水平轴风力机结构设计

• 代表：丹麦Vestas 公司和荷兰CTC公 （NOI制造的叶片）。
优点：重量轻，制造成本低； 缺点：对叶片运输要求较高，由于叶片前缘强
度和刚度较低，在运输过程中局部易于 损坏；这种叶片整体刚度较低，运行过 程中叶片变形较大，必须选择高性能的 结构胶，否则极易造成后缘开裂。
• 2、
• 叶片壳体以GRP层板为主，厚度在10～ • 20之间；为了减轻叶片后缘重量，提高叶 • 片整体刚度，在叶片上下壳体后缘局部采 • 用硬质泡沫夹心结构，叶片上下壳体是其 • 主要承载结构。
木制叶片、钢制叶片、铝合金叶片 目前叶片多为复合材料，即以玻璃纤维和碳纤维为增 强材料，基体材料为聚酯树脂或环氧树脂。 优点：比重小、拉伸强度高、易成型、耐腐
蚀性强。 2、叶片外形：
等弦长直叶片、变弦长扭曲叶片.
• 一、叶片主体结构
• 大型水平轴风机组风轮的结构主要为梁、壳 结 构，有以下几种结构形式：
常用在大、中型风力发电机上。由于下风向风轮调 向易使风轮随风向变化而摆动，需加阻尼器。
优点：自动对风，无需专门的对风 装置。不会对塔架 产生扭转振动激励。 结构简单，
缺点：在小风速下启动、对风要借助外力进行，单叶 片，两叶片风轮对风不稳定。当叶片转到塔架下风向 的紊流区时产生振动，易使叶片梁与轮毂的连接处产 生疲劳断裂。同时叶片在塔架的紊流区内不能正向接 受风能。
• 五、纽缆保护装置
• 必备装置。 作用：失效保护。
• 纽缆保护装置一般由控制开关和触 点机构组成，控制开关安装在机组的 塔架内壁的支架上，触电机构安装与 机组悬垂部分的电缆上。
• 当机组悬垂部分的电缆纽绞到一定 程度后，触电机构触发控制开关，使 机组进行紧急停机。
三、功率调节
• 当风速达到某一值时，风力发电机组 • 达到额定功率。由于风速和功率是三 • 次方的关系，风速再增加，发电机就会 • 过载，必须有相应的功率调节措施，使 • 机组的输出功率不再增加。目前主要有 • 两种调节功率的方法，都是采用空气动 • 力方法进行调节的。
系统始终保持压力。
•
当需要停机时，两回路中的常开电磁 阀先后失电，叶尖扰流器一路压力油被 泄回油箱，叶尖动作；
稍后，机械刹车一路压力油进入刹车 油缸，驱动刹车夹钳，使叶轮停止转 动。
在两个回路中各装有两个压力传感 器，以指示系统压力，控制液压泵站补 油和确定刹车机构的状态。
2.5对风装置
2.5.1风轮的自动对风 自动对风机舱：将风轮置于下风向，置于下风向的风轮能 自动对风，不必另行设置调向装置。
第二节 主动偏航系统
• 主动偏航系统由风向标、偏航轴承、 偏航驱动装置、偏航制动器、偏航计 数器、纽缆保护装置、偏航行星齿轮 减速器，回转 体大齿轮等 部分组成。
• 一、偏航轴承
•
• 偏航齿圈的偏航轴承内外圈分别与 机舱和塔架用螺栓联接。
• • 轮齿 可采用内齿或外齿型式:
• 二、偏航驱动装置
• 按结构材料分，塔架又可分为钢结构 塔架和钢筋混凝土塔架。
• 钢筋混凝土塔架在早期风力发电机中大
量被应用，后来由于风力发电机大批量生 产，从批量生产的需要而被钢结构塔架所 取代。近年来随着风力发电机组容量的增 加，塔架的体积增大，使得塔架运输出现 困难，又有以钢筋混凝土取代钢结构塔架 的苗头。
第二节 塔架基础
• • C形梁用玻璃纤维夹心结构，设计相对较 • 弱，与壳体粘结后形成盒式结构，共同提 • 供叶片的强度和刚度。这种结构形式叶片 • 以丹麦LM公司为主。
•
• 叶片壳体和大梁用结构胶牢固地粘接在 一起。
• 优点：叶片整体强度和刚度较大，在运输、 使用中安全性好。
• 缺点：这种叶片比较重，比同型号的轻型 叶片重20%～30%，制造成本也相对较高。
• 小、中型风力机的塔 架通常采用桁架拉线式 结构。它是由钢管或角 钢焊接而成的桁梁，再 辅以3～4根拉线组成。
桁架的断面形状最常 见的是等边三角形与正方 形两种。
三、桁架式
• 由钢管或角钢焊接而成 底大顶小的桁架，其断面 最常用的是正方形，也有 采用多边形的。这种结构 不带拉线，沿着桁架立柱 的脚手架可爬往机舱。下 风向布置的中、大型风力 机多采用这种结构的塔架.
• 偏航驱动装置一般有: • （1）电动机驱动 • 偏航齿轮由偏航驱动电动机通过减速
器驱动; • （2）液压驱动 • 偏航齿轮由液压马达通过减速器驱动。
三、偏航制动器
• 偏航制动器一般采用液压拖动的钳盘式制动器：
• （1）常闭式钳盘制动器
• 制动器采用弹簧夹紧，电力或液压拖动松闸来 实现阻尼偏航和失效安全。
塔架设计应考虑静动态特性、与机舱的连接、运输和安装方法、基础设 计施工等 从结构上分
无拉索 桁架、圆筒 矗立混凝土基础中心 有拉索 基础结构四散 ，中心基础很小
一、单管拉线式
• 塔架由一根钢 管和3～4条拉线 组成它具有简单、 轻便、稳定等优 点。微型风力机 几乎都是采用这 种形式的塔架。
二、桁架拉线式
2.5.2尾舵对风
尾舵是最常用的一种对风装置，它广泛用于小、微型风力机， 主要内两部分组成。一是尾杆（尾舵梁），装于风力机尾部并 与培架的轴线正交；另一是尾翼（尾舵板），装在尾杆上与风 轮轴平行或成一定的角度。
并尾：将尾舵板置于与风轮平面平行的位置。
2.5.3舵轮对风
舵轮是装在风轮后面，其旋转面与风轮扫掠而相垂直的两 个平行的多叶式小风轮。舵轮的轴带动由圆锥齿轮及圆柱齿 轮组成的传动系统，如图5—14所示。最后一对齿轮与装在 塔架上方的回转体上的从动大圆柱齿轮啮合。当风向变化时， 风从某一角度吹向舵轮并使其旋转，再通过传动系统使风轮 旋转对风。当风轮重新迎风后，舵轮便停止转动。倘若最 后—级传动采用能自锁的蜗轮组，则结构会更简单—些。
F Ct
1 2
Vs2
Ab B
丹麦风电专家彼得森推荐
F 风轮气动推力
Ab 风轮扫掠面积
Ct 推力系数1.6
B 桨叶数
Vs 暴风风速
空气动力系数，当系统 自振频率〉2HZ时取1
塔架所受的风压
F
1 2
Vs2 Af
空气密度
Af 塔架投影面积
空气动力系数，圆形封闭塔架取0.7
桁架塔架取1.4
• 1、 叶片主体采用硬质泡沫塑料夹心结构；
• 大梁是叶片的主要承载部件，材料为玻璃纤 维增强塑料(GRP)，大梁常用D形、O形、矩 形等形式；
• 蒙皮GRP结构校薄，仅2~3mm，主要保持 翼型和承受叶片的扭转载荷；
• 成型：D形、O形和矩形梁在缠绕机 上缠绕成型；在模具中成型上、下两个 半壳，利用结构胶将C（或I）形梁和两 半壳粘接。
• 一种是定桨距（失速）调节方法； • 一种是变桨距调节方法。
•
1、定桨距（失速）调节方法
叶片与轮毂刚性联结。
失速控制主要是通过确定叶片翼型的扭 角分布，使风轮功率达到额定点后，减少 升力提高阻力来实现的。
叶片扰流器是风力发电机组的主要制 动器，每次制动时都是它起主要作用。 • 脱网停机时，液压油缸失去压力，扰 流器在离心力 的作用下释放 并旋转形成 阻尼板。 •
• 在正常停机的情况下，液压力并不 是完全释放，即在制动过程中只作用 了一部分弹簧力。为此，在液压系统 中设置了一个特殊的减压阀和蓄能器, 以保证在制动过程中不完全提供弹簧 的制动力。
塔架的一阶固有频率必须超过这些值得20%避免共振。还需注意避 免高阶次共振。
刚性塔 ：塔架-机头系统的固有频率zn<f 半刚性塔：n<f<zn 柔塔：f<n
f 可求
f 1
2
g y
y 塔架弯曲挠度
• 一般常用的轮毂形式有以下两种：
• 1、刚性轮毂 刚性轮毂的制造成本 低、维护少、没有磨损，三叶片风轮 大部分采用刚性轮毂，也是目前使用 最广泛的一种形式。
• 为了监视机械刹车机构的内部状态, 刹车夹钳内部装有温度传感器和指示 刹车片厚度的传感器。
定桨距风力发电机组的液压系统
• 定桨距风力发电机组的液压系统实 际上是制动系统的执行机构。通常它 由两个压力保持回路组成:
• 一路通过蓄能器供给叶尖扰流器； • 另一路通过蓄能器供给机械刹车机构. • 两个回路的工作任务是使运行时制动
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2.1.4陀螺效应
2.1.5 叶片震动
1.风轮旋转时，叶片自重力与长度方向的夹角周期性变化 2.风廓引起的风速不均 3.风轮不能精确对风 4.风速的紊流、脉动 5.陀螺效应
2.1.5叶片材料
确定叶片材料时应考虑三个原则；一是材料应有 足够的强度、刚度和寿命；二是必须有良好的可成型 性和可加工性；三是材料的来源和成本。 1、叶片材料：
• 2、铰链式轮毂（柔性轮毂或跷跷板式 轮毂） 铰链式风轮常用于单叶片和二 叶片风轮。
2.4机舱、传动系统和刹车系统
2.4.1机舱
为了使塔架上方的主要设备及附属部件(桨叶及尾舵或舵轮除外)免受 风沙、雨雪、冰雹以及盐雾的直接侵害，往往用罩壳把它们密封起来， 这罩壳就是。“机舱”。
设计要求：减小质量 增加刚度 便于舱内安装检修 空间紧凑 满足通风散热 最好是流线型 成本低
鉴于计算桁架构件的实际投影面积比较麻烦，工作量也比较大，通 常可用塔架轮廓包围面积的30％计算(不能低于此值)。
2.3.2.2塔架动态特性
风轮转动引起塔架受迫振动的模态是复杂的： 由于叶片转子残存的旋转不平衡质量产生的塔架以每秒n为频率振动， 由于塔影、不对称空气来流风剪切、尾流等造成的 频率为zn的振动 （叶片数为z）。
装配要求：联轴节精确对中 联轴节最好选用弹性的
2.4.3刹车装置
机械刹车：在低速轴刹车 在高速轴刹车
刹车设在低速轴时，制动力直接作用在风轮上，可靠性高，刹车力矩不 会成为齿轮箱的负载。但在一定的制动功率下，刹车力矩大，结构布置方面 较困难。
刹车设在高速轴的优缺点与低速轴的相反。
空气动力刹车：变桨距刹车 叶尖扰流器
• 风力发电机基础均为现浇钢筋混凝土 独立基础。从结构的形式看，可分为 块状基础和框架式基础两种。
2.3.2 塔架的主要载荷
2.3.2.1对于静态，我们论述与塔架强度计算有关的两种载荷，作用到风 轮上最大的气动推力和塔架本身所承受的最大风压。
为了确保在台风或暴风袭击时，塔架仍不会倾倒，在强度计算时，不 管是变距调节还是失速控制的风力机，风轮的气动推力和塔架所受的风压 均要按暴风工况考虑。 风轮上最大的气动推力
改变叶片攻角使其失去升力，控制风力机转速。 叶尖扰流器的叶片在弹簧力和离心力的作用下形 性成阻力板。
定桨距风力发电机组的刹车机 构
• 一、气动刹车机构 • 由安装在叶尖的扰流器通过不锈钢丝绳 与叶片根部的液压油缸的活塞杆相联构成的.
• 正常运转时，在液压力的作用下，叶尖 扰流器与叶片主题部分组成完整的叶片.
风力发电机组的 塔架与基础
塔架
塔架是支撑风力发电机的支架，它不仅要有一 定的高度，使风力机处在较为理想的位置(即涡 流影响较小的高度)运转，而且还应该有足够的 强度和刚度，以保证在台风或暴风袭击时，不会 使整机倾倒。
按外形结构塔架可分为单管拉线式、桁架 拉线式、桁架式、圆台(或棱台)式。
2.3 塔架
第二章：水平轴风力机结构设计
风力机主要部件是细长杆件，刚度有限，工 作环境复杂，设计不但要保证风能利用率高，还 要在设计运行范围内安全可靠。 2.1叶片
风力机正常运转时，必须考虑承受风载荷和离心 力；受到的重力弯矩。
2.1.1 正常运转中阵风引起的弯曲应力 由于风力机的惯性，和调向的滞后，发生对
风偏差（又称偏航），使叶片受到的弯曲应力增 加。
• （2） 常开式钳盘制动器
• 制动器应采用制动期间高压夹紧、偏航期间低 压夹紧的形式实现阻尼偏航。采用此种形式时， 偏航传动链中应有自锁环节。
• 四、偏航计数器
•
• 偏航计数器是记录偏航系统旋 转圈数，当偏航系统旋转的圈数 达到设计所规定的初级解缆和终 极解缆圈数时，计数器则给控制 系统发信号使机组自动进行解缆.
2.1.9 叶片叶片的热胀、积水和雷击保护
即使叶片是由纯绝缘材料制成的，也不能排除遭雷击的 可能性。如果电流穿透叶片，叶片材料被加热至很高温度， 就会导致叶片的破碎或剥离。
任何一种安装在叶片内的导体都会增加雷电击中叶片的 次数。此时电流从叶片传至大地而对其他部件不产生损害就 很重要。雷击电流从叶片传至大地要途经轴承、机舱、发电 机、塔架及控制系统，每个途经部件都要考虑到防雷及电流 传导。