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齿轮箱3.4调速装置3.5发电机3.6塔架3.7控制系统及附属部件第三讲风力发电机组的结构及组成按其容量划分小型（10KW以下)中型（10~100KW)大型（100KW以上））风力发电机组是将风能转化为电能的装置按其主轴与地面的相对位置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）3.1风力发电机组概述小型及大型风力发电机组水平轴及垂直轴风力发电机组3.2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、变桨距部分叶片轮毂风轮轴风轮的组成图风轮3.2.1风轮及其组成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。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1s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。231122VNmVAV23323112248VDNAVVDV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。238PVNNCNDVPCVDN328PCVNPC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。PC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新型复合材料叶片。复合材料叶片铝合金叶片钢梁玻璃纤维蒙皮叶片布蒙皮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3.2.1.1叶片发展趋势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。风力提水机的叶片风力发电机组的叶片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叶片材料选择要求运行要求材料特性可靠性物理属性可处理性回收再利用性经济性安全性良好的力学、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材料选择规则2纤维增强复合材料玻璃纤维复合材料碳纤维复合材料玻璃钢复合材料叶片的主要材料特性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4203.2.2轮毂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•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轮毂有固定式和铰链式两种主轴也称为低速轴，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。3.2.3主轴受力形式轴向力径向力转矩弯矩剪切力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主轴有较高的综合机械性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。3.3齿轮箱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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置。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，调速装置能使风轮顺桨(风向与风轮旋转平面平行)停机。3.4调速装置减少风轮迎风面积•侧翼装置•偏心装置•缩小风轮圆形迎风面积改变叶片翼型攻角值•配重(飞球)与弹簧配合装置•叶片重量与弹簧配合装置•变桨距调速装置利用空气在风轮圆周切线方向的阻力•阻力翼•阻尼板风力机调速装置调速原理侧翼及偏心装置调速原理示意图缩小风轮圆形迎风面积原理图发电机是将由风轮轴传来的机械能转变成电能的设备。3.5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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。3.6塔架塔架的基本形式单管拉线式衍架式塔架锥筒式塔架衍架拉线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3.7.1机舱3.7控制系统及附属部件风力机常年在野外运转狂风暴雨的袭击尘砂磨损和盐雾侵蚀为了使塔架上方的主要设备不受风沙的直接侵害罩壳——机舱3.7.2机头座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，安装孔的位置要精确回转体(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置相连，在风向变化时，机头便能水平地回转，使风轮迎风工作。3.7.3回转体大、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。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。制动装置是使风力发电机停止运转的装置(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。3.7.4制动装置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。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，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。3.7.5传动装置控制系统的功能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。3.7.6控制系统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。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？