南京工业大学风力发电原理第四章ppt课件.ppt

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：,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,一、风力机基本结构,风力机主要部件,风轮,机舱,塔架,基础,叶片桨毂,增速器发电机偏航系统制动系统,风力机,水平轴风力机主要由以下几部分组成：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等。,一、风力机基本结构,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:吸收和转化风能的性能功率特性是反映风电机组基本性能的重要指标，用风电机组输出功率随风速的变化曲线来表示。功率曲线直接影响风电机组的年发电量。,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。,风电机组的基本性能,一、风力机基本结构,四个运行阶段,1,2,3,4,一、风力机基本结构,不并网发电,并网发电,额定功率,脱网停机,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,按功率调节方式划分,定桨距风力机,变桨距风力机,主动失速型风力机,垂直轴风力机：风轮围绕一个垂直轴进行旋转。,风速额定风速，功率额定功率， 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，通过调整攻角，可以改变叶片的升力和阻力比例，实现功率控制。,按风轮结构划分,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，风力机的功率调节完全依靠叶片的失速性能。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，从而限制了机组功率的进一步增加。 优点:结构简单。 缺点:不能保证超过额定风速区段的输出功率恒定，并且由于阻力增大,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，没有气动制动功能，因此定桨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,变桨距风力机：叶片和轮毂不是固定连接，叶片桨距角可调。额定风速，通过增大叶片桨距角，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，使机组能够在额定功率附近输出电能。 优点：高于额定风速区域可以获得稳定的功率输出。 缺点：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。,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。利用叶片的失速特性实现功率调节，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，使叶片主动进入失速状态，从而限制功率。 优点：改善了被动失速机组功率调节的不稳定性。 缺点：增加了桨距调节机构，使设备变得复杂。,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 为发电机磁极对数； 为电网频率，50Hz。 要求：50Hz交流电风轮转速较低，约1020r/min发电机转子 约1500r/min（p=2）解决方法：增速 or 增大极对数,一、风力机基本结构,高传动比齿轮箱型： 优点：由于极对数小，结构简单，体积小； 缺点：传动系统结构复杂，齿轮箱设计、运行维护复杂，容易出故障。 直接驱动型：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。 优点：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。 缺点：发电机极对数高，体积比较大，结构复杂。 半直驱型：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机的极数，从而减少了发电机的体积。,按传动形式划分,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。 变速型风力机：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。 多态定速风力机：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,按发电机转速变化划分,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，海上风电机组具有一些特殊性： 1)适合选用大容量风电机组。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。,陆地风电机组海上风电机组,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气象条件的可能性大； 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 海上风电机组结构，尤其是叶片材料的耐久性问题极为重要。 3)基础形式与陆地风电机组有巨大差别。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、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。 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、建设成本高。,一、风力机基本结构,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。,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。 根据贝茨理论，风轮从自然风中获取的功率为 式中，S为风轮的扫掠面积， D增加，则其扫掠面积与D2成比例增加，其获取的风功率也相应增加。,风轮直径与扫掠面积,一. 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，大型兆瓦机组的风轮直径在7080m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。,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，是风电机组设计时要考虑的一个重要参数。 由于风剪切特性，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的问题，也导致风电机组成本相应增加。,轮毂高度,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、风轮和传动系统的成本、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。,叶片数,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，因此也称为慢速风轮。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。,现代水平轴风电机组风轮的功率系数比垂直轴风轮高，其中三叶片风轮的功率系数最高，其最大功率系数约为0.47，对应叶尖速比约为7；双叶片和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尖速比也高于三叶片风轮，即在相同风速条件下，叶片数越少，风轮最佳转速越高，因此有时也将单叶片和双叶片风轮称为高速风轮。,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转矩系数：功率系数除以叶尖速比，衡量风轮转矩性能重要参数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,两叶片：风轮制造成本降低，脉动载荷大，风轮转速高，空气 动力噪声大，视觉效果差。三叶片：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。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，对叶尖速比变化越不敏感。,二、风力机主要参数,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，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叶尖速比附近。,风轮转速、叶尖速比,二、风力机主要参数,以1.5MW风电机组为例，三叶片风轮，直径77m，额定风速12m/s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7，风轮的额定转速约为 实际风电机组的风轮转速范围的确定，还要考虑其他多种因素，如所列机组的实际转速范围约在1120r/min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相应减小，并使齿轮箱的增速比降低。,二、风力机主要参数,风轮锥角:叶片与风轮旋转轴相垂直的平面的夹角。 风轮仰角：风轮主轴与水平面的夹角。 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撞。,风轮锥角和风轮仰角,二、风力机主要参数,叶片受力分析,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角。 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，以获得最大风能吸收率。,偏航角,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。分类参数：风速和湍流状态参数参考手册：风电机组相关设计标准(IEC64000-1)四个级别：三个标准级别(、)和一个特殊级别(S)。,二、风电机组设计级别,二、风力机主要参数,风电机组分级标准依据风场的平均风速和湍流强度两个主要参数。 1) 为10min参考平均风速，实际风场的10min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：I级机组：10m/s平均风速；级机组：8.5m/s平均风速；级机组：7.5m/s平均风速。 2) 为风速在15 m/s时的湍流强度期望值，表中对每个标准机组级别都分为A、B、C三种不同的风湍流状态，其湍流强度期望值分别为0.16、0.14和0.12。即标准机组共有9个类型。 3) 还列出一个特殊级别S。,二、风力机主要参数,风轮轮毂高度,三、风轮基本结构,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：良好的空气动力外形，能够充分利用风电场的风资源条件，获得尽可能多的风能。可靠的结构强度，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，避免叶片与塔架碰撞。良好的结构动力学特性和气动稳定性，避免发生共振和颤振现象，振动和噪声小。耐腐蚀、防雷击性能好，方便维护。在满足上述目标的前提下，优化设计结构，尽可能减轻叶片重量、降低制造成本。,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,1叶片几何形状及翼型,三、风轮基本结构,叶片特征：展向: 翼型、弦长、前缘和后缘形状、叶片扭角不断变化。叶尖部位的扭角根部。叶片的剖面翼型选择：根据相应的外部条件 + 载荷分析风能的转换效率与翼型升力有关，叶片的翼型性能直接影响风能转换效率。应用较多的有NACA翼型、SERI翼型、NREL翼型和FFA-W翼型等。,三、风轮基本结构,小型风力机叶片：整块木材加工而成，表面涂层保护漆，根部通过金属接头用螺栓与轮毂相连。或采用玻璃纤维或其他复合材料作为蒙皮，增加耐磨性能。大、中型风力机：采用纵向木条胶接在一起，选用优质木材，提高叶片质量。为减轻重量，在木质叶片的后缘部分填塞质地较轻的泡沫塑料，表面用玻璃纤维作蒙皮。采用泡沫塑料的优点不仅可以减轻质量，而且能使翼型重心前移，重心设计在近前缘1/4弦长处为最佳。,2叶片的材料,三、风轮基本结构,受力梁：金属管填充物：蜂窝结构、泡沫塑料或轻木材蒙 皮：玻璃纤维防腐防磨。大、中型风力机的叶片都采用玻璃纤维或高强度复合材料。叶片蒙皮的铺层形式主要取决于叶片所受的外载荷，根据外载荷的大小和方向，确定叶片铺层数量，以及铺层增强纤维的方向。叶片所受弯矩、转矩和离心力从叶尖向叶根逐渐递增，因此铺层结构的厚度一般从叶尖向叶根逐渐递增。,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现气动制动。失速控制的风电机组，采用可旋转的叶尖实现气动制动。,3气动制动系统,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 传递到轮毂：关键在于叶片的根端连接设计。 玻璃钢弱点：层间剪切强度较低，根端设计成为叶片设计成败的关键问题。 叶片根端要求：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，因此叶片的根端是危险的部位。,4叶根连接,三、风轮基本结构,法兰连接 金属盘上的附件与轮毂相连。 预埋金属根端连接 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，提高了根部连 接的可靠性，也减小了法兰盘的重量。 缺点：就是每个螺纹件的定位必须准确。,三、风轮基本结构,叶片故障类型：表面腐蚀、雷击、覆冰、裂纹以及极端风造成的叶片断裂等。,5叶片失效与防护措施,三、风轮基本结构,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结果，其中气动部件故障率约为40%，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40%，风轮其他故障略低于20%。,三、风轮基本结构,叶片失效形式,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，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旋转质量不平衡，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。,三、风轮基本结构,三、风轮基本结构,热膨胀性：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应力，从而破坏叶片。 密封性：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，过大的孔径将气流从内向外流动，产生功率损失，还将伴随产生噪声。,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4种。大型复合材料叶片上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，从叶尖向内延伸8l0cm。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，将雷击电流接地。,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。图为两种叶片除冰系统的概念设计示意图。,除冰系统,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后面传动系统的机构。 分类：固定式轮毂、叶片之间相对固定铰链式轮毂和各叶片自由的铰链式轮毂。,1固定式轮毂,特点：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。 目前大型三叶片风轮常用结构，轮毂形状比较复杂，通常采用球磨铸铁制成，浇注方法容易成形与加工，球磨铸铁抗疲劳性能高。,轮毂,三、风轮基本结构,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510的摆动，类似跷跷板。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。 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阻尼器的作用。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，一片叶片因安装角的变化升力下降，而另一片升力提高，因而产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）,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。,3.各叶片自由的铰链式轮毂,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。主要作用：在正常运行状态下，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。当风速超过切出风速时，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，实现紧急制动。,变桨机构,三、风轮基本结构,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液压变桨距系统和电动变桨距系统，按照变桨距操作方式可以分为同步变桨距系统和独立变桨距系统。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0-90。正常工作时，叶片桨距角在0附近，进行功率控制时，桨距角调节范围约为0-25，调节速度一般为1/s左右。制动过程，桨距角从0迅速调整到90左右，称为顺桨位置，一般要求调节速度较高，可达15/s左右。机组起动过程中，叶片桨距角从90快速调节到0 ，然后实现并网。,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、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，叶片变桨旋转动作通过内啮合齿轮副实现。,三、风轮基本结构,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。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,机舱,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器要精确对中。由于所有的力、力矩、振动通过风轮传动装置作用在机舱结构上，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。为减少这些载荷，建议使用弹性联轴器。 所有的联轴器既要承受风力机正常运行时所传递的力矩，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。,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重力载荷通过主机架及偏航系统传递给塔架。,风电机组传动系统,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，主轴可以分为三种结构形式。,主轴支撑结构形式,风轮主轴,四、风力机传动系统,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。,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缺点：种主轴结构相对较长，制作成本较高。,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，故也称为三点支撑式主轴。这种主轴支撑结构形式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,主轴轴承与齿轮箱集成形式。主轴的前后支撑轴承与齿轮箱做成整体。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。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轴。,从齿轮箱维修角度看，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，大大降低维修费用，较为合理。 制造主轴的材料一般选择碳素合金钢，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性能。,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中的机械载荷摩擦系数。主轴的前轴承需要承受风轮产生的弯矩和推力，通常采用双列滚动轴承作为径向与轴向支撑。,主轴轴承,四、风力机传动系统,相对于其他工业齿轮箱，风电齿轮箱的设计条件比较苛刻，同时也是机组的主要故障源之一。传动条件 风电齿轮箱属于大传动比、大功率的增速传动装置，且需要承受多变的风载荷作用及其他冲击载荷；通常要求设计寿命不少于20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。运行条件与环境 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。对构件材料还要求低温状态下抗冷脆性等特性。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充分润滑条件及其监测，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。,特点：,增速齿轮箱,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、成本具有影响，减小其设计结构和减轻重量显得尤为重要。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。其他 一般需要在齿轮箱的输入端（或输出端）设置机械制动装置，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，应考虑防止冲击和振动措施，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,风电齿轮箱的总体设计目标： 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，应以传递功率和空间限制为前提，尽量选择简单、可靠、维修方便的结构方案。,优点：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，缺点：制造和安装的成本高、吸振性差等。,齿轮的传动比：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节圆半径之比，或从动齿轮与主动齿轮的齿数比,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。,齿轮传动概述,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 对于增速齿轮，n2n1，则有M2M1。即齿轮箱实现增速的同时，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，转矩降低越多，发电机转子直径减小，制动力矩也比较小。,四、风力机传动系统,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大，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，采用多级齿轮构成的轮系实现传动，轮系传动分为定轴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，如果各轴线相互平行，则称为平面定轴轮系，或平行轴轮系。,四、风力机传动系统,周转轮系中，至少有一个齿轮的轴线可以绕其他齿轮轴线转动，行星轮系。 优点：结构紧凑，传动比高等优点， 缺点：结构复杂，制造和维护困难。,四、风力机传动系统,图为一种用于风电机组齿轮箱第一级传动的行星轮系结构。,在实际应用中，往往同时应用定轴轮系和行星轮系，构成组合轮系。这样可以在获得较高传动比的同时，使齿轮箱结构比较紧凑。在风电机组增速齿轮箱中，多数采用行星轮系和定轴轮系结合的组合轮系结构。,四、风力机传动系统,齿轮箱是风电机组传动系统中的主要部件，需要承受来自风轮的载荷，同时要承受齿轮传动过程产生的各种载荷。需要根据机组总体布局设计要求，为风轮主轴、齿轮传动机构和传动系统中的其他构件提供可靠的支撑与连接，同时将载荷平稳传递到主机架。,结构形式,由于要求的增速比往往很大，风电齿轮箱通常需要多级齿轮传动。大型风电机组的增速齿轮箱的典型设计，多采用行星齿轮与定轴齿轮组成混合轮系的传动方案。,风电机组齿轮箱的构成及形式,四、风力机传动系统,一种一级行星+两级定轴齿轮传动的齿轮箱结构，低速轴：行星齿轮传动，可使功率分流，同时合理应用了内啮合。后两级：平行轴圆柱齿轮传动，可合理分配传动比，提高传动效率,四、风力机传动系统,多级行星轮系的传动形式。优点：更加紧凑的结构，缺点：齿轮箱的设计、制造与维护难度和成本大大增加。设计要求：齿轮箱的设计和选型过程，应综合考虑设计要求、齿轮箱总体结构、制造能力，以及与机组总体成本平衡等因素间的关系，尽可能选择相对合理的传动形式。,四、风力机传动系统,要求：满足常规机械性能条件外，还应具有极端温差条件下的材料特性，如抗低温冷脆性、极端温差影响下的尺寸稳定性等。 主要材料: 低碳合金钢，锻造工艺，保证良好的材料组织纤维和力学特征。 外啮合齿轮推荐采用20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiM06、17Cr2Ni2MoA等材料； 内啮合的齿圈和轴类零件推荐采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料。,齿轮材料,四、风力机传动系统,要求：必须具有足够的强度和刚度，以保证传动的质量。依据：主传动链的布局需要，并考虑加工、装配和安装条件，同时要便于检修和维护。批量生产的箱体一般采用铸造成型，材料：球墨铸铁或其他高强度铸铁。 用铝合金或其他轻合金制造的箱体，可使其重量较铸铁降 低20%-30%。但当轻合金铸件材料的强度性能指标较低时，需要增加铸造箱体的结构尺寸，可能使其降低重量的效果并不显著。单件小批量生产时，常采用焊接箱体结构。为保证箱体的质量，铸造或焊接结构的箱体均需在加工过程安排必要的去应力热处理环节。,齿轮箱的箱体结构,四、风力机传动系统,安装：弹性减振装置，最简单的弹性减振器是用高强度橡胶和钢结构制成的弹性支座块。其他：在箱体上应设有观察窗，以便于装配和传动情况的检查。箱盖上还应设有透气罩、油标或油位指示器。采用强制润滑和冷却的齿轮箱，在箱体的合适部位需设置进出油口和相关的液压元件的安装位置。,四、风力机传动系统,齿轮传动的效率与传动比、齿轮类型及润滑油粘度等因素有关 定轴传动齿轮：每级约有2%的损失， 行星轮：每级约有1%的损失。 齿轮箱传动功率损失的主要原因：齿侧的摩擦和润滑过程中以热或噪声形式的能量消耗，有效的散热可以提高风电齿轮箱的传动效率。 紧凑结构齿轮箱需要考虑的主要问题：表面冷却装置，润滑冷却系统。,传动效率与噪声,四、风力机传动系统,四、风力机传动系统,噪声要求与齿轮箱传动构件的设计和制造质量密切相关。齿轮箱设计通常应提供传动噪声的声压级别，根据DIN(德国的标准化主管机关)标准的测试条件，1m距离测得的声压值，通常希望控制在表所示的范围内。,齿面受力：交变压应力、交变摩擦力以及冲击载荷将会产 齿轮失效形式：断齿、齿面变形等。,齿轮箱及轴承故障,四、风力机传动系统,疲劳失效：交变应力超过材料疲劳极限时，将在表面产生疲劳裂纹，随着裂纹不断扩展，最终导致疲劳损伤。疲劳失效主要表现为齿根断裂和齿面点蚀。 疲劳断齿：齿根主要承受交变弯曲应力，产生弯曲疲劳裂纹并不断扩展，最终使齿根剩余部分无法承受外载荷，造成断齿。 点蚀：齿面在接触点既有相对滚动，又有相对滑动。滚动过程由于表面产生交变接触压应力，和交变脉动剪应力，使齿面产生疲劳裂纹，当裂纹扩展到一定程度，将造成局部齿面金属剥落，形成小坑，称为“点蚀”故障。随着齿轮工作时间加长，点蚀故障逐渐扩大，各点蚀部位连成一片，将导致齿面整片金属剥落，齿厚减薄，造成轮齿从中间部位断裂。,交变载荷引起的疲劳损伤,四、风力机传动系统,如果设计载荷过大，或齿轮在工作承受严重的瞬时冲击、偏载，使接触部位局部应力超过材料的设计许用应力，导致轮齿产生突然损伤，轻则造成局部裂纹、塑性变形或胶合现象，重则造成轮齿断裂。 对于风电机组，由于瞬时阵风、变桨操作、制动、机组起停以及电网故障等作用，经常会发生传动系统载荷突然增加，超过设计载荷的现象。 过载断齿主要表现形式为脆性断裂，通常断面粗糙，有金属光泽。,过载引起的损伤,四、风力机传动系统,主要有齿面磨损和胶合，其他故障包括电蚀、腐蚀等。 齿面磨损：由于润滑不足或润滑油不清洁，将造成齿面严重的磨粒磨损，使齿廓逐渐减薄，间隙加大，最终可能导致断齿。 胶合：对于重载和高速齿轮，齿面温度较高，如果润滑条件不好，两个啮合齿可能发生熔焊现象，在齿面形成划痕，称为胶合。,维护不当引起的故障,四、风力机传动系统,轴承寿命是发生点蚀破坏前轴承累计运行的小时数。轴承疲劳损坏的主要形式：在轴承内、外圈或滚动体上发生“点蚀”，点蚀发生机理与齿轮点蚀故障机理相同。 超载造成轴承局部塑性变形、压痕； 润滑不足造成轴承烧伤、胶合； 润滑油不清洁造成轴承磨损； 装配不当造成轴承卡死、内圈胀破、结构破碎等。效果：轴承损伤使轴承工作状态变坏，摩擦阻力增大、转动灵活性丧失、旋转精度降低、轴承温度升高、振动噪声加剧。,轴承故障,四、风力机传动系统,风电机组齿轮箱的失效形式与设计和运行工况有关，但良好的润滑是保证齿轮箱可靠运行的必备条件。风电机组齿轮箱通常采用强制润滑系统，可以实现传动构件的良好润滑。为确保极端环境温度条件的润滑油性能，一般需要考虑设置相应的加热和冷却装置。齿轮箱还应设置对润滑油、高速端轴承等温度进行实时监测的传感器、空气过滤器，以及雷电保护装置等附件。,齿轮箱的润滑与冷却,四、风力机传动系统,为实现机组传动链部件间的转矩传递，传动链的轴系需要设置必要的连接构件（如联轴器等）。 联轴器是用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。 齿轮箱高速轴与发电机轴的连接构件一般采用柔性联轴器，以弥补安装误差，增加传动链的系统阻尼，减少振动的传递。,高速轴联轴器,轴的连接与制动,四、风力机传动系统,大型风电机组的制动机构均由气动制动和机械制动两个部分组成，在实际制动操作过程中，首先执行气动制动，使风轮转速降到一定程度后，再执行机械制动。只有在紧急制动情况下，同时执行气动和机械制动。定桨距机组通过叶尖制动机构实现气动制动，变桨距机组则通过将叶片桨距角调整到顺桨位置，就可以实现气动制动。机械制动机构一般采用盘式结构，制动盘安装在齿轮箱输出轴与发电机轴的弹性联轴器前端，,机械制动机构,四、风力机传动系统,偏航系统作用：调整风轮的对风方向。下风向风力机的风轮能自然地对准风向，因此一般不需要进行调向控制。上风向风力机则必须采用偏航系统进行调向，以使风力机正面迎风。,大型风电机组主要采用电动机驱动的偏航系统。该系统的风向感受信号来自装在机舱上面的风向标。,偏航系统,四、风力机传动系统,偏航操作装置主要由偏航轴承、传动、驱动与制动等功能部件或机构组成。,基本构成,四、风力机传动系统,一种采用滑动轴承支撑的主动偏航装置结构,采用电力拖动的偏航驱动部件一般由电动机、大速比减速机和开式齿轮传动副组成，通过法兰连接安装在主机架上。 偏航驱动电动机一般选用转速较高的电动机，以尽可能减小体积。由于偏航驱动所要求的输出转速又很低，必须采用紧凑型的大速比减速机，以满足偏航动作要求。偏航减速器可选择立式或其他形式安装，采用多级行星轮系传动，以实现大速比、紧凑型传动的要求。,偏航驱动部件,四、风力机传动系统,偏航轴承是保证机舱相对塔架可靠运动的关键构件，采用滚动体支撑的偏航轴承虽然也是一种专用轴承，但已初步形成标准系列。可参考机械行业标准JB/T 10705-2007进行设计或选型。,偏航轴承,四、风力机传动系统,滚动体支撑的偏航轴承与变桨轴承相似。相对普通轴承而言，偏航轴承的显著结构特征在于，具有可实现外啮合或内啮合的齿轮轮齿。,四、风力机传动系统,为保证机组运行的稳定性，偏航系统一般需要设置制动器，多采用液压钳盘式制动器。制动盘的材质应具有足够的强度和韧性，一般要求机组寿命期内制动盘主体不出现疲劳等形式的失效损坏。,偏航制动,四、风力机传动系统,偏航制动器的基本设计要求：是保证机组额定负载下的制动力矩稳定，所提供的阻尼力矩平稳（与设计值的偏差小于5%），且制动过程没有异常噪声。偏航制动器可采用常闭和常开两种结构形式。 常闭式制动器是指在有驱动力作用条件下制动器处于松开状态； 常开式制动器则是在驱动力作用时处于锁紧状态。考虑制动器的失效保护，偏航制动器多采用常闭式制动结构形式。,四、风力机传动系统,五、风力机塔架,塔架是风电机组的支撑部件，承受机组的重量、风载荷以及运行中产生的各种动载荷，并将这些载荷传递到基础。高度：几十百米，重量：占整个机组重量的一半左右，成本：占风力发电机组制造成本的15%-20%。对塔架和基础的要求：保证机组在所有可能出现的载荷条件下保持稳定状态，不能出现倾倒、失稳或其他问题。,五、风力机塔架,塔架与基础,钢筋混凝土塔架：钢筋混凝土塔架的主要特点是刚度大，一阶弯曲固有频率远高于机组工作频率，因而可以有效避免塔架发生共振。 早期的小容量机组中曾使用过这种结构。但是随着机组容量增加，塔架高度升高，钢混结构塔的制造难度和成本均相应增大，因此在大型机组中很少使用。,结构类型,钢筋混凝土结构、桁架结构和钢筒结构三种。,塔架,五、风力机塔架,桁架塔架：耗材少，便于运输；但需要连接的零部件多，现场施工周期较长，运行中还需要对连接部位进行定期检查。 在早期小型风电机组中，较多采用这种类型塔架结构。随着高度的增大，这种塔架逐渐被钢筒塔架结构取代。但是，在一些高度超过l00m的大型风电机组塔架中，桁架结构又重新受到重视。因为在相同的高度和刚度条件下，桁架结构比钢筒结构的材料用量少，而且桁架塔的构件尺寸下，便于运输。对于下风向布置形式的风电机组，为了减小塔架尾流的影响，也多采用桁架结构塔架。,五、风力机塔架,钢筒塔架：是目前大型风电机组主要采用的结构形式，从设计与制造、安装和维护等方面看，这种形式的塔架指标相对比较均衡。,五、风力机塔架,为了降低造价，塔架的重量往往受到限制，塔架的结构刚度相对较低。因此细长、轻质塔架体现了风电机组塔架的主要结构特征。,塔架高度,塔架高度是塔架设计的主要因素，塔架高度决定了塔架的类型、载荷大小、结构尺寸以及刚度和稳定性等。塔架越高，需要材料越多，造价高，同时运输、安装和维护问题也越大。因此在进行塔架设计时，首先应对塔架高度进行优化。在此基础上，完成塔架的结构设计和校核。,塔架结构特征,五、风力机塔架,塔架高度H与风轮直径D具有一定的比例关系，在风轮直径D已经确定的条件下，可按照下式初步确定塔架高度： 确定塔架高度时，应考虑风电机组附近的地形地貌特征。对于同样容量的风电机组，在陆地和海上的塔架高度不同。陆地地表粗糙，风速随高度变化缓慢，需要较高的塔架。而海平面相对光滑，风速随高度变化大，因此塔架高度相对较小。塔架最低高度可以按下式确定： 式中，h为机组附近障碍物高度；为障碍物最高点到风轮扫