關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)第1頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六內(nèi)容1.主要機(jī)組類型2.基本性能和主要參數(shù)3.機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)第2頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六

1.主要機(jī)組類型1）根據(jù)風(fēng)輪與塔架的相對位置，可分為上風(fēng)向和下風(fēng)向機(jī)組

第3頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六

1.主要機(jī)組類型2）根據(jù)功率調(diào)節(jié)方式，可分為失速機(jī)組和變槳機(jī)組

失速機(jī)組主要利用葉片的氣動失速特性，即當(dāng)入流風(fēng)速超過一定值時，在葉片后端將形成湍流狀態(tài)，使升力系數(shù)下降，而阻力系數(shù)增加，從而限制了機(jī)組功率的進(jìn)一步增加。變槳距機(jī)組的葉片和輪轂不是固定連接，葉片槳距角可調(diào)。在超過額定風(fēng)速范圍時，通過增大葉片槳距角，使攻角減小，以改變?nèi)~片升力FL與阻力FD的比例，達(dá)到限制風(fēng)輪功率的目的，使機(jī)組能夠在額定功率附近輸出電能。

第4頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六1.主要機(jī)組類型a)帶增速齒輪箱風(fēng)電機(jī)組b)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組3）根據(jù)主軸傳動方式，可分為帶齒輪箱機(jī)組和直驅(qū)機(jī)組

第5頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六1.主要機(jī)組類型a)陸上風(fēng)機(jī)b)海上風(fēng)機(jī)4）根據(jù)安裝地理位置，可分為陸上機(jī)組和海上機(jī)組

第6頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六海上風(fēng)機(jī)特殊性

1）海上風(fēng)電場一般處于深度小于30米的中淺深海域，海面平坦無障礙物，風(fēng)況條件優(yōu)于陸地。但是風(fēng)場與海浪、潮汐具有較強(qiáng)的耦合作用，使得海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在隨機(jī)海浪干擾下載荷條件比較復(fù)雜。2）海上風(fēng)場遭遇極端氣象條件的可能性大，強(qiáng)陣風(fēng)、臺風(fēng)和巨浪等極端惡劣天氣條件都會造成嚴(yán)重破壞，對于機(jī)組安全可靠性要求更高。第7頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六海上風(fēng)機(jī)特殊性

3）海上機(jī)組的基礎(chǔ)比陸地機(jī)組復(fù)雜，必須根據(jù)海域的情況，選擇不同的基礎(chǔ)形式。中淺海域常用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式包括重力基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、吸力式桶形基礎(chǔ)、三足（四足）樁基礎(chǔ)或三足（四足）吸力式桶形基礎(chǔ)，而當(dāng)水深大于50米時，多則選擇懸浮式基礎(chǔ)。用于基礎(chǔ)的建設(shè)費(fèi)用占據(jù)較大比例。（a）重力式結(jié)構(gòu)（b）筒式結(jié)構(gòu)（c）樁基固定式（單立柱、單立柱三樁、四腿導(dǎo)管架）第8頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六海上風(fēng)機(jī)特殊性4）海上風(fēng)電機(jī)安裝、運(yùn)行、操作和維護(hù)等方面都比陸地風(fēng)場困難。第9頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六我國海上風(fēng)機(jī)發(fā)展趨勢——灘涂風(fēng)電場

目前，我國已建或在建的灘涂風(fēng)電場主要集中在潮上帶及圍墾區(qū)。潮間帶由于淤泥地質(zhì)，風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸安裝都是難題。但是相比于近海風(fēng)電，業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為潮間帶風(fēng)電場還具有一定成本優(yōu)勢。國內(nèi)首個海上潮間帶風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目——龍?jiān)唇K如東海上潮間帶試驗(yàn)風(fēng)場于09年10月并網(wǎng)發(fā)電成功，首批兩臺1.5兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正式并網(wǎng)運(yùn)行。

第10頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六2.基本性能和主要參數(shù)1）功率曲線（切入、額定、切出風(fēng)速）2）風(fēng)輪直徑和輪轂高度3）葉片數(shù)4）風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、葉尖速比5）風(fēng)輪錐角和風(fēng)輪仰角第11頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六表3-1某型號1.5MW機(jī)組的主要技術(shù)規(guī)格額定功率/kW1500轉(zhuǎn)子直徑/m77塔架高度/m65切入風(fēng)速/m/s3額定風(fēng)速/m/s12切出風(fēng)速/m/s20轉(zhuǎn)子上風(fēng)向、順時針轉(zhuǎn)動葉片數(shù)3偏角/°4標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速/rpm20齒輪箱結(jié)構(gòu)形式一級行星輪＋兩級平行軸斜齒圓柱齒輪變槳控制方式獨(dú)立電動變槳控制制動剎車方式獨(dú)立葉片變槳控制+盤剎車偏航控制系統(tǒng)四個電動齒輪電機(jī)發(fā)電機(jī)類型感應(yīng)式帶滑環(huán)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)極對數(shù)4額定功率/kW1500功率因數(shù)cos0.9-1-0.9電網(wǎng)連接通過變流器塔架錐形鋼筒塔架第12頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六2.基本性能和主要參數(shù)1）功率曲線（切入、額定、切出風(fēng)速）

變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線第13頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六2.基本性能和主要參數(shù)2）風(fēng)輪直徑和輪轂高度

風(fēng)電機(jī)組功率和直徑的發(fā)展第14頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六2.基本性能和主要參數(shù)3）葉片數(shù)

帶有單葉片風(fēng)輪、雙葉片風(fēng)輪和三葉片風(fēng)輪的三種水平軸風(fēng)電機(jī)組形式第15頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六3）葉片數(shù)（續(xù)）

采用不同的葉片數(shù)，對風(fēng)電機(jī)組的氣動性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都將產(chǎn)生不同的影響。風(fēng)輪的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率取決于風(fēng)輪的功率系數(shù)。

不同葉片數(shù)的風(fēng)輪的功率系數(shù)隨葉尖速比的變化曲線在相同風(fēng)速條件下，葉片數(shù)越少，風(fēng)輪最佳轉(zhuǎn)速越高.多葉片風(fēng)輪由于功率系數(shù)很低.第16頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六3）葉片數(shù)（續(xù)）

因此用于衡量風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩性能的另一個重要參數(shù)是轉(zhuǎn)矩系數(shù)，它定義為功率系數(shù)除以葉尖速比。不同葉片數(shù)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩系數(shù)曲線葉片數(shù)越多，最大轉(zhuǎn)矩系數(shù)值也越大，對應(yīng)的葉尖速比也越小，表明啟動轉(zhuǎn)矩越大第17頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六2.基本性能和主要參數(shù)4）葉尖速比

葉尖速比λ描述風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪特性的一個重要的無量剛量，定義為風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比，即

第18頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六2.基本性能和主要參數(shù)5）風(fēng)輪錐角和風(fēng)輪仰角

風(fēng)輪錐角是葉片與風(fēng)輪主軸相垂直的旋轉(zhuǎn)平面的夾角，風(fēng)輪仰角是風(fēng)輪主軸與水平面的夾角。

第19頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六3.機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)1）總體結(jié)構(gòu)2）葉片3）輪轂4）軸系5）發(fā)電機(jī)6）機(jī)艙7）偏航8）塔架與基礎(chǔ)第20頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六1）總體結(jié)構(gòu)大型水平軸風(fēng)電機(jī)組主要由風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架和基礎(chǔ)組成。

風(fēng)電機(jī)組基本結(jié)構(gòu)第21頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六1）總體結(jié)構(gòu)（續(xù)）雙饋風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部結(jié)構(gòu)

第22頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六2）葉片風(fēng)電機(jī)組葉片應(yīng)滿足以下要求：1）良好的空氣動力外形，能夠充分利用風(fēng)電場的風(fēng)資源條件，獲得盡可能多的風(fēng)能；2）可靠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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；3）良好的結(jié)構(gòu)動力學(xué)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?。?）耐腐蝕、防雷擊性能好，方便維護(hù)；5）在滿足上述目標(biāo)的前提下，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，盡可能減輕葉片重量、降低制造成本。第23頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六2）葉片—幾何形狀及翼型a)風(fēng)電機(jī)組葉片（E112型）長度與A340型客機(jī)比較b)葉片幾何參數(shù)c)葉片翼型沿展向變化第24頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六2）葉片—幾何結(jié)構(gòu)葉片剖面多采用蒙皮與主梁構(gòu)造形式，中間有硬質(zhì)泡沫夾層作為增強(qiáng)材料。葉片主梁材料一般需采用單向程度較高的玻纖織物，葉片蒙皮主要由膠衣、表面氈和雙向復(fù)合材料鋪層構(gòu)成。

葉片主梁葉片鋪層第25頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六2）葉片—加工制造葉片上下兩半部分分別在固定形狀的模具中完成鋪層，然后在前后緣粘合在一起，形成整體葉片。

葉片制造第26頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六2）葉片—葉尖氣動制動機(jī)構(gòu)對于失速機(jī)組，葉片端部（葉尖）采用制動，超速保護(hù)。

第27頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六2）葉片—葉根與輪轂連接形式

a)法蘭連接b)預(yù)埋金屬根端連接葉片根端必須具有足夠的剪切強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度，與金屬的連接強(qiáng)度也要足夠高，這些強(qiáng)度均低于其拉彎強(qiáng)度。常用方式有法蘭連接與預(yù)埋金屬根端連接。

第28頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六2）葉片—葉片故障a）葉片表面覆冰b)表面腐蝕c)裂紋d)極端風(fēng)破壞葉片故障統(tǒng)計(jì)第29頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六2）葉片—葉片防雷閃電可以產(chǎn)生超過億伏的平均電壓，百萬安培的平均電流。風(fēng)電機(jī)組通常樹立在比較空曠的地域，容易遭受雷擊，葉片上必須安裝防雷擊裝置。在葉尖部位安裝一個金屬（鋁或銅）接受塊，然后通過葉片內(nèi)部金屬導(dǎo)線連接到葉根部的柔性金屬板上，經(jīng)過塔架內(nèi)的接地系統(tǒng)，將雷擊電流接地。

葉片防雷裝置示意圖第30頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六2）葉片—葉片除冰系統(tǒng)a)電加熱除冰系統(tǒng)概念b)熱空氣除冰系統(tǒng)概念針對一些地區(qū)容易造成葉片覆冰的環(huán)境條件，一些葉片制造企業(yè)也考慮了多種解決覆冰問題的方案，例如葉片表面采用特殊的防冰涂層、葉片中安裝覆冰報(bào)警及除冰系統(tǒng)等。第31頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六a)運(yùn)行狀態(tài)下的輪轂b)風(fēng)輪吊裝輪轂用于連接葉片和主軸，承受來自葉片的載荷并將其傳遞到主軸上。對于變槳距風(fēng)電機(jī)組，輪轂內(nèi)的空腔部分還用于安裝變槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

3）輪轂第32頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六3）輪轂—形狀a)三角形輪轂b)三通式輪轂三角形輪轂，內(nèi)部空腔小，體積小，制造成本低，適用于定槳距機(jī)組；三通式輪轂，主要用于變槳距機(jī)組，其形狀如球形，內(nèi)部空腔大，可以安裝變槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，承載能力大。第33頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六3）輪轂—變槳機(jī)構(gòu)現(xiàn)代大型并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組多數(shù)采用變槳距機(jī)組，其主要特征是葉片可以相對輪轂轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)槳距角的調(diào)節(jié)。其主要作用有以下兩點(diǎn)：1）在正常運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，通過改變?nèi)~片槳距角，改變?nèi)~片的升力與阻力比，實(shí)現(xiàn)功率控制。2）當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時，或者風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程出現(xiàn)故障狀態(tài)時，迅速將槳距角從工作角度調(diào)整到順槳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)緊急制動。第34頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六3）輪轂—變槳機(jī)構(gòu)變槳機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)第35頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六4）軸系軸系用來連接風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)，將風(fēng)輪產(chǎn)生的機(jī)械轉(zhuǎn)矩傳遞給發(fā)電機(jī)，同時實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的變換。帶增速齒輪箱的風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)示意圖第36頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六4）軸系—主軸主軸一端連接風(fēng)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(jī)架上。風(fēng)輪主軸的支撐結(jié)構(gòu)形式與增速齒輪箱的形式密切相關(guān)。按照支撐方式不同，主軸可以分為三種結(jié)構(gòu)形式，適用于不同機(jī)組。風(fēng)輪主軸支撐形式

第37頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六4）軸系—齒輪箱a)齒輪箱于風(fēng)輪側(cè)外觀視圖b)于發(fā)電機(jī)側(cè)外觀視圖風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計(jì)條件比較苛刻，同時也是機(jī)組的主要故障源之一，其基本設(shè)計(jì)特點(diǎn)表現(xiàn)在：1.傳動比大，傳遞功率大2.運(yùn)行條件惡劣c)多級行星輪系風(fēng)電機(jī)組齒輪箱第38頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六4）軸系—齒輪箱故障齒輪在運(yùn)行過程中，齒面承受交變壓應(yīng)力、交變摩擦力以及沖擊載荷的作用，將會產(chǎn)生各種類型的損傷，導(dǎo)致運(yùn)行故障甚至失效。

齒輪典型故障第39頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六4）軸系—連接與制動

為實(shí)現(xiàn)機(jī)組傳動鏈部件間的扭矩傳遞，齒輪箱高速軸與發(fā)電機(jī)軸采用柔性聯(lián)軸器，以彌補(bǔ)機(jī)組運(yùn)行過程軸系的安裝誤差。機(jī)械剎車機(jī)構(gòu)一般采用盤式結(jié)構(gòu)，制動盤安裝在齒輪箱輸出軸與發(fā)電機(jī)軸的彈性聯(lián)軸器前端。制動剎車時，液壓制動器抱緊制動盤，通過摩擦力實(shí)現(xiàn)剎車動作。某機(jī)組的聯(lián)軸器第40頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六5）發(fā)電機(jī)大型風(fēng)電機(jī)組一般采用雙饋異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)。雙饋風(fēng)電機(jī)組永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組第41頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六機(jī)艙裝配現(xiàn)場

6）機(jī)艙為了保護(hù)傳動系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)以及控制裝置等部件，將它們用輕質(zhì)外罩封閉起來，稱為機(jī)艙。機(jī)艙通常采用重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕的玻璃鋼制作。第42頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六7）偏航系統(tǒng)

偏航系統(tǒng)主要用于調(diào)整風(fēng)輪的對風(fēng)方向。大型風(fēng)電機(jī)組主要采用電動機(jī)驅(qū)動的偏航系統(tǒng)。該系統(tǒng)的風(fēng)向感受信號來自裝在機(jī)艙上面的風(fēng)向標(biāo)。通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪方向的調(diào)整。偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1主機(jī)架，2偏航驅(qū)動，3運(yùn)輸支架

第43頁，共50頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)56分，星期六8）塔架與基礎(chǔ)塔架是機(jī)組的支撐部件，承受機(jī)組重量、風(fēng)載荷及各種動載荷，并將這些載荷傳遞到基礎(chǔ)。塔架結(jié)構(gòu)形式主要有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)和鋼筒結(jié)構(gòu)三種。a)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)塔架b)鋼筒塔架和桁架塔架

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