风力发电机组的结构及组成

3.1 风力发电机组概述
小型（10KW以下)
按其容量划分
风力发电机组是将 风能转化为电能的 装臵 按其主轴与地面 的相对位臵
中型（10~100KW) 大型（100KW以上）
）
水平轴风力发电机组 （主轴与地面平行）
垂直轴风力发电机组 （主轴与地面垂直）
小型及大型风力发电机组
水平轴及垂直轴风力发电机组
3.7.5 传动装臵


风力发电机组的传动装臵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， 所以要增速(有的微型风力发电机组不设增速器而直 接连接)。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。 风轮轴与增速器之间也有用联轴器的，称低速联 轴器。
3.5 发电机
发电机是将由风轮轴传来的机械能转变成电能的 设备。
直流发电机
永磁发电机
同步交流发 电机
异步交流发 电机
3.6 塔架
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 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。
风力机调速装臵调速原理
减少风轮迎风面积
改变叶片翼型攻角值
• 侧翼装臵
• 偏心装臵 • 缩小风轮圆形迎风 面积
• 配重(飞球)与弹簧配 合装臵
• 叶片重量与弹簧配 合装臵
利用空气在风轮圆周 切线方向的阻力 • 阻力翼 • 阻尼板
• 变桨距调速装臵
侧翼及偏心装臵调速原理示意图
缩小风轮圆形迎风面积原理图
新能源 —风能技术及应用
主讲：张礼达 教授 助教：张慧珍 时间：2010年9月—11月 Email：zlida@126.com
第三讲 风力发电机组的结构及组成
3.1 风力发电机组概述 3.2 水平轴风力发电机组结构组成 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 齿轮箱 调速装臵 发电机 塔架 控制系统及附属部件
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 的风向过于敏感而导致风轮的频繁回转。
3.7.4 制动装臵

制动装臵是使风力发电机停止运转的装 臵(也称刹车系统)。对于微型和小型风力发 电机，可采用如图所示的刹车机构。

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 制动系统。 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 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 泵，电磁阀，液压油缸和管路等。
轮毂有固定式和铰链式两种
3.2.3 主轴
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 接，承力大而且复杂。
轴向 力 剪切 力 径向 力
受力 形式
弯矩 转矩
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
因此会产生循环疲劳
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主轴有较高的综合机械性
3.7.3 回转体
回转体(转盘)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 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 们之间的轴承和对风装臵相连， 在风向 变化时，机头便能水平地回转，使风轮 迎风工作。
大、中型风力机的回转体常借用塔式吊车上的回 转机构。 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 承受径向载荷。下面用推力轴承来承受机头的全部重 量。
3.2.1.1 叶片及叶片材料
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
叶片材料经历了木制叶片 布蒙皮叶片 钢梁玻璃纤维蒙皮叶片 铝合金叶片 复合材料叶片 新型复合材料叶片
。
3.2.1.1 叶片发展趋势
风力机风轮叶片向大功率、长叶片方向发展 风力机风轮叶片不断的更新设计，以有好的气动性能 碳纤维复合材料在风力机风轮叶片上的应用不断扩大 在风力机叶片上大量采用碳纤维复合材料，但是又取 决于碳纤维的价格
3.2 水平轴风力发电机组的结构
大型风电机组基本结构 1－叶片；2－轮毂；3－机舱；4－叶轮轴与主轴连接；5－主轴；6－齿 轮箱；7－刹车机构；8－联轴器；9－发电机；10－散热器；11－冷却风扇 ；12－风速仪和风向标；13－控制系统；14－液压系统；15－偏航驱动； 16－偏航轴承；17－机舱盖；18－塔架；19、变桨距部分
3.3 齿轮箱
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下， 为了实现风力机和发电机的匹配，采用增速齿轮箱。
齿轮箱的分类
圆柱齿轮箱 按传动的级数 按传统类型
单级齿轮箱
多级齿轮箱
行星齿轮箱
互相组合的 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
待机状态
没有发电（风速一般为0－3m/s），刹车释放
发电状态
发电状态Ⅰ：启动后，到额定风速前，刹车释放 发电状态Ⅱ：额定风速到切出风速
停车状态
故障停机方式；人工停机方式；紧急停机方式
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 风力机调速装臵的调速原理有哪些？ 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？
3.7.2 机头座
它用来支撑塔架上方的所有装臵及附属部件 它牢固与否将直接关系到风力机的安危与寿命 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， 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、 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，安装孔的位臵要精确
N N CP NV D 2 V 3 8
（3）
式中 CP 的值为0.2～0.5。
2 3 N D V C P 8
（4）
由式（3）得知：
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
因此，当风轮大小、工作风速一定时，应尽可能提 高CP 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。
4
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 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 维修简便，以节省大量人力物力 耐腐蚀性和耐气候性好 易于修补
21
3.2.2 轮毂
轮毂是将叶片和叶片组固定到转轴上的装臵。它 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 应力引起的焊缝疲劳 • 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。此外，还要考虑交变应力引起的焊缝疲 劳
3
玻璃钢叶片
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 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。钢金属材料制造， 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 很少选用木材或金属制造叶片，大多数采用玻璃 钢。
3.4 调速装臵
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； 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 的转速稳定地工作，风力发电机组上设有调速装臵。 调速装臵是在风速大于设计额定风速时才起作用 因此，又被称为限速装臵。当风速增至停机风速时， 调速装臵能使风轮顺桨(风向与风轮旋转平面平行) 停机。
运行要 求 安全性
材料特 性
经济性
叶片材 料选择 要求
可靠性
回收再 利用性
可处理 性
物理属 性
2
叶片材料选择规则
良好的力学、热学及化学特性
高硬度、高强度、低密度
使用寿命长、良好的耐腐蚀性 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
叶片的主要材料特性
纤维增强复合材料 玻璃纤维复合材料 碳纤维复合材料 玻璃钢复合材料
3.2.1 风轮及其组成
叶片
风轮
轮毂
风轮 轴
风轮的组成图
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 将能量送给传动装臵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。
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
单管拉线 式 衍架拉 线式塔 架
塔架的 基本形 式
锥筒式塔 架
衍架式 塔架
微型风力机 小，中型风 力机
中，大小型 风力机
大型风力机
3.7 控制系统及附属部件
3.7.1 机舱
风力机常年 在野外运转 狂风暴雨 的袭击
为了使塔架上方 的主要设备不受 风沙的直接侵害
尘砂磨损和 盐雾侵蚀
罩壳——机 舱

3.7.6 控制系统
控制系统的功能

控制系统利用DSP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 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 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。
控制系统的任务
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。
1 1 2 NV mV AV 3 2 2
（1）
若风轮的直径为D ，则
1 1 D2 3 2 3 NV AV 3 V D V 2 2 4 8 这些风能不可能全部被风轮捕获。
（2）
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 NV 之比，称为风轮功率系数(或风能利用系 数)，用CP 表示，即
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、 低密度以及较长使用寿命等优良特点的制造材料。
平板型
风力发电机 组的叶片 风力提水机 的叶片
叶片横截 面形状基 本类型
流线型
弧板型
常见的风力机叶片的横截面结构图
3.2.1.2 叶片材料选择的要求及选择规则