风机基础知识介绍-部件
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（5）雷电保护 风力发电机的塔架一般有圆锥形钢结构和梯
形栅格钢结构两种。圆锥形钢结构内部安装楼梯、安全 线路、工作平台和照明系统。塔架基础采用地下钢筋混 凝土结构。随着塔身高度增加,风轮叶片遭受雷击的概率 也增加,必须设计防雷系统。如果风轮或机舱遭受雷击, 雷电保护系统会将雷电电流引入接地系统。
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齿轮箱 齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载 荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联 轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。
风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型 可分为圆柱齿轮增速箱、行星增速箱以及它们互相组合起 来的齿轮箱；按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱； 按照转动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以 及混合式等等。常用齿轮箱形式及其特点和应用见表
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• 轮毂 • 风力机叶片都要装在轮毂上。轮毂是风轮的枢纽, 也是叶片
根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力,都通过轮毂传递 到传动系统,再传到风力机驱动的对象。同时轮壳也是控制叶 片桨距(使叶片作俯仰转动) 的所在。
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（2）主传动系统 传动系统包括主轴、齿轮箱和联轴器。轮毂与主 轴固定连接，将风轮的扭矩传递给齿轮箱。有的风 力发电机组组将主轴与齿轮箱的输入轴合为一体。 大型风力发电机组风轮的转速一般在10~30r/min范 围内，通过齿轮箱增速到发电机的同步转速 1500r/min（或1000 r/min），经高速轴、联轴节驱 动发电机旋转。
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主轴
在风力发电机组中，主轴承担了支撑轮毂处传递过来的各种负载 的作用，并将扭矩转递给增速齿轮箱，将轴向推力、气动弯矩传 递给机舱、塔架。主轴前端法兰与轮毂相联接，将风轮的回转运 动传递给齿轮箱的低速轴。设计过程中应考虑主轴的轴向力、剪 力、弯矩及扭矩，进行强度初步分析计算。主轴的疲劳性能是非 常关键的，为此，要注意外形和结构细节设计，如应力卸载槽、 表面处理和加工工艺等。
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联轴器：大型风力发电机组通常采用浮动用齿式联轴器。齿式联 轴器按其外齿的轮齿在齿宽方向的截面形状，常用的是直齿和鼓 形齿。直齿加工简单，但允许倾斜角小，一般不大于30’，工作 时，容易产生轮齿端部受载，齿面磨损大，强度和寿命较低。鼓 形齿，允许倾斜角较大，一般可达2º左右。轮齿受力情况好，浮 动灵敏，强度和寿命较高。联轴器有单齿和双齿联轴器。 联轴器的倾斜角ω：
风轮
机舱
风力发 电机组
塔架
基础
图2-1外观结构组成
风力发 电机组
传动系 统 偏航系统
液压系统与制动系统
发电机
控制与安全系统 图2-2功能实现组成
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（1）风轮
风轮由轮毂和叶片组成，它的作用是将风能转换为 机械能，它由气动性能优异的叶片装在轮毂上组成，风轮 转子直径随着风力发电机功率的增大而增大。风轮按叶片 数可以分为单叶片、双叶片、三叶片和多叶片风轮，其中 三叶片风轮由于稳定性好，在并网型风力发电机组上得到 广泛应用。按照叶片能否围绕其纵向轴线转动，可以分为 定桨距风轮和变桨距风轮。定桨距风轮叶片与轮毂固定连 接，结构简单，但是承受的载荷较大。变桨距风轮的叶片 与轮毂通过轴承连接。虽然结构比较复杂，但能够获得较 好的性能，而且叶片承受的载荷较小，重量轻。
图中，E
图2-7联轴器结构原理
—被浮动构件的径向位移量L g；
—联轴器的长
度。联轴器的定心方式：有外径定心和齿侧定心。齿侧定心有自动定
心作用，有利于联轴器的齿间载荷分布。
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（3）发电机 发电机将风轮的机械能转换为电能，分为异步发电
机和同步发电机两种。异步发电机的转速取决于电网的频率， 只能在同步转速附近很小的范围内变化。当风速增加使齿轮 箱高速输出轴转速达到异步发电机同步转速时，机组并入电 网，向电网送电。风速继续增加，发电机转速也略为升高， 增加输出功率。达到额定风速后，由于风轮的调节，稳定在 额定功率不再增加。
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（6）控制系统及安全系统 风轮功率控制采用大功率整流逆变控制器,以及
有源滤波和无功补偿。信号处理通常有两个独立的计算机或 高速数字信号处理芯片。主机在地面控制室的开关柜内,从 机设在机舱内。所有来自传感器和变送器的输入信号都由从 机汇集和处理,再传送给主机。主机监控风轮所有的运行状 态。主机和从机间通过光纤达到可靠快速地交换信息。风力 发电机完全实现远程监控,从远程计算机可读取所有风轮数 据。
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偏航系统采用四点球轴承回转环,确保风轮处于正确的 风向位置。偏航操作由三个行星齿轮完成,每一个由电力电子控 制的电机驱动,这样偏航齿轮的负荷大小均匀。偏航制动由六个 液压制动器控制的大盘制动,且每一个偏航齿轮独立制动,整个 系统保证偏航控制平滑。当偏航结束,机舱就固定不动,而且偏 航齿轮也不承受负荷。偏航系统有两个独立的风向标检测风速 并送主计算机,保证风能最佳利用且驱动链应力最小。
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（4）偏航系统
偏航系统是水平轴风力发电机组的不可缺少的组成部分, 偏航系统的主要作用有两个： 其一是与风力发电机组的控制系统相配合，使风力发电 机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风 力发电机组的发电效率； 其二是提供必要的锁紧力矩， 以保障风力发电机组的安全运行
为了减少齿轮箱的传动损失和发生故障的概率，有的风力发电 机组组采用风轮直接驱动同步多极发电机，又称无齿轮箱风力 发电机组组。其发电机转速与风轮相同而且随着风速变化，风 轮可以转换更多的风能，所承受的载荷较小，减轻部件的重量。 缺点是这种发电机结构复杂，制造工艺要求很高，需要变流装 置才能与电网频率同步，经过转换又损失了能量。
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目录
• 第一部分：各系统部件介绍 • 第二部分：电控系统功能介绍 • 第三部分：风机传动系统 • 第四部分：风机偏航系统及液压系统
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第一部分：各系统部件介绍
大型风力发电机组从外观结构来说一般由图2-1所示部分组成； 从机组各部分所能实现的功能来说一般由图2-2所示部分组成；
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（5）雷电保护 风力发电机的塔架一般有圆锥形钢结构和梯
形栅格钢结构两种。圆锥形钢结构内部安装楼梯、安全 线路、工作平台和照明系统。塔架基础采用地下钢筋混 凝土结构。随着塔身高度增加,风轮叶片遭受雷击的概率 也增加,必须设计防雷系统。如果风轮或机舱遭受雷击, 雷电保护系统会将雷电电流引入接地系统。
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齿轮箱 齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载 荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联 轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。
风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型 可分为圆柱齿轮增速箱、行星增速箱以及它们互相组合起 来的齿轮箱；按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱； 按照转动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以 及混合式等等。常用齿轮箱形式及其特点和应用见表
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• 轮毂 • 风力机叶片都要装在轮毂上。轮毂是风轮的枢纽, 也是叶片
根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力,都通过轮毂传递 到传动系统,再传到风力机驱动的对象。同时轮壳也是控制叶 片桨距(使叶片作俯仰转动) 的所在。
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（2）主传动系统 传动系统包括主轴、齿轮箱和联轴器。轮毂与主 轴固定连接，将风轮的扭矩传递给齿轮箱。有的风 力发电机组组将主轴与齿轮箱的输入轴合为一体。 大型风力发电机组风轮的转速一般在10~30r/min范 围内，通过齿轮箱增速到发电机的同步转速 1500r/min（或1000 r/min），经高速轴、联轴节驱 动发电机旋转。
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主轴
在风力发电机组中，主轴承担了支撑轮毂处传递过来的各种负载 的作用，并将扭矩转递给增速齿轮箱，将轴向推力、气动弯矩传 递给机舱、塔架。主轴前端法兰与轮毂相联接，将风轮的回转运 动传递给齿轮箱的低速轴。设计过程中应考虑主轴的轴向力、剪 力、弯矩及扭矩，进行强度初步分析计算。主轴的疲劳性能是非 常关键的，为此，要注意外形和结构细节设计，如应力卸载槽、 表面处理和加工工艺等。
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联轴器：大型风力发电机组通常采用浮动用齿式联轴器。齿式联 轴器按其外齿的轮齿在齿宽方向的截面形状，常用的是直齿和鼓 形齿。直齿加工简单，但允许倾斜角小，一般不大于30’，工作 时，容易产生轮齿端部受载，齿面磨损大，强度和寿命较低。鼓 形齿，允许倾斜角较大，一般可达2º左右。轮齿受力情况好，浮 动灵敏，强度和寿命较高。联轴器有单齿和双齿联轴器。 联轴器的倾斜角ω：
风轮
机舱
风力发 电机组
塔架
基础
图2-1外观结构组成
风力发 电机组
传动系 统 偏航系统
液压系统与制动系统
发电机
控制与安全系统 图2-2功能实现组成
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（1）风轮
风轮由轮毂和叶片组成，它的作用是将风能转换为 机械能，它由气动性能优异的叶片装在轮毂上组成，风轮 转子直径随着风力发电机功率的增大而增大。风轮按叶片 数可以分为单叶片、双叶片、三叶片和多叶片风轮，其中 三叶片风轮由于稳定性好，在并网型风力发电机组上得到 广泛应用。按照叶片能否围绕其纵向轴线转动，可以分为 定桨距风轮和变桨距风轮。定桨距风轮叶片与轮毂固定连 接，结构简单，但是承受的载荷较大。变桨距风轮的叶片 与轮毂通过轴承连接。虽然结构比较复杂，但能够获得较 好的性能，而且叶片承受的载荷较小，重量轻。
图中，E
图2-7联轴器结构原理
—被浮动构件的径向位移量L g；
—联轴器的长
度。联轴器的定心方式：有外径定心和齿侧定心。齿侧定心有自动定
心作用，有利于联轴器的齿间载荷分布。
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（3）发电机 发电机将风轮的机械能转换为电能，分为异步发电
机和同步发电机两种。异步发电机的转速取决于电网的频率， 只能在同步转速附近很小的范围内变化。当风速增加使齿轮 箱高速输出轴转速达到异步发电机同步转速时，机组并入电 网，向电网送电。风速继续增加，发电机转速也略为升高， 增加输出功率。达到额定风速后，由于风轮的调节，稳定在 额定功率不再增加。
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（6）控制系统及安全系统 风轮功率控制采用大功率整流逆变控制器,以及
有源滤波和无功补偿。信号处理通常有两个独立的计算机或 高速数字信号处理芯片。主机在地面控制室的开关柜内,从 机设在机舱内。所有来自传感器和变送器的输入信号都由从 机汇集和处理,再传送给主机。主机监控风轮所有的运行状 态。主机和从机间通过光纤达到可靠快速地交换信息。风力 发电机完全实现远程监控,从远程计算机可读取所有风轮数 据。
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偏航系统采用四点球轴承回转环,确保风轮处于正确的 风向位置。偏航操作由三个行星齿轮完成,每一个由电力电子控 制的电机驱动,这样偏航齿轮的负荷大小均匀。偏航制动由六个 液压制动器控制的大盘制动,且每一个偏航齿轮独立制动,整个 系统保证偏航控制平滑。当偏航结束,机舱就固定不动,而且偏 航齿轮也不承受负荷。偏航系统有两个独立的风向标检测风速 并送主计算机,保证风能最佳利用且驱动链应力最小。
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（4）偏航系统
偏航系统是水平轴风力发电机组的不可缺少的组成部分, 偏航系统的主要作用有两个： 其一是与风力发电机组的控制系统相配合，使风力发电 机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风 力发电机组的发电效率； 其二是提供必要的锁紧力矩， 以保障风力发电机组的安全运行
为了减少齿轮箱的传动损失和发生故障的概率，有的风力发电 机组组采用风轮直接驱动同步多极发电机，又称无齿轮箱风力 发电机组组。其发电机转速与风轮相同而且随着风速变化，风 轮可以转换更多的风能，所承受的载荷较小，减轻部件的重量。 缺点是这种发电机结构复杂，制造工艺要求很高，需要变流装 置才能与电网频率同步，经过转换又损失了能量。
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• 第一部分：各系统部件介绍 • 第二部分：电控系统功能介绍 • 第三部分：风机传动系统 • 第四部分：风机偏航系统及液压系统
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第一部分：各系统部件介绍
大型风力发电机组从外观结构来说一般由图2-1所示部分组成； 从机组各部分所能实现的功能来说一般由图2-2所示部分组成；