南京工业大学风力发电原理-第四章ppt课件

风力发电原理谭剑锋第四章 风力发电机组结构风力发电原理谭剑锋第四章 风力发电机组结构第三章 风能转换原理需要掌握：需要掌握：水平轴风力机基本结构机舱、机架与偏航系统风轮基本结构风力机传动系统塔架与基础第三章 风能转换原理需要掌握：水平轴风力机基本结构机舱、机架一、风力机基本结构一、风力机基本结构 n风力机主要部件风力机主要部件风轮风轮机舱机舱塔架塔架基础基础叶片叶片桨毂桨毂增速器增速器发电机发电机偏航系统偏航系统制动系统制动系统风风力力机机一、风力机基本结构 风力机主要部件风轮机舱塔架基础叶片增速器 水平轴风力机主要由以下几部分组成：水平轴风力机主要由以下几部分组成：叶片、机舱、轮毂、调速叶片、机舱、轮毂、调速器、调向装置、传动机构、机械刹车装置和塔架器、调向装置、传动机构、机械刹车装置和塔架等。等。一、风力机基本结构一、风力机基本结构 水平轴风力机主要由以下几部分组成：叶片、机舱、轮毂、调一、风力机基本结构一、风力机基本结构 n双馈风力发电机系统结构双馈风力发电机系统结构一、风力机基本结构 双馈风力发电机系统结构风轮的气动性能风轮的气动性能:吸收和转化吸收和转化风能的性能风能的性能功率特性功率特性是反映风电机组基本是反映风电机组基本性能的重要指标，用风电机组性能的重要指标，用风电机组输出功率随风速的变化曲线来输出功率随风速的变化曲线来表示。功率曲线直接影响风电表示。功率曲线直接影响风电机组的年发电量。机组的年发电量。理论风功率与风速的三次方成正比，理想风轮只能吸收部分风功理论风功率与风速的三次方成正比，理想风轮只能吸收部分风功率，实际风电机组的风轮不满足理想风轮条件，并且存在各种损率，实际风电机组的风轮不满足理想风轮条件，并且存在各种损失，其风能吸收数量低于贝茨极限。失，其风能吸收数量低于贝茨极限。n风电机组的基本性能风电机组的基本性能一、风力机基本结构一、风力机基本结构 风轮的气动性能:吸收和转化风能的性能理论风功率与风速的三次方n四个运行阶段四个运行阶段1234一、风力机基本结构一、风力机基本结构 不并网发电不并网发电并网发电并网发电额定功率额定功率脱网停机脱网停机四个运行阶段1234一、风力机基本结构 不并网发电并网发电额 水平轴风力机水平轴风力机:叶片围绕一个水平轴旋转，旋转平面与风向垂直叶片围绕一个水平轴旋转，旋转平面与风向垂直 n按功率调节方式划分按功率调节方式划分 定桨距风力机定桨距风力机变桨距风力机变桨距风力机主动失速型风力机主动失速型风力机垂直轴风力机垂直轴风力机：风轮围绕一个垂直轴进行旋转。：风轮围绕一个垂直轴进行旋转。风速风速额定风速额定风速，功率，功率额定功率，额定功率，控制气动功率控制气动功率控制方式：升力和阻力主要取决于风速和攻角控制方式：升力和阻力主要取决于风速和攻角，通过，通过调整攻调整攻角角，可以改变叶片的升力和阻力比例，可以改变叶片的升力和阻力比例，实现功率控制实现功率控制。n按风轮结构划分按风轮结构划分 一、风力机基本结构一、风力机基本结构 水平轴风力机:叶片围绕一个水平轴旋转，旋转平面与风向垂直定桨距风力机定桨距风力机:叶片固定在轮毂上，桨距角不变，叶片固定在轮毂上，桨距角不变，风力机风力机的功率调节完全依靠叶片的失速性能的功率调节完全依靠叶片的失速性能。风速。风速 额定风速，额定风速，在叶片后端失速，使升力系数下降，阻力系数增加，从而在叶片后端失速，使升力系数下降，阻力系数增加，从而限制了机组功率的进一步增加。限制了机组功率的进一步增加。优点优点:结构简单。结构简单。缺点缺点:不能保证超过额定风速区段的输出功率恒定不能保证超过额定风速区段的输出功率恒定，并且，并且由于阻力增大由于阻力增大,导致叶片和塔架等部件承受的载荷相应增导致叶片和塔架等部件承受的载荷相应增大。由于桨距角不能调整，大。由于桨距角不能调整，没有气动制动功能没有气动制动功能，因此定桨，因此定桨距叶片在叶尖部位需要设计专门的制动机构。距叶片在叶尖部位需要设计专门的制动机构。一、风力机基本结构一、风力机基本结构 定桨距风力机:叶片固定在轮毂上，桨距角不变，风力机的功率调变桨距风力机：变桨距风力机：叶片和轮毂不是固定连接，叶片和轮毂不是固定连接，叶片桨距角可调叶片桨距角可调。额定风速，通过额定风速，通过增大叶片桨距角增大叶片桨距角，使攻角减小，以改变叶片，使攻角减小，以改变叶片升力与阻力的比例，达到限制风轮功率的目的，使机组能够升力与阻力的比例，达到限制风轮功率的目的，使机组能够在额定功率附近输出电能。在额定功率附近输出电能。优点：优点：高于额定风速区域可以获得稳定的功率输出高于额定风速区域可以获得稳定的功率输出。缺点：缺点：需要变桨距调节机构，设备结构复杂，可靠性降低。需要变桨距调节机构，设备结构复杂，可靠性降低。目前的大型兆瓦级风电机组普遍采用变桨距控制技术。目前的大型兆瓦级风电机组普遍采用变桨距控制技术。一、风力机基本结构一、风力机基本结构 变桨距风力机：叶片和轮毂不是固定连接，叶片桨距角可调。额定主动失速型风力机主动失速型风力机：工作原理相当于以上两种形式的组合。工作原理相当于以上两种形式的组合。利用利用叶片的失速特性实现功率调节叶片的失速特性实现功率调节，叶片与轮毂不是固定连，叶片与轮毂不是固定连接，叶片可以相对轮毂转动，实现桨距角调节。当机组达到接，叶片可以相对轮毂转动，实现桨距角调节。当机组达到额定功率后，使叶片向桨距角向减小的方向转过一个角度，额定功率后，使叶片向桨距角向减小的方向转过一个角度，增大来风攻角，使叶片增大来风攻角，使叶片主动进入失速状态主动进入失速状态，从而限制功率。，从而限制功率。优点优点：改善了被动失速机组功率调节的不稳定性。改善了被动失速机组功率调节的不稳定性。缺点：缺点：增加了桨距调节机构，使设备变得复杂。增加了桨距调节机构，使设备变得复杂。一、风力机基本结构一、风力机基本结构 主动失速型风力机：工作原理相当于以上两种形式的组合。利用叶片并网风电机组所用交流发电机的并网风电机组所用交流发电机的同步转速为同步转速为 为发电机磁极对数；为发电机磁极对数；为电网频率，为电网频率，50Hz。要求：要求：50Hz交流电交流电风轮转速较低风轮转速较低，约，约1020r/min发电机转子发电机转子 约约1500r/min（p=2）解决方法：解决方法：增速增速 or 增大极对数增大极对数一、风力机基本结构一、风力机基本结构 并网风电机组所用交流发电机的同步转速为一、风力机基本结构 高传动比齿轮箱型：高传动比齿轮箱型：优点：优点：由于极对数小，结构简单，体积小；由于极对数小，结构简单，体积小；缺点：缺点：传动系统结构复杂，齿轮箱设计、运行维护复杂，容传动系统结构复杂，齿轮箱设计、运行维护复杂，容易出故障。易出故障。直接驱动型：直接驱动型：采用多级同步风力发电机，让风轮直接带动发采用多级同步风力发电机，让风轮直接带动发电机低速旋转。电机低速旋转。优点：优点：没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护成本大没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护成本大等，提高了运行可靠性。等，提高了运行可靠性。缺点：缺点：发电机极对数高，体积比较大，结构复杂。发电机极对数高，体积比较大，结构复杂。半直驱型半直驱型：上述两种类型的综合。中传动比型风力机减少了上述两种类型的综合。中传动比型风力机减少了传统齿轮箱的传动比，同时也相应减少了多极同步风力发电传统齿轮箱的传动比，同时也相应减少了多极同步风力发电机的极数，从而减少了发电机的体积。机的极数，从而减少了发电机的体积。n按传动形式划分按传动形式划分 一、风力机基本结构一、风力机基本结构 高传动比齿轮箱型：按传动形式划分 一、风力机基本结构一、风力机基本结构一、风力机基本结构 一、风力机基本结构 恒速型风力机：恒速型风力机：发电机转速恒定不变，不随风速的变化而发电机转速恒定不变，不随风速的变化而变化。变化。变速型风力机：变速型风力机：发电机工作转速随风速时刻变化而变化。发电机工作转速随风速时刻变化而变化。主流大型风力发电机组基本都采用变速恒频运行方式。主流大型风力发电机组基本都采用变速恒频运行方式。多态定速风力机：多态定速风力机：发电机组中包含两台或多台发电机，根发电机组中包含两台或多台发电机，根据风速的变化，可以有不同大小和数量的发电机投入运行据风速的变化，可以有不同大小和数量的发电机投入运行 n按发电机转速变化划分按发电机转速变化划分 一、风力机基本结构一、风力机基本结构 恒速型风力机：发电机转速恒定不变，不随风速的变化而变化。沿海风场风况和环境条件与陆地风场存在差别，海上风沿海风场风况和环境条件与陆地风场存在差别，海上风电机组具有一些特殊性：电机组具有一些特殊性：1)1)适合选用大容量风电机组适合选用大容量风电机组。海上风速通常比沿岸陆地海上风速通常比沿岸陆地高，风速比较稳定，不受地形影响，风湍流强度和风切变都高，风速比较稳定，不受地形影响，风湍流强度和风切变都比较小，并且具有稳定的主导风向。在相同容量下，海上风比较小，并且具有稳定的主导风向。在相同容量下，海上风电机组的塔架高度比陆地机组低。电机组的塔架高度比陆地机组低。陆地风电机组陆地风电机组海上风电机组海上风电机组 一、风力机基本结构一、风力机基本结构 沿海风场风况和环境条件与陆地风场存在差别，海上风 2)2)风电机组安全可靠性要求更高风电机组安全可靠性要求更高。海上风电场遭遇极端气象海上风电场遭遇极端气象条件的可能性大；条件的可能性大；海上风电场与海浪、潮汐具有较强的耦合作海上风电场与海浪、潮汐具有较强的耦合作用；用；海上风电机组长期处在含盐湿热雾腐蚀环境中海上风电机组长期处在含盐湿热雾腐蚀环境中 海上风电机组结构，尤其是叶片材料的耐久性问题极为重要。海上风电机组结构，尤其是叶片材料的耐久性问题极为重要。3)3)基础形式与陆地风电机组有巨大差别基础形式与陆地风电机组有巨大差别。由于不同海域的水由于不同海域的水下情况复杂、基础建造需要综合考虑海床地质结构、离岸距离、下情况复杂、基础建造需要综合考虑海床地质结构、离岸距离、风浪等级、海流情况等多方面影响，因此海上风电机组复杂，用风浪等级、海流情况等多方面影响，因此海上风电机组复杂，用于基础的建设费用也占较大比例。于基础的建设费用也占较大比例。海上风电在风资源评估、机组安装、运行维护、设备监控、海上风电在风资源评估、机组安装、运行维护、设备监控、电力输送等许多方面都与陆地风电存在差异，技术难度大、建设电力输送等许多方面都与陆地风电存在差异，技术难度大、建设成本高。成本高。一、风力机基本结构一、风力机基本结构 2)风电机组安全可靠性要求更高。海上风电场遭遇极端二、风力机主要参数二、风力机主要参数风电机组的性能和技术规格可以通过一些主要参数反映。风电机组的性能和技术规格可以通过一些主要参数反映。二、风力机主要参数风电机组的性能和技术规格可以通过一些主要参二、风力机主要参数二、风力机主要参数二、风力机主要参数 风轮直径风轮直径D：决定风轮扫掠面积的大小以及叶片的长度，：决定风轮扫掠面积的大小以及叶片的长度，是影响机组容量大小和机组性价比的主要因素之一。是影响机组容量大小和机组性价比的主要因素之一。根据贝茨理论，风轮从自然风中获取的功率为根据贝茨理论，风轮从自然风中获取的功率为 式中，式中，S为风轮的扫掠面积，为风轮的扫掠面积，D增加，则其扫掠面积与增加，则其扫掠面积与D2成比例增加，其获取的风功成比例增加，其获取的风功率也相应增加。率也相应增加。风轮直径与扫掠面积风轮直径与扫掠面积一一.主要参数主要参数二、风力机主要参数二、风力机主要参数 风轮直径D：决定风轮扫掠面积的大小以及 风电机组风轮直径和相应功率的发展变化情况。早期风电机组风轮直径和相应功率的发展变化情况。早期的风电机组直径很小，额定功率也相对较低，大型兆瓦机的风电机组直径很小，额定功率也相对较低，大型兆瓦机组的风轮直径在组的风轮直径在7080m范围，目前风轮直径超过范围，目前风轮直径超过100m、额定功率超过若干兆瓦的风电机组投入商业运行。额定功率超过若干兆瓦的风电机组投入商业运行。二、风力机主要参数二、风力机主要参数 风电机组风轮直径和相应功率的发展变 风轮高度是指风轮轮毂中心离地面的高度，是风电机组设风轮高度是指风轮轮毂中心离地面的高度，是风电机组设计时要考虑的一个重要参数。计时要考虑的一个重要参数。由于由于风剪切特性风剪切特性，离地面越高，风速越大，具有的风能也，离地面越高，风速越大，具有的风能也越大，因此大型风电机组的发展趋势是轮毂高度越来越高。但越大，因此大型风电机组的发展趋势是轮毂高度越来越高。但是轮毂高度增加，所需要的塔架高度也相应增加，当塔架高度是轮毂高度增加，所需要的塔架高度也相应增加，当塔架高度达到一定水平时，设计、制造、运输和安装等方面都将产生新达到一定水平时，设计、制造、运输和安装等方面都将产生新的问题，也导致风电机组成本相应增加。的问题，也导致风电机组成本相应增加。n轮毂高度轮毂高度 二、风力机主要参数二、风力机主要参数 风轮高度是指风轮轮毂中心离地面的高度，是风电机组 选择风轮叶片数选择风轮叶片数B B 时要考虑风电机组的时要考虑风电机组的性能和载荷、风轮和传性能和载荷、风轮和传动系统的成本、风力机气动噪声及景观效果等因素动系统的成本、风力机气动噪声及景观效果等因素。采用不同的叶片数，对风电机组的气动性能和结构设计都将采用不同的叶片数，对风电机组的气动性能和结构设计都将产生不同的影响。产生不同的影响。风轮的风能转换效率取决于风轮的功率系数风轮的风能转换效率取决于风轮的功率系数。n叶片数叶片数 二、风力机主要参数二、风力机主要参数 选择风轮叶片数B 时要考虑风电机组的性能和载荷、风 多叶片风车的最佳叶尖速比较低，风轮转速可以很慢，因此多叶片风车的最佳叶尖速比较低，风轮转速可以很慢，因此也称为也称为慢速风轮慢速风轮。当然多叶片风轮由于功率系数很低，因而很。当然多叶片风轮由于功率系数很低，因而很少用于现代风电机组。少用于现代风电机组。现代水平轴风电机组风轮的功现代水平轴风电机组风轮的功率系数比垂直轴风轮高，其中率系数比垂直轴风轮高，其中三叶片风轮的功率系数最高，三叶片风轮的功率系数最高，其最大功率系数约为其最大功率系数约为0.470.47，对，对应叶尖速比约为应叶尖速比约为7 7；双叶片和；双叶片和单叶片风轮的风能转换效率略单叶片风轮的风能转换效率略低，其最大功率系数对应的叶低，其最大功率系数对应的叶尖速比也高于三叶片风轮，即尖速比也高于三叶片风轮，即在相同风速条件下，叶片数越在相同风速条件下，叶片数越少，风轮最佳转速越高，因此少，风轮最佳转速越高，因此有时也将单叶片和双叶片风轮有时也将单叶片和双叶片风轮称为高速风轮。称为高速风轮。二、风力机主要参数二、风力机主要参数 多叶片风车的最佳叶尖速比较低，风轮转速可以很慢，因叶片数越多，最大转矩叶片数越多，最大转矩系数值也越大系数值也越大，对应的，对应的叶尖速比也越小，表明叶尖速比也越小，表明起动转矩越大。起动转矩越大。风轮的作用是将风能转换成推动风轮旋转的机械转矩风轮的作用是将风能转换成推动风轮旋转的机械转矩转矩系数转矩系数：功率系数除以叶尖速比，：功率系数除以叶尖速比，衡量风轮转矩性能重要衡量风轮转矩性能重要参数参数转矩系数决定了传动系统中主轴及齿轮箱的设计。转矩系数决定了传动系统中主轴及齿轮箱的设计。二、风力机主要参数二、风力机主要参数叶片数越多，最大转矩系数值也越大，对应的叶尖速比也越小，表明两叶片两叶片：风轮制造成本降低，：风轮制造成本降低，脉动载荷脉动载荷大，风轮转速高，大，风轮转速高，空气空气 动力噪声大动力噪声大，视觉效果差。，视觉效果差。三叶片三叶片：性能比较好，载荷波动小，目前，水平轴风电机组以性能比较好，载荷波动小，目前，水平轴风电机组以 三叶片风轮为主三叶片风轮为主。风轮实度风轮实度：风轮叶片总面积与风轮扫掠面积的比值，常用于反映风轮叶片总面积与风轮扫掠面积的比值，常用于反映风轮的风能转换性能。风轮的风能转换性能。风轮的叶片数多，风轮的实度大，功率系数比较大，但功率曲线风轮的叶片数多，风轮的实度大，功率系数比较大，但功率曲线较窄，对叶尖速比的变化敏感。叶片数减小，风轮实度下降，其较窄，对叶尖速比的变化敏感。叶片数减小，风轮实度下降，其最大功率系数相应降低，但功率曲线也越平坦，对叶尖速比变化最大功率系数相应降低，但功率曲线也越平坦，对叶尖速比变化越不敏感。越不敏感。二、风力机主要参数二、风力机主要参数两叶片：风轮制造成本降低，脉动载荷大，风轮转速高，空气 二、最佳叶尖速比最佳叶尖速比。风电机组风轮的一个主要设计目标是尽可能多地吸收风能，风电机组风轮的一个主要设计目标是尽可能多地吸收风能，因此在因此在低于额定风速的区域，希望使风轮尽可能工作在最大低于额定风速的区域，希望使风轮尽可能工作在最大功率系数附近功率系数附近，即风轮转速与风速的比值尽可能保持在最佳，即风轮转速与风速的比值尽可能保持在最佳叶尖速比附近。叶尖速比附近。n风轮转速、叶尖速比风轮转速、叶尖速比 二、风力机主要参数二、风力机主要参数最佳叶尖速比。风轮转速、叶尖速比 二、风力机主要参数 以以1.5MW1.5MW风电机组为例，三叶片风轮，直径风电机组为例，三叶片风轮，直径77m77m，额定风，额定风速速12m/s12m/s为例。粗略估算风轮的额定转速。为例。粗略估算风轮的额定转速。设三叶片风轮对应的最佳叶片速比约为设三叶片风轮对应的最佳叶片速比约为7 7，风轮的额定转，风轮的额定转速约为速约为 实际风电机组的风轮转速范围的确定，还要考虑其他多种实际风电机组的风轮转速范围的确定，还要考虑其他多种因素，如所列机组的实际转速范围约在因素，如所列机组的实际转速范围约在111120r/min20r/min之间。之间。风轮转速除了影响风能吸收特性以外，还对风轮的机械转风轮转速除了影响风能吸收特性以外，还对风轮的机械转矩产生影响。当风电机组的额定功率和风轮直径确定后，风轮矩产生影响。当风电机组的额定功率和风轮直径确定后，风轮转速增加，则风轮转矩减小，因而作用在传动系统上的载荷也转速增加，则风轮转矩减小，因而作用在传动系统上的载荷也相应减小，并使齿轮箱的增速比降低。相应减小，并使齿轮箱的增速比降低。二、风力机主要参数二、风力机主要参数 以1.5MW风电机组为例，三叶片风轮，直径77 风轮锥角风轮锥角:叶片与风轮旋转轴相垂叶片与风轮旋转轴相垂直的平面的夹角。直的平面的夹角。风轮仰角：风轮仰角：风轮主轴与水平面的夹风轮主轴与水平面的夹角。角。由于叶片为细长柔性体结构，由于叶片为细长柔性体结构，在其旋转过程中，受风载荷和离在其旋转过程中，受风载荷和离心载荷的作用，叶片将发生弯曲心载荷的作用，叶片将发生弯曲变形，风轮锥角和仰角的主要作变形，风轮锥角和仰角的主要作用是防止叶片在发生弯曲变形状用是防止叶片在发生弯曲变形状态下，其叶尖部分与塔架发生碰态下，其叶尖部分与塔架发生碰撞。撞。n风轮锥角和风轮仰角风轮锥角和风轮仰角 二、风力机主要参数二、风力机主要参数叶片受力分析叶片受力分析 风轮锥角:叶片与风轮旋转轴相垂直的平面的夹角。风轮锥角和 偏航角偏航角：通过风轮主轴的铅垂面与风速在水平面上的分量的夹通过风轮主轴的铅垂面与风速在水平面上的分量的夹角。角。风电机组在运行过程中，根据测量的风速方向，通过偏航风电机组在运行过程中，根据测量的风速方向，通过偏航系统对风轮的方向进行调整，使其始终保持正面迎向来风方向，系统对风轮的方向进行调整，使其始终保持正面迎向来风方向，以获得最大风能吸收率。以获得最大风能吸收率。n偏航角偏航角 二、风力机主要参数二、风力机主要参数 偏航角：通过风轮主轴的铅垂面与风速在水平面上的分量的风电机组设计和选型的主要影响因素：风电机组设计和选型的主要影响因素：风场条件风场条件（风况条件、（风况条件、地理和气候环境特点等）地理和气候环境特点等）作用：降低风电机组的设计成本，增加风电机组的竞争力。作用：降低风电机组的设计成本，增加风电机组的竞争力。分类参数：分类参数：风速和湍流状态参数风速和湍流状态参数参考手册：风电机组相关设计标准参考手册：风电机组相关设计标准(IEC64000-1)(IEC64000-1)四个级别：四个级别：三个标准级别三个标准级别(、)和一个特殊级别和一个特殊级别(S)(S)。二、二、风电机组设计级别风电机组设计级别 二、风力机主要参数二、风力机主要参数风电机组设计和选型的主要影响因素：风场条件（风况条件、地理和 风电机组分级标准依据风电机组分级标准依据风场的平均风速风场的平均风速和和湍流强度湍流强度两个主要参数。两个主要参数。1)为为10min参考平均风速参考平均风速，实际风场的，实际风场的10min平均风速值计算：平均风速值计算：三个标准级别机组所适用的风场的平均风速分别为：三个标准级别机组所适用的风场的平均风速分别为：I级机组：级机组：10m/s平平均风速；均风速；级机组：级机组：8.5m/s平均风速；平均风速；级机组：级机组：7.5m/s平均风速。平均风速。2)为风速在为风速在15 m/s时的时的湍流强度期望值湍流强度期望值，表中对每个标准机组级别，表中对每个标准机组级别都分为都分为A、B、C三种不同的风湍流状态，其湍流强度期望值分别为三种不同的风湍流状态，其湍流强度期望值分别为0.16、0.14和和0.12。即标准机组共有。即标准机组共有9个类型。个类型。3)还列出一个特殊级别还列出一个特殊级别S。二、风力机主要参数二、风力机主要参数风轮轮毂高度风轮轮毂高度 风电机组分级标准依据风场的平均风速和湍流强度三、风轮基本结构三、风轮基本结构 三、风轮基本结构 作用：将叶片力矩传递到发电机。作用：将叶片力矩传递到发电机。三、风轮基本结构三、风轮基本结构 叶片叶片 作用：将叶片力矩传递到发电机。三、风轮基本结构 叶片 风轮叶片主要实现风能的吸收，其形状决定了空气动风轮叶片主要实现风能的吸收，其形状决定了空气动力学特性，设计目标是最大可能吸收风能，同时使重量尽力学特性，设计目标是最大可能吸收风能，同时使重量尽可能减轻，降低制造成本。叶片应满足以下要求：可能减轻，降低制造成本。叶片应满足以下要求：良好的空气动力外形良好的空气动力外形，能够充分利用风电场的风资源条件，能够充分利用风电场的风资源条件，获得尽可能多的风能。获得尽可能多的风能。可靠的结构强度可靠的结构强度，具备足够的承受极限载荷和疲劳载荷能，具备足够的承受极限载荷和疲劳载荷能力；合理的叶片刚度、叶尖变形位移，避免叶片与塔架碰力；合理的叶片刚度、叶尖变形位移，避免叶片与塔架碰撞。撞。良好的结构动力学特性和气动稳定性良好的结构动力学特性和气动稳定性，避免发生共振和颤，避免发生共振和颤振现象，振动和噪声小。振现象，振动和噪声小。耐腐蚀、防雷击性能好耐腐蚀、防雷击性能好，方便维护。，方便维护。在满足上述目标的前提下，优化设计结构，在满足上述目标的前提下，优化设计结构，尽可能减轻叶尽可能减轻叶片重量片重量、降低制造成本。、降低制造成本。三、风轮基本结构三、风轮基本结构 风轮叶片主要实现风能的吸收，其形状风电机组叶片沿展向各段处的几何尺寸及剖面翼型都发生变化风电机组叶片沿展向各段处的几何尺寸及剖面翼型都发生变化原因原因：不同部位的圆周速度相差很大，导致来风的攻角相差很大：不同部位的圆周速度相差很大，导致来风的攻角相差很大1叶片几何形状及翼型叶片几何形状及翼型 三、风轮基本结构三、风轮基本结构 风电机组叶片沿展向各段处的几何尺寸及剖面翼型都发生变化1叶 叶片特征：叶片特征：展向展向:翼型、弦长、前缘和后缘形状、叶片扭角不断变化。翼型、弦长、前缘和后缘形状、叶片扭角不断变化。叶尖部位的扭角叶尖部位的扭角 切出风速时，切出风速时，变桨调节的风电机组通过对桨距角的调整变桨调节的风电机组通过对桨距角的调整可以实现气动制动可以实现气动制动。失速控制失速控制的风电机组，采用可旋转的的风电机组，采用可旋转的叶尖实现气动制动叶尖实现气动制动。3气动制动系统气动制动系统 三、风轮基本结构三、风轮基本结构 风速切出风速时，变桨调节的风电机组通过对桨距角的调整可以实 叶片载荷叶片载荷:拉力拉力、弯矩弯矩、转矩转矩、剪力剪力在在根端根端达到最大值达到最大值 传递到轮毂：关键在于叶片的根端连接设计。传递到轮毂：关键在于叶片的根端连接设计。玻璃钢弱点：玻璃钢弱点：层间剪切强度较低层间剪切强度较低，根端设计成为叶片设计成根端设计成为叶片设计成败的关键问题败的关键问题。叶片根端要求：叶片根端要求：剪切强度、挤压强度，与金属的胶接强度也剪切强度、挤压强度，与金属的胶接强度也要足够高，这些强度均低于其拉弯强度要足够高，这些强度均低于其拉弯强度，因此叶片的根端是，因此叶片的根端是危险的部位。危险的部位。4叶根连接叶根连接三、风轮基本结构三、风轮基本结构 叶片载荷:拉力、弯矩、转矩、剪力在根端达到最大值4 法兰连接法兰连接 金属盘上的附件与轮毂相连。金属盘上的附件与轮毂相连。预埋金属根端连接预埋金属根端连接 根端预埋一个金属根端根端预埋一个金属根端 优点：避免了对叶片根部结构层的加工损伤优点：避免了对叶片根部结构层的加工损伤，提高了根部连，提高了根部连 接的可靠性，也减小了法兰盘的重量。接的可靠性，也减小了法兰盘的重量。缺点：缺点：就是每个螺纹件的定位必须准确。就是每个螺纹件的定位必须准确。三、风轮基本结构三、风轮基本结构 法兰连接 金属盘上的附件与轮毂相连。三、风轮基本结构 叶片故障类型：叶片故障类型：表面腐蚀、雷击、覆冰、裂纹以及极端表面腐蚀、雷击、覆冰、裂纹以及极端风造成的叶片断裂风造成的叶片断裂等等。5叶片失效与防护措施叶片失效与防护措施三、风轮基本结构三、风轮基本结构 叶片故障类型：表面腐蚀、雷击、覆冰、裂纹以及极端 德国某公司对在德国安装的德国某公司对在德国安装的20000台风电机组的叶片故障统计台风电机组的叶片故障统计结果，其中结果，其中气动部件故障率约为气动部件故障率约为40%，导致风轮不平衡问题（气，导致风轮不平衡问题（气动不平衡、质量不平衡、不平衡超限）的故障也约占动不平衡、质量不平衡、不平衡超限）的故障也约占40%，风轮，风轮其他故障略低于其他故障略低于20%。三、风轮基本结构三、风轮基本结构 叶片失效形式叶片失效形式 德国某公司对在德国安装的20000台风电 叶片故障主要对叶片故障主要对叶片的气动性能、主轴不平衡以及振动和噪叶片的气动性能、主轴不平衡以及振动和噪声状态产生影响声状态产生影响。图为表面干净叶片和表面脏污叶片的功率特性，。图为表面干净叶片和表面脏污叶片的功率特性，脏污叶片导致叶片气动性能明显下降，输出功率减少。脏污叶片导致叶片气动性能明显下降，输出功率减少。叶片各类故障造成风轮叶片各类故障造成风轮旋转质量不平衡旋转质量不平衡，对叶片、变桨驱动，对叶片、变桨驱动电机、主轴，齿轮箱（裂缝、损坏）、发电机（阻尼线圈的磨损）电机、主轴，齿轮箱（裂缝、损坏）、发电机（阻尼线圈的磨损）、电子器件（没有紧紧固定的控制柜的振动）、偏航驱动、偏航、电子器件（没有紧紧固定的控制柜的振动）、偏航驱动、偏航制动以及塔筒和地基的裂缝都将产生影响。制动以及塔筒和地基的裂缝都将产生影响。三、风轮基本结构三、风轮基本结构 叶片故障主要对叶片的气动性能、主轴不平衡以三、风轮基本结构三、风轮基本结构 热膨胀性热膨胀性：叶片结构中使用了不同的材料，所以必须考虑叶片结构中使用了不同的材料，所以必须考虑各种材料热膨胀系数的不同，以免因温度变化而产生附加各种材料热膨胀系数的不同，以免因温度变化而产生附加应力，从而破坏叶片。应力，从而破坏叶片。密封性密封性：空心叶片应有很好的密封性，一旦密封失效，其空心叶片应有很好的密封性，一旦密封失效，其内必然形成冷凝水集聚，造成危害。可在叶尖、叶根各预内必然形成冷凝水集聚，造成危害。可在叶尖、叶根各预开一个小孔，以使叶片内部空间进行适当的通风，并排除开一个小孔，以使叶片内部空间进行适当的通风，并排除积水。需要注意的是小孔尺寸要适当，过大的孔径将气流积水。需要注意的是小孔尺寸要适当，过大的孔径将气流从内向外流动，产生功率损失，还将伴随产生噪声。从内向外流动，产生功率损失，还将伴随产生噪声。三、风轮基本结构 热膨胀性：叶片结构中使用了不同的材料雷击保护雷击保护：为了防止被雷电击毁、支撑发电机的塔架必须用良为了防止被雷电击毁、支撑发电机的塔架必须用良好的导线接地。复合材料制成的叶片，需要特殊的防雷装置。好的导线接地。复合材料制成的叶片，需要特殊的防雷装置。风力机叶片的防雷设计一般有风力机叶片的防雷设计一般有4 4种。大型复合材料叶片上种。大型复合材料叶片上预防措预防措施最好是在叶尖处沿整个翼型外围做一个金属的尖帽施最好是在叶尖处沿整个翼型外围做一个金属的尖帽，从叶尖，从叶尖向内延伸向内延伸8 8l0cml0cm。通过安装在叶片内部的金属导线连接到叶根。通过安装在叶片内部的金属导线连接到叶根部的柔性金属板上，并经过塔架内的接地系统，将雷击电流接部的柔性金属板上，并经过塔架内的接地系统，将雷击电流接地。地。三、风轮基本结构三、风轮基本结构 雷击保护：为了防止被雷电击毁、支撑发电机的塔架必须用良好的导 叶片除冰系统针对一些地区容易造成叶片覆冰的环境条叶片除冰系统针对一些地区容易造成叶片覆冰的环境条件，提出了多种解决覆冰问题的方案。如叶片表面采用特殊件，提出了多种解决覆冰问题的方案。如叶片表面采用特殊的防冰涂层、叶片中安装覆冰报警及除冰系统等。图为两种的防冰涂层、叶片中安装覆冰报警及除冰系统等。图为两种叶片除冰系统的概念设计示意图。叶片除冰系统的概念设计示意图。除冰系统除冰系统三、风轮基本结构三、风轮基本结构 叶片除冰系统针对一些地区容易造成叶片覆冰的环境条 轮毂轮毂是连接叶片与风轮转轴的部件，用于传递风轮力和力矩是连接叶片与风轮转轴的部件，用于传递风轮力和力矩到后面传动系统的机构。到后面传动系统的机构。分类分类：固定式轮毂：固定式轮毂、叶片之间相对固定铰链式轮毂叶片之间相对固定铰链式轮毂和和各叶片各叶片自由的铰链式轮毂自由的铰链式轮毂。1固定式轮毂固定式轮毂 特点：主轴与叶片长度方向夹角固定主轴与叶片长度方向夹角固定不变；制作成本低，维护少，不存在铰不变；制作成本低，维护少，不存在铰接叶片的磨损问题；但叶片上全部力和接叶片的磨损问题；但叶片上全部力和力矩都经轮毂传递到后续部件。力矩都经轮毂传递到后续部件。目前大型三叶片风轮常用结构目前大型三叶片风轮常用结构，轮毂形，轮毂形状比较复杂，通常采用球磨铸铁制成，状比较复杂，通常采用球磨铸铁制成，浇注方法容易成形与加工，球磨铸铁抗浇注方法容易成形与加工，球磨铸铁抗疲劳性能高。疲劳性能高。轮毂轮毂 三、风轮基本结构三、风轮基本结构 轮毂是连接叶片与风轮转轴的部件，用于传递风轮力和力矩到 铰链使两叶片之间固定连接，轴向相对位置不变，但可铰链使两叶片之间固定连接，轴向相对位置不变，但可绕铰链轴沿风轮拍向在设计位置做正负绕铰链轴沿风轮拍向在设计位置做正负5 51010的摆动，类的摆动，类似似跷跷板跷跷板。当来流速度在叶轮扫风面内上下有差别或阵风出。当来流速度在叶轮扫风面内上下有差别或阵风出现时，叶片的载荷使得叶片离开设计位置，若位于上部的叶现时，叶片的载荷使得叶片离开设计位置，若位于上部的叶片向前，则下方的叶片向后。由于两叶片在旋转过程中的驱片向前，则下方的叶片向后。由于两叶片在旋转过程中的驱动力矩变化很大，因此叶轮会产生很高的噪声。动力矩变化很大，因此叶轮会产生很高的噪声。叶片被悬挂的角度与风轮转速有关，转速越低，角度越大。叶片被悬挂的角度与风轮转速有关，转速越低，角度越大。具有这种铰链轮毂式的风轮具有具有这种铰链轮毂式的风轮具有阻尼器阻尼器的作用。当来流速度的作用。当来流速度变化时，叶片偏离原悬挂角度，其安装角也发生变化，一片变化时，叶片偏离原悬挂角度，其安装角也发生变化，一片叶片因安装角的变化升力下降，而另一片升力提高，因而叶片因安装角的变化升力下降，而另一片升力提高，因而产产生反抗风向变化的阻尼作用生反抗风向变化的阻尼作用。2叶片之间相对固定铰链式轮毂（早期应用）叶片之间相对固定铰链式轮毂（早期应用）三、风轮基本结构三、风轮基本结构 铰链使两叶片之间固定连接，轴向相对位 轮毂的每个叶片之间互不依赖，在外力作用下，可单独做调轮毂的每个叶片之间互不依赖，在外力作用下，可单独做调整运动。这种调整不但可做成仅具有拍向椎角的形式，还可以做整运动。这种调整不但可做成仅具有拍向椎角的形式，还可以做成拍向、挥向角度均可以变化的方式。成拍向、挥向角度均可以变化的方式。理论上讲，采用这种铰链结构可保持恒速运行。理论上讲，采用这种铰链结构可保持恒速运行。3.各叶片自由的铰链式轮毂各叶片自由的铰链式轮毂 三、风轮基本结构三、风轮基本结构 轮毂的每个叶片之间互不依赖，在外力作用下，可单独做 现代大型并网风电机组多数采用现代大型并网风电机组多数采用变桨距机组变桨距机组，其主要特，其主要特征是叶片可以相对轮毂转动，实现桨距角的调节。主要作征是叶片可以相对轮毂转动，实现桨距角的调节。主要作用：用：在在正常运行状态下正常运行状态下，当风速超过额定风速时，通过改变叶，当风速超过额定风速时，通过改变叶片桨距角，改变叶片的升力与阻力比，实现功率控制。片桨距角，改变叶片的升力与阻力比，实现功率控制。当当风速超过切出风速风速超过切出风速时，或者风电机组在运行过程出现故时，或者风电机组在运行过程出现故障状态时，迅速将桨距角从工作角度调整到顺桨状态，实障状态时，迅速将桨距角从工作角度调整到顺桨状态，实现紧急制动。现紧急制动。变桨机构变桨机构 三、风轮基本结构三、风轮基本结构 现代大型并网风电机组多数采用变桨距机组，其 叶片的变桨距操作通过变桨距系统实现。变桨距系统叶片的变桨距操作通过变桨距系统实现。变桨距系统按照驱动方式可以分为按照驱动方式可以分为液压变桨距液压变桨距系统和系统和电动变桨距电动变桨距系统，系统，按照变桨距操作方式可以分为按照变桨距操作方式可以分为同步变桨距同步变桨距系统和系统和独立变桨独立变桨距距系统。同步变桨距系统中，风轮各叶片的变桨距动作同系统。同步变桨距系统中，风轮各叶片的变桨距动作同步进行，而独立变桨距系统中，每个叶片具有独立的变桨步进行，而独立变桨距系统中，每个叶片具有独立的变桨距机构，变桨距动作独立进行。距机构，变桨距动作独立进行。变桨距机组的变桨角度范围为变桨距机组的变桨角度范围为0-90。正常工作时，叶。正常工作时，叶片桨距角在片桨距角在0附近，进行功率控制时，桨距角调节范围约附近，进行功率控制时，桨距角调节范围约为为0-25，调节速度一般为，调节速度一般为1/s左右。制动过程，桨距角从左右。制动过程，桨距角从0迅速调整到迅速调整到90左右，称为左右，称为顺桨位置顺桨位置，一般要求调节速度，一般要求调节速度较高，可达较高，可达15/s左右。机组起动过程中，叶片桨距角从左右。机组起动过程中，叶片桨距角从90快速调节到快速调节到0，然后实现并网。，然后实现并网。三、风轮基本结构三、风轮基本结构 叶片的变桨距操作通过变桨距系统实 叶片变桨距系统主要由叶片与轮毂间的旋转机构、变桨驱叶片变桨距系统主要由叶片与轮毂间的旋转机构、变桨驱动机构、执行机构、备用供电机构和控制系统组成。变桨距动机构、执行机构、备用供电机构和控制系统组成。变桨距系统的硬件安装在轮毂内部，图为变桨机构的基本构成。由系统的硬件安装在轮毂内部，图为变桨机构的基本构成。由电动机和减速器构成驱动机构和执行机构，叶片变桨旋转动电动机和减速器构成驱动机构和执行机构，叶片变桨旋转动作通过内啮合齿轮副实现。作通过内啮合齿轮副实现。三、风轮基本结构三、风轮基本结构 叶片变桨距系统主要由叶片与轮毂间的旋转机构 机舱内，布置有刹车制动器、传动机构（齿轮箱）、机舱内，布置有刹车制动器、传动机构（齿轮箱）、发电机、机座、调速器或限速器、调向装置等重要设备。发电机、机座、调速器或限速器、调向装置等重要设备。机舱通常采用重量轻、强度高、耐腐蚀的玻璃钢制作。机舱通常采用重量轻、强度高、耐腐蚀的玻璃钢制作。四、风力机传动系统四、风力机传动系统 机舱机舱 机舱内，布置有刹车制动器、传四、风力机传动系统四、风力机传动系统 四、风力机传动系统 机舱装配时需要注意，从风轮到负载各部件之间的联轴机舱装配时需要注意，从风轮到负载各部件之间的联轴器要精确对中。由于所有的器要精确对中。由于所有的力、力矩、振动通过风轮传动力、力矩、振动通过风轮传动装置作用在机舱结构装置作用在机舱结构上，反过来机舱结构的弹性变形又作上，反过来机舱结构的弹性变形又作为相应的耦合增载施加在主轴、轴承、机壳上。为减少这为相应的耦合增载施加在主轴、轴承、机壳上。为减少这些载荷，建议使用些载荷，建议使用弹性联轴器弹性联轴器。所有的联轴器既要承受风力机正常运行时所传递的力矩，所有的联轴器既要承受风力机正常运行时所传递的力矩，也要承受机械刹车的刹车力矩。为了避免联轴器被损坏和也要承受机械刹车的刹车力矩。为了避免联轴器被损坏和失效，应在设计中对联轴器的载荷和失效进行认真研究。失效，应在设计中对联轴器的载荷和失效进行认真研究。四、风力机传动系统四、风力机传动系统 机舱装配时需要注意，从风轮到负载各部件之间 传动系统用来连接风轮与发电机，将风轮产生的机械转传动系统用来连接风轮与发电机，将风轮产生的机械转矩传递给发电机，同时实现转速的变换。图为一种目前风矩传递给发电机，同时实现转速的变换。图为一种目前风电机组较多采用的带齿轮箱风电机组的传动系统结构示意电机组较多采用的带齿轮箱风电机组的传动系统结构示意图。包括图。包括风轮主轴（低速轴）、增速齿轮箱、高速轴（齿风轮主轴（低速轴）、增速齿轮箱、高速轴（齿轮箱输出轴）及机械刹车制动装置轮箱输出轴）及机械刹车制动装置等部件。整个传动系统等部件。整个传动系统和发电机安装在主机架上。作用在风轮上的各种气动载荷和发电机安装在主机架上。作用在风轮上的各种气动载荷和重力载荷通过和重力载荷通过主机架及偏航系统主机架及偏航系统传递给塔架。传递给塔架。n风电机组传动系统风电机组传动系统 四、风力机传动系统四、风力机传动系统 传动系统用来连接风轮与发电机，将风轮产生的四、风力机传动系统四、风力机传动系统 四、风力机传动系统 风轮主轴一端连接风轮轮毂，另一端连接增速齿轮箱的输入风轮主轴一端连接风轮轮毂，另一端连接增速齿轮箱的输入轴，用滚动轴承支撑在主机架上。风轮主轴的支撑结构形式与增轴，用滚动轴承支撑在主机架上。风轮主轴的支撑结构形式与增速齿轮箱的形式密切相关。按照支撑方式不同，主轴可以分为三速齿轮箱的形式密切相关。按照支撑方式不同，主轴可以分为三种结构形式。种结构形式。主轴支撑结构形式主轴支撑结构形式 风轮主轴风轮主轴 四、风力机传动系统四、风力机传动系统 风轮主轴一端连接风轮轮毂，另一端连接增速齿四、风力机传动系统四、风力机传动系统 独立轴承支撑结构。独立轴承支撑结构。主轴由前后两个独立安装在主机架上主轴由前后两个独立安装在主机架上的轴承支撑，共同承受悬臂风轮的重力载荷，轴向推力载的轴承支撑，共同承受悬臂风轮的重力载荷，轴向推力载荷由前轴承（靠近风轮）承受，只有风轮转矩通过主轴传荷由前轴承（靠近风轮）承受，只有风轮转矩通过主轴传递给齿轮箱。由于前轴承为主要承载部件，通常为减小悬递给齿轮箱。由于前轴承为主要承载部件，通常为减小悬臂风轮重力产生的弯矩，前轴承支撑尽可能靠近轮毂，并臂风轮重力产生的弯矩，前轴承支撑尽可能靠近轮毂，并通过增加前后轴承的间距调整轴承的载荷。通过增加前后轴承的间距调整轴承的载荷。优点优点：齿轮箱与主轴相对独立，便于标准齿轮箱和主轴支撑构件：齿轮箱与主轴相对独立，便于标准齿轮箱和主轴支撑构件缺点缺点：种主轴结构相对较长，制作成本较高。：种主轴结构相对较长，制作成本较高。四、风力机传动系统 独立轴承支撑结构。主轴由前后两个独立安四、风力机传动系统四、风力机传动系统 主轴前轴承独立安装在机架上，后轴承与齿轮箱内轴承做主轴前轴承独立安装在机架上，后轴承与齿轮箱内轴承做成一体，前轴承和齿轮箱两侧的扭转臂形成对主轴的三点成一体，前轴承和齿轮箱两侧的扭转臂形成对主轴的三点支撑，故也称为支撑，故也称为三点支撑式主轴三点支撑式主轴。这种主轴支撑结构形式这种主轴支撑结构形式在现代大型风电机组中较多采用在现代大型风电机组中较多采用。优点：主轴支撑的结构趋于紧凑，可以增加主轴前后支撑轴承的距离，有利于降低后支撑的载荷缺点：齿轮箱在传递转矩的同时承受叶片作用的弯矩。四、风力机传动系统 主轴前轴承独立安装在机架上，后轴承与齿四、风力机传动系统四、风力机传动系统 主轴轴承与齿轮箱集成形式主轴轴承与齿轮箱集成形式。主轴的前后支撑轴承与齿轮主轴的前后支撑轴承与齿轮箱做成整体。箱做成整体。优点优点：风轮通过轮毂法兰直接与齿轮箱连接，可以减小风轮的：风轮通过轮毂法兰直接与齿轮箱连接，可以减小风轮的悬臂尺寸，从而降低了主轴载荷。此外主轴装配容易、轴悬臂尺寸，从而降低了主轴载荷。此外主轴装配容易、轴承润滑合理。承润滑合理。缺点缺点：难于直接选用标准齿轮箱，维修齿轮箱必须同时拆除主：难于直接选用标准齿轮箱，维修齿轮箱必须同时拆除主轴。轴。四、风力机传动系统 主轴轴承与齿轮箱集成形式。主轴的前后支撑 从齿轮箱维修角度看，从齿轮箱维修角度看，主轴单独支撑，既便于与齿轮箱主轴单独支撑，既便于与齿轮箱分离，又能减轻齿轮箱的承载分离，又能减轻齿轮箱的承载，大大降低维修费用，较为，大大降低维修费用，较为合理。合理。制造主轴的材料一般选择制造主轴的材料一般选择碳素合金钢碳素合金钢，毛坯通常采用锻，毛坯通常采用锻造工艺。由于合金钢对应力集中的敏感性较高，轴结构设造工艺。由于合金钢对应力集中的敏感性较高，轴结构设计中注意减小应力集中，并对表面质量提出要求。各种热计中注意减小应力集中，并对表面质量提出要求。各种热处理、化学处理及表面强化处理，可显著提高主轴的机械处理、化学处理及表面强化处理，可显著提高主轴的机械性能。性能。四、风力机传动系统四、风力机传动系统 从齿轮箱维修角度看，主轴单独支撑，既便于 主要功能是主要功能是支撑机械旋转体支撑机械旋转体，用以降低设备在传动过程，用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数。中的机械载荷摩擦系数。主轴的前轴承主轴的前轴承需要承受需要承受风轮产生风轮产生的弯矩和推力的弯矩和推力，通常采用，通常采用双列滚动轴承作为径向与轴向支双列滚动轴承作为径向与轴向支撑撑。n主轴轴承主轴轴承 四、风力机传动系统四、风力机传动系统 主要功能是支撑机械旋转体，用以降低设备在传动过程 相对于其他工业齿轮箱，风电齿轮箱的设计条件比较相对于其他工业齿轮箱，风电齿轮箱的设计条件比较苛刻，同时也是机组的苛刻，同时也是机组的主要故障源之一主要故障源之一。传动条件传动条件 风电齿轮箱属于风电齿轮箱属于大传动比、大功率大传动比、大功率的增速传动装的增速传动装置，且需要承受多变的风载荷作用及其他冲击载荷；通常置，且需要承受多变的风载荷作用及其他冲击载荷；通常要求设计寿命不少于要求设计寿命不少于2020年；难以确定准确的设计载荷，而年；难以确定准确的设计载荷，而结构设计与载荷谱的匹配问题也是导致其故障的重要诱因。结构设计与载荷谱的匹配问题也是导致其故障的重要诱因。运行条件与环境运行条件与环境 风电齿轮箱常年运行于酷暑、严寒等极端风电齿轮箱常年运行于酷暑、严寒等极端自然环境条件，且安装在高空，维修困难。对构件材料还自然环境条件，且安装在高空，维修困难。对构件材料还要求要求低温状态下抗冷脆性低温状态下抗冷脆性等特性。由于风电机组长期处于等特性。由于风电机组长期处于自动控制的运行状态，需考虑对齿轮传动装置的自动控制的运行状态，需考虑对齿轮传动装置的充分润滑充分润滑条件及其监测条件及其监测，并具备适宜的加热与冷却措施，以保证润，并具备适宜的加热与冷却措施，以保证润滑系统的正常工作。滑系统的正常工作。特点：特点：增速齿轮箱增速齿轮箱 四、风力机传动系统四、风力机传动系统 相对于其他工业齿轮箱，风电齿轮箱设计与安装条件设计与安装条件 齿轮箱的体积和重量对风电机组其他部件齿轮箱的体积和重量对风电机组其他部件的载荷、成本具有影响，的载荷、成本具有影响，减小其设计结构和减轻重量显得减小其设计结构和减轻重量显得尤为重要尤为重要。但结构尺寸与可靠性方面的矛盾，往往使风电。但结构尺寸与可靠性方面的矛盾，往往使风电齿轮箱设计陷入两难境地。齿轮箱设计陷入两难境地。其他其他 一般需要在齿轮箱的输入端（或输出端）设置一般需要在齿轮箱的输入端（或输出端）设置机械制机械制动动装置，配合风轮的气动制动实现对机组的制动功能。但装置，配合风轮的气动制动实现对机组的制动功能。但制动产生的载荷对传动系统会产生不良影响，应考虑制动产生的载荷对传动系统会产生不良影响，应考虑防止防止冲击和振动措施冲击和振动措施，设置合理的传动轴系和齿轮箱体支撑。，设置合理的传动轴系和齿轮箱体支撑。其中，齿轮箱与主机架间一般不采用刚性连接，以降低齿其中，齿轮箱与主机架间一般不采用刚性连接，以降低齿轮箱产生的振动和噪声。轮箱产生的振动和噪声。四、风力机传动系统四、风力机传动系统 设计与安装条件 齿轮箱的体积和重量对风电机组其他部件的载荷四、风力机传动系统四、风力机传动系统 风电齿轮箱的风电齿轮箱的总体设计目标总体设计目标：满足传动效率、可靠性和工作寿命要求的前提下，以最小满足传动效率、可靠性和工作寿命要求的前提下，以最小体积和重量为目标，获得优化的传动方案体积和重量为目标，获得优化的传动方案。齿轮箱的结构设计过程，应以齿轮箱的结构设计过程，应以传递功率和空间限制传递功率和空间限制为前提，为前提，尽量选择简单、可靠、维修方便的结构方案。尽量选择简单、可靠、维修方便的结构方案。四、风力机传动系统 风电齿轮箱的总体设计目标：优点优点：具有传动比恒定、结构紧凑、传递功率大、传动效率高、：具有传动比恒定、结构紧凑、传递功率大、传动效率高、零部件使用寿命长等，零部件使用寿命长等，缺点缺点：制造和安装的成本高、吸振性差等。：制造和安装的成本高、吸振性差等。齿轮的传动比齿轮的传动比：主动齿轮与从动齿轮的：主动齿轮与从动齿轮的转速比，取决于从动齿轮与主动齿轮的转速比，取决于从动齿轮与主动齿轮的节圆半径之比，或从动齿轮与主动齿轮节圆半径之比，或从动齿轮与主动齿轮的齿数比的齿数比n、r、z分别表示转速、齿轮节圆半径和齿数，下标1、2分别表示主、从动齿轮。n齿轮传动概述齿轮传动概述 四、风力机传动系统四、风力机传动系统 优点：具有传动比恒定、结构紧凑、传递功率大、传动效率高、齿轮传动输出轴转矩与输入轴转矩的关系为齿轮传动输出轴转矩与输入轴转矩的关系为 对于增速齿轮，对于增速齿轮，n n2 2nn1 1，则有，则有M M2 2MM1 1。即。即齿轮箱实现增速齿轮箱实现增速的同时，也降低了输出转矩的同时，也降低了输出转矩。带增速齿轮箱作用：发电机转子转矩下降，增速比越大，转带增速齿轮箱作用：发电机转子转矩下降，增速比越大，转矩降低越多，矩降低越多，发电机转子直径减小发电机转子直径减小，制动力矩也比较小制动力矩也比较小。四、风力机传动系统四、风力机传动系统 齿轮传动输出轴转矩与输入轴转矩的关系为四、风力机传动 由于受结构和加工条件限制，由于受结构和加工条件限制，单级齿轮传动的传动比不能太单级齿轮传动的传动比不能太大大，而每个齿轮的齿数也不能太少。因此，在需要大传动比的，而每个齿轮的齿数也不能太少。因此，在需要大传动比的场合，采用场合，采用多级齿轮多级齿轮构成的轮系实现传动，轮系传动分为构成的轮系实现传动，轮系传动分为定轴定轴轮系传动和周转轮系传动轮系传动和周转轮系传动。定轴轮系中，所有齿轮的轴线位置不变，如果各轴线相互平定轴轮系中，所有齿轮的轴线位置不变，如果各轴线相互平行，则称为平面定轴轮系，或平行轴轮系。行，则称为平面定轴轮系，或平行轴轮系。四、风力机传动系统四、风力