风力发电机组结构

b) 直驱风电机组
1.主要机组类型
4）根据安装地理位置，可分为陆上机组和海上机组
a) 陆上风机
b) 海上风机
海上风机特殊性


1）海上风电场一般处于深度小于30米的中浅深 海域，海面平坦无障碍物，风况条件优于陆地。 但是风场与海浪、潮汐具有较强的耦合作用， 使得海上风电机组运行在随机海浪干扰下载荷 条件比较复杂。 2）海上风场遭遇极端气象条件的可能性大，强 阵风、台风和巨浪等极端恶劣天气条件都会造 成严重破坏，对于机组安全可靠性要求更高。
2.基本性能和主要参数

1）功率曲线（切入、额定、切出风速） 2）风轮直径和轮毂高度 3）叶片数 4）风轮转速、叶尖速比 5）风轮锥角和风轮仰角
表3-1 某型号1.5MW机组的主要技术规格
额定功率 / kW 转子直径 / m 塔架高度 / m 切入风速 / m/s 额定风速 / m/s 切出风速 / m/s 转子 叶片数 1500 77 65 3 12 20 上风向、顺时针转动 3
2）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。
3）轮毂—变桨机构
变桨机构结构
4）轴系
轴系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。
带增速齿轮箱的风电机组传动系统示意图
4）轴系—主轴
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，适用于不同机组。
海上风机特殊性

3）海上机组的基础比陆地机组复杂，必须根据海域的情况，选择不同的基础形式。 中浅海域常用的基础结构形式包括重力基础、单桩基础、吸力式桶形基础、三足 （四足）桩基础或三足（四足）吸力式桶形基础，而当水深大于50米时，多则选择 悬浮式基础。用于基础的建设费用占据较大比例。
（a）重力式结构 （b）筒式结构 （c）桩基固定式（单立柱、单立柱三桩、四腿导管架）
偏航系统结构示意图
1主机架，2偏航驱动，3运输支架
8）塔架与基础

塔架是机组的支撑部件，承受机组重量、风载荷及各种动载荷， 并将这些载荷传递到基础。塔架结构形式主要有钢筋混凝土结构、 桁架结构和钢筒结构三种 。
a) 钢筋混凝土结构塔架
b) 钢筒塔架和桁架塔架
8）塔架与基础—塔筒加工

塔筒通常采用宽度为2米、厚度为10至40毫米的钢板，经过卷板 机卷成筒状，然后焊接而成。
偏角 / °
标准转速 / rpm 齿轮箱结构形式 变桨控制方式 制动刹车方式 偏航控制系统 发电机类型 发电机极对数 额定功率 / kW
4
20 一级行星轮＋两级平行轴斜齿圆柱齿轮 独立电动变桨控制 独立叶片变桨控制+盘刹车 四个电动齿轮电机 感应式带滑环发电机 4 1500
功率因数cos
电网连接 塔架
1）总体结构（续）
双 馈 风 电 机 组 内 部 结 构
2）叶片
风电机组叶片应满足以下要求： 1）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； 2）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； 3）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； 4）耐腐蚀、防雷击性能好，方便维护； 5）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。
海上风机特殊性
4）海上风电机安装、运行、操作和维护等方面都比陆地风场 困难。
我国海上风机发展趋势——滩涂风电场
目前，我国已建或在建的滩涂风电场主要集中在潮上带及围垦区。潮间带 由于淤泥地质，风电设备运输安装都是难题。但是相比于近海风电，业内专家认为 潮间带风电场还具有一定成本优势。国内首个海上潮间带风力发电项目——龙源江 苏如东海上潮间带试验风场于09年10月并网发电成功，首批两台1.5兆瓦风力发电 机组正式并网运行。
风轮主轴支撑形式
4）轴系—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， 其基本设计特点表现在： 1.传动比大，传递功率大 2.运行条件恶劣
a) 齿轮箱于风轮侧外观视图
b)于发电机侧外观视图
c)多级行星轮系风电机 组齿轮箱
4）轴系—齿轮箱故障
齿轮在运行过程中，齿面承受交变压应力、交变摩擦力以及冲击载 荷的作用，将会产生各种类型的损伤，导致运行故障甚至失效。
8）塔架与基础—桩基础
板状基础结构适用于岩床距离地表面比较近的场合。
板式基础四种形式
8）塔架与基础—板状基础
当地表条件较差时，采用桩基础比板层基础可以更有效地利 用材料。
几种桩基础的设计形式
8）塔架与基础—基础尺寸
基础的结构尺寸取决于机组容量的大小。影响因素首先是极端风速条件 下的载荷，另外机组运行状态下的最大载荷。影响基础的载荷主要是叶 片产生的推力。下图给出一个风电机组基础尺寸实例。
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 启动转矩越大
不同叶片数风轮的转矩系数曲线
2.基本性能和主要参数
4）叶尖速比
叶尖速比λ描述风电机组风轮特性的一个重要的 无量刚量，定义为风轮叶片尖端线速度与风速之 比，即
R V
2.基本性能和主要参数
5）风轮锥角和风轮仰角
变桨距机组的叶片和轮毂不是固定连接，叶片桨距角 可调。在超过额定风速范围时，通过增大叶片桨距角， 使攻角减小，以改变叶片升力FL与阻力FD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。
1.主要机组类型
3）根据主轴传动方式，可分为带齿轮箱机组和直驱机组
a) 带增速齿轮箱风电机组
0.9-1-0.9
通过变流器 锥形钢筒塔架
2.基本性能和主要参数
1）功率曲线（切入、额定、切出风速）
变速风力发电机组的功率曲线
2.基本性能和主要参数
2）风轮直径和轮毂高度
风电机组功率和直径的发展
2.基本性能和主要参数
3）叶片数
带有单叶片风轮、双叶片风轮和三叶片风轮的三种水平轴风电机组形式
3）叶片数（续）
a) 法兰连接
b) 预埋金属根端连接
2）叶片—叶片故障
a）叶片表面覆冰
b) 表面腐蚀
叶片故障统计 c)裂纹 d) 极端风破坏
2）叶片—叶片防雷
闪电可以产生超过亿伏的平均电压，百万安培的平均电流。风电机 组通常树立在比较空旷的地域，容易遭受雷击，叶片上必须安装防 雷击装置。 在叶尖部位安装一个金 属（铝或铜）接受块， 然后通过叶片内部金属 导线连接到叶根部的柔 性金属板上，经过塔架 内的接地系统，将雷击 电流接地。
5）发电机
大型风电机组一般采用双馈异步电机和永磁同步电机作为 发电机。
双馈风电机组
永磁直驱风电机组
6）机舱
为了保护传动系统、发电机以及控制装置等部件，将它们用轻质外罩封 闭起来，称为机舱。机舱通常采用重量轻、强度高、耐腐蚀的玻璃钢制作。
机舱wk.baidu.com配现场
7）偏航系统

偏航系统主要用于调整风轮的对风方向。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。通过控制系统实现风轮方向的调整。
齿 轮 典 型 故 障
4）轴系—连接与制动
为实现机组传动链部件间的扭矩传递，齿轮箱高速轴与发电机轴采用柔 性联轴器，以弥补机组运行过程轴系的安装误差。机械刹车机构一般采 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。 制动刹车时，液压制动器抱紧制动盘，通过摩擦力实现刹车动作。
某机组的联轴器
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。
在相同风速条 件下，叶片数 越少，风轮最 佳转速越高. 多叶片风轮由 于功率系数很 低.
不同叶片数的风轮的功率系数随叶尖速比的变化曲线
3）叶片数（续）
因此用于衡量风轮转矩性能的另一个重要参数是转矩系数， 它定义为功率系数除以叶尖速比。
2）叶片— 几何形状及翼型
a) 风电机组叶片（E112型）长度与A340型客机比较
b) 叶片几何参数
c) 叶片翼型沿展向变化
2）叶片— 几何结构
叶片剖面多采用蒙皮与主梁构造形式，中间有硬质泡沫夹层作 为增强材料。叶片主梁材料一般需采用单向程度较高的玻纤织 物，叶片蒙皮主要由胶衣、表面毡和双向复合材料铺层构成。
a) 运行状态下的轮毂
b) 风轮吊装
3）轮毂—形状
三角形轮毂，内部空腔小，体积小，制造成本低，适用于定 桨距机组；三通式轮毂，主要用于变桨距机组，其形状如球 形，内部空腔大，可以安装变桨距调节机构，承载能力大。
a) 三角形轮毂
b) 三通式轮毂
3）轮毂—变桨机构
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。其主要作用 有以下两点： 1）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。
叶片主梁
叶片铺层
2）叶片— 加工制造
叶片上下两半部分分别在固定形状的模具中完成铺层，然后在 前后缘粘合在一起，形成整体叶片。
叶片制造
2）叶片—叶尖气动制动机构
对于失速机组，叶片端部（叶尖）采用制动，超速保护。
2）叶片—叶根与轮毂连接形式
叶片根端必须具有足够的剪切强度、挤压强度，与金属的连 接强度也要足够高，这些强度均低于其拉弯强度。常用方式 有法兰连接与预埋金属根端连接。
第三章 风力发电机组结构
内容

1.主要机组类型 2.基本性能和主要参数 3.机组的基本结构
1.主要机组类型
1）根据风轮与塔架的相对位置，可分为上风向和下风向机组
1.主要机组类型
2）根据功率调节方式，可分为失速机组和变桨机组 失速机组主要利用叶片的气动失速特性，即当入流风速 超过一定值时，在叶片后端将形成湍流状态，使升力系 数下降，而阻力系数增加，从而限制了机组功率的进一 步增加。
风轮锥角是叶片与 风轮主轴相垂直的 旋转平面的夹角， 风轮仰角是风轮主 轴与水平面的夹角。
3.机组的基本结构



1）总体结构 2）叶片 3）轮毂 4）轴系 5）发电机 6）机舱 7）偏航 8）塔架与基础
1）总体结构
大型水平轴风电机组主要由风轮、机舱、塔架和基础组成。
风电机组基本结构
叶片防雷装置示意图
2）叶片—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，一些叶片制造企业 也考虑了多种解决覆冰问题的方案，例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。
a) 电加热除冰系统概念
b) 热空气除冰系统概念
3）轮毂
轮毂用于连接叶片和主轴，承受来自叶片的载荷并将其传递到主轴上。对 于变桨距风电机组，轮毂内的空腔部分还用于安装变桨距调节机构。
塔同加工
8）塔架与基础—塔筒安装

每段塔筒两端焊有连接法兰，在现场安装时，用螺栓将各节塔筒 连成一体，形成最终的整体塔筒。
a 塔筒法兰连接
b 现场吊装
c 塔筒内部
8）塔架与基础—基础


基础主要提供塔筒底部的连接和固定，塔架基 础应使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、失稳或其它问题。 塔架基础均为现浇钢筋混凝土独立基础，根据 风电场场址工程地质条件和地基承载力以及基 础荷载、结构等条件有较多设计形式。从结构 的形式看，常见的有板状、桩式和桁架式等基 础。