風力發(fā)電原理第三章

風力發(fā)電原理第三章1第1頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四風力機的類型風電機組主要參數(shù)及設計級別水平軸風力機構造第三章風力機分類和構成2第2頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四§3-1

風力機的類型

按容量劃分

小型風力機：容量小于60kW中型風力機：容量為70～600kW大型風力機：容量為600～1000kW（1MW）巨型風力機：容量大于1000kW。

單機容量越大，槳葉越長。2MW風力機葉片的直徑已經(jīng)達到72m，最長的葉片已經(jīng)做到50m，且隨著機組容量的增加會更長。3第3頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四4第4頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四按照風輪結構及其在氣流中的位置：水平軸風力機:葉片圍繞一個水平軸旋轉，旋轉平按風輪結構劃分按功率調節(jié)方式劃分

定槳距風力機變槳距風力機主動失速型風力機面與風向垂直。

垂直軸風力機:風輪圍繞一個垂直軸進行旋轉。當風速超過額定風速時，為了保證發(fā)電機的輸出功率維持在額定功率附近，需要對風輪葉片吸收的氣動功率進行控制。對于確定的葉片翼型，在風作用下產(chǎn)生的升力和阻力主要取決于風速和攻角，在風速發(fā)生變化時，通過調整攻角，可以改變葉片的升力和阻力比例，實現(xiàn)功率控制。

5第5頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

定槳距風力機:葉片固定在輪轂上，槳距角不變，風力機的功率調節(jié)完全依靠葉片的失速性能。當風速超過額定風速時，在葉片后端將形成邊界層分離，使升力系數(shù)下降，阻力系數(shù)增加，從而限制了機組功率的進一步增加。

優(yōu)點:結構簡單。

缺點:不能保證超過額定風速區(qū)段的輸出功率恒定，并且由于阻力增大,導致葉片和塔架等部件承受的載荷相應增大。此外，由于槳距角不能調整，沒有氣動制動功能，因此定槳距葉片在葉尖部位需要設計專門的制動機構。

6第6頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

變槳距風力機：葉片和輪轂不是固定連接，葉片槳距角可調。在超過額定風速范圍時，通過增大葉片槳距角，使攻角減小，以改變葉片升力與阻力的比例，達到限制風輪功率的目的，使機組能夠在額定功率附近輸出電能。

優(yōu)點：高于額定風速區(qū)域可以獲得穩(wěn)定的功率輸出。

缺點：需要變槳距調節(jié)機構，設備結構復雜，可靠性降低。

目前的大型兆瓦級風電機組普遍采用變槳距控制技術。

主動失速型風力機：工作原理相當于以上兩種形式的組合。利用葉片的失速特性實現(xiàn)功率調節(jié)，葉片與輪轂不是固定連接，葉片可以相對輪轂轉動，實現(xiàn)槳距角調節(jié)。當機組達到額定功率后，使葉片向槳距角向減小的方向轉過一個角度，增大來風攻角，使葉片主動進入失速狀態(tài)，從而限制功率。

優(yōu)點：改善了被動失速機組功率調節(jié)的不穩(wěn)定性。

缺點：增加了槳距調節(jié)機構，使設備變得復雜。

7第7頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四通過傳動系統(tǒng)連接風輪和發(fā)電機，使發(fā)電機轉子達到所需要的轉速。并網(wǎng)風電機組所用交流發(fā)電機的同步轉速為為發(fā)電機磁極對數(shù)；為電網(wǎng)頻率，50Hz。風輪轉速較低，約10~20r/min，而發(fā)電機要輸出50Hz的交流電功率，當發(fā)電機的磁極對數(shù)不同時，要求轉子的轉速也不同。如當磁極對數(shù)為2時，要求發(fā)電機其轉子轉速在1500r/min左右，這時需要在風輪與發(fā)電機組之間用齒輪箱進行增速。如果發(fā)電機組的極對數(shù)足夠大，使得發(fā)電機轉速與風輪轉速接近，就不需要增速齒輪箱。8第8頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

高傳動比齒輪箱型：

優(yōu)點：由于極對數(shù)小，結構簡單，體積小；

缺點：傳動系統(tǒng)結構復雜，齒輪箱設計、運行維護復雜，容易出故障。

直接驅動型：采用多級同步風力發(fā)電機，讓風輪直接帶動發(fā)電機低速旋轉。

優(yōu)點：沒有了齒輪箱所帶來的噪聲、故障率高和維護成本大等，提高了運行可靠性。缺點：發(fā)電機極對數(shù)高，體積比較大，結構復雜。

半直驅型：上述兩種類型的綜合。中傳動比型風力機減少了傳統(tǒng)齒輪箱的傳動比，同時也相應減少了多極同步風力發(fā)電機的極數(shù)，從而減少了發(fā)電機的體積。按傳動形式劃分9第9頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四10第10頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

恒速型風力機：發(fā)電機轉速恒定不變，不隨風速的變化而變化。

變速型風力機：發(fā)電機工作轉速隨風速時刻變化而變化。主流大型風力發(fā)電機組基本都采用變速恒頻運行方式。

多態(tài)定速風力機：發(fā)電機組中包含兩臺或多臺發(fā)電機，根據(jù)風速的變化，可以有不同大小和數(shù)量的發(fā)電機投入運行。

按發(fā)電機轉速變化劃分

11第11頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

沿海風場風況和環(huán)境條件與陸地風場存在差別，海上風電機組具有一些特殊性：

1)適合選用大容量風電機組。海上風速通常比沿岸陸地高，風速比較穩(wěn)定，不受地形影響，風湍流強度和風切變都比較小，并且具有穩(wěn)定的主導風向。在相同容量下，海上風電機組的塔架高度比陸地機組低。

陸地風電機組海上風電機組

12第12頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四2)風電機組安全可靠性要求更高。海上風電場遭遇極端氣象條件的可能性大，強陣風、臺風和巨浪等極端惡劣天氣條件都會對機組造成嚴重破壞。海上風電場與海浪、潮汐具有較強的耦合作用，使得風電機組運行在海浪干擾下的隨機風場中，載荷條件比較復雜。海上風電機組長期處在含鹽濕熱霧腐蝕環(huán)境中，加之海上風電機組安裝、運行、操作和維護等方面都比陸地風場困難。因此，海上風電機組結構，尤其是葉片材料的耐久性問題極為重要。

3)基礎形式與陸地風電機組有巨大差別。由于不同海域的水下情況復雜、基礎建造需要綜合考慮海床地質結構、離岸距離、風浪等級、海流情況等多方面影響，因此海上風電機組復雜，用于基礎的建設費用也占較大比例。海上風電在風資源評估、機組安裝、運行維護、設備監(jiān)控、電力輸送等許多方面都與陸地風電存在差異，技術難度大、建設成本高。13第13頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

水平軸風力機的葉片圍繞一個水平軸旋轉，旋轉平面與風向垂直。葉片徑向安置于風輪上，與旋轉軸垂直或近似垂直。風輪葉片數(shù)目視風力機用途而定，用于風力發(fā)電的風力機的葉片數(shù)一般取1～3片，用于風力提水的風力機葉片數(shù)一般取12～24片。

一、水平軸風力發(fā)電機

14第14頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

按風輪轉速的快慢劃分，可分為高速風力機和低速風力機。高速風力機葉片數(shù)較少，1～3片應用得較多，其最佳轉速對應的風輪葉尖線速度為5～15倍風速。在高速運行時，高速風力機有較高的風能利用系數(shù)。由于葉片數(shù)較少，在輸出功率相同的條件下，比低速風輪要輕得多，因此適用于發(fā)電。葉片數(shù)較多的風力機的最佳轉速較低，為高速風力機的一半甚至更低，風能利用率也較高速風輪的低，通常稱為低速風力機。起動力矩大，起動風速低。低速運行產(chǎn)生較高的轉矩，因而適用于提水。15第15頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四按照風輪與塔架相對位置的不同劃分

逆風式風力機順風式風力機水平軸風力機風輪在塔架的下風位置旋轉的風力機。能夠自動對準風向，不需要調向裝置。缺點：空氣流先通過塔架然后再流向風輪，會造成塔影效應，風力機性能降低。

以空氣流向作為參考，風輪在塔架前迎風旋轉的風力機為逆風式風力機。需要調風裝置，使風輪迎風面正對風向。16第16頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

定義：垂直軸風力機的風輪圍繞一個垂直軸進行旋轉。

特點：①無需調風向裝置，可接受來自任何方向的風，風向改變時無需對風。②齒輪箱和發(fā)電機均可安裝在地面上或風輪下，運行維修簡便，費用較低。③葉片結構簡單，制造方便，設計費用較低。二、垂直軸風力發(fā)電機

分類：阻力型風力機：利用空氣對葉片的阻力做功。升力型風力機：利用翼型升力做功。17第17頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

S形風力機由兩個軸線錯開的半圓柱形葉片組成，其優(yōu)點可在較低風速下運行，但S形風輪由于風輪周圍氣流不對稱，從而產(chǎn)生側向推力。受側向推力與安全極限應力的限制，S形風力機大型化比較困難。風能利用系數(shù)也遠低于高速垂直軸或水平軸風力機，僅為0.15左右。在風輪尺寸、重量和成本相同的條件下，其功率輸出較低，因而用于發(fā)電的經(jīng)濟性較差。

18第18頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四升力型:達里厄型風力機是水平軸風力機的主要競爭者。形式:有φ形、H形、△形、Y形和菱形等。根據(jù)葉片結構形狀，可簡單地歸納為直葉片和彎葉片兩種。

H形風輪和φ形風輪應用最為廣泛。葉片具有翼型剖面，空氣繞葉片流動而產(chǎn)生的合力形成轉矩，因此葉片幾乎在旋轉一周內的任何角度都有升力產(chǎn)生。達里厄風力機最佳轉速較水平軸的慢，但比S形風輪快很多，其風能利用系數(shù)與水平軸風力機相當。19第19頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四H形風輪結構簡單，但離心力使葉片在其連接點處產(chǎn)生嚴重的彎曲應力。直葉片借助支撐件或拉索來支撐，這些支撐產(chǎn)生氣動阻力，降低了風力機的效率。φ形風輪所采用的彎葉片只承受張力，不承受離心力載荷，使彎曲應力減至最小。由于材料可承受的張力比彎曲應力要強，對于相同的總強度，φ形葉片比較輕，且比直葉片可以更高的速度運行。但φ形葉片不便采用變漿距方法來實現(xiàn)自起動和控制轉速。對于高度和直徑相同的風輪，φ形轉子比H形轉子的掃掠面積要小一些。

20第20頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四§3-2

風電機組主要參數(shù)及設計級別風電機組的性能和技術規(guī)格可以通過一些主要參數(shù)反映。21第21頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風輪直徑是風輪旋轉時的外圓直徑，用D表示。風輪直徑大小決定了風輪掃掠面積的大小以及葉片的長度，是影響機組容量大小和機組性價比的主要因素之一。根據(jù)貝茨理論，風輪從自然風中獲取的功率為式中，S為風輪的掃掠面積，D增加，則其掃掠面積與D2成比例增加，其獲取的風功率也相應增加。風輪直徑與掃掠面積一.主要參數(shù)22第22頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風電機組風輪直徑和相應功率的發(fā)展變化情況。早期的風電機組直徑很小，額定功率也相對較低，大型兆瓦機組的風輪直徑在70~80m范圍，目前風輪直徑超過100m、額定功率超過若干兆瓦的風電機組投入商業(yè)運行。23第23頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四風輪高度是指風輪輪轂中心離地面的高度，是風電機組設計時要考慮的一個重要參數(shù)。由于風剪切特性，離地面越高，風速越大，具有的風能也越大，因此大型風電機組的發(fā)展趨勢是輪轂高度越來越高。但是輪轂高度增加，所需要的塔架高度也相應增加，當塔架高度達到一定水平時，設計、制造、運輸和安裝等方面都將產(chǎn)生新的問題，也導致風電機組成本相應增加。輪轂高度

24第24頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四組成風輪的葉片個數(shù)，用B表示。選擇風輪葉片數(shù)時要考慮風電機組的性能和載荷、風輪和傳動系統(tǒng)的成本、風力機氣動噪聲及景觀效果等因素。葉片數(shù)

采用不同的葉片數(shù)，對風電機組的氣動性能和結構設計都將產(chǎn)生不同的影響。風輪的風能轉換效率取決于風輪的功率系數(shù)。25第25頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四多葉片風車的最佳葉尖速比較低，風輪轉速可以很慢，因此也稱為慢速風輪。當然多葉片風輪由于功率系數(shù)很低，因而很少用于現(xiàn)代風電機組?，F(xiàn)代水平軸風電機組風輪的功率系數(shù)比垂直軸風輪高，其中三葉片風輪的功率系數(shù)最高，其最大功率系數(shù)約為0.47，對應葉尖速比約為7；雙葉片和單葉片風輪的風能轉換效率略低，其最大功率系數(shù)對應的葉尖速比也高于三葉片風輪，即在相同風速條件下，葉片數(shù)越少，風輪最佳轉速越高，因此有時也將單葉片和雙葉片風輪稱為高速風輪。26第26頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風輪的作用是將風能轉換成推動風輪旋轉的機械轉矩。衡量風輪轉矩性能重要參數(shù)：

轉矩系數(shù)：功率系數(shù)除以葉尖速比。轉矩系數(shù)決定了傳動系統(tǒng)中主軸及齒輪箱的設計。現(xiàn)代并網(wǎng)風電機組希望轉矩系數(shù)小，以降低傳動系統(tǒng)的設計費用。葉片數(shù)越多，最大轉矩系數(shù)值也越大，對應的葉尖速比也越小，表明起動轉矩越大。27第27頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四三葉片風輪的性能比較好，目前，水平軸風電機組一般采用兩葉片或三葉片風輪，其中以三葉片風輪為主。我國安裝投運的大型并網(wǎng)風電機組幾乎全部采用三葉片風輪。葉片數(shù)量減少，將使風輪制造成本降低，但也會帶來很多不利的因素，在選擇風輪葉片數(shù)時要綜合考慮。兩葉片風輪上的脈動載荷大于三葉片風輪。另外，由于兩葉片風輪轉速高，在旋轉時將產(chǎn)生較大的空氣動力噪聲，對環(huán)境產(chǎn)生不利影響，而且風輪轉速快視覺效果也不好。風輪實度：風輪葉片總面積與風輪掃掠面積的比值，常用于反映風輪的風能轉換性能。風輪的葉片數(shù)多，風輪的實度大，功率系數(shù)比較大，但功率曲線較窄，對葉尖速比的變化敏感。葉片數(shù)減小，風輪實度下降，其最大功率系數(shù)相應降低，但功率曲線也越平坦，對葉尖速比變化越不敏感。

28第28頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

葉尖速比為風輪葉片尖端線速度與風速之比，是描述風電機組風輪特性的一個重要的無量綱量。

風輪轉速、葉尖速比

對于特定的風輪形式，其功率系數(shù)與葉尖速比的關系曲線確定，形狀如同一個山包。在某一葉尖速比值處，功率系數(shù)達到最大值，此時，風輪吸收的風能最多，對應的葉尖速比值稱為最佳葉尖速比。風電機組風輪的一個主要設計目標是盡可能多地吸收風能，因此在低于額定風速的區(qū)域，希望使風輪盡可能工作在最大功率系數(shù)附近，即風輪轉速與風速的比值盡可能保持在最佳葉尖速比附近。由于風速是連續(xù)不斷變化的，因此需要對風輪的轉速進行控制，使之與風速變化匹配。29第29頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四以表所列的1.5MW風電機組為例，三葉片風輪，直徑77m，額定風速12m/s為例。粗略估算風輪的額定轉速。設三葉片風輪對應的最佳葉片速比約為7，風輪的額定轉速約為實際風電機組的風輪轉速范圍的確定，還要考慮其他多種因素，如所列機組的實際轉速范圍約在11～20r/min之間。風輪轉速除了影響風能吸收特性以外，還對風輪的機械轉矩產(chǎn)生影響。當風電機組的額定功率和風輪直徑確定后，風輪轉速增加，則風輪轉矩減小，因而作用在傳動系統(tǒng)上的載荷也相應減小，并使齒輪箱的增速比降低。30第30頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風輪錐角:葉片與風輪旋轉軸相垂直的平面的夾角。

風輪仰角：風輪主軸與水平面的夾角。由于葉片為細長柔性體結構，在其旋轉過程中，受風載荷和離心載荷的作用，葉片將發(fā)生彎曲變形，風輪錐角和仰角的主要作用是防止葉片在發(fā)生彎曲變形狀態(tài)下，其葉尖部分與塔架發(fā)生碰撞。

風輪錐角和風輪仰角

31第31頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

偏航角：通過風輪主軸的鉛垂面與風速在水平面上的分量的夾角。風電機組在運行過程中，根據(jù)測量的風速方向，通過偏航系統(tǒng)對風輪的方向進行調整，使其始終保持正面迎向來風方向，以獲得最大風能吸收率。偏航角

32第32頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四主要指其吸收和轉化風能的性能，即風輪的氣動性能。

功率特性是反映風電機組基本性能的重要指標，用風電機組輸出功率隨風速的變化曲線來表示。功率曲線直接影響風電機組的年發(fā)電量。

風電機組的基本性能不同風速對應的理論風功率曲線、根據(jù)貝茨理論計算的理想風輪吸收風功率曲線以及風力發(fā)電機組的實際功率曲線。其中理論風功率與風速的三次方成正比，而根據(jù)貝茨定理，理想風輪只能吸收部分風功率（極限狀態(tài)下，只能吸收理論風功率的0.59倍），實際風電機組的風輪不滿足理想風輪條件，并且存在各種損失，其風能吸收數(shù)量低于貝茨極限。風電機組的發(fā)展過程，一直追求使機組的風能利用系數(shù)接近貝茨極限。33第33頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風場條件（風況條件、地理和氣候環(huán)境特點等）是風電機組設計和選型的主要影響因素。在世界范圍內，可用于風力發(fā)電的風場條件千差萬別。國際電工委員會在其頒布的風電機組相關設計標準中(IEC64000-1)，根據(jù)風速和湍流狀態(tài)參數(shù)將水平軸風電機組分成若干個級別，這樣就減少了風電機組的類型，從而可以降低風電機組的設計成本，增加風電機組的競爭力。將風電機組分成四個級別，即三個標準級別(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)和一個特殊級別(S)。

二、風電機組設計級別

34第34頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四所列數(shù)值是風輪輪轂高度處的值。風電機組分級標準只依據(jù)風場的平均風速和湍流強度兩個主要參數(shù)。1)為10min參考平均風速，實際風場的10min平均風速值計算：即，三個標準級別機組所適用的風場的平均風速分別為：I級機組：10m/s平均風速；Ⅱ級機組：8.5m/s平均風速；Ⅲ級機組：7.5m/s平均風速。2)為風速在15m/s時的湍流強度期望值，表中對每個標準機組級別都分為A、B、C三種不同的風湍流狀態(tài)，其湍流強度期望值分別為0.16、0.14和0.12。即標準機組共有9個類型。3)為了解決一些特殊風場條件的機組設計和選用問題，標準中在三個標準級別以外，還列出一個特殊級別S，具體設計參數(shù)由設計者根據(jù)實際風況條件制定。35第35頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四§3-3

水平軸風力機構造水平軸風力機主要由以下幾部分組成：葉片、機艙、輪轂、調速器、調向裝置、傳動機構、機械剎車裝置和塔架等。36第36頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風電機組主要由風輪、機艙、塔架和基礎等部分組成。風輪和機艙置于塔架頂端，機艙內包括風輪主軸、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機等部件。機艙內的所有部件安裝在主機架上，主機架通過軸承與塔架頂端相連接，可以在偏航系統(tǒng)的驅動下，相對于塔架軸線旋轉，使風輪和機艙隨著風向的變化調整方向。塔架固定在基礎上，將作用于風輪上的各種載荷傳遞到基礎上。風輪是實現(xiàn)風能轉換成機械能的部件，其上安裝若千個葉片，葉片根部與輪轂相連。風以一定速度和攻角作用于葉片上，使葉片產(chǎn)生轉矩，驅動風輪主軸旋轉，將風能轉換成旋轉機械能。風輪主軸經(jīng)傳動系統(tǒng)帶動發(fā)電機轉子旋轉，進而將旋轉機械能轉換成電能。機組通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)在各種條件下的運行控制。37第37頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四風輪變槳機構輪轂葉片偏航系統(tǒng)軸的連接與制動增速齒輪箱風輪主軸傳動系統(tǒng)塔架與基礎38第38頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四葉片

風力機葉片安裝在輪轂上，輪轂與主軸相連，并將葉片力矩傳遞到發(fā)電機。風輪39第39頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風輪葉片主要實現(xiàn)風能的吸收，其形狀決定了空氣動力學特性，設計目標是最大可能吸收風能，同時使重量盡可能減輕，降低制造成本。葉片應滿足以下要求：良好的空氣動力外形，能夠充分利用風電場的風資源條件，獲得盡可能多的風能?？煽康慕Y構強度，具備足夠的承受極限載荷和疲勞載荷能力；合理的葉片剛度、葉尖變形位移，避免葉片與塔架碰撞。良好的結構動力學特性和氣動穩(wěn)定性，避免發(fā)生共振和顫振現(xiàn)象，振動和噪聲小。耐腐蝕、防雷擊性能好，方便維護。在滿足上述目標的前提下，優(yōu)化設計結構，盡可能減輕葉片重量、降低制造成本。40第40頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四葉片長度很長，旋轉過程中，不同部位的圓周速度相差很大，導致來風的攻角相差很大，因此風電機組葉片沿展向各段處的幾何尺寸及剖面翼型都發(fā)生變化。1．葉片幾何形狀及翼型

41第41頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

葉片特征：沿展向方向上，翼型不斷變化，各剖面的弦長不斷變化，各剖面的前緣和后緣形狀也不同。葉片扭角也沿展向不斷變化，葉尖部位的扭角比根部小。這里的葉片扭角指在葉片尖部槳距角為零的情況下，各剖面的翼弦與風輪旋轉平面之間的夾角。葉片的剖面翼型應根據(jù)相應的外部條件并結合載荷分析進行選擇和設計。風能的轉換效率與空氣流過葉片翼型產(chǎn)生的升力有關，因此葉片的翼型性能直接影響風能轉換效率。應用較多的有NACA翼型、SERI翼型、NREL翼型和FFA-W翼型等。42第42頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

小型風力機葉片常用整塊木材加工而成，表面涂層保護漆，根部通過金屬接頭用螺栓與輪轂相連。有的采用玻璃纖維或其他復合材料作為蒙皮，使葉片具有更佳的耐磨性能。大、中型風力機采用木質葉片時，不用整塊木料進行制作，而是采用很多縱向木條膠接在一起，以保證選用優(yōu)質木材，提高葉片質量。為減輕重量，在木質葉片的后緣部分填塞質地較輕的泡沫塑料，表面用玻璃纖維作蒙皮。采用泡沫塑料的優(yōu)點不僅可以減輕質量，而且能使翼型重心前移，重心設計在近前緣1/4弦長處為最佳，可以減輕葉片的質量。

2．葉片的材料

43第43頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四為減輕葉片的質量，有的葉片用一根金屬管作為受力梁，以蜂窩結構、泡沫塑料或輕木材作中間填充物，外面再包上玻璃纖維防腐防磨。大型風力機的葉片較長，如3MW風力機葉片達到50m左右，承受的風載荷較大，因此葉片設計要保證一定的強度和剛度要求。目前，大、中型風力機的葉片都采用玻璃纖維或高強度復合材料進行制作。葉片蒙皮的鋪層形式主要取決于葉片所受的外載荷，根據(jù)外載荷的大小和方向，確定葉片鋪層數(shù)量，以及鋪層增強纖維的方向。由于葉片所受彎矩、轉矩和離心力都是從葉尖向葉根逐漸遞增，因此鋪層結構的厚度一般從葉尖向葉根逐漸遞增。

44第44頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

由于風輪在旋轉過程中，轉動慣量很大，所以當風速超過切出風速時，變槳調節(jié)的風電機組通過對槳距角的調整可以實現(xiàn)氣動制動。對于失速控制的風電機組，由于葉片與輪轂固定連接，通常采用可旋轉的葉尖實現(xiàn)氣動制動。圖為一種具有旋轉葉尖的制動結構。在風輪運行時，葉尖部分和其他部分方向一致，形成一個整體。當需要制動時，葉尖部分繞葉片軸向旋轉90°，實現(xiàn)制動功能。

3．氣動制動系統(tǒng)

45第45頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

葉片所受的各項載荷，無論是拉力還是彎矩、轉矩、剪力都在根端達到最大值，如何把整個葉片上所承受的載荷傳遞到輪轂上去，關鍵在于葉片的根端連接設計。玻璃鋼強度性能的一個弱點是層間剪切強度較低，強度矛盾集中在根端，根端設計成為葉片設計成敗的關鍵問題。葉片根端必須具有足夠的剪切強度、擠壓強度，與金屬的膠接強度也要足夠高，這些強度均低于其拉彎強度，因此葉片的根端是危險的部位，設計應予以重視。如果不注意根端連接設計，嚴重時將導致整個葉片飛出，使整臺風電機組毀壞。

4．葉根連接46第46頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

法蘭連接這種形式的葉根像一個法蘭翻邊。在此法蘭上，除了有玻璃鋼外，還與金屬盤對拼，在金屬盤上的附件與輪轂相連。

預埋金屬根端連接在根端設計中，預埋上一個金屬根端，此結構一端可通過螺栓與輪轂連接，另一端牢固預埋在玻璃鋼葉片內。這種結構形式避免了對葉片根部結構層的加工損傷，提高了根部連接的可靠性，也減小了法蘭盤的重量。缺點就是每個螺紋件的定位必須準確。47第47頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四常見的葉片故障類型包括表面腐蝕、雷擊、覆冰、裂紋以及極端風造成的葉片斷裂等。

5．葉片失效與防護措施48第48頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

德國某公司對在德國安裝的20000臺風電機組的葉片故障統(tǒng)計結果，其中氣動部件故障率約為40%，導致風輪不平衡問題（氣動不平衡、質量不平衡、不平衡超限）的故障也約占40%，風輪其他故障略低于20%。49第49頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

葉片故障主要對葉片的氣動性能、主軸不平衡以及振動和噪聲狀態(tài)產(chǎn)生影響。圖為表面干凈葉片和表面臟污葉片的功率特性，臟污葉片導致葉片氣動性能明顯下降，輸出功率減少。葉片各類故障造成風輪旋轉質量不平衡，對葉片、變槳驅動電機、主軸，齒輪箱（裂縫、損壞）、發(fā)電機（阻尼線圈的磨損）、電子器件（沒有緊緊固定的控制柜的振動）、偏航驅動、偏航制動以及塔筒和地基的裂縫都將產(chǎn)生影響。

50第50頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

熱膨脹性：葉片結構中使用了不同的材料，所以必須考慮各種材料熱膨脹系數(shù)的不同，以免因溫度變化而產(chǎn)生附加應力，從而破壞葉片。

密封性：空心葉片應有很好的密封性，一旦密封失效，其內必然形成冷凝水集聚，造成危害?？稍谌~尖、葉根各預開一個小孔，以使葉片內部空間進行適當?shù)耐L，并排除積水。需要注意的是小孔尺寸要適當，過大的孔徑將氣流從內向外流動，產(chǎn)生功率損失，還將伴隨產(chǎn)生噪聲。

51第51頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

雷擊保護：為了防止被雷電擊毀、支撐發(fā)電機的塔架必須用良好的導線接地。復合材料制成的葉片，需要特殊的防雷裝置。風力機葉片的防雷設計一般有4種。大型復合材料葉片上預防措施最好是在葉尖處沿整個翼型外圍做一個金屬的尖帽，從葉尖向內延伸8～l0cm。通過安裝在葉片內部的金屬導線連接到葉根部的柔性金屬板上，并經(jīng)過塔架內的接地系統(tǒng)，將雷擊電流接地。52第52頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四葉片除冰系統(tǒng)針對一些地區(qū)容易造成葉片覆冰的環(huán)境條件，提出了多種解決覆冰問題的方案。如葉片表面采用特殊的防冰涂層、葉片中安裝覆冰報警及除冰系統(tǒng)等。圖為兩種葉片除冰系統(tǒng)的概念設計示意圖。除冰系統(tǒng)53第53頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

輪轂是連接葉片與風輪轉軸的部件，用于傳遞風輪力和力矩到后面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)的機構。

分類：固定式輪轂、葉片之間相對固定鉸鏈式輪轂和各葉片自由的鉸鏈式輪轂。

輪轂

1．固定式輪轂

特點：主軸與葉片長度方向夾角固定不變；制作成本低，維護少，不存在鉸接葉片的磨損問題；但葉片上全部力和力矩都經(jīng)輪轂傳遞到后續(xù)部件。目前大型三葉片風輪常用結構，輪轂形狀比較復雜，通常采用球磨鑄鐵制成，澆注方法容易成形與加工，球磨鑄鐵抗疲勞性能高。

54第54頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

鉸鏈使兩葉片之間固定連接，軸向相對位置不變，但可繞鉸鏈軸沿風輪拍向在設計位置做正負5°～10°的擺動，類似蹺蹺板。當來流速度在葉輪掃風面內上下有差別或陣風出現(xiàn)時，葉片的載荷使得葉片離開設計位置，若位于上部的葉片向前，則下方的葉片向后。由于兩葉片在旋轉過程中的驅動力矩變化很大，因此葉輪會產(chǎn)生很高的噪聲。葉片被懸掛的角度與風輪轉速有關，轉速越低，角度越大。具有這種鉸鏈輪轂式的風輪具有阻尼器的作用。當來流速度變化時，葉片偏離原懸掛角度，其安裝角也發(fā)生變化，一片葉片因安裝角的變化升力下降，而另一片升力提高，因而產(chǎn)生反抗風向變化的阻尼作用。

2．葉片之間相對固定鉸鏈式輪轂（早期應用）

55第55頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四3.各葉片自由的鉸鏈式輪轂

輪轂的每個葉片之間互不依賴，在外力作用下，可單獨做調整運動。這種調整不但可做成僅具有拍向椎角的形式，還可以做成拍向、揮向角度均可以變化的方式。理論上講，采用這種鉸鏈結構可保持恒速運行。56第56頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

現(xiàn)代大型并網(wǎng)風電機組多數(shù)采用變槳距機組，其主要特征是葉片可以相對輪轂轉動，實現(xiàn)槳距角的調節(jié)。主要作用：在正常運行狀態(tài)下，當風速超過額定風速時，通過改變葉片槳距角，改變葉片的升力與阻力比，實現(xiàn)功率控制。當風速超過切出風速時，或者風電機組在運行過程出現(xiàn)故障狀態(tài)時，迅速將槳距角從工作角度調整到順槳狀態(tài)，實現(xiàn)緊急制動。

變槳機構

57第57頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

葉片的變槳距操作通過變槳距系統(tǒng)實現(xiàn)。變槳距系統(tǒng)按照驅動方式可以分為液壓變槳距系統(tǒng)和電動變槳距系統(tǒng)，按照變槳距操作方式可以分為同步變槳距系統(tǒng)和獨立變槳距系統(tǒng)。同步變槳距系統(tǒng)中，風輪各葉片的變槳距動作同步進行，而獨立變槳距系統(tǒng)中，每個葉片具有獨立的變槳距機構，變槳距動作獨立進行。變槳距機組的變槳角度范圍為0-90°。正常工作時，葉片槳距角在0°附近，進行功率控制時，槳距角調節(jié)范圍約為0-25°，調節(jié)速度一般為1°/s左右。制動過程，槳距角從0°迅速調整到90°左右，稱為順槳位置，一般要求調節(jié)速度較高，可達15°/s左右。機組起動過程中，葉片槳距角從90°快速調節(jié)到0°，然后實現(xiàn)并網(wǎng)。58第58頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

葉片變槳距系統(tǒng)主要由葉片與輪轂間的旋轉機構、變槳驅動機構、執(zhí)行機構、備用供電機構和控制系統(tǒng)組成。變槳距系統(tǒng)的硬件安裝在輪轂內部，圖為變槳機構的基本構成。由電動機和減速器構成驅動機構和執(zhí)行機構，葉片變槳旋轉動作通過內嚙合齒輪副實現(xiàn)。59第59頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

機艙

機艙內，布置有剎車制動器、傳動機構（齒輪箱）、發(fā)電機、機座、調速器或限速器、調向裝置等重要設備。機艙通常采用重量輕、強度高、耐腐蝕的玻璃鋼制作。60第60頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四61第61頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

機艙裝配時需要注意，從風輪到負載各部件之間的聯(lián)軸器要精確對中。由于所有的力、力矩、振動通過風輪傳動裝置作用在機艙結構上，反過來機艙結構的彈性變形又作為相應的耦合增載施加在主軸、軸承、機殼上。為減少這些載荷，建議使用彈性聯(lián)軸器。所有的聯(lián)軸器既要承受風力機正常運行時所傳遞的力矩，也要承受機械剎車的剎車力矩。為了避免聯(lián)軸器被損壞和失效，應在設計中對聯(lián)軸器的載荷和失效進行認真研究。62第62頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

傳動系統(tǒng)用來連接風輪與發(fā)電機，將風輪產(chǎn)生的機械轉矩傳遞給發(fā)電機，同時實現(xiàn)轉速的變換。圖為一種目前風電機組較多采用的帶齒輪箱風電機組的傳動系統(tǒng)結構示意圖。包括風輪主軸（低速軸）、增速齒輪箱、高速軸（齒輪箱輸出軸）及機械剎車制動裝置等部件。整個傳動系統(tǒng)和發(fā)電機安裝在主機架上。作用在風輪上的各種氣動載荷和重力載荷通過主機架及偏航系統(tǒng)傳遞給塔架。風電機組傳動系統(tǒng)

63第63頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四64第64頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風輪主軸一端連接風輪輪轂，另一端連接增速齒輪箱的輸入軸，用滾動軸承支撐在主機架上。風輪主軸的支撐結構形式與增速齒輪箱的形式密切相關。按照支撐方式不同，主軸可以分為三種結構形式。風輪主軸

主軸支撐結構形式

65第65頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

獨立軸承支撐結構。主軸由前后兩個獨立安裝在主機架上的軸承支撐，共同承受懸臂風輪的重力載荷，軸向推力載荷由前軸承（靠近風輪）承受，只有風輪轉矩通過主軸傳遞給齒輪箱。由于前軸承為主要承載部件，通常為減小懸臂風輪重力產(chǎn)生的彎矩，前軸承支撐盡可能靠近輪轂，并通過增加前后軸承的間距調整軸承的載荷。因而此種主軸結構相對較長，制作成本較高。但由于齒輪箱與主軸相對獨立，便于采用標準齒輪箱和主軸支撐構件。66第66頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

主軸前軸承獨立安裝在機架上，后軸承與齒輪箱內軸承做成一體，前軸承和齒輪箱兩側的扭轉臂形成對主軸的三點支撐，故也稱為三點支撐式主軸。這種主軸支撐結構形式在現(xiàn)代大型風電機組中較多采用，其優(yōu)點是，主軸支撐的結構趨于緊湊，可以增加主軸前后支撐軸承的距離，有利于降低后支撐的載荷，齒輪箱在傳遞轉矩的同時承受葉片作用的彎矩。67第67頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四主軸軸承與齒輪箱集成形式。主軸的前后支撐軸承與齒輪箱做成整體，其主要優(yōu)點是，風輪通過輪轂法蘭直接與齒輪箱連接，可以減小風輪的懸臂尺寸，從而降低了主軸載荷。此外主軸裝配容易、軸承潤滑合理。主要問題是，難于直接選用標準齒輪箱，維修齒輪箱必須同時拆除主軸。

68第68頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

從齒輪箱維修角度看，主軸單獨支撐，既便于與齒輪箱分離，又能減輕齒輪箱的承載，大大降低維修費用，較為合理。制造主軸的材料一般選擇碳素合金鋼，毛坯通常采用鍛造工藝。由于合金鋼對應力集中的敏感性較高，軸結構設計中注意減小應力集中，并對表面質量提出要求。各種熱處理、化學處理及表面強化處理，可顯著提高主軸的機械性能。69第69頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四主要功能是支撐機械旋轉體，用以降低設備在傳動過程中的機械載荷摩擦系數(shù)。主軸的前軸承需要承受風輪產(chǎn)生的彎矩和推力，通常采用雙列滾動軸承作為徑向與軸向支撐。主軸軸承

70第70頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

相對于其他工業(yè)齒輪箱，風電齒輪箱的設計條件比較苛刻，同時也是機組的主要故障源之一。傳動條件風電齒輪箱屬于大傳動比、大功率的增速傳動裝置，且需要承受多變的風載荷作用及其他沖擊載荷；由于維護不便，對其運行可靠性和使用壽命的要求較高，通常要求設計壽命不少于20年；設計過程往往難以確定準確的設計載荷，而結構設計與載荷譜的匹配問題也是導致其故障的重要誘因。運行條件與環(huán)境風電齒輪箱常年運行于酷暑、嚴寒等極端自然環(huán)境條件，且安裝在高空，維修困難。因此，除常規(guī)狀態(tài)機械性能外，對構件材料還要求低溫狀態(tài)下抗冷脆性等特性。由于風電機組長期處于自動控制的運行狀態(tài)，需考慮對齒輪傳動裝置的充分潤滑條件及其監(jiān)測，并具備適宜的加熱與冷卻措施，以保證潤滑系統(tǒng)的正常工作。特點

增速齒輪箱

71第71頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四設計與安裝條件齒輪箱的體積和重量對風電機組其他部件的載荷、成本具有影響，減小其設計結構和減輕重量顯得尤為重要。但結構尺寸與可靠性方面的矛盾，往往使風電齒輪箱設計陷入兩難境地。

其他一般需要在齒輪箱的輸入端（或輸出端）設置機械制動裝置，配合風輪的氣動制動實現(xiàn)對機組的制動功能。但制動產(chǎn)生的載荷對傳動系統(tǒng)會產(chǎn)生不良影響，應考慮防止沖擊和振動措施，設置合理的傳動軸系和齒輪箱體支撐。其中，齒輪箱與主機架間一般不采用剛性連接，以降低齒輪箱產(chǎn)生的振動和噪聲。72第72頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風電齒輪箱的總體設計目標很明確，即在滿足傳動效率、可靠性和工作壽命要求的前提下，以最小體積和重量為目標，獲得優(yōu)化的傳動方案。齒輪箱的結構設計過程，應以傳遞功率和空間限制為前提，盡量選擇簡單、可靠、維修方便的結構方案。

73第73頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四齒輪傳動具有傳動比恒定、結構緊湊、傳遞功率大、傳動效率高、零部件使用壽命長等優(yōu)點，其缺點是制造和安裝的成本高、吸振性差等。

齒輪傳動概述

通過主動齒輪與從動齒輪的嚙合，實現(xiàn)運動和轉矩的傳遞。主動齒輪與從動齒輪的轉速比稱為齒輪的傳動比，取決于從動齒輪與主動齒輪的節(jié)圓半徑之比，或從動齒輪與主動齒輪的齒數(shù)比，即n、r、z分別表示轉速、齒輪節(jié)圓半徑和齒數(shù)，下標1、2分別表示主、從動齒輪。

74第74頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

齒輪傳動輸出軸轉矩與輸入軸轉矩的關系為

對于增速齒輪，n2>n1，則有M2<M1。即齒輪箱實現(xiàn)增速的同時，也降低了輸出轉矩。對于風電機組而言，傳動系統(tǒng)中帶增速齒輪箱，使發(fā)電機轉子轉矩下降，增速比越大，轉矩降低越多，這樣發(fā)電機轉子直徑可以減小，此外將機械制動盤安裝在齒輪箱輸出軸上，制動力矩也比較小。75第75頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

由于受結構和加工條件限制，單級齒輪傳動的傳動比不能太大，而每個齒輪的齒數(shù)也不能太少。因此，在需要大傳動比的場合，采用多級齒輪構成的輪系實現(xiàn)傳動，輪系傳動分為定軸輪系傳動和周轉輪系傳動。定軸輪系中，所有齒輪的軸線位置不變，如果各軸線相互平行，則稱為平面定軸輪系，或平行軸輪系。圖為三級平行軸齒輪傳動實例。76第76頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

周轉輪系中，至少有一個齒輪的軸線可以繞其他齒輪軸線轉動。其中只有一個齒輪軸可以繞其他齒輪軸轉動的輪系稱為行星輪系。圖為一種行星輪系的基本結構示意圖，其中軸線可動的齒輪稱為行星輪，位于中間的齒輪稱為太陽輪，行星輪與太陽輪及外部的內齒圈嚙合，太陽輪和內齒圈的軸線不變，其中內齒圈固定不動，行星輪即繞自身軸線轉動，同時其軸線還繞太陽輪轉動。行星輪系具有結構緊湊，傳動比高等優(yōu)點，但是其結構復雜，制造和維護困難。77第77頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四圖為一種用于風電機組齒輪箱第一級傳動的行星輪系結構。在實際應用中，往往同時應用定軸輪系和行星輪系，構成組合輪系。這樣可以在獲得較高傳動比的同時，使齒輪箱結構比較緊湊。在風電機組增速齒輪箱中，多數(shù)采用行星輪系和定軸輪系結合的組合輪系結構。78第78頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

齒輪箱是風電機組傳動系統(tǒng)中的主要部件，需要承受來自風輪的載荷，同時要承受齒輪傳動過程產(chǎn)生的各種載荷。需要根據(jù)機組總體布局設計要求，為風輪主軸、齒輪傳動機構和傳動系統(tǒng)中的其他構件提供可靠的支撐與連接，同時將載荷平穩(wěn)傳遞到主機架。風電機組齒輪箱的構成及形式結構形式

由于要求的增速比往往很大，風電齒輪箱通常需要多級齒輪傳動。大型風電機組的增速齒輪箱的典型設計，多采用行星齒輪與定軸齒輪組成混合輪系的傳動方案。79第79頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四圖為一種一級行星+兩級定軸齒輪傳動的齒輪箱結構，低速軸為行星齒輪傳動，可使功率分流，同時合理應用了內嚙合。后兩級為平行軸圓柱齒輪傳動，可合理分配傳動比，提高傳動效率。

80第80頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

有些齒輪箱采用多級行星輪系的傳動形式，如圖三級行星輪加一級平行軸齒輪的傳動結構。多級行星輪結構殼可以獲得更加緊湊的結構，但也使齒輪箱的設計、制造與維護難度和成本大大增加。因此，齒輪箱的設計和選型過程，應綜合考慮設計要求、齒輪箱總體結構、制造能力，以及與機組總體成本平衡等因素間的關系，盡可能選擇相對合理的傳動形式。81第81頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

由子傳動構件的運轉環(huán)境和載荷情況復雜，要求所設計采用的材料除滿足常規(guī)機械性能條件外，還應具有極端溫差條件下的材料特性，如抗低溫冷脆性、極端溫差影響下的尺寸穩(wěn)定性等。齒輪、軸類構件材料一般采用低碳合金鋼，毛坯的制備多采用鍛造工藝獲得，以保證良好的材料組織纖維和力學特征。外嚙合齒輪推薦采用20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiM06、17Cr2Ni2MoA等材料；內嚙合的齒圈和軸類零件推薦采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料。

齒輪材料

82第82頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四箱體要承受風輪的作用力和齒輪傳動過程產(chǎn)生的各種載荷，必須具有足夠的強度和剛度，以保證傳動的質量。箱體的設計一般應依據(jù)主傳動鏈的布局需要，并考慮加工、裝配和安裝條件，同時要便于檢修和維護。批量生產(chǎn)的箱體一般采用鑄造成型，常用材料有球墨鑄鐵或其他高強度鑄鐵。用鋁合金或其他輕合金制造的箱體，可使其重量較鑄鐵降低20%-30%。但當輕合金鑄件材料的強度性能指標較低時，需要增加鑄造箱體的結構尺寸，可能使其降低重量的效果并不顯著。單件小批量生產(chǎn)時，常采用焊接箱體結構。為保證箱體的質量，鑄造或焊接結構的箱體均需在加工過程安排必要的去應力熱處理環(huán)節(jié)。齒輪箱的箱體結構

83第83頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四齒輪箱在機架上的安裝一般需考慮彈性減振裝置，最簡單的彈性減振器是用高強度橡膠和鋼結構制成的彈性支座塊。在箱體上應設有觀察窗，以便于裝配和傳動情況的檢查。箱蓋上還應設有透氣罩、油標或油位指示器。采用強制潤滑和冷卻的齒輪箱，在箱體的合適部位需設置進出油口和相關的液壓元件的安裝位置。84第84頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

齒輪傳動的效率一般比較高，與傳動比、齒輪類型及潤滑油粘度等因素有關。對于定軸傳動齒輪，每級約有2%的損失，而行星輪每級約有1%的損失。在很多情況下，造成齒輪箱傳動功率損失的主要原因，是齒側的摩擦和潤滑過程中以熱或噪聲形式的能量消耗，因此，有效的散熱可以提高風電齒輪箱的傳動效率。采用緊湊結構設計型齒輪箱需要考慮的主要問題，除了表面冷卻裝置外，一般還應該配備相應的潤滑冷卻系統(tǒng)。除此之外，齒輪箱的傳動效率還與額定功率以及實際傳遞功率有關。機組傳動載荷較小時，效率會有明顯的下降，其原因是此種條件下的潤滑、摩擦等空載損失的比重相對增大，會使傳動效率相應地下降。

傳動效率與噪聲

85第85頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四設計標準對齒輪箱的傳動噪聲也有相應要求，而噪聲與齒輪箱傳動構件的設計和制造質量密切相關。齒輪箱設計通常應提供傳動噪聲的聲壓級別，根據(jù)DIN(德國的標準化主管機關)標準的測試條件，1m距離測得的聲壓值，通常希望控制在表所示的范圍內。

86第86頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四齒輪在運行過程中，齒面承受交變壓應力、交變摩擦力以及沖擊載荷的作用，將會產(chǎn)各種類型的損傷，導致運行故障甚至失效。齒輪失效的主要形式包括斷齒、齒面變形等。根據(jù)制造、安裝、操作、維護、潤滑、承載大小等方面的條件不同，故障發(fā)生的時間程度有很大差異。

齒輪箱及軸承故障

87第87頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四齒輪嚙合過程中，齒面和齒根部均受周期交變作用，在材料內部形成交變應力，當應力超過材料疲勞極限時，將在表面產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著裂紋不斷擴展，最終導致疲勞損傷。這類損傷通常由小到大，由某個（幾個）輪齒局部到整個齒面逐漸擴展，最終導致齒輪失效，失效過程通常會持續(xù)一定的時間。疲勞失效主要表現(xiàn)為齒根斷裂和齒面點蝕。

疲勞斷齒：齒根主要承受交變彎曲應力，產(chǎn)生彎曲疲勞裂紋并不斷擴展，最終使齒根剩余部分無法承受外載荷，造成斷齒。點蝕：齒面在接觸點既有相對滾動，又有相對滑動。滾動過程由于表面產(chǎn)生交變接觸壓應力，和交變脈動剪應力，使齒面產(chǎn)生疲勞裂紋，當裂紋擴展到一定程度，將造成局部齒面金屬剝落，形成小坑，稱為“點蝕”故障。隨著齒輪工作時間加長，點蝕故障逐漸擴大，各點蝕部位連成一片，將導致齒面整片金屬剝落，齒厚減薄，造成輪齒從中間部位斷裂。交變載荷引起的疲勞損傷

88第88頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

如果設計載荷過大，或齒輪在工作承受嚴重的瞬時沖擊、偏載，使接觸部位局部應力超過材料的設計許用應力，導致輪齒產(chǎn)生突然損傷，輕則造成局部裂紋、塑性變形或膠合現(xiàn)象，重則造成輪齒斷裂。對于風電機組，由于瞬時陣風、變槳操作、制動、機組起停以及電網(wǎng)故障等作用，經(jīng)常會發(fā)生傳動系統(tǒng)載荷突然增加，超過設計載荷的現(xiàn)象。過載斷齒主要表現(xiàn)形式為脆性斷裂，通常斷面粗糙，有金屬光澤。過載引起的損傷

89第89頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四主要有齒面磨損和膠合，其他故障包括電蝕、腐蝕等。

齒面磨損：由于潤滑不足或潤滑油不清潔，將造成齒面嚴重的磨粒磨損，使齒廓逐漸減薄，間隙加大，最終可能導致斷齒。

膠合：對于重載和高速齒輪，齒面溫度較高，如果潤滑條件不好，兩個嚙合齒可能發(fā)生熔焊現(xiàn)象，在齒面形成劃痕，稱為膠合。維護不當引起的故障

90第90頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四滾動軸承在正常工作條件下，由于受交變載荷作用，工作一定條件后，不可避免會產(chǎn)生疲勞損壞，導致軸承失效，達到所謂的軸承“壽命”。軸承壽命是發(fā)生點蝕破壞前軸承累計運行的小時數(shù)。軸承疲勞損壞的主要形式是在軸承內、外圈或滾動體上發(fā)生“點蝕”，點蝕發(fā)生機理與齒輪點蝕故障機理相同，即由于長期受交變應力作用，在材料表面層產(chǎn)生微裂紋，隨著軸承運行時間加長，裂紋逐漸擴展，最終導致局部金屬剝落，形成點蝕，如果不及時更換軸承，點蝕部位將逐漸擴展，造成軸承失效。超載造成軸承局部塑性變形、壓痕；潤滑不足造成軸承燒傷、膠合；潤滑油不清潔造成軸承磨損；裝配不當造成軸承卡死、內圈脹破、結構破碎等。軸承損傷使軸承工作狀態(tài)變壞，摩擦阻力增大、轉動靈活性喪失、旋轉精度降低、軸承溫度升高、振動噪聲加劇。軸承故障

91第91頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風電機組齒輪箱的失效形式與設計和運行工況有關，但良好的潤滑是保證齒輪箱可靠運行的必備條件。需要配備可靠的潤滑油和潤滑系統(tǒng)?？煽康臐櫥到y(tǒng)是齒輪箱的重要配置，風電機組齒輪箱通常采用強制潤滑系統(tǒng)，可以實現(xiàn)傳動構件的良好潤滑。同時，為確保極端環(huán)境溫度條件的潤滑油性能，一般需要考慮設置相應的加熱和冷卻裝置。齒輪箱還應設置對潤滑油、高速端軸承等溫度進行實時監(jiān)測的傳感器、空氣過濾器，以及雷電保護裝置等附件。

齒輪箱的潤滑與冷卻92第92頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四潤滑油的品質是潤滑決定性因素之一，對潤滑油的基本要求是考慮其對齒輪和軸承的保護作用。選用的潤滑油應關注的性能包括減少摩擦、較高的承載與防止膠合能力、降低振動沖擊、防止疲勞點蝕和冷卻防腐蝕等。由于風電機組齒輪箱屬于閉式硬齒面齒輪傳動，齒面會產(chǎn)生高溫和較大接觸應力，在滑動與滾動摩擦的綜合作用下，若潤滑不良，很容易產(chǎn)生齒面膠合與點蝕失效。因此，硬齒面齒輪傳動潤滑油的選擇，應重點保證足夠的油膜厚度和邊界膜強度。還應注意，常用潤滑油使用一段時間后的性能將會降低，而高品質潤滑油在其整個預期壽命內都應保持良好的抗磨損與抗膠合性能。

93第93頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

黏度是潤滑油的另一個最重要的指標，為提高齒輪的承載能力和抗沖擊能力，根據(jù)環(huán)境和操作條件，往往需要適當?shù)剡x擇一些添加劑構成合成潤滑油。但添加劑有一些副作用，應注意所選擇的合成潤滑油的性能，保證在極低溫度狀況下具有較好的流動性，而在高溫時的化學穩(wěn)定性好并可抑制黏度降低。為解決低溫下起動時普通礦物油解凍問題，高寒地區(qū)安裝的機組需要設置油加熱裝置，一般安裝在油箱底部。在冬季低溫狀況下，可將油液加熱至一定溫度再起動機組，避免因油流動性降低造成的潤滑失效。94第94頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

為實現(xiàn)機組傳動鏈部件間的轉矩傳遞，傳動鏈的軸系需要設置必要的連接構件（如聯(lián)軸器等）。聯(lián)軸器是用來聯(lián)接不同機構中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉以傳遞扭矩的機械零件。圖為某風電機組高速軸與發(fā)電機軸間的聯(lián)軸器結構示意。齒輪箱高速軸與發(fā)電機軸的連接構件一般采用柔性聯(lián)軸器，以彌補機組運行過程軸系的安裝誤差，解決主傳動鏈的軸系不對中問題。同時，柔性聯(lián)軸器還可以增加傳動鏈的系統(tǒng)阻尼，減少振動的傳遞。

軸的連接與制動

高速軸聯(lián)軸器

95第95頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四齒輪箱與發(fā)電機之間的聯(lián)軸器設計，需要同時考慮對機組的安全保護功能。由于機組運行過程可能產(chǎn)生異常情況下的傳動鏈過載，如發(fā)電機短路導致的轉矩甚至可以達到額定值的6倍，為了降低設計成本，不可能將該轉矩值作為傳動系統(tǒng)的設計參數(shù)。采用在高速軸上安裝防止過載的柔性安全聯(lián)軸器，不僅可以保護重要部件的安全，也可以降低齒輪箱的設計與制造成本。聯(lián)軸器設計還需要考慮完備的絕緣措施，以防止發(fā)電系統(tǒng)寄生電流對齒輪箱產(chǎn)生不良影響。96第96頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四當遇有破壞性大風、風電機組運轉出現(xiàn)異?；蛘咝枰獙C組進行保養(yǎng)維修時，需用制動機構使風輪靜止下來。大型風電機組的制動機構均由氣動制動和機械制動兩個部分組成，在實際制動操作過程中，首先執(zhí)行氣動制動，使風輪轉速降到一定程度后，再執(zhí)行機械制動。只有在緊急制動情況下，同時執(zhí)行氣動和機械制動。定槳距機組通過葉尖制動機構實現(xiàn)氣動制動，變槳距機組則通過將葉片槳距角調整到順槳位置，就可以實現(xiàn)氣動制動。機械制動機構一般采用盤式結構，制動盤安裝在齒輪箱輸出軸與發(fā)電機軸的彈性聯(lián)軸器前端，機械制動時，液壓制動器抱緊制動盤，通過摩擦力實現(xiàn)制動。機械制動系統(tǒng)需要一套液壓系統(tǒng)提供動力。對于采用液壓變槳系統(tǒng)的風電機組，為了使系統(tǒng)簡單、緊湊，可以使變槳距機構和機械制動機構共用一個液壓系統(tǒng)。機械制動機構97第97頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

偏航系統(tǒng)主要用于調整風輪的對風方向。下風向風力機的風輪能自然地對準風向，因此一般不需要進行調向控制（對大型的下風向風力機，為減輕結構上的振動，往往也采用對風控制系統(tǒng)）。上風向風力機則必須采用偏航系統(tǒng)進行調向，以使風力機正面迎風。偏航系統(tǒng)

大型風電機組主要采用電動機驅動的偏航系統(tǒng)。該系統(tǒng)的風向感受信號來自裝在機艙上面的風向標。通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)風輪方向的調整。98第98頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四偏航系統(tǒng)是水平軸風電機組的重要組成部分。根據(jù)風向的變化，偏航操作裝置按系統(tǒng)控制單元發(fā)出指令，使風輪處于迎風狀態(tài)，同時還應提供必要的鎖緊力矩，以保證機組的安全運行和停機狀態(tài)的需要。偏航操作裝置主要由偏航軸承、傳動、驅動與制動等功能部件或機構組成。偏航系統(tǒng)要求的運行速度較低，且結構設計所允許的安裝空間、承受的載荷更大，因而需要有更多的技術解決方案可供選擇?；緲嫵?9第99頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

圖為一種采用滑動軸承支撐的主動偏航裝置結構示意圖。偏航操作裝置安裝于塔架與主機架之間，采用滑動軸承實現(xiàn)主機架的定位與支撐；用四組偏航電動機主軸軸承與齒輪箱集成形式的風電機組主機架與塔架固定連接的大齒圈，實現(xiàn)偏航的操作。在主機架上安裝主傳動鏈部件和偏航驅動裝置，通過偏航滑動軸承實現(xiàn)與大齒圈的連接和偏航傳動。當需要隨風向改變風輪位置時，通過安裝在驅動部件上的小齒輪與大齒圈嚙合，帶動主機架和機艙旋轉使風輪對準風向。

100第100頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四采用電力拖動的偏航驅動部件一般由電動機、大速比減速機和開式齒輪傳動副組成，通過法蘭連接安裝在主機架上。偏航驅動電動機一般選用轉速較高的電動機，以盡可能減小體積。但由于偏航驅動所要求的輸出轉速又很低，必須采用緊湊型的大速比減速機，以滿足偏航動作要求。偏航減速器可選擇立式或其他形式安裝，采用多級行星輪系傳動，以實現(xiàn)大速比、緊湊型傳動的要求。偏航減速器多采用硬齒面嚙合設計，減速器中主要傳動構件，可采用低碳合金鋼材料，如17CrNiM06，42CrMoA等制造，齒面熱處理狀態(tài)一般為滲碳淬硬(硬度一般大于HRC58)。

偏航驅動部件101第101頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

根據(jù)傳動比要求，偏航減速器通常需要采用3-4級行星輪傳動方案，而大速比行星齒輪的功率分流和均載是其結構設計的關鍵。同時，若考慮立式安裝條件，設計也需要特別關注輪系構件的重力對均載問題影響。因此，行星齒輪傳動裝置的前三級行星輪的系桿構件以及除一級傳動的太陽輪軸需要采用浮動連接設計方案。為解決各級行星傳動輪系構件的干涉與裝配問題，各傳動級間的構件連接多采用漸開線花鍵連接。

花鍵：軸和輪轂上有多個凸起和凹槽構成的周向聯(lián)接件。漸開線花鍵：齒形是漸開線的花鍵。齒數(shù)多、齒端齒根部厚，承載能力強，易自動定心，安裝精度高。

102第102頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四偏航軸承是保證機艙相對塔架可靠運動的關鍵構件，采用滾動體支撐的偏航軸承雖然也是一種專用軸承，但已初步形成標準系列?？蓞⒖紮C械行業(yè)標準JB/T10705-2007進行設計或選型。圖為偏航軸承制造實例。偏航軸承103第103頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四滾動體支撐的偏航軸承與變槳軸承相似。相對普通軸承而言，偏航軸承的顯著結構特征在于，具有可實現(xiàn)外嚙合或內嚙合的齒輪輪齒。104第104頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

風電機組偏航運動的速度很低，一般軸承的轉速n≤10r/min。但要求軸承部件有較高的承載能力和可靠性，可同時承受機組的幾乎所有運動部件產(chǎn)生的軸向、徑向力和傾翻力矩等載荷?？紤]到機組的運行特性，此類軸承需要承受載荷的變動幅度較大，因此對動載荷條件下滾動體的接觸和疲勞強度設計要求較高。偏航軸承的齒輪為開式傳動，輪齒的損傷是導致偏航和變槳軸承失效的重要因素。由于設計載荷難以準確掌握，傳動部分的結構強度往往決定了軸承的設計質量，是設計中應重點關注的內容。同時，由于此種開式齒輪傳動副，需要與之嚙合的小齒輪現(xiàn)場安裝形成。其嚙合間隙和潤滑條件均難以保證，給齒輪設計帶來一定困難。105第105頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四為保證機組運行的穩(wěn)定性，偏航系統(tǒng)一般需要設置制動器，多采用液壓鉗盤式制動器。制動器的環(huán)狀制動盤通常裝于塔架（或塔架與主機架的適配環(huán)節(jié)）。制動盤的材質應具有足夠的強度和韌性，如采用焊接連接，材質還應具有比較好的可焊性。一般要求機組壽命期內制動盤主體不出現(xiàn)疲勞等形式的失效損壞。偏航制動

106第106頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四制動鉗一般由制動鉗體和制動襯塊組成，鉗體通過高強度螺栓連接于主機架上，制動襯塊應由專用的耐磨材料（如銅基或鐵基粉末冶金）制成。對偏航制動器的基本設計要求，是保證機組額定負載下的制動力矩穩(wěn)定，所提供的阻尼力矩平穩(wěn)（與設計值的偏差小于5%），且制動過程沒有異常噪聲。制動器在額定負載下閉合時，制動襯墊和制動盤的貼合面積應不小于設計面積的50%；制動襯墊周邊與制動鉗體的配合間隙應不大于0.5mm。制動器應設有自動補償機構，以便在制動襯塊磨損時進行間隙的自動補償，保證制動力矩和偏航阻尼力矩的要求。偏航制動器可采用常閉和常開兩種結構形式。常閉式制動器是指在有驅動力作用條件下制動器處于松開狀態(tài)；常開式制動器則是在驅動力作用時處于鎖緊狀態(tài)。考慮制動器的失效保護，偏航制動器多采用常閉式制動結構形式。107第107頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四塔架是風電機組的支撐部件，承受機組的重量、風載荷以及運行中產(chǎn)生的各種動載荷，并將這些載荷傳遞到基礎。大型并網(wǎng)風力發(fā)電機組塔架高度一般超過幾十米，甚至超過百米，重量約占整個機組重量的一半左右，成本占風力發(fā)電機組制造成本的15%-20%。由于風電機組的主要部件全部安裝在塔架頂端，因此塔架一旦發(fā)生傾倒垮塌，往往造成整個機組報廢。因此塔架和基礎對整個風電機組的安全性和經(jīng)濟性具有重要影響。對塔架和基礎的要求是，保證機組在所有可能出現(xiàn)的載荷條件下保持穩(wěn)定狀態(tài)，不能出現(xiàn)傾倒、失穩(wěn)或其他問題。塔架與基礎

108第108頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

鋼筋混凝土塔架：鋼筋混凝土結構可以現(xiàn)場澆注，也可以在工廠做成預制件，然后運到現(xiàn)場組裝。鋼筋混凝土塔架的主要特點是剛度大，一階彎曲固有頻率遠高于機組工作頻率，因而可以有效避免塔架發(fā)生共振。早期的小容量機組中曾使用過這種結構。但是隨著機組容量增加，塔架高度升高，鋼混結構塔的制造難度和成本均相應增大，因此在大型機組中很少使用。

結構類型

鋼筋混凝土結構、桁架結構和鋼筒結構三種。塔架

109第109頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

桁架塔架：結構與高壓線塔架相似。桁架塔架的耗材少，便于運輸；但需要連接的零部件多，現(xiàn)場施工周期較長，運行中還需要對連接部位進行定期檢查。在早期小型風電機組中，較多采用這種類型塔架結構。隨著高度的增大，這種塔架逐漸被鋼筒塔架結構取代。但是，在一些高度超過l00m的大型風電機組塔架中，桁架結構又重新受到重視。因為在相同的高度和剛度條件下，桁架結構比鋼筒結構的材料用量少，而且桁架塔的構件尺寸下，便于運輸。對于下風向布置形式的風電機組，為了減小塔架尾流的影響，也多采用桁架結構塔架。

110第110頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

鋼筒塔架：是目前大型風電機組主要采用的結構形式，從設計與制造、安裝和維護等方面看，這種形式的塔架指標相對比較均衡。111第111頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四風電機組的額定功率取決于風輪直徑和塔架高度，隨著風電機組不斷向大功率方向發(fā)展，風輪直徑越來越大，塔架也相應地越來越高。為了降低造價，塔架的重量往往受到限制，塔架的結構剛度相對較低。因此細長、輕質塔架體現(xiàn)了風電機組塔架的主要結構特征。塔架結構特征

塔架高度

塔架高度是塔架設計的主要因素，塔架高度決定了塔架的類型、載荷大小、結構尺寸以及剛度和穩(wěn)定性等。塔架越高，需要材料越多，造價高，同時運輸、安裝和維護問題也越大。因此在進行塔架設計時，首先應對塔架高度進行優(yōu)化。在此基礎上，完成塔架的結構設計和校核。112第112頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四塔架高度H與風輪直徑D具有一定的比例關系，在風輪直徑D已經(jīng)確定的條件下，可按照下式初步確定塔架高度：確定塔架高度時，應考慮風電機組附近的地形地貌特征。對于同樣容量的風電機組，在陸地和海上的塔架高度不同。陸地地表粗糙，風速隨高度變化緩慢，需要較高的塔架。而海平面相對光滑，風速隨高度變化大，因此塔架高度相對較小。塔架最低高度可以按下式確定：式中，h為機組附近障礙物高度；為障礙物最高點到風輪掃掠面最低點距離，最小取1.5~2.0m；R為風輪半徑。

113第113頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四剛度是結構抵抗變形的能力。鋼筒塔架是質量均勻分布的細長結構，塔頂端安裝占機組約1/2重量的風輪和機艙，質量相對集中。塔架結構的固有頻率取決于塔架的剛度和質量，剛度越低，固有頻率越低。機組運行時，塔架承受風輪旋轉產(chǎn)生的周期性載荷，如果載荷的頻率接近甚至等于塔架的固有頻率，將會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，使塔架產(chǎn)生很大的振動。對于剛度較低的塔架結構，振動問題是塔架設計考慮的主要因素之一。為保證作用在塔架上的周期性載荷的頻率（如風輪旋轉頻率、葉片通過頻率及其諧振頻率等）避開塔架結構彎曲振動的固有頻率，要求塔架具有合適的剛度。塔架剛度

114第114頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

按照整體剛度不同，塔架結構形式可以分為兩類：剛性塔架：剛度較高，塔架的一階彎曲振動固有頻率高于葉片通過頻率。例如鋼筋混凝土塔架結構。其優(yōu)點是可以有效避免共振，缺點是使用材料多，成本高，現(xiàn)代大型風電機組很少采用這類剛性塔架結構。柔性塔架：整體剛度較低，塔架的一階彎曲振動固有頻率低于葉片通過頻率。塔架的一階彎曲振動固有頻率介于風輪旋轉頻率和葉片通過頻率之間的塔架稱為柔性塔架。一階彎曲振動固有頻率低于風輪旋轉頻率的塔架稱為超柔性塔架。

115第115頁，共133頁，2023年，2月20日，星期四

鋼筒塔架通常均為柔性塔架，其優(yōu)點是塔架重量小、耗材少、成本低，但是由于塔架固有頻率與風輪旋轉頻率以及葉片通過頻率處于同一數(shù)量級，如果結構設計不當，可能使