《风力发电机组设计与制造》姚兴佳 第3章
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图3-15为风力发电机组主轴与齿轮箱集成结构，将主轴与齿轮箱集成为一体， 并用前法兰固定在直角形底盘的竖直直角边上。
3.齿轮箱整体集成
齿轮箱整体集成结构是将齿轮箱变成基本的组成部分，其他部件用 法兰联结到齿轮箱上（见图3-16），这种设计不需要机架，并且结构紧 凑。其缺点是不易安装，并且为了隔离传动链和塔筒之间的噪声，常常 采用使机舱与塔筒隔开的方法，并且风轮主轴的轴承也装入齿轮箱内， 因此齿轮箱的外壳需要不同的壁厚，使齿轮箱造价昂贵。
3.1.7总质量、质心与转动惯量
总质量： m mi 质心x坐标： x mi xi
m
对x轴转动惯量 Jx mi yi2 zi2
Hale Waihona Puke 3.1.8 年度发电量1.风速频率的统计特性
威布尔分布双参数曲线描述风速的分布函数
f
w
(v)
1
exp
(
v c
)
k
概率密度函数
p(v)
k c
v c
k 1
3.5设计成本模型
1.成本模型
首先选一个风力发电机组作为基准，其各部件的成本是已知的，在结 构相同的情况下，改变设计参数，则部件尺寸和质量发生变化。部件成 本不会简单的与质量变化成正比，通常成本与质量的关系为：
2.成本模型实例
C(x)
CB[
m(x) mB
(1
)]
2.成本模型实例
选用某风轮直径60m、1.5MW的风电机组作为基准风力机，表3-1给 出了各部件成本占总成本的百分比。
切出风速是风力发电机组达到设计功率时,轮毂高度处的最高风速, 用vout 表示，单位为m/s。大型风力发电机组切出入风速一般为25m/s （海上达30 m/s）。
3.1.4风轮转速
1.风轮转速与实度之间的理想关系： 可以推出，当忽略阻力和叶尖损失，且风轮叶片具有最佳性能时，其参数应满足的 理想关系。
3.2.2风力发电机组典型布局
1.多态定速风力发电机组：有两组以上的发电机，一般采用所谓分流的形 式布局。
2.双馈型风力发电机组的布局 双馈式风力发电机组总体布置多为一字型结构
一字型结构
回流型结构
3.直驱型风力发电机组的布局
3.2.3部件的集成化
1.发电机与齿轮箱一体化。
集成式布置是将发电机用螺栓固定到齿轮箱后面，这样也可以得 到较紧凑的结构，如图3-14。配合的表面必须仔细加工以保证同轴， 而且要有合适的通道连接发电机和齿轮箱输出轴。
由于采用全功率变流器，发电机转子变速范围为50%（约为10～ 20r/min）。
3. 应用中速发电机（“半直驱”）的风力发电机组 “半直驱”型风力发电机组齿轮箱增速比约为1∶10，发电机转子变
速范围约为40～150r/min。
3.1.6 重要几何尺寸
1.风轮直径与扫掠面积
（1）风轮直径 风轮直径决定机组能够在多大的范围内获取风中蕴含的能量。风轮直径应当根
影面积。风力发电机组的额定功率与风轮的扫掠面积的比值称为风力发电机组的 比功率。图3-1所示为实际风力发电机组的额定功率与扫掠面积的关系，由图可见 风力发电机组的平均比功率接近一个常数值（约405W/m2）。
2.轮毂高度 轮毂高度：从地面到风轮扫掠面中心的高度。 同一种风电机组中，经常配有不同高度的塔筒。
3.4模型试验
相似理论主要应用于风力发电机组的相似设计及性能的换算。所谓相似设计， 即根据实体研究出来的性能良好、运行可靠的模型来设计与模型相似的新风力机。 性能相似换算是用于试验条件不同于设计的现场条件时，将试验条件下的性能利用 相似原理换算到设计条件下的性能。
3.4.1 相似条件
1.几何相似: 模型与原型风力机的几何形状相同，对应的线性长度比为一定值 2.运动相似：空气流经几何相似的模型与原型机时，对应点速度方向相同、比例 保持常数，称为运动相似。 3.动力相似: 动力相似是指满足几何相似、运动相似的模型与原型机上，作用于对 应点力的方向相同，大小之比应保持常数。
3.2总体布局及部件集成化
3.2.1总体布局原则
在决定风力发电机组的总体布置时，应注意以下几个问题： 1）保证风力发电机组的强度、刚度、抗振性、平衡和稳定性，支承部件 要力求有足够的刚度。 2）整机各部件、各系统、附件和设备等，要考虑布置得合理、协调、紧 凑。 3）保证正常工作和便于维护，并考虑有较合理的重心位置。 4）传动系统力求简短，达到结构紧凑、体积小、重量轻。
exp
v c
k
2.风力发电机组的功率曲线
曲线①为变速变距风电机组的功率曲线； 曲线②为变桨距风电机组的功率曲线； 曲线③为定桨距风电机组的功率曲线。
3.年度发电量计算公式
Ey
N0
vout P(u) f (u)du
vin
P(u)——功率曲线函数 f(u)——风速分布函数； vin——切入风速，单位为m/s； vout——切出风速，单位为m/s； N0=8765h——每年小时数。
rCL
89
4 9
2
2
(1
2 9 2
2
)2
rCL
Nc( ) 2 R
CL
8
9
c() 2 c()( ΩR )2 16 R
v
9CL N
2.风轮转速对于叶片质量的影响
Z (r) ω(r)(c(r))2 ω(r) / Ω4
Z(r) 1/ Ω ω(r) / Ω4 1/ Ω ω(r) / Ω3
谢 谢！
据不同的风况与额定功率匹配，以获得最大的年发电量和最低的发电成本.
➢较大直径风轮—>低风速区
➢较小直径风轮—>高风速区
P
1 2
Cp
Av3
Pr
P12
1 2
C
p
D2 4
vr312
D
8Pr Cp vr312
8Pr vr3
Cp12
（2）扫掠面积 风轮的扫掠面积是风轮旋转时叶尖运动所生成的圆在垂直于风矢量平面上的投
风电机组安全等级I到III的设计寿命至少为20年。设计寿命也是风力发 电机组的设计的已知条件。
3.1.3 额定风速、切入风速和切出风速
额定风速是风力发电机组达到额定功率输出时规定的风速，用vr表 示，单位为m/s。大型风力发电机组额定风速一般为10～15m/s。
切入风速是风力发电机组开始发电时,轮毂高度处的最低风速,用vin 表示，单位为m/s。大型风力发电机组切入风速一般为3～4m/s。
P(u) ——功率曲线函数，单位为W；
f (u)
4.图解法 第Ⅰ象限中给出一台变桨距风力发电机输出功率随风速变化的规律； 第Ⅳ象限中的曲线则描述了各个风速的年累计出现天数； 第Ⅱ象限里，曲线的纵坐标仍然是风力发电机组实际发出的不同功率值，其横坐标 值是产出对应功率的年统计天数。
所以，第Ⅱ象限曲线与其横坐标所围成的面积 就是该风力发电机组的年度发电量
步转速决定于电网的频率和电机绕组的极对数，三者的关系为
n1
60 f1 p
异步电机中旋转磁场和转子之间的相对转速为 n n1 n
相对转速与同步转速的比值称为异步电机的转差率 s n1 n 100% n1
并网运行的较大容量异步发电机的转子转速一般在（1~1.05）n1
2. 应用低速发电机的风力发电机组 直驱型风力发电机组应用多极同步风力发电机可以在低速下运行。
3.最佳风轮转速：转速增加导致叶片重量和成本增加；转速增加导致叶片平面 外的疲劳弯矩减小，机舱和塔架成本减少。两者之间的折衷方案决定了最佳风 轮转速的选择。
4.噪声控制与视觉考虑：风电机组的气动噪声正比于叶尖速度的5次方。
3.1.5发电机额定转速和转速范围
1.应用于高速发电机的风力发电机组 异步电机接入频率恒定的电网上时，由定子三相绕组中电流产生的旋转磁场的同
2.主轴与齿轮箱集成
将低速轴及前后轴承都集成在齿轮箱内，将其移到机舱前部使风轮悬臂距离 最小，并且将齿轮箱外壳的载荷传递到机舱底板上。很明显，这种方法需要更结 实的齿轮箱外壳，它不仅要承受风轮载荷，还要不能有削弱其功能的变形，而且 必须增加其前后长度以缓和由轴弯矩传来轴承载荷。它的好处在于减小了底盘的 面积，并避免了独立的轴承需要的润滑，其主要缺点是变速箱的重新安装需要移 动风轮。
《风力发电机组设计与制造》
第3章 总体设计
3.1 总体参数
3.1.1 额定功率
额定功率是正常工作条件下，风力发电机组的设计要达到的最大 连续输出电功率。它是风力发电机组设计最基础数据。单位为kW或 MW。
额定功率由《风力发电机组设计任务书》给定，是风力发电机组 的设计的已知条件。
3.1.2 设计寿命
3.4.2 相似结果
具有相同叶尖速比的相似模型和原型机，其效率相等。
3.4.3模型机试验中的问题
分析发现，雷诺数相等的条件在大型风力机模化为实验风洞中 的相似模型时，一般来说是不容易实现的。事实上，风洞里的模 型试验是在普通大气压力和环境下进行的，因此模型和原型机的 运动黏度相同。
实际上，实验室风洞里试验的模型机风速被控制在比原型机真 正的运行风速稍高一点的范围内，以达到模型机上空气的压缩性 也可以被忽略的标准。这样一来，模型的雷诺数将比原型机上的 要低。
3.3整体校核计算
3.3.1计算内容与数学模型
1.风轮部分分析计算； 2.驱动单元分析计算； 3.发电机与电气分析计算； 4.控制系统分析计算； 5.塔架和桁架分析计算； 6.风场模型分析计算； 7.风波和气流分析计算； 8.响应分析计算。
3.3.2模型的后处理
1.后处理系统； 2.图示功能； 3.项目管理； 4.售后服务和维护。
3.齿轮箱整体集成
齿轮箱整体集成结构是将齿轮箱变成基本的组成部分，其他部件用 法兰联结到齿轮箱上（见图3-16），这种设计不需要机架，并且结构紧 凑。其缺点是不易安装，并且为了隔离传动链和塔筒之间的噪声，常常 采用使机舱与塔筒隔开的方法，并且风轮主轴的轴承也装入齿轮箱内， 因此齿轮箱的外壳需要不同的壁厚，使齿轮箱造价昂贵。
3.1.7总质量、质心与转动惯量
总质量： m mi 质心x坐标： x mi xi
m
对x轴转动惯量 Jx mi yi2 zi2
Hale Waihona Puke 3.1.8 年度发电量1.风速频率的统计特性
威布尔分布双参数曲线描述风速的分布函数
f
w
(v)
1
exp
(
v c
)
k
概率密度函数
p(v)
k c
v c
k 1
3.5设计成本模型
1.成本模型
首先选一个风力发电机组作为基准，其各部件的成本是已知的，在结 构相同的情况下，改变设计参数，则部件尺寸和质量发生变化。部件成 本不会简单的与质量变化成正比，通常成本与质量的关系为：
2.成本模型实例
C(x)
CB[
m(x) mB
(1
)]
2.成本模型实例
选用某风轮直径60m、1.5MW的风电机组作为基准风力机，表3-1给 出了各部件成本占总成本的百分比。
切出风速是风力发电机组达到设计功率时,轮毂高度处的最高风速, 用vout 表示，单位为m/s。大型风力发电机组切出入风速一般为25m/s （海上达30 m/s）。
3.1.4风轮转速
1.风轮转速与实度之间的理想关系： 可以推出，当忽略阻力和叶尖损失，且风轮叶片具有最佳性能时，其参数应满足的 理想关系。
3.2.2风力发电机组典型布局
1.多态定速风力发电机组：有两组以上的发电机，一般采用所谓分流的形 式布局。
2.双馈型风力发电机组的布局 双馈式风力发电机组总体布置多为一字型结构
一字型结构
回流型结构
3.直驱型风力发电机组的布局
3.2.3部件的集成化
1.发电机与齿轮箱一体化。
集成式布置是将发电机用螺栓固定到齿轮箱后面，这样也可以得 到较紧凑的结构，如图3-14。配合的表面必须仔细加工以保证同轴， 而且要有合适的通道连接发电机和齿轮箱输出轴。
由于采用全功率变流器，发电机转子变速范围为50%（约为10～ 20r/min）。
3. 应用中速发电机（“半直驱”）的风力发电机组 “半直驱”型风力发电机组齿轮箱增速比约为1∶10，发电机转子变
速范围约为40～150r/min。
3.1.6 重要几何尺寸
1.风轮直径与扫掠面积
（1）风轮直径 风轮直径决定机组能够在多大的范围内获取风中蕴含的能量。风轮直径应当根
影面积。风力发电机组的额定功率与风轮的扫掠面积的比值称为风力发电机组的 比功率。图3-1所示为实际风力发电机组的额定功率与扫掠面积的关系，由图可见 风力发电机组的平均比功率接近一个常数值（约405W/m2）。
2.轮毂高度 轮毂高度：从地面到风轮扫掠面中心的高度。 同一种风电机组中，经常配有不同高度的塔筒。
3.4模型试验
相似理论主要应用于风力发电机组的相似设计及性能的换算。所谓相似设计， 即根据实体研究出来的性能良好、运行可靠的模型来设计与模型相似的新风力机。 性能相似换算是用于试验条件不同于设计的现场条件时，将试验条件下的性能利用 相似原理换算到设计条件下的性能。
3.4.1 相似条件
1.几何相似: 模型与原型风力机的几何形状相同，对应的线性长度比为一定值 2.运动相似：空气流经几何相似的模型与原型机时，对应点速度方向相同、比例 保持常数，称为运动相似。 3.动力相似: 动力相似是指满足几何相似、运动相似的模型与原型机上，作用于对 应点力的方向相同，大小之比应保持常数。
3.2总体布局及部件集成化
3.2.1总体布局原则
在决定风力发电机组的总体布置时，应注意以下几个问题： 1）保证风力发电机组的强度、刚度、抗振性、平衡和稳定性，支承部件 要力求有足够的刚度。 2）整机各部件、各系统、附件和设备等，要考虑布置得合理、协调、紧 凑。 3）保证正常工作和便于维护，并考虑有较合理的重心位置。 4）传动系统力求简短，达到结构紧凑、体积小、重量轻。
exp
v c
k
2.风力发电机组的功率曲线
曲线①为变速变距风电机组的功率曲线； 曲线②为变桨距风电机组的功率曲线； 曲线③为定桨距风电机组的功率曲线。
3.年度发电量计算公式
Ey
N0
vout P(u) f (u)du
vin
P(u)——功率曲线函数 f(u)——风速分布函数； vin——切入风速，单位为m/s； vout——切出风速，单位为m/s； N0=8765h——每年小时数。
rCL
89
4 9
2
2
(1
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Nc( ) 2 R
CL
8
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v
9CL N
2.风轮转速对于叶片质量的影响
Z (r) ω(r)(c(r))2 ω(r) / Ω4
Z(r) 1/ Ω ω(r) / Ω4 1/ Ω ω(r) / Ω3
谢 谢！
据不同的风况与额定功率匹配，以获得最大的年发电量和最低的发电成本.
➢较大直径风轮—>低风速区
➢较小直径风轮—>高风速区
P
1 2
Cp
Av3
Pr
P12
1 2
C
p
D2 4
vr312
D
8Pr Cp vr312
8Pr vr3
Cp12
（2）扫掠面积 风轮的扫掠面积是风轮旋转时叶尖运动所生成的圆在垂直于风矢量平面上的投
风电机组安全等级I到III的设计寿命至少为20年。设计寿命也是风力发 电机组的设计的已知条件。
3.1.3 额定风速、切入风速和切出风速
额定风速是风力发电机组达到额定功率输出时规定的风速，用vr表 示，单位为m/s。大型风力发电机组额定风速一般为10～15m/s。
切入风速是风力发电机组开始发电时,轮毂高度处的最低风速,用vin 表示，单位为m/s。大型风力发电机组切入风速一般为3～4m/s。
P(u) ——功率曲线函数，单位为W；
f (u)
4.图解法 第Ⅰ象限中给出一台变桨距风力发电机输出功率随风速变化的规律； 第Ⅳ象限中的曲线则描述了各个风速的年累计出现天数； 第Ⅱ象限里，曲线的纵坐标仍然是风力发电机组实际发出的不同功率值，其横坐标 值是产出对应功率的年统计天数。
所以，第Ⅱ象限曲线与其横坐标所围成的面积 就是该风力发电机组的年度发电量
步转速决定于电网的频率和电机绕组的极对数，三者的关系为
n1
60 f1 p
异步电机中旋转磁场和转子之间的相对转速为 n n1 n
相对转速与同步转速的比值称为异步电机的转差率 s n1 n 100% n1
并网运行的较大容量异步发电机的转子转速一般在（1~1.05）n1
2. 应用低速发电机的风力发电机组 直驱型风力发电机组应用多极同步风力发电机可以在低速下运行。
3.最佳风轮转速：转速增加导致叶片重量和成本增加；转速增加导致叶片平面 外的疲劳弯矩减小，机舱和塔架成本减少。两者之间的折衷方案决定了最佳风 轮转速的选择。
4.噪声控制与视觉考虑：风电机组的气动噪声正比于叶尖速度的5次方。
3.1.5发电机额定转速和转速范围
1.应用于高速发电机的风力发电机组 异步电机接入频率恒定的电网上时，由定子三相绕组中电流产生的旋转磁场的同
2.主轴与齿轮箱集成
将低速轴及前后轴承都集成在齿轮箱内，将其移到机舱前部使风轮悬臂距离 最小，并且将齿轮箱外壳的载荷传递到机舱底板上。很明显，这种方法需要更结 实的齿轮箱外壳，它不仅要承受风轮载荷，还要不能有削弱其功能的变形，而且 必须增加其前后长度以缓和由轴弯矩传来轴承载荷。它的好处在于减小了底盘的 面积，并避免了独立的轴承需要的润滑，其主要缺点是变速箱的重新安装需要移 动风轮。
《风力发电机组设计与制造》
第3章 总体设计
3.1 总体参数
3.1.1 额定功率
额定功率是正常工作条件下，风力发电机组的设计要达到的最大 连续输出电功率。它是风力发电机组设计最基础数据。单位为kW或 MW。
额定功率由《风力发电机组设计任务书》给定，是风力发电机组 的设计的已知条件。
3.1.2 设计寿命
3.4.2 相似结果
具有相同叶尖速比的相似模型和原型机，其效率相等。
3.4.3模型机试验中的问题
分析发现，雷诺数相等的条件在大型风力机模化为实验风洞中 的相似模型时，一般来说是不容易实现的。事实上，风洞里的模 型试验是在普通大气压力和环境下进行的，因此模型和原型机的 运动黏度相同。
实际上，实验室风洞里试验的模型机风速被控制在比原型机真 正的运行风速稍高一点的范围内，以达到模型机上空气的压缩性 也可以被忽略的标准。这样一来，模型的雷诺数将比原型机上的 要低。
3.3整体校核计算
3.3.1计算内容与数学模型
1.风轮部分分析计算； 2.驱动单元分析计算； 3.发电机与电气分析计算； 4.控制系统分析计算； 5.塔架和桁架分析计算； 6.风场模型分析计算； 7.风波和气流分析计算； 8.响应分析计算。
3.3.2模型的后处理
1.后处理系统； 2.图示功能； 3.项目管理； 4.售后服务和维护。