風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)--800kw風(fēng)力發(fā)電機(jī)組概念設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科生課程設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前 言4</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書5</b></p><p><b>　　1 概念設(shè)

2、計(jì)7</b></p><p>　　1.1概念設(shè)計(jì)的定義7</p><p>　　2風(fēng)力發(fā)電機(jī)的概念設(shè)計(jì)8</p><p>　　2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)8</p><p>　　2.1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)等級8</p><p>　　2.1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率9</p><p&g

3、t;　　2.1.3風(fēng)輪葉片數(shù)9</p><p>　　2.1.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式9</p><p>　　2.2額定風(fēng)速的確定及分析10</p><p>　　2.3葉輪直徑的設(shè)計(jì)和分析11</p><p>　　2.4額定轉(zhuǎn)速的確定與分析12</p><p>　　2.4.1轉(zhuǎn)速的確定需要考慮的因素12<

4、/p><p>　　2.4.2額定轉(zhuǎn)速的計(jì)算12</p><p>　　2.5功率控制方式13</p><p>　　2.5.1被動(dòng)失速控制13</p><p>　　2.5.2變槳距控制14</p><p>　　2.5.3主動(dòng)失速控制15</p><p>　　2.5.4功率控制方式的選擇16&

5、lt;/p><p>　　2.6機(jī)組剎車系統(tǒng)17</p><p>　　2.6.1氣動(dòng)剎車17</p><p>　　2.6.2機(jī)械盤式剎車18</p><p>　　2.6.3機(jī)組剎車系統(tǒng)的制動(dòng)18</p><p>　　2.7定速轉(zhuǎn)動(dòng)模式19</p><p>　　2.7.1定速轉(zhuǎn)動(dòng)模式的特點(diǎn)1

6、9</p><p>　　2.7.2定速運(yùn)行存在的主要問題19</p><p>　　2.7.3定速轉(zhuǎn)動(dòng)的優(yōu)化19</p><p>　　2.8發(fā)電機(jī)的選擇21</p><p>　　2.8.1發(fā)電機(jī)的類型21</p><p>　　2.8.2定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選擇21</p><p>　　2.

7、9塔架剛度要求22</p><p>　　2.10其他要求23</p><p>　　2.10.1定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)23</p><p>　　2.10.2偏航系統(tǒng)25</p><p>　　2.10.3 機(jī)艙26</p><p>　　2.10.4輪轂27</p><p><

8、b>　　3零部件設(shè)計(jì)29</b></p><p>　　3.1塔架的成本29</p><p>　　3.2塔架的設(shè)計(jì)30</p><p>　　3.2.1選擇塔架的類型30</p><p>　　3.2.2塔架的設(shè)計(jì)問題31</p><p>　　3.2.3塔架高度的計(jì)算31</p>

9、<p>　　3.2.4塔架固有頻率的選定31</p><p>　　3.2.5塔架的載荷計(jì)算31</p><p>　　4.風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的設(shè)定35</p><p>　　4.1設(shè)計(jì)說明35</p><p>　　4.2 設(shè)計(jì)要求36</p><p>　　4.2.1 效率36</p>&l

10、t;p>　　4.2.2 噪聲級36</p><p>　　4.2.3 可靠性37</p><p>　　4.3 齒輪箱設(shè)計(jì)思想37</p><p>　　4.4 設(shè)計(jì)載荷37</p><p>　　4.4.1 載荷分析37</p><p>　　4.4.2 載荷計(jì)算38</p><p&

11、gt;　　4.5 齒輪箱結(jié)構(gòu)型式的確定39</p><p>　　4.5.1 齒輪箱的類型與特點(diǎn)39</p><p>　　4.5.2 齒輪箱圖例41</p><p>　　4.5.3 齒輪箱型式的確定42</p><p>　　4.6 齒輪箱設(shè)計(jì)參數(shù)42</p><p>　　4.7 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)43<

12、;/p><p>　　4.7.2 齒輪傳動(dòng)參數(shù)選擇原則44</p><p>　　4.7.3 材料、精度等級及齒數(shù)選定45</p><p>　　4.7.4 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)45</p><p>　　4.8 軸的設(shè)計(jì)52</p><p>　　4.8.1 軸直徑計(jì)算分析52</p><p>

13、;　　4.8.2 軸肩部位分析52</p><p>　　4.8.3 軸的材料分析53</p><p>　　4.9 軸承的選取53</p><p>　　4.9.1軸承類型確定53</p><p>　　4.9.2 軸承的分析計(jì)算公式53</p><p>　　4.10 齒輪與軸的聯(lián)接54</p>

14、<p>　　4.11 箱體設(shè)計(jì)論述54</p><p><b>　　結(jié)束語55</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)56</b></p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　學(xué)習(xí)完《風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》這門課程，崔新維老師布置了

15、有關(guān)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組概念設(shè)計(jì)的課程任務(wù)。課程設(shè)計(jì)時(shí)間為2個(gè)星期。</p><p>　　這門課程是我們“風(fēng)電工程”專業(yè)方向的最后一門專業(yè)課程，前期通過對《空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)》、《風(fēng)資源分析》、《風(fēng)力發(fā)電機(jī)載荷分析》、《風(fēng)電場運(yùn)行及維護(hù)》、《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)》等課程的學(xué)習(xí)以及有關(guān)風(fēng)電的軟件如Wasp、Bladed、 Wind farmer 的初步應(yīng)用。對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行維護(hù)有了系統(tǒng)、初步的了解。為今后從事風(fēng)

16、力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)制造、運(yùn)行維護(hù)、技術(shù)服務(wù)及相關(guān)技術(shù)工作奠定了一定的基礎(chǔ)。</p><p>　　通過這次風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的概念設(shè)計(jì)，鞏固了以前所學(xué)的內(nèi)容，理順了專業(yè)課中所涉及的知識，進(jìn)一步加深了對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的認(rèn)識。從已知風(fēng)機(jī)額定功率如何求得葉輪直徑、額定風(fēng)速、額定轉(zhuǎn)速到如何確定功率的控制方式、轉(zhuǎn)動(dòng)模式和如何選擇適合機(jī)型的發(fā)電機(jī)、底座以及設(shè)計(jì)塔架中應(yīng)考慮的問題、解決方法、強(qiáng)度計(jì)算和校核，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的初步設(shè)計(jì)有了一定的掌

17、握。</p><p>　　本課程設(shè)計(jì)參考了很多參考書和網(wǎng)上的資料，在設(shè)計(jì)中也查閱了圖書館中與風(fēng)電相關(guān)的書籍。鑒于本人水平有限及對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組方面知識的了解不足，課程設(shè)計(jì)說明書中存在錯(cuò)誤之處，請崔老師給予指導(dǎo)和指正。</p><p><b>　　戴海波</b></p><p><b>　　2009年1月</b></p&

18、gt;<p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　一. 課程設(shè)計(jì)的時(shí)間流程</p><p>　　本課程設(shè)計(jì)按如下流程進(jìn)行。</p><p><b>　　二. 概念設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　學(xué)生可以以教材中第二章內(nèi)容為線索，基于任務(wù)書完成下列概念設(shè)計(jì)內(nèi)容：

19、</p><p>　　·葉輪直徑設(shè)計(jì)與分析</p><p>　　·額定風(fēng)速的確定與分析</p><p>　　·額定轉(zhuǎn)速的確定與分析</p><p><b>　　·功率控制方式</b></p><p><b>　　·機(jī)組剎車系統(tǒng)</b

20、></p><p>　　·定速或變速轉(zhuǎn)到模式</p><p><b>　　·發(fā)電機(jī)類型</b></p><p><b>　　·塔架剛度要求</b></p><p><b>　　·其他內(nèi)容</b></p><p&g

21、t;<b>　　零部件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　學(xué)生可以選擇一個(gè)下列零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算：</p><p><b>　　·齒輪箱</b></p><p><b>　　·偏航傳動(dòng)系統(tǒng)</b></p><p><b>　　·變槳傳動(dòng)系統(tǒng)

22、</b></p><p><b>　　·塔架</b></p><p>　　·功率調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)（定速、變速方式）</p><p>　　·機(jī)組傳動(dòng)系動(dòng)力學(xué)分析</p><p><b>　　·整機(jī)動(dòng)力學(xué)分析</b></p><p>

23、;<b>　　三. 課程設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　按學(xué)號順序，由序號1、2、3組合選擇，組合順序?yàn)椋盒蛱?+序號2+序號3，如0111、0211、0311依此類推。0111的含義是：額定功率為500kW，帶齒輪箱，3葉片機(jī)組。</p><p>　　本人學(xué)號053735207，所分到的課程設(shè)計(jì)題目組合順序?yàn)?711。則風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)為：</p>

24、;<p>　　《風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1 概念設(shè)計(jì)</b></p><p>　　1.1概念設(shè)計(jì)的定義</p><p>　　由于計(jì)算理論的不成熟，模型簡化不準(zhǔn)確，荷載因素不確定和建筑材料的彌散性等因素造成某些結(jié)構(gòu)無法通過精確的力學(xué)分析計(jì)算來解決，此時(shí)需要運(yùn)用合理的“結(jié)構(gòu)概念”來進(jìn)行分析和判斷，這

25、些源于結(jié)構(gòu)理論和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)同時(shí)被證實(shí)有效的設(shè)計(jì)稱為概念設(shè)計(jì)。</p><p>　　1.2概念設(shè)計(jì)運(yùn)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)</p><p>　　通過完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的概念設(shè)計(jì)，使我們能綜合運(yùn)用《風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》及有關(guān)專業(yè)的知識，對大學(xué)所學(xué)的知識融會(huì)貫通。通過設(shè)計(jì)，讓我們具有設(shè)計(jì)與分析發(fā)電機(jī)組的初步能力，為將來從事風(fēng)電工程技術(shù)事業(yè)奠定一定的基礎(chǔ)。</p><p>　

26、　2風(fēng)力發(fā)電機(jī)的概念設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)</p><p>　　如圖2-1為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率，葉片個(gè)數(shù)，驅(qū)動(dòng)方式。</p><p><b>　　圖2-1</b></p><p>　　2.1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)等級</p><p>　　目前國

27、際公認(rèn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要是國際電工委員會(huì)的IEC標(biāo)準(zhǔn)和德國Germanisch Lloyd公司推出的GL規(guī)范。</p><p>　　設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組首先要確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)等級，按照不同的風(fēng)況，IEC標(biāo)準(zhǔn)的IEC61400-1定義了四種風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)等級，以適應(yīng)于不同風(fēng)資源地區(qū)，見表2-2：</p><p>　　表2-2 風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)等級分類</p><p>

28、<b>　　表2-2中：</b></p><p>　　Vref是輪轂高度處多年平均最大風(fēng)速，</p><p>　　A是按照較高的湍流強(qiáng)度設(shè)計(jì)的等級，</p><p>　　B是按照較低的湍流強(qiáng)度設(shè)計(jì)的等級，</p><p>　　C是按照最低的湍流強(qiáng)度設(shè)計(jì)的等級，</p><p>　　Iref是風(fēng)速為

29、15 m/s時(shí)的湍流強(qiáng)度，</p><p>　　S是由設(shè)計(jì)者自定的等級。</p><p>　　這里所選取的風(fēng)力發(fā)電機(jī)等級為Ⅱ，最大風(fēng)速。</p><p>　　2.1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)首先要確定機(jī)組的額定功率，額定功率一般根據(jù)市場需求以及經(jīng)濟(jì)性來確定。額定功率的選擇直接影響風(fēng)力發(fā)電葉輪直徑、葉輪轉(zhuǎn)速、

30、額定風(fēng)速等參數(shù)的確定。</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　2.1.3風(fēng)輪葉片數(shù)</p><p>　　一般風(fēng)輪葉片數(shù)取決于風(fēng)輪的尖速比λ。目前用于風(fēng)力發(fā)電一般屬于高速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，即λ＝4-7 左右，葉片數(shù)一般取2或3。用于風(fēng)力提水的風(fēng)力機(jī)一般屬于低速風(fēng)力機(jī)，葉片數(shù)較多。葉片數(shù)多的風(fēng)力機(jī)在低尖速比運(yùn)行時(shí)有較低的風(fēng)

31、能利用系數(shù)，即有較大的轉(zhuǎn)矩，而且起動(dòng)風(fēng)速亦低，因此適用于提水。而葉片數(shù)少的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的高尖速比運(yùn)行時(shí)有較高的風(fēng)能利用系數(shù)，且起動(dòng)風(fēng)速較高。另外，葉片數(shù)目確定應(yīng)與實(shí)度一起考慮，既要考慮風(fēng)能利用系數(shù)，也要考慮起動(dòng)性能，總之要達(dá)到最多的發(fā)電量為目標(biāo)。由于三葉片的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行和輸出功率較平穩(wěn)，目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用三葉片的較多。</p><p><b>　?。?.2）</b></p>

32、<p>　　2.1.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式</p><p>　　本文所設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式是帶齒輪箱的。詳細(xì)設(shè)計(jì)過程會(huì)在下文零部件設(shè)計(jì)中說明這里主要介紹下齒輪箱設(shè)計(jì)所要注意的因數(shù)。</p><p>　　齒輪箱的功能：提速。齒輪箱是機(jī)組中最貴的和最重的部件之一。通常由專業(yè)廠商設(shè)計(jì)制造。 由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的齒輪箱的運(yùn)行條件與其它齒輪箱的運(yùn)行條件差異較大， 基本要求：重量輕、效率

33、高（尤其對大型風(fēng)力機(jī)）、承載能力大、躁聲小、起動(dòng)力矩小。</p><p>　　齒輪箱主要有兩種類型：平行軸式、行星式。</p><p>　　設(shè)計(jì)齒輪箱時(shí)應(yīng)考慮的因素 ：</p><p><b>　　基本類型 </b></p><p>　　齒輪箱與主軸軸承分離還是集成 </p><p><b&

34、gt;　　增速比 </b></p><p><b>　　級數(shù) </b></p><p>　　齒輪箱的重量和成本 </p><p><b>　　齒輪箱的載荷 </b></p><p><b>　　潤滑 </b></p><p><b>

35、;　　斷續(xù)運(yùn)行時(shí)的效率 </b></p><p><b>　　噪聲</b></p><p>　　2.2額定風(fēng)速的確定及分析</p><p>　　機(jī)組在額定風(fēng)速點(diǎn)達(dá)到額定功率。額定風(fēng)速選擇的目標(biāo)是確定一個(gè)合理的額定風(fēng)速值，這里存在一個(gè)涉及多方面因素的優(yōu)化問題，其中的成本因素是優(yōu)先考慮的。如果選取的額定值太高，機(jī)組很少能達(dá)到額定功率，總

36、發(fā)電量降低，以至于成本相對發(fā)電量來說就不合理了。另一方面，如果額定值取在最優(yōu)值以下，相對于發(fā)電量，成本又偏高。根據(jù)風(fēng)頻分布圖2-3(a)和年發(fā)電量情況圖2-3(b)可初步確定額定風(fēng)速。</p><p><b>　　圖2-3(a)</b></p><p><b>　　圖2-3（b）</b></p><p><b>

37、　　這里取</b></p><p>　　12m/s </p><p>　　2.3葉輪直徑的設(shè)計(jì)和分析</p><p>　　葉輪輸出功率： </p><p>　　于是得： </p><p>　　根據(jù)面積計(jì)算公式：

38、 </p><p>　　可推導(dǎo)出計(jì)算直徑的公式：</p><p>　　其中為功率系數(shù)，取 </p><p>　　為齒輪箱傳動(dòng)效率,為傳動(dòng)軸效率，取</p><p>　　為空氣密度，取 </p><p>　　根據(jù)葉輪掃風(fēng)面積和葉輪直徑的換算公式計(jì)算出葉輪直徑的值： </

39、p><p>　　為便于計(jì)算取直徑D=50m.</p><p>　　2.4額定轉(zhuǎn)速的確定與分析</p><p>　　2.4.1轉(zhuǎn)速的確定需要考慮的因素</p><p>　　尺寸控制：葉片弦長（實(shí)度）與轉(zhuǎn)速的平方成反比。</p><p>　　重量控制：風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增加后，葉片的重量（成本）將增加，但傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)艙和塔架的費(fèi)用降低

40、，因此在考慮風(fēng)輪轉(zhuǎn)速時(shí)要進(jìn)行優(yōu)化，兼顧兩者的費(fèi)用。</p><p>　　噪聲限制：風(fēng)輪葉片所產(chǎn)生的氣動(dòng)噪音與葉尖線速度的五次方成正比，通常限制葉尖線速度小于65m/s。</p><p>　　視覺影響：從環(huán)保角度考慮，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增加對人的視覺會(huì)產(chǎn)生一種沖擊。</p><p>　　2.4.2額定轉(zhuǎn)速的計(jì)算</p><p>　　風(fēng)輪轉(zhuǎn)速主要取決于尖速

41、比，尖速比越大則轉(zhuǎn)速越高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速比通常取5～7。由于受到葉尖線速度的限制。取葉尖線速度為65m/s.</p><p><b>　　則</b></p><p>　　風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 </p><p>　　這里，=12.05m/s,R=D/2=25.1m,可求得</p><p><b>　　2.

42、5功率控制方式</b></p><p>　　功率控制的方式主要分為被動(dòng)失速控制、變槳距控制、主動(dòng)失速控制。</p><p>　　2.5.1被動(dòng)失速控制</p><p>　　2.5.1.1被動(dòng)失速控制的數(shù)學(xué)理論</p><p>　　被動(dòng)失速控制是最簡單的控制方式，利用高風(fēng)速時(shí)升力系數(shù)的降低和阻力系數(shù)的增加，限制功率輸出的增加，在高風(fēng)

43、速時(shí)保持近似恒定。有關(guān)被動(dòng)失速的計(jì)算公式：</p><p>　　其中F為氣動(dòng)推力，T為葉輪扭矩，L為升力，D為阻力，為升力系數(shù)， r為葉輪半徑，為入流角。</p><p>　　作用在葉輪上的扭矩： </p><p>　　2.5.1.2被動(dòng)失速控制方式的主要優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　　被動(dòng)失速控制方式的優(yōu)點(diǎn)：</p>

44、;<p>　　控制簡單，百KW級多用。</p><p>　　被動(dòng)失速控制方式的缺點(diǎn)：</p><p>　　功率曲線由葉片的失速特性決定，功率輸出不穩(wěn)定，甚至是不確定的；</p><p>　　阻尼較低，振動(dòng)幅度較大，易疲勞損壞；</p><p>　　高風(fēng)速時(shí)，氣動(dòng)載荷較大，葉片及塔架等受載較大；</p><p&

45、gt;　　在安裝點(diǎn)需要試運(yùn)行，優(yōu)化安裝角；</p><p>　　低風(fēng)速段，葉輪轉(zhuǎn)速較低時(shí)的功率輸出較高。</p><p>　　2.5.2變槳距控制</p><p>　　2.5.2.1變槳距控制方式的概念</p><p>　　變槳距控制就是變槳距葉片用可轉(zhuǎn)動(dòng)的軸安裝在輪轂上，輪轂上安裝的幾個(gè)葉片可同步轉(zhuǎn)動(dòng)以改變?nèi)~片的安裝角，即同步改變?nèi)~片的迎角

46、可以滿足不同風(fēng)速條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以得到額定功率。</p><p>　　2.5.2.2變槳距控制方式的主要優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　　變槳距控制方式的主要優(yōu)點(diǎn)：</p><p><b>　　更多獲取風(fēng)能；</b></p><p><b>　　提供氣動(dòng)剎車；</b></p><p&

47、gt;　　減少作用在機(jī)組上的極限載荷；槳距角的變化；</p><p>　　速率：5°/s或更高；</p><p>　　范圍：運(yùn)行時(shí)0～35 °；剎車時(shí)0～90 °,0 °時(shí)，葉尖弦線位于轉(zhuǎn)動(dòng)平面內(nèi)。</p><p>　　變槳距控制方式的主要缺點(diǎn)：</p><p>　　增加一或三套變槳距系統(tǒng)（電動(dòng)或液壓驅(qū)

48、動(dòng)），從而增加了故障概率。如圖2-4為變槳距系統(tǒng)。</p><p><b>　　圖2-4</b></p><p>　　2.5.3主動(dòng)失速控制</p><p>　　2.5.3.1主動(dòng)失速控制的特點(diǎn)</p><p>　　采用失速葉片保證功率調(diào)節(jié)簡單可靠；</p><p>　　利用槳距調(diào)節(jié)在中低風(fēng)速區(qū)優(yōu)

49、化功率輸出，高風(fēng)速區(qū)維持額定功率輸出；</p><p>　　在臨界失速點(diǎn)，通過槳距調(diào)節(jié)跨越失速不穩(wěn)定區(qū)。</p><p>　　2.5.3.2主動(dòng)失速的技術(shù)特點(diǎn)</p><p>　　與被動(dòng)失速功率調(diào)節(jié)相比：可以補(bǔ)償空氣密度、葉片粗糙度、翼型變化對功率輸出的影響,優(yōu)化中低風(fēng)速的出力,額定點(diǎn)之后可維持額定功率輸出。葉片可順槳，剎車平穩(wěn),沖擊小，極限載荷小。如圖2-5，被動(dòng)

50、失速與主動(dòng)失速的功率曲線的比較，在超過額定風(fēng)速后，被動(dòng)失速的功率隨風(fēng)速的增加而減小，而主動(dòng)失速的功率隨風(fēng)速的增加而無太大變化。</p><p><b>　　圖2-5</b></p><p>　　與變槳距功率調(diào)節(jié)技術(shù)相比： 受陣風(fēng)、湍流影響較小，功率輸出平穩(wěn)，無需特殊的發(fā)電機(jī)槳距僅需微調(diào)，磨損少，疲勞載荷小。</p><p>　　2.5.4功率控

51、制方式的選擇</p><p>　　通過對被動(dòng)失速控制，變槳距控制，主動(dòng)失速控制的分析，以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率和其他因素的考慮，設(shè)計(jì)800KW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)所選擇的功率控制方式為主動(dòng)失速控制。</p><p>　　選擇主動(dòng)失速控制方式的理由：</p><p>　　主動(dòng)失速控制在低風(fēng)速區(qū)優(yōu)化功率輸出，高風(fēng)速區(qū)維持額定功率輸出；</p><p>　

52、　百兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用主動(dòng)失速控制與變槳距控制，被動(dòng)失速控制都有很大的優(yōu)勢。</p><p>　　如圖2-6為變槳距機(jī)組和主動(dòng)失速型機(jī)組的不同工作情況，變槳距機(jī)組在功率達(dá)到最大值時(shí)，隨風(fēng)速的改變而改變攻角，從而使機(jī)組工作在功率在最大值附近。主動(dòng)失速機(jī)組工作在功率達(dá)到最大值要開始下降的區(qū)間，通過改變攻角主動(dòng)失速，從而保證機(jī)組工作在功率最大值附近。</p><p><b>　　圖2

53、-6</b></p><p><b>　　2.6機(jī)組剎車系統(tǒng)</b></p><p>　　800kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)所采用的機(jī)械剎車系統(tǒng)是由氣動(dòng)剎車和2部機(jī)械盤式剎車組成。</p><p><b>　　2.6.1氣動(dòng)剎車</b></p><p>　　800kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用主動(dòng)失速型控制系統(tǒng)，

54、因此有一套變槳系統(tǒng)如圖2-7。通過變槳起到氣動(dòng)剎車的功能。</p><p><b>　　圖2-7</b></p><p>　　2.6.2機(jī)械盤式剎車</p><p>　　盤式剎車系統(tǒng)在中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中主要作為輔助剎車裝置，并且在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上，機(jī)械剎車都被安排在高速軸上。圖2-8為機(jī)構(gòu)剎車機(jī)構(gòu)由安裝在低速軸或高速軸上的剎車圓盤與布置在四

55、周的液壓夾鉗構(gòu)成。液壓夾鉗固定，剎車圓盤隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。剎車夾鉗有一個(gè)預(yù)壓的彈簧制動(dòng)力，液壓力通過油缸中的活塞將制動(dòng)夾鉗打開。機(jī)械剎車的預(yù)壓彈簧制動(dòng)力，一般要求在額定負(fù)載下脫網(wǎng)時(shí)能夠保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全停機(jī)。但在正常停機(jī)的情況下，液壓力并不是完全釋放，即在制動(dòng)過程中只作用了一部分彈簧力。為此，在液壓系統(tǒng)中設(shè)置了一個(gè)特殊的減壓閥和蓄能器，以保證在制動(dòng)過程中不完全提供彈簧的制動(dòng)力。為了監(jiān)視機(jī)械剎車機(jī)構(gòu)的內(nèi)部狀態(tài)，剎車夾鉗內(nèi)部裝有溫度傳感器和指

56、示剎車片厚度的傳感器。</p><p><b>　　圖2-8</b></p><p>　　2.6.3機(jī)組剎車系統(tǒng)的制動(dòng)</p><p>　　制動(dòng)過程有三種情況：</p><p><b>　　正常停機(jī)</b></p><p><b>　　安全停機(jī)</b>&

57、lt;/p><p><b>　　緊急停機(jī)</b></p><p>　　2.6.3.1正常停機(jī)</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)，此時(shí)要正常停機(jī)，制動(dòng)程序?yàn)椋?lt;/p><p>　　通過電磁閥釋放葉尖；</p><p>　　當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速降至同步轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)主接觸器動(dòng)作，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)解裂；</

58、p><p>　　風(fēng)輪轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值時(shí)，第一部盤式剎車投入；</p><p>　　如果葉尖擾流器釋放后轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，則第二部剎車立即投入；</p><p>　　下一次使用剎車系統(tǒng)時(shí)，第二個(gè)投入的剎車先投入；</p><p>　　停機(jī)后葉尖擾流器收回。</p><p>　　2.6.3.2安全停機(jī)</p><

59、p>　　葉尖擾流器釋放的同時(shí)投入第一部剎車；</p><p>　　當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速降至同步轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)主接觸器跳開，第二不部機(jī)械剎車被投入；</p><p><b>　　葉尖擾流器不收回。</b></p><p>　　2.6.3.3緊急停機(jī)</p><p>　　所有的繼電器，接觸器失電；</p><

60、;p>　　葉尖擾流器和兩部剎車同時(shí)投入，發(fā)電機(jī)同時(shí)與電網(wǎng)解裂。</p><p><b>　　2.7定速轉(zhuǎn)動(dòng)模式</b></p><p>　　800kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)模式設(shè)計(jì)為定速雙速轉(zhuǎn)動(dòng)模式。</p><p>　　2.7.1定速轉(zhuǎn)動(dòng)模式的特點(diǎn)</p><p><b>　　定速運(yùn)行的特點(diǎn)：</b&g

61、t;</p><p>　　控制簡單，但不能最大限度獲得風(fēng)能。</p><p>　　2.7.2定速運(yùn)行存在的主要問題</p><p>　　定槳距機(jī)組在低風(fēng)速運(yùn)行時(shí)的效率較低；</p><p>　　由于轉(zhuǎn)速恒定，而風(fēng)速變化（如運(yùn)行風(fēng)速范圍為3~25m/s）；</p><p>　　如果設(shè)計(jì)低風(fēng)速時(shí)效率過高，葉片會(huì)過早失速 發(fā)

62、電機(jī)本身在低負(fù)荷時(shí)的效率問題；</p><p>　　當(dāng)P>30%的額定功率時(shí)，效率>90%；</p><p>　　當(dāng)P<25%的額定功率時(shí)，效率將急劇下降。</p><p>　　2.7.3定速轉(zhuǎn)動(dòng)的優(yōu)化</p><p>　　由于定速轉(zhuǎn)動(dòng)存在的一些問題，就需要解決這些問題。解決的方法是兩速運(yùn)行。兩速運(yùn)行就是將發(fā)電機(jī)分別設(shè)計(jì)成4

63、極和6極。一般6極發(fā)電機(jī)的額定功率設(shè)計(jì)成4極發(fā)電機(jī)的1/4到1/5。</p><p><b>　　例如： </b></p><p><b>　　600kW機(jī)組： </b></p><p><b>　　6極——150kW</b></p><p>　　4極—— 600kW</

64、p><p><b>　　1.3MW機(jī)組： </b></p><p>　　6極—— 250kW</p><p>　　4極——1300kW</p><p><b>　　雙速運(yùn)行的特點(diǎn)：</b></p><p>　　葉輪和發(fā)電機(jī)在低風(fēng)速段的效率提高</p><p&g

65、t;　　與變槳距機(jī)組在額定功率前的功率曲線差別縮小</p><p>　　設(shè)計(jì)800kW機(jī)組為： 6極——200kW</p><p><b>　　4極——800kW</b></p><p><b>　　圖2-9</b></p><p>　　如圖2-9為雙速發(fā)電機(jī)的功率曲線，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在

66、在低風(fēng)速運(yùn)行時(shí)的效率問題。在整個(gè)運(yùn)行風(fēng)速范圍內(nèi)（3）由于氣流的速度是在不斷變化的，如果風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速不能隨風(fēng)速的變化而調(diào)整，這就必然要使風(fēng)輪在低風(fēng)速時(shí)的效率降低（而設(shè)計(jì)低風(fēng)速時(shí)效率過高，會(huì)使槳葉過早進(jìn)入失速狀態(tài)）。而采用雙速發(fā)電機(jī)，在低風(fēng)速下，不僅具有較高的氣動(dòng)效率，發(fā)電機(jī)的下率也能保持在較高水平。從而使定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在進(jìn)入額定功率前的功率曲線差異不大。</p><p><b>　

67、　2.8發(fā)電機(jī)的選擇</b></p><p>　　2.8.1發(fā)電機(jī)的類型</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)中使用的發(fā)電機(jī)通常有兩種：</p><p>　　同步電機(jī)：定速機(jī)組較少采用。</p><p>　　感應(yīng)電機(jī)：定速機(jī)組較多采用 。</p><p><b>　　從動(dòng)力學(xué)的角度看：</b>

68、;</p><p>　　同步電機(jī)可以看作一個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧：彈性扭矩正比于轉(zhuǎn)子磁場和靜子磁場的角度差。</p><p>　　異步電機(jī)可看作一個(gè)扭轉(zhuǎn)阻尼器：阻尼扭矩正比于轉(zhuǎn)子磁場和靜子磁場的轉(zhuǎn)速差。 在周期性的氣動(dòng)扭矩的作用，傳動(dòng)系要求較大的阻尼。因此定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)更多地使用異步發(fā)電機(jī)而不是同步發(fā)電機(jī)。</p><p><b>　　圖2-10</b>&

69、lt;/p><p>　　如圖2-10為同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)的簡化模型，定速機(jī)組使用同步電機(jī)，它是一個(gè)兩彈簧兩質(zhì)量系統(tǒng)。在葉輪的周期性扭矩作用下，由于傳動(dòng)系沒有阻尼而易發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。定速機(jī)組使用異步電機(jī)，電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)扭轉(zhuǎn)阻尼。可以抑制傳動(dòng)系可能發(fā)生的扭振。葉輪的周期性扭矩將出現(xiàn)在葉片的通過頻率，該頻率常常和連接電網(wǎng)的小型同步機(jī)的固有振動(dòng)頻率非常接近。 </p><p>　　2.8.2定槳距風(fēng)

70、力發(fā)電機(jī)的選擇</p><p>　　考慮上小節(jié)同步和異步發(fā)電機(jī)用于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的對比和定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)模式，可以選擇定槳距風(fēng)機(jī)機(jī)組所用發(fā)電機(jī)為異步雙速型發(fā)電機(jī)。</p><p><b>　　2.9塔架剛度要求</b></p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性是最主要的特性之一。因此設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題之一是避免由于葉輪氣動(dòng)推力的周期性作用導(dǎo)

71、致塔架共振。懸臂式塔架比拉索式塔架的變槳和扭轉(zhuǎn)剛度高。但抵抗相同的彎矩需用的材料較多。在相同剛度時(shí)，柵格式塔架所用材料約為圓筒式塔架的一半。柵格式塔架由于大量鉸接點(diǎn)的存在，具有比圓筒式塔架更高的結(jié)構(gòu)阻尼。如果葉片的通過頻率與塔架的自然頻率一致時(shí)，塔架可能發(fā)生過大的應(yīng)力和變形。葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率可以忽略，因?yàn)橹挥挟?dāng)葉片之間的氣動(dòng)外形有偏差時(shí)，才會(huì)引起周期性載荷。</p><p>　　葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率：1P，葉片通過頻率：3

72、P</p><p>　　剛塔和柔塔：設(shè)塔架一階彎曲固有頻率為f，則</p><p>　　剛塔： f > 3P</p><p>　　柔塔： 1P < f < 3P </p><p>　　甚柔塔：f < 1P</p><p>　　如果塔架滿足強(qiáng)度要求，則它的剛度基本取決于塔架高度和直徑的比

73、值。比值越大，塔架越柔。剛塔的優(yōu)勢在于，運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生共振，噪聲很小。但需用的材料太多，超過強(qiáng)度的需要。因此，通常多用柔塔。</p><p>　　800KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選用柔性塔架，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為24.7rpm時(shí)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和葉片的通過頻率分別為：</p><p>　　fr = 24.7rpm/60s=0.41Hz</p><p>　　fb = 1.23Hz</

74、p><p>　　因此，塔架的固有頻率f 應(yīng)滿足：0.41Hz＜f ＜1.23Hz</p><p>　　如實(shí)際設(shè)計(jì)的塔架頻率f 為0.8Hz，就滿足要求。</p><p><b>　　圖2-11</b></p><p><b>　　2.10其他要求</b></p><p>　　2.

75、10.1定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)</p><p>　　定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)實(shí)際上是制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要用來執(zhí)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的開關(guān)機(jī)指令。通常它由兩個(gè)壓力保持回路組成，一路通過蓄能器供給葉尖擾流器，另一路通過蓄能器供給機(jī)械剎車機(jī)構(gòu)。這兩個(gè)回路的工作任務(wù)是使機(jī)組運(yùn)行時(shí)制動(dòng)機(jī)構(gòu)始終保持壓力。當(dāng)需要停機(jī)時(shí)，兩回路中的常開電磁閥先后失電，葉尖擾流器一路壓力油被泄回油箱，葉尖動(dòng)作；稍后，機(jī)械剎車一路壓力油進(jìn)入

76、剎車油缸，驅(qū)動(dòng)剎車夾鉗，使葉輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)。在兩個(gè)回路中各裝有兩個(gè)壓力傳感器，以指示系統(tǒng)壓力，控制液壓泵站補(bǔ)油和確定剎車機(jī)構(gòu)的狀態(tài)。</p><p>　　圖2-12 定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的液壓系統(tǒng)</p><p>　　1-油箱 2-液壓泵 3-電動(dòng)機(jī) 4-精濾油器 5-油位指示器 6-溢流閥</p><p>　　7-單向閥 8-蓄能器 9-壓力開關(guān) 10-節(jié)流閥 11-壓力

77、表 12-電磁閥（1）</p><p>　　13-電磁閥（2） 14-剎車夾鉗 15-突開閥 16-電磁閥（3）</p><p>　　圖2-12為某風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)。由于偏航機(jī)構(gòu)也引入了液壓回路，它由三個(gè)壓力保持回路組成。圖左側(cè)是氣動(dòng)剎車壓力保持回路，壓力油經(jīng)油泵2、精濾油器4 進(jìn)入系統(tǒng)。溢流閥6用來限制系統(tǒng)最高壓力。開機(jī)時(shí)電磁閥12—1 接通，壓力油經(jīng)單向閥7— 2 進(jìn)入蓄能器8

78、-2，并通過單向閥7-3和旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入氣動(dòng)剎車油缸。壓力開關(guān)9由蓄能器的壓力控制，當(dāng)蓄能器壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，開關(guān)動(dòng)作，電磁閥12—1關(guān)閉。運(yùn)行時(shí)，回路壓力主要由蓄能器保持，通過液壓油缸上的鋼索拉住葉尖擾流器，使之與葉片主體緊密結(jié)合。電磁閥12-2為停機(jī)閥，用來釋放氣動(dòng)剎車油缸的液壓油，使葉尖擾流器在離心力作用下滑出；突開閥15，用于超速保護(hù)，當(dāng)葉輪飛車時(shí)，離心力增大，通過活塞的作用，使回路內(nèi)壓力升高；當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，突開閥開啟，壓力

79、油泄回油箱。突開閥不受控制系統(tǒng)的指令控制，是獨(dú)立的安全保護(hù)裝置。</p><p>　　圖中間是兩個(gè)獨(dú)立的高速軸制動(dòng)器回路，通過電磁閥13—1、13-2 分別控制制動(dòng)器中壓力油的進(jìn)出，從而控制制動(dòng)器動(dòng)作。工作壓力由蓄能器8—1 保持。壓力開關(guān)9—1根據(jù)蓄能器的壓力控制液壓泵電動(dòng)機(jī)的停/ 起。壓力開關(guān)9-3、9-4用來指示制動(dòng)器的工作狀態(tài)。</p><p>　　右側(cè)為偏航系統(tǒng)回路，偏航系統(tǒng)有兩

80、個(gè)工作壓力，分別提供偏航時(shí)的阻尼和偏航結(jié)束時(shí)的制動(dòng)力。‘工作壓力仍由蓄能器8-1 保持。由于機(jī)艙有很大的慣性，調(diào)向過程必須確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此時(shí)偏航制動(dòng)器用作阻尼器。工作時(shí)，4DT 得電，電磁閥16左側(cè)接通，回路壓力由溢流閥保持，以提供調(diào)向系統(tǒng)足夠的阻尼；調(diào)向結(jié)束時(shí)，4DT失電，電磁閥右側(cè)接通，制動(dòng)壓力由蓄能器直接提供。</p><p>　　由于系統(tǒng)的內(nèi)泄漏、油溫的變化、及電磁閥的動(dòng)作，液壓系統(tǒng)的工作壓力實(shí)際上始

81、終處于變化的狀態(tài)之中。其氣動(dòng)剎車與機(jī)械剎車回路的工作壓力分別如圖2-13a、b所示。</p><p>　　圖2-13氣動(dòng)剎車與機(jī)械剎車壓力圖</p><p>　　a）氣動(dòng)剎車壓力 b)機(jī)械剎車壓力</p><p>　　①-開機(jī)時(shí)液壓泵啟動(dòng)②-內(nèi)泄引起的壓力降③-液壓泵重新啟動(dòng)</p><p>　?、?溫升引起的壓力升高⑤-電磁閥動(dòng)

82、作引起的壓力降⑥-停機(jī)時(shí)電磁閥打開</p><p>　　圖中虛線之間為設(shè)定的工作范圍。當(dāng)壓力由于溫升或壓力開關(guān)失靈超出該范圍一定值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致突開閥誤動(dòng)作，因此必須對系統(tǒng)壓力進(jìn)行限制，系統(tǒng)最高壓力由溢流閥調(diào)節(jié)。而當(dāng)壓力同樣由于壓力開關(guān)失靈或液壓泵站故障低于工作壓力下限時(shí)，系統(tǒng)設(shè)置了低壓警告線，以免在緊急狀態(tài)下，機(jī)械剎車中的壓力不足以制動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。</p><p>　　2.10.2偏航系統(tǒng)

83、</p><p><b>　　偏航系統(tǒng)的功能： </b></p><p>　　所有的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須偏航實(shí)現(xiàn)對風(fēng)。 偏航運(yùn)動(dòng)由偏航機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。 偏航速率較低，以避免陀螺力過大。</p><p><b>　　偏航系統(tǒng)類型：</b></p><p>　　主動(dòng)偏航——用于上風(fēng)式機(jī)組，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。<

84、;/p><p>　　自由偏航——通常用于下風(fēng)式機(jī)組，利用空氣動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　圖2-14偏航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2-14為偏航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，偏航系統(tǒng)中至少包含偏航軸承，偏航軸承必須能承載機(jī)組中主要部件的重量，并傳遞氣動(dòng)推力到塔架。 主動(dòng)偏航的偏航軸承中含有齒圈，偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的小齒輪與之嚙合，驅(qū)動(dòng)底板擺動(dòng)。</p><p&

85、gt;　　偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中通常包括：</p><p><b>　　電機(jī)</b></p><p><b>　　減速器</b></p><p><b>　　驅(qū)動(dòng)小齒輪</b></p><p>　　偏航系統(tǒng)減速后，使小齒輪低速增扭。 主動(dòng)偏航的一個(gè)問題是，斷續(xù)的偏航運(yùn)動(dòng)使偏航齒輪易磨損

86、或斷齒。為了減緩沖擊，設(shè)置偏航剎車，在不偏航時(shí)制動(dòng)。 主動(dòng)偏航系統(tǒng)的偏航運(yùn)動(dòng)是由偏航誤差控制的。當(dāng)偏航誤差超過一定時(shí)間段允許的范圍時(shí)，偏航開始啟動(dòng)。 自由偏航系統(tǒng)中通常只有偏航軸承。 有的機(jī)組中設(shè)置偏航阻尼器，減慢偏航速率，減小陀螺載荷。</p><p><b>　　2.10.3 機(jī)艙</b></p><p>　　機(jī)艙包括機(jī)艙底板和機(jī)艙蓋。</p>&l

87、t;p>　　2.10.3.1機(jī)艙底板</p><p>　　機(jī)艙底板是安裝齒輪箱、發(fā)電機(jī)、偏航軸承等部件的結(jié)構(gòu)件。為了保持部件間的相對位置，底板應(yīng)有足夠的剛度。</p><p><b>　　機(jī)艙底板的類型：</b></p><p><b>　　獨(dú)立底板</b></p><p><b>

88、　　集成齒輪箱底板</b></p><p>　　獨(dú)立底板通常是剛性鑄件或焊接件。其上開設(shè)聯(lián)接用的螺紋孔。集成底板的殼體要足夠厚，以利于承載。圖2-15為機(jī)艙底板的三維模擬圖。</p><p><b>　　圖2-15</b></p><p>　　底板載荷：底板向塔架傳遞來自葉輪的載荷及來自電機(jī)、齒輪箱和剎車的反作用載荷。它還必須有足夠

89、的剛度，以防部件間的相對移動(dòng)。</p><p>　　2.10.3.2機(jī)艙蓋</p><p>　　機(jī)艙蓋保護(hù)底板上的機(jī)械和電氣零部件免受陽光、雨水、冰雪的影響。機(jī)艙蓋通常用輕型材料制成，如玻璃鋼。大型機(jī)組的機(jī)艙蓋要足夠大，便于人員進(jìn)入檢查和維護(hù)。圖2-16為已經(jīng)豎好風(fēng)機(jī)的機(jī)艙蓋。</p><p><b>　　圖2-16</b></p>

90、<p><b>　　2.10.4輪轂</b></p><p><b>　　輪轂的功能：</b></p><p>　　連接葉片和主軸，最終連接到傳動(dòng)系的其余部件；</p><p>　　必須傳遞并承受所有來自葉片的載荷。 </p><p><b>　　輪轂的材料：</b&g

91、t;</p><p>　　通常用鋼材，焊接或鑄造制成，由于結(jié)構(gòu)一般較復(fù)雜，多用球墨鑄鐵鑄造。 輪轂的結(jié)構(gòu)形式：</p><p>　　結(jié)構(gòu)形式取決于方案設(shè)計(jì)，兩葉片或三葉片，定槳距或變槳距。</p><p>　　水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用三種基本形式：</p><p><b>　　剛性輪轂；</b></p><

92、;p><b>　　蹺蹺板式葉片輪轂；</b></p><p><b>　　鉸接葉片輪轂。</b></p><p><b>　　剛性輪轂：</b></p><p>　　輪轂的主要部分相對主軸是固定的。使用最普遍，幾乎為三葉片或多葉片機(jī)組通用。 三葉片機(jī)組的輪轂有兩種外形：三叉形和球形。如圖2-17

93、。</p><p><b>　　圖2-17</b></p><p>　　剛性輪轂可用于定槳距葉片和變槳距葉片。 如果葉片相對主軸有錐度，可在輪轂上預(yù)留接合面。 要有足夠的強(qiáng)度承受葉片上的氣動(dòng)載荷和其它動(dòng)態(tài)載荷。 用于變槳距機(jī)組的輪轂，必須提供：葉根軸承；可靠的定位措施；變槳距機(jī)構(gòu)。</p><p>　　剛性輪轂承受的三種載荷情況：</p&

94、gt;<p>　　對稱葉輪推力：所產(chǎn)生的葉根彎矩在輪轂的前端生成雙向拉力，在后端生成雙向壓力。推力本身在輪轂的連接低速軸的法蘭附近產(chǎn)生揮舞彎曲應(yīng)力。</p><p>　　在單個(gè)葉片上的推力：在輪轂的后端生成揮舞方向的彎曲應(yīng)力；在輪轂上從變槳軸承的上風(fēng)側(cè)到連接低速軸的法蘭的一段曲線附近生成擺振方向的拉伸應(yīng)力。</p><p>　　葉片重力彎矩：在三叉輪轂中，相等和相反的葉片重力

95、彎矩經(jīng)過圓柱筒傳到輪轂的前端和后端附近，并互相抵消。</p><p>　　實(shí)際中，是在每個(gè)葉根設(shè)置一個(gè)坐標(biāo)系來分析6種載荷情況（3個(gè)力矩和3個(gè)力）。 輪轂應(yīng)力的時(shí)間歷程可以通過加載時(shí)變的葉片載荷來獲得。如圖2-18所示。</p><p><b>　　圖2-18</b></p><p>　　對于蹺蹺板式葉片輪轂，鉸接葉片輪轂這里就不多做分析。&l

96、t;/p><p><b>　　3零部件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1塔架的成本</b></p><p><b>　　圖3-1</b></p><p><b>　　3.2塔架的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.2.1

97、選擇塔架的類型</p><p>　　塔架將機(jī)組的主要部件升到一定的高度。由于風(fēng)速隨著高度增加，并且湍流現(xiàn)象減少。 從獲取風(fēng)能上講，因此塔架越高越好，但受到成本的約束。通常塔架的高度為1～1.5葉輪直徑。但不宜低于24米（風(fēng)速、湍流因素）。</p><p>　　水平軸機(jī)組常用三種塔架：</p><p>　　桁架式：早期多用，1980s后少用;如圖（a）。</p&

98、gt;<p>　　圓筒式：目前多用; 如圖（b）。</p><p>　　拉索式：大中型機(jī)少用。如圖（c）。</p><p>　?。╝）桁架式 （b）圓筒式 （c）拉索式</p><p><b>　　圓筒式的主要優(yōu)勢：</b></p><p>　　無需定

99、期擰緊結(jié)點(diǎn)螺栓；</p><p>　　進(jìn)入機(jī)艙的通道較安全；</p><p><b>　　視覺較好。 </b></p><p><b>　　塔架材料：</b></p><p>　　塔架多用鋼材，通常要做防腐處理,因此800KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的塔架選擇：圓筒式，材料為Q235。</p>&

100、lt;p>　　3.2.2塔架的設(shè)計(jì)問題</p><p>　　塔架的主要功能是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械部件，發(fā)電系統(tǒng)，承受風(fēng)輪的作用力和風(fēng)作用在塔架上的力（彎距，氣動(dòng)推力及對塔架的扭力），塔架還必須具有足夠的疲勞強(qiáng)度，能承受風(fēng)輪引起的振動(dòng)載荷，包括啟動(dòng)和停機(jī)的周期性影響，突風(fēng)變化，塔影效應(yīng)等。塔架的剛度要適度，其自振頻率（彎曲及扭轉(zhuǎn)）要避開運(yùn)行頻率（風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率的3倍）的整數(shù)倍。塔架自振頻率高于運(yùn)行頻率的塔稱之為

101、剛塔，低于運(yùn)行頻率的塔稱之為柔塔。</p><p>　　塔架設(shè)計(jì)的基本問題： </p><p>　　動(dòng)力學(xué)問題——塔架固有頻率的選定；</p><p>　　靜強(qiáng)度問題——在極限載荷作用下的承載能力； </p><p>　　穩(wěn)定性問題——在彎矩和軸向壓力作用下抗屈曲的能力； </p><p>　　疲勞問題——在交變載荷作

102、用下塔架的疲勞壽命。</p><p>　　3.2.3塔架高度的計(jì)算</p><p>　　塔架的高度一般取1-1.5倍的葉輪直徑。</p><p><b>　　塔架高度</b></p><p>　　為了便于計(jì)算這里取個(gè)整數(shù)H=60m。</p><p>　　3.2.4塔架固有頻率的選定</p&g

103、t;<p>　　上文已經(jīng)對塔架固有頻率的選定討論過，塔架的固有頻率f 應(yīng)滿足：0.41Hz＜f ＜1.23Hz。</p><p>　　3.2.5塔架的載荷計(jì)算</p><p>　　塔架主要受兩類載荷：穩(wěn)定載荷和動(dòng)載荷。</p><p><b>　　穩(wěn)定載荷：</b></p><p>　　主要來自氣動(dòng)推力和扭

104、矩，以及塔頭質(zhì)量,尤其要考慮塔架的彎曲和屈曲。</p><p>　　計(jì)算塔架載荷時(shí)至少考慮兩種情況下的塔架受載：</p><p><b>　　額定功率運(yùn)行時(shí)；</b></p><p>　　存活風(fēng)速下的保持穩(wěn)定（IEC推薦用50年一遇極限風(fēng)速）。</p><p>　　800KW風(fēng)力機(jī)在各種工況條件下受到的載荷是多種多樣的，

105、其方向與大小也不同，經(jīng)過分析，塔架承受的載荷主要是塔架上各部件的重量、塔架的自重及作用在風(fēng)力機(jī)漿葉上的軸向力。而塔架的自重通過塔架重心，電機(jī)的重量和葉輪的重量大小差不多，且可理想的認(rèn)為通過塔架重心。為了簡化計(jì)算，只考慮風(fēng)作用在葉輪上的氣動(dòng)推力。</p><p>　　根據(jù)有關(guān)資料介紹 ，風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)，作用在風(fēng)輪掃風(fēng)面積上的軸向推力用下列公式計(jì)算：</p><p><b>　　.&l

106、t;/b></p><p>　　V 為風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)工作時(shí)的最大允許風(fēng)速，V=25。</p><p>　　A為葉輪的掃掠面積。。</p><p>　　由此得出工作時(shí)風(fēng)輪承受的最大軸向力為： </p><p>　　風(fēng)力機(jī)停機(jī)時(shí)作用在其上的軸向力公式為：</p><p><b>　?。?lt;/b><

107、/p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　V為風(fēng)速，在二類風(fēng)區(qū)因停機(jī)時(shí)最大抗風(fēng)速度為42.5m/s，V=42.5；</p><p>　　S為葉輪掃掠面積，S=，（）；</p><p>　　此時(shí)作用在風(fēng)機(jī)上的軸向力為： </p><p>　　通過上面兩式的比較，我們可知：800KW風(fēng)

108、力機(jī)工作在最大允許風(fēng)速時(shí)，其承受的軸向力最大，下面我們將以的值，來進(jìn)行靜力分析。</p><p>　　由于塔架采用圓筒式，材料為Q235。Q235的許用應(yīng)力。</p><p>　　塔架主要受力如圖3-3。由于載荷是作用在塔架上，可把風(fēng)機(jī)簡化成一個(gè)豎直的圓桶，作用在葉輪上的氣動(dòng)載荷通過底座集中做用在塔架頂部，如圖3-4。圖中F為。</p><p><b>　

109、　圖3-3</b></p><p><b>　　圖3-4</b></p><p>　　力F作用在塔架上所產(chǎn)生的彎距如圖3-5。</p><p><b>　　圖3-5</b></p><p>　　經(jīng)過受力分析，可得在塔架根部受到的彎距最大。</p><p><

110、b>　　彎曲的強(qiáng)度條件為</b></p><p><b>　　其中抗彎截面系數(shù)</b></p><p>　　其中D為塔筒外徑，d為塔筒內(nèi)徑。利用最大許用應(yīng)力來求內(nèi)徑的最大值。</p><p><b>　　由公式可得：</b></p><p>　　取D為3m, 可求得：</p&

111、gt;<p>　　也就是說內(nèi)徑時(shí)，塔架就能滿足強(qiáng)度，抵抗的住風(fēng)力機(jī)工作在最大允許風(fēng)速時(shí)所承受的氣動(dòng)載荷。</p><p>　　取d=2.86m時(shí)，對塔架的強(qiáng)度進(jìn)行校核。</p><p>　　結(jié)果說明當(dāng)d=2.86m是符合強(qiáng)度要求。則塔架壁厚7cm.</p><p><b>　　得到塔架設(shè)計(jì)參數(shù)</b></p><

112、;p>　　塔架是圓錐形，上部厚度的確定和塔底厚度一樣。</p><p>　　4.風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的設(shè)定</p><p><b>　　4.1設(shè)計(jì)說明</b></p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的作用是將風(fēng)力帶動(dòng)的槳葉經(jīng)齒輪箱增速后傳給發(fā)電機(jī)發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電動(dòng)力傳遞的核心裝置，一旦齒輪箱出了問題，整臺(tái)發(fā)電設(shè)備就處于癱瘓狀態(tài)，

113、而且齒輪箱處于幾十米的高空，維修吊裝極為困難，由于齒輪箱使用工況很不穩(wěn)定，工況極其惡劣，而且要持續(xù)每年300天以上運(yùn)行。這些都應(yīng)該在齒輪箱的設(shè)計(jì)中考慮和解決的問題。因此齒輪箱的設(shè)計(jì)必需安全可靠，經(jīng)久耐用。</p><p>　　通過以上分析，考慮到齒輪箱工作環(huán)境以及可靠性等方面因素做了以下設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　4.2 設(shè)計(jì)要求</b></p>

114、<p>　　設(shè)計(jì)在保證在滿足可靠性和預(yù)期壽命的前提下，使結(jié)構(gòu)簡化且重量最輕。通過比較選定最佳傳動(dòng)方案，合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，穩(wěn)定可靠的構(gòu)件和具有良好力學(xué)特性以及在環(huán)境極端溫差下仍然保持穩(wěn)定的材料等。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的設(shè)計(jì)參數(shù)，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，即利用計(jì)算機(jī)的分析計(jì)算后做對比，在滿足各種限制條件下求得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。</p><p><b>　　4.2

115、.1 效率</b></p><p>　　齒輪箱的效率通過功率損失計(jì)算得到。功率損失主要包括齒輪嚙合、軸承摩擦、潤滑油飛濺和攪拌損失、風(fēng)阻損失、其他機(jī)件阻尼等。</p><p><b>　　計(jì)算公式為：</b></p><p>　　式中:——齒輪嚙合摩擦損失的效率；</p><p>　　——軸承摩擦損失的效率；

116、</p><p>　　——潤滑油飛濺和攪油損失的效率；</p><p>　　——其他摩擦損失的效率。</p><p>　　對于行星輪系齒輪機(jī)構(gòu)，計(jì)算效率時(shí)還應(yīng)考慮對應(yīng)于均載機(jī)構(gòu)的摩擦損失。</p><p>　　行星齒輪輪系的效率，通用一般機(jī)械設(shè)計(jì)手冊推薦的公式進(jìn)行計(jì)算。其方法主要有嚙合功率法和力偏移法兩種。嚙合功率法通過轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)（定軸輪系）的

117、機(jī)械效率來求出行星輪系的機(jī)械效率，雖然是一種近似算法，但由于方便計(jì)算和理解，故常用此法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。力偏移法有較高的精度，但計(jì)算繁雜，一般少用。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求齒輪箱的機(jī)械效率，在標(biāo)準(zhǔn)條件下應(yīng)達(dá)到大于97%的指標(biāo)。</p><p>　　對于采用滾動(dòng)軸承支承且精確制造的閉式圓柱齒輪傳動(dòng)，每一級傳動(dòng)的效率概略定為99%，一般情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的齒輪傳

118、動(dòng)不超過三級。值得指出的是，隨著傳遞載荷的減小，效率會(huì)有所下降，這是因?yàn)檎麄€(gè)齒輪箱的空載損失，即潤滑油飛濺和攪動(dòng)時(shí)的能量損失、軸承的摩擦以及密封等的損失，在傳遞功率變化時(shí)幾乎是不變的。</p><p><b>　　4.2.2 噪聲級</b></p><p>　　風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的噪聲標(biāo)準(zhǔn)為左右。噪聲主要來自各傳動(dòng)件，采以下相應(yīng)降低噪聲的措施：</p>&l

119、t;p>　　適當(dāng)提高齒輪精度，進(jìn)行齒形修緣，增加嚙合重合度；</p><p>　　提高軸和軸承的剛度；</p><p>　　合理布置軸系和輪系傳動(dòng)，避免發(fā)生共振。</p><p>　　齒輪箱安裝時(shí)采取必要的減振措施，按規(guī)范找正，充分保證機(jī)組的聯(lián)結(jié)剛度，將齒輪箱的機(jī)械振動(dòng)控制在GB/T8543 規(guī)定的C級之內(nèi)。</p><p><b

120、>　　4.2.3 可靠性</b></p><p>　　按照設(shè)計(jì)壽命最少20年的要求，須對齒輪箱整機(jī)及其零件的設(shè)計(jì)極限狀態(tài)和使用極限狀態(tài)進(jìn)行極限強(qiáng)度分析、疲勞分析、穩(wěn)定性和變形極限分析、動(dòng)力學(xué)分析等。</p><p>　　4.3 齒輪箱設(shè)計(jì)思想</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱設(shè)計(jì)思想：</p><p>　　根據(jù)國內(nèi)的材

121、料、工藝加工、使用等實(shí)際情況設(shè)計(jì)風(fēng)電齒輪箱。</p><p>　　提高齒輪強(qiáng)度提高安全系數(shù)，提高可靠性，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在提高可靠性的同時(shí)，保持同型號的齒輪箱的重量和外形尺寸基本一致，盡可能保持安裝尺寸的通用性，以質(zhì)量輕、尺寸小為參考。</p><p>　　由于齒輪箱的維修非常困難，且不經(jīng)濟(jì)，盡量做到更換小零件不用吊到地面，在艙內(nèi)就可以完成。能夠最大限度的觀測齒輪箱內(nèi)部運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題

122、和檢修。</p><p>　　軸承的選用以壽命長為原則，在同樣的條件下應(yīng)選用額定負(fù)荷最大的軸承，使用壽命最長。</p><p><b>　　4.4 設(shè)計(jì)載荷</b></p><p>　　齒輪箱作為傳遞動(dòng)力的部件，在運(yùn)行期間同時(shí)承受動(dòng)、靜載荷。其動(dòng)載荷部分取決于風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)的特性和傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器的質(zhì)量、剛度、阻尼值以及發(fā)電機(jī)的外部工作條件。&l

123、t;/p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組載荷譜是齒輪箱設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)。載荷譜可通過實(shí)測得到，也可按照J(rèn)B/F10300標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算確定。此處按照國際通行的《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)要求》中給出了簡化等幅載荷譜進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.4.1 載荷分析</p><p>　　齒輪箱重要設(shè)計(jì)載荷有：工作轉(zhuǎn)矩、氣動(dòng)推力。</p><p><b>　　圖

124、25 輪轂坐標(biāo)系</b></p><p>　　圖25中即工作轉(zhuǎn)矩，即氣動(dòng)推力。</p><p>　　4.4.2 載荷計(jì)算</p><p>　　4.4.2.1氣動(dòng)載荷</p><p>　　作用在風(fēng)輪上的氣動(dòng)載荷，為了計(jì)算需求出作用在風(fēng)輪掃掠面積A上的平均壓力. 由公式確定</p><p>　　式中：，根據(jù)貝

125、茨公式計(jì)算；</p><p><b>　　——空氣密度；</b></p><p><b>　　——額定風(fēng)速。</b></p><p>　　代入系數(shù)值，并經(jīng)量綱轉(zhuǎn)換后得：</p><p><b>　　式中：的量綱為。</b></p><p>　　代入=12

126、m/s可得</p><p><b>　　]</b></p><p>　　4.4.2.2 軸向載荷</p><p><b>　　軸向載荷力為：</b></p><p>　　代入R=26.5可得：</p><p>　　4.2.3 徑向載荷</p><p>

127、　　徑向載荷扭矩，扭矩由輸出功率確定：</p><p>　　式中：——葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；</p><p>　　——發(fā)電機(jī)和齒輪箱的總效率系數(shù)。</p><p>　　將，rad/s, 代入可得</p><p>　　4.5 齒輪箱結(jié)構(gòu)型式的確定</p><p>　　4.5.1 齒輪箱的類型與特點(diǎn)</p>&