风力发电机组设计与制造学习

第一章、绪论 1、风力发电机组的组成 风力发电机组可分为风轮、机舱、塔架和基础几个部分。 （1）风轮由叶片和轮毂组成。叶片具有空气动力外形，在气流作用下产生力矩驱动风轮转动，通过轮毂将扭矩输入到主传动系统。（2）机舱由底盘、导流罩和机舱罩组成，底盘上安装除主控制器以外的主要部件。机舱罩后部的上方装有风速和风向传感器，舱壁上有隔音和通风装置等，机舱底部与塔架连接。（3）塔架支撑风轮与机舱达到所需要的高度。塔架上安置发电机与主控制器之间的动力电缆、控制和通信电缆，还装有供操作人员上下机舱的扶梯，大型机组还设有升降机。（4）基础为钢筋混凝土结构，根据当地地质情况设计成不同的形式。基础中心预置有于塔架连接的基础部件，以保证将风力发电机组牢牢固定在基础上。基础周围还设置预防雷击的接地装置。

2、变桨距、变速型的风力发电机组内部结构 （1）变桨距系统：设在轮毂之中，对于电动变距系统来说，包括变距电动机、变距减速器、变距轴承、变距控制器和备用电源等。 （2）发电系统：包括发电机、变流器等。 （3）主传动系统：包括主轴及主轴承、齿轮箱、高速轴和联轴器等。 （4）偏航系统：由偏航电动机、偏航减速器、偏航轴承、制动机构等组成。 （5）控制与安全系统：包括传感器、电气设备、计算机控制与安全系统（含相应软件和控制欲安全系统执行机构等）。 此外，还设有液压系统，为高速轴上设置的制动装置、偏航制动装置提供液压动力。液压系统包括液压站、输油管和执行机构。为了实现齿轮箱、发电机、变流器的温度控制，设有循环油冷却系统、风扇和加热器。

3、风力发电机组的分类： （1）按功率大小：a微型（0.1~1kw）；b小型（1~100kw）；c中型（100~1000kw）；d大型（1000kw以上）。 （2）按风轮轴方向：a水平轴风力发电机组（随风轮与塔架相对位置的不同而有上风向与下风向之分。风轮在塔架的前面迎风旋转，叫做上风向风力发电机组；风轮安装在塔架后面，风先经过塔架，再到风轮，则称为下风向风力发电机组。上风向风力发电机组必须有某种调向装置来保持风轮迎风，而下风向风力发电机组则能够自动对准风向，从而免去了调向装置。对于下风向风力发电机组，由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮，这样塔架就干扰了流过叶片的气流而形成塔影效应，增加了风轮旋转过程中叶片载荷的复杂性，降低了风力发电机组的出力和其他性能）；b垂直轴风力发电机组。 （3）按功率调节方式：a定桨距风力发电机组；b变桨距调节风力发电机组；c主动失速调节风力发电机组。 （4）按传动形式：a高传动比齿轮箱型；b直接驱动型；c中传动比齿轮箱型（半直驱）。 （5）按发电机转速变化：a定速（恒速）；b多态定速；c变速。

4、设计依据 风力发电机组的设计依据是《风力发电机组的设计任务书》，一般包括基本形式、基本参数和外部条件。 （1）基本形式：目前的主流机型是水平轴、上风向、三叶片、变桨距、变速恒频风电机组。 （2）基本参数：风力发电机组的基本参数主要是指风力发电机组的额定功率、转速范围、总效率、设计寿命和生产成本等。 （3）外部条件：风力发电机组的外部条件包括运行环境条件、电网条件和风场地质情况。运行环境条件主要是风资源、湍流和阵风情况、气候情况等。

5、设计内容 设计内容包括风力发电机组设计图样和相关的设计文件。设计图样包括外观图、部件图和零件图；设计文件包括设计计算说明书、运输和安装说明书、用户使用和维护手册等。 （1）外观图：风力发电机组的外观图描述了其整体结构并标注了主要尺寸，同时用文字注明了设备的技术特征，如机组类型、功率调节方式、风轮旋转方向、额定功率、额定风速、风轮直径、风轮转速范围、风轮倾角、风轮圆锥角、变距最大角度、齿轮箱类型、齿轮箱增速比、发电机类型、塔架类型、轮毂中心高和各主要部件质量。 （2）部件图：部件图是各层次安装工作的指导图样，表示各零件之间的装配关系、配合公差、轮廓尺寸、装配技术条件和标题栏等。 （3）零件图：零件图是生产零件的依据，包括零件的结构和形状、尺寸、表面粗糙度和几何公差、材料及表面处理技术要求、技术条件、标题栏等。设计零件时，要进行相应的载荷分析和强度校核。 （4）设计文件：设计文件是与设计相关的规范性文件，详细描述了机组设计、制造、装配、运行维护过程的理念、标准、理论依据、方法和技术要求，用于设计部门存档、指导装配和安装、指导用户作业和指导维修人员的维修作业。

6、设计原则 可靠性、经济性与社会效益、先进性、工艺性和易维修性、标准化。 7、设计步骤 （1）方案设计（概念设计）：确定风力发电机组的主要参数、整体布局和结构形式；对机组的整体载荷及整机质量进行初步计算，选择主要部件的结构，完成机舱布局的计算机设计模型；同时给定控制策略。在此基础上撰写方案设计说明书。 （2）技术设计（初步设计）：根据方案设计资料，进行整机和部件结构设计和确定技术要求；进行机组载荷计算和分析；对关键零部件进行校核计算和分析；进行电气控制与安全系统设计；初步选择外购件的型号。在此基础上提供技术设计图样和技术设计说明书。 （3）施工设计（详细设计）：根据技术设计结果，进行载荷计算，对零部件进行强度和刚度校核及失效分析，对关键零部件进行优化设计；对整机进行可靠性分析和动态分析。修改和审定加工图样和技术文件，填写标准件和外购件明细表，撰写设计计算说明书、运输和安装说明书以及用户使用和维修手册。 第二章、风力发电机组机械设计基础 1、风力发电机组等级由风速和湍流参数决定，分级的目的在于最大限度的利用风能，风速和湍流参数代表了相应风电机组安装场地的类型。 风力发电机安全等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ S Vref (m/s) 50 42.5 37.5 设计值由设计者选定

A Iref（-） 0.16 B Iref（-） 0.14 C Iref（-） 0.12 注：1、表中所示参数值对应于轮毂高度。 2、Vref表示10min平均参考风速；A表示高湍流特性等级；B表示中湍流特性等级；C表示低湍流特性等级；Iref表示风速为15m/s时湍流强度的期望值。 2、风况分为：正常风况（风力机正常运行期间频繁出现的风况条件）和极端风况（1年一遇或50年一遇的风况条件）。参考风速：50年一遇在轮毂高度处持续10min阵风。 3、风况条件是由平均恒流与确定阵风或湍流结合而成。 4、每种类型的外部条件又可分为正常外部条件和极端外部条件。 5、湍流：风速矢量相对于10min平均值的随机变化。在使用湍流模型时应考虑风速、风向和风切边变化的影响。 6、湍流风速矢量的三个分量；纵向（沿着平均风速方向） 横向（水平并且与纵向垂直的方向） 竖向（与纵向和侧向均垂直的方向） 7、正常风廓线模型（NWP）：风廓线v(z)是地表以上平均风速对垂直高度z的函数。V(z)=Vhub(Z/Zhub)的a次方。 8、极端风况：用于确定风力发电机组的极端风载荷，这些风况包括由暴风及风速和风向的迅速变化造成的风速峰值。 9、极端风速模型（EWM）：极端风速模型可能为稳定的或波动的风模型。风速模型应该基于参考风速Vref和确定的湍流标准差σ1，σ1=Iref(0.75Vhub+b);b=5.6m/s，σ1=qita0.11Vhub。 10、其他环境条件：热、光、腐蚀、机械、电或其他物理作用、温度、湿度、空气密度、阳光辐射、雨、冰雹、雪和冰、活学活性物质、雷电、地震、盐雾。 11、正常环境：温度-30~+150，湿度<=95%，阳光辐射强度1000W/m2。 12、电网条件：（1）电压 标称值+10%（2）频率 标称值+2%（3）三相电压不平衡度，电压负序分量的比率不超过2%（4）适合的自动重合周期（5）断电，假定电网一年内断电20次，一次断电6小时为正常条件，断电一周为极端条件。 13、设计工况：分为运行工况（启动发电关机）和临时性工况（运输吊装维护） 14、设计工况：发电、发电兼有故障、起动、正常关机、紧急关机、停机、停机兼有故障、运输装配维护和修复。 15、DLC设计载荷状态 ECD方向变化的极端连续阵风模型 EDC极端风向变化模型EOG极端运行阵风模型EWM极端风速模型EWS极端风切变模型ETM极端湍流模型NTM正常湍流模型NWP正常风廓线模型F疲劳性载荷分析U极限强度分析N正常A非正常 T运输和安装Vmaint维修保养风速。 16、局部安全系数：由于载荷和材料的不确定性和易变性，分析方法的不确定性以及零件的重要性，在设计中一定要有必要的安全储备。 17、载荷局部安全系数：载荷特征值出现不利偏差的可能性或不确定性；载荷模型的不确定性。 18、材料局部安全系数：材料特征值出现不利偏差的可能性或不确定性；零件截面抗力或结构承载能力评估不确定的可能性；几何参数不确定性；结构材料性能与试验样品所测性能之间的差别；换算误差。 19、失效影响安全系数用来区分以下几类零件：（1）一类零件：失效安全结构件 结构件失效后不会引起风力发电机组重要零件的失效（2）二类零件：非失效安全结构件（3）三类零件：非失效安全机械件把驱动机构和制动机构与主结构连接起来，以执行风力发电机组无冗余的保护功能。 20、风力发电机组极限状态分析内容：极限强度分析；疲劳失效分析；稳定性分析；临界挠度分析。 21、稳定性分析：在设计载荷作用下，非失效安全的承载件不应发生屈曲。对于其他零件在设计载荷下，允许发生弹性变形。在特征载荷下，任何零件都不应发生屈曲。