮扫风半径为：
R = 35 (米)
以上计算均是在理想条件下进行，现实条 件下空气密度彼此会有差异，各个效率因数也 会由于某种特定的原因被减小，因此考虑到实 际情况1.5MW风力发电机的叶片在理论计算值 给出后会给出一定的补偿，综合各因素，我公 司的1.5MW风力发电机组叶片的长度选取一般 为40.3m和42m。
第二节
变桨轴承的结构
变桨轴承
变桨轴承是连接连 接叶片和轮毂的重要部件， 除此之外，变桨的驱动装置 能够为变桨轴承提供一定的 偏转力矩，使变桨轴承内圈 和外圈之间产生相对转动， 实现叶片迎风角度的改变， 即所谓的变桨过程。
变桨轴承通过螺栓穿过位于轴承外圈的螺栓孔与轮 毂连接在一起，位于轴承外圈周向上开有若干排润滑 孔，润滑油脂通过这些润滑孔对变桨轴承的滚子和沟 道进行润滑，保证变桨轴承的使用寿命，在变桨轴承 的内圈和外圈之间有两道橡胶密封圈，对沟道中的润 滑油脂进行密封，叶片固定在变桨轴承的内圈上。 变桨驱动电机通过变桨减速机把提供的变桨扭矩作 用在变桨轴承的内齿上，从而实现变桨轴承内圈与外 圈的相对转动。
采用锁紧套连接主轴和齿轮箱时，必须保证齿轮 箱是柔性连接在机架上，即齿轮箱是通过弹性支撑与 机架连接，与此同时也要求齿箱与发电机之间也是柔 性连接。所谓的锁紧套就是一个带有锥度的轴套，在 锁紧套的端面周向上有锁紧螺栓，装配时松开锁紧螺 栓，然后穿上主轴，最后拧紧螺栓把主轴锁紧即可。 我公司就是采用锁紧套连接主轴和齿轮箱的。
联合动力风电研修学院
课程名称
1.5MW风力发电机组传动系统
讲师：马立豪（技术部）
学习·实践·分享
STUDY.PRACTICE.SHARE
培训容：
第一章 叶轮
第二章 传动链 第三章 液压及刹车系统 第四章 偏航系统 第五章 变桨、偏航自动润滑系统
第一章
第一节 叶片
叶轮
不同的叶片形状会影响风力发电机组传 动轴的布置方式，根据风力发电机组传动轴 的不同布置方式可将风力发电机组分为两种：
风力发电机可能承受较大的瞬间载荷。因此必须 考虑所选用的结构材料是否具有必须的柔性。如果风力 发电机是在低温环境下运行，那么这一点就更显得十分 重要。由于腐蚀可能会造成设定的抗疲劳能力大幅减小 ，所以必须确保主轴的防腐能力。必须采取合适的质量 保证措施，保证设计的几何和力学性能得到满足，如表 面粗糙度、材料各性能参数的规定值得到满足。材料的 不完美性不能超过限制水平。
风轮叶片的重要参数
叶片的叶尖速比是用来表述风力发电机组 叶片特性的一个十分重要的参数。它等于叶片 顶端的线速度与风接触叶片之前很远距离上的 速度之比。叶片越长，或者叶片转速越快，同 风速下的叶尖速比就越大。下图是不同叶形和 不同叶片数量的风力发电机叶尖速比概况。
早期的风力发电机组包括多叶片的设计，这些 风力发电机组的风轮都有较高的密实度，所谓的密实 度就是叶片面积与风轮扫风面积之比。 这样高密实度的风轮的缺点是成本高，在极端风 速下，如飓风条件下，会产生过量的力。为了限制在 极端风速下出现这种不希望的现象，同时增加采风效 率，现代的风力发电机组采用较少、较长、较瘦的叶 片，也就是选择尽量小的密实度设计。为了对这种较 瘦的叶片进行功率补偿，现代风力发电机需要在较高 的叶尖速度下运行。