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第三章! 风力发电机组结构设计技术 风力发电机组的结构设计内容主要包括叶片、 轮毂、 偏航系统、 主轴、 主轴承、 齿轮 箱、 刹车系统、 液压系统、 机舱及塔架的结构设计。 一、 风力发电机组的结构设计基本设计原则 “# 技术性尽可能采用成熟的新技术、 新材料、 新工艺， 保证风力发电机组满足总体设 计技术指标。 $# 经济性经济性包括风力发电机组产品的制造成本、 运行及维护成本， 对不同使用 目的的风力发电机组， 其经济性是不同的。 %# 可靠性应该科学、 合理的综合考虑技术指标、 经济性指标， 最终满足可靠性指标。 二、 风力发电机组结构设计的一般要求 部件设计的主要任务是选择部件的结构形式， 布置结构的主要构件、 确定构件的尺 寸参数等。在这个基础上进行具体的细节设计， 绘制出全部的工程图。 设计工作的突出特点是在多种矛盾的要求中， 进行折中和优化风力发电机组结构设 计一般要求： “# 强度、 刚度要求各受力构件及其组合部件必须能承受设计规范规定的各种状态载 荷。除此以外， 还应满足刚度的要求， 这一点对某些部件尤其重要 （如机舱底盘平台、 叶 片、 塔架等） 。 $# 空气动力要求风力发电机组是利用风能转换为机械能， 再转化为电能的一个系 统， 因此， 对于构成气动外形的部件应满足空气动力方面的要求， 如气动效率高、 气阻小 等。这个要求不仅影响部件的外形设计还影响到部件的结构设计， 即气动外形设计既要 考虑有效外形要求， 又要考虑结构强度和刚度的要求。 %# 动力学要求区别于一般机械结构设计的要求， 风力发电机组动部件所受载荷是交 变载荷， 设计时， 应考虑质量、 刚度分布对构件、 整机的固有特性的影响， 使得部件、 整机 的固有频率避开激振力频率， 降低动应力水平、 提高部件以及整机的寿命、 可靠性。 ） 悬臂梁结构 图 1 主轴由两个调向滚柱轴承所支撑。图 ; 主轴上的一个支撑由轴承架支撑； 另一 支撑由齿轮箱支撑， 也就是所谓三点式支撑。此种结构的优点是前支点为刚性支撑， 后 支点 （齿轮箱） 为弹性支撑。这种结构能够吸收自叶片来的突变负载。 ( ( ( ! 9“ “ “9 6+0: ;-“ ? 0-“ ?)“ g )所有直径f 或 f?f 或 f? ;0所有直径f?g? d-) 第二编4 风力发电机组的设计检测与制造技术 # 胀套型号胀套内径! “# $与胀套结合的轴的公差带与胀套结合的孔的公差带 % “? “ ! 胀套与轴结合面上的压力 （*# $.） ； “ 胀套内径 （$） ； ? 系数。 系数 ? 值见表 4 6$） * （! “+4） 式中$ : 橡胶元件材料的剪切弹性模量 （近似可取 : %)3 形布置。 如若中间轴与主、 从动轴的轴间角不相等， 即 “)“:1- 8# ;:;- : ） ?!/0 -d 7; ! : “:; 7 :; :- !:; - :9 7; ! : “:; 7 :; :- !a; 9 !#: 7; ! : “:; 7 :; :- $:; 9 -#d $ : “:; 7 :; :a d:; - - $ : “:; 7 :; :a d-; - : - : “:; 7 :; :a 9d; : - a : “:; - :; :a e!; : - d : “:; - :; :a #:e; - - d : “:; - :; :a #$; - d77 第二编% 风力发电机组的设计检测与制造技术 # 型号 回转 直径 !“ # 螺栓 数 $ 螺栓规格 （%“ $ 0?20?2*2-1 a*-2?2b019-09-?202/12c2*/4 9 c 2 324 9 24 2b *094 9 d12112*b-c a*-2*0120?2-990-901c1-/2-24 9 ? 2 324 9 24 * *0c4 9 1?21?2*b02 a*12*/-2109-c90b20/c1c?2-04 2 * 2 324 9 24 * *9?4 9 992992*b02 a*12*/-21?-0-21-211192*22-04 2 * 2 324 9 24 * *9?4 9 b-2b-2*b0b a*b20*c29990/21b/1?/99*22-94 9 * 2 324 9 24 * */04 2 -） 型十字轴式万向联轴器的选择计算 (4 联轴器的计算转矩丁， 应满足以下的强度条件 -4 0 2 324 - ef g($或 e ( .或 e ( h 式中i 联轴器的理论转矩 （)#） ； g 工作情况系数， 在风力发电机组一般选为 0 j9； . 在交变载荷下按疲劳强度所允许的转矩 （)#） ； k 在脉冲载荷下按疲劳强度所允许的转矩 （)#） hf*4 19.。 64 计算十字轴轴承的使用寿命 $） ； “ 工作时的轴间角 （m） ； e 联轴器的计算转矩 （)#） ； g* 原动机系数， 对电动机 g*f*， 对柴油机 g*f*4 -； g& 轴承容量系数， 见表 0 3b。 当在水平和垂直面同时存在有轴间角时 :($“ f:($-“*8 :($-“ ! - 式中i “*、 “- 分别为水平和垂直面内的轴间角。 表 0 3bi 轴承容量系数 g& 型i i 号g&型i i 号g& *2224 -b a*2 30 0*9*2/ *-224 ?- a*2 300920c2 *9224 */ a *2 3*0?2*2*2 */224 bbd1202*2 -9*4 ?1?2/4 9/ a*20 /- 第二编i 风力发电机组的设计检测与制造技术 # 型! ! 号“#型! ! 号“# $%&()*+ *,$%&()-+ ./ 01)- $%&/(-(+ *$%&.),+ ./ 01)- 2+ 校核联轴器的最高转速 3456一应满足如下条件 （当回转直径 7(-*) 时） 3456( 3! 3456( 3# 式中! 3! 与工作轴间角有关的最高许用转速 （见图 - 81.） ； 3# 与工作长度有关的最高许用转速 （见图 - 81,） 。 图 - 81.! 与工作轴间角有关的最高许用转速 图 - 81,! 与工作长度有关的最高许用转速 * 第二编! 风力发电机组的设计检测与制造技术 # 四、 机械刹车 机械刹车是一种制动式减慢旋转负载的装置。通常机械刹车分类见表 ! “#。 机械刹车还可以根据作用方式分为气动液压、 电磁、 电液、 手动等形式。 按工作状态分， 制动器可分为常闭式和常开式。常闭式制动器靠弹簧或重力的作用 经常处于紧闸状态， 而机构运行时， 则用人力或松闸器使制动器松闸。与此相反， 常开式 制动器经常处于松闸状态， 只有施加外力时才能使其紧闸。 表 ! “#$ 序号制动器名称特点及应用说明 % 外抱块式制 动器 构造简单可靠， 散热好。瓦块有充分和较均匀的退距， 调整间隙方便。对于直形 制动臂， 制动转矩大小与转向无关， 制动轮轴不受弯曲作用力。但包角和制动转 矩小， 制造比带式制动器复杂， 杠杆系统复杂， 外形尺寸大。应用较广， 适用于工 作频繁及空间较大的场合 & 内涨蹄式制 动器 两个内置的制动蹄在径向向外挤压制动鼓， 产生制动转矩。结构紧凑， 散热性 好， 密封容易。可用于安装空间受限制的场合， 广泛用于轮式起重机， 各种车辆 如汽车、 拖拉机等车轮中 !带式制动器 构造简单紧凑。包角大 （可超过 &!） ， 制动转矩大。制动轮轴受较大的弯曲作 用力， 制动带的比压和磨损不均匀 （按 “# 规律进行） 。简单和差动带式制动器 的制动转矩大小均与旋转方向有关， 限制了应用范围。散热差。适于大型机器， 要求结构紧凑的制动， 如用于移动式起重机中 (盘式制动器 利用轴向压力使圆盘或圆锥形摩擦表面压紧， 实现制动。制动轮轴不受弯曲。 构造紧凑。与带式制动器比较磨损均匀， 制动转矩大小与旋转方向无关， 制成封 闭型式防尘防潮。磨擦面散热条件次于块式和带式， 温度较高。适于应用在紧 凑性要求高的场合， 如车辆的车轮和电动葫芦中 ) 载荷自制盘 式制动器 靠重物自重在机构中产生的内力制动， 它能保证重物在升降过程中平稳下降和 安全悬吊。主要用于提升设备及起重机械的起升机构中 *磁粉制动器 主要利用磁粉磁化时所产生的剪力来制动。体积小， 重量轻， 励磁功率小且制动 转矩与转动件的转速无关。但磁粉会引起零件磨损。适用于自动控制及各种机 器的驱动系统中 # 磁涡流制动 器 坚固耐用， 维修方便， 调速范围大。但低速时效率低， 温升高， 必需采取散热措 施。常用于有垂直负载的机械中 （如起重机械的起升机构） ， 吸收停车前的动 能， 以减轻停止式制动器的负载 在风力发电机中， 为了减小制动转矩， 缩小制动器尺寸， 通常机械刹车装在高速轴 上。在结构许可的情况下， 也常将机械刹车设计在低速轴上， 这可以做到刹车和保护齿 轮箱不受刹车力矩的瞬时突加载荷的影响。 +!& 第二编$ 风力发电机组的设计检测与制造技术 # （一） 机械刹车的设计 机械刹车的设计步骤如下： !“ 计算制动轴上的负载转矩， 同时考虑一定的安全储备。求出计算制动转矩。 # $ %&# 一般在风力发电机组中 %&(。 (“ 然后根据计算转矩选定合适的制动器类型和结构。并画出传动图， 再按摩擦元件 的退距求出松闸推力和行程， 用以选择或设计松闸器。 )“ 最后对主要零件作必要的强度计算， 其中制动臂、 传力杠杆等还应进行刚度验算， 对摩擦元件则应进行发热验算。如选用标准制动器， 则应以计算制动转矩为依据， 选出 标准型号后， 作必要的验算， 也可直接选用不再验算。 （二） 盘式制动器 在风力发电机组， 最常用的机械刹车为盘式、 液压、 常闭式制动器。盘式制动器沿制 图 ) *!+, 钳盘式制动器 动盘轴向施力。制动轴不受弯矩。径向尺寸小， 制动性能 稳定。 !“ 结构形式常用的盘式制动器有钳盘式、 全盘式及锥 盘式三种。本文主要介绍钳盘式制动器。 图 ) * !+ 为一钳盘式制动器外观图。制动块 ( 压紧 制动盘 ! 而制动。制动衬块与制动盘接触面很小， 在盘中 所占的中心角一般仅 )-. / 0-.。故这种盘式制动器又称 为点盘式制动器。 为了不使制动轴受到径向力和弯矩， 钳盘式制动缸应 成对布置。制动转矩较大时， 可采用多对制动缸 （见图 ) *!1） 。必要时可在制动盘中间开通风沟 （见图 ) * (-） 。 以降低摩擦副温升， 还应采取隔热措施， 以防止液压油高 温变质。 图 ) *!1, 多对制动缸组合装示意图 （!） 钳盘式制动器的结构形式按制动钳的结构形式区分， 有以下几种： !） 固定钳式， 如图 ) *(!2 所示， 制动钳动， 制动盘两侧均有油缸。制动时仅两侧油 缸中的活塞驱使两侧制动作相向移动。 (） 浮动钳式， 分滑动钳式和摆动钳式两种。图 ) *(- 带有通风沟的制动器 图 ) *(! !)( 第二编, 风力发电机组的设计检测与制造技术 # 图 ! “#$% 带有通风沟的制动器% % % % % % % % 图 ! “#&% 钳盘式制动器示意图% % % % % 钳盘式制动器示意图 ( 滑动钳式， 如图 ! “#) 所示， 制动钳可以相对于制动盘作轴向滑动， 其中只在制 动盘的内侧置有油缸。外侧的制动块固装在钳体上。制动活塞在液压作用下使活动制 动块压靠到制动盘， 而反作用力则推到制动钳体连同固定制动块压向制动盘的另一侧， 直到两制动块受力均等为止。 )( 摆动钳式， 如图 ! “#&* 所示， 它也用单侧油缸结构。制动钳体与固定支座铰接。 为 实现制动， 钳体不是滑动而是在与制盘垂直的平面内摆动。显然， 制动块不可能全面 均匀摩损。为此有必要将衬块预先做成楔形 （磨擦面对背面的倾斜角为 +,左右） 。在使 用过程中， 衬块逐渐磨损到各处残存厚度均匀 （一般为 &- 左右） 后即应更换。 （#） 结构实例依不同结构形式， 举例如下： 图 ! “#% 常开固定钳式制式动器 常开固定钳式制动器如图 ! “# 所示， 摩擦元件底板 . 通过销轴 +、 & 和平等杠杆组 / 固定在机架 # 上。弹簧 0 使制动器常开。制动时， 将液压油通人油缸 1， 同时压缩弹簧 而紧闸。平等杆组 / 能使摩擦元件与制动盘 ! 保持平行。 常闭固定钳式制动器如图 ! “#! 所示， 在制动盘 & 的两侧对称布置两个相同的制动 缸， 制动缸固定在基架 # 上。其构造如图 ! “ #. 所示， 蝶形弹簧 + 压活塞 0 后推动顶杆 #!# 第二编% 风力发电机组的设计检测与制造技术 # 图 ! “#!$ 常闭固定钳式制动器$ $ $ $ $ $ $ 图 ! “#%$ 为常闭固定钳式制动器制动缸结构 &， 使摩 擦块 # 压制动盘 而紧闸。( 管通人液压油后， 活塞 ) 压蝶形弹簧而松闸。这种 制动器的体积小， 动作灵敏， 调整油压可改变制动转矩， 改变垫片 % 的厚度可微调弹簧张 力。必须时还可装磨损量指示器 *。 电磁铁松闸的常闭式固定钳盘式制动器的结构图如图 # “! “#* 所示。 图 ! “#*$ 电磁铁松闸常闭固定钳式制动器 第二节$ 风力发电机组机舱底盘的结构设计 风力发电机组的机舱除了承担容纳所有机械部件外， 还承受所有外力 （包括静负载 及动负载） 的作用。尤其是现代风力发电机组为了获得更多的风能， 往往将塔架高度提 得很高， 有的已高达 +,， 对机舱的强度及刚度的要求将更为苛刻， 特别是对机舱底盘 !# 第二编$ 风力发电机组的设计检测与制造技术 # 的结构设计要求较高。 机舱底盘一般分类如下： !） 按制造方法及材料可分为铸造机舱底盘、 焊接机舱底盘二类。 “） 按结构形状可分为梁式机舱底盘、 框架式机舱底盘、 箱式机舱底盘等三类。 一、 机舱底盘设计的准则 机舱底盘的设计主要应保证刚度、 强度及稳定性。 !） 刚度评定机舱底盘的工作能力的主要准则之一是刚度， 机舱底盘的刚度决定风力 发电机组传动链的工作稳定性， 决定回转支承工作的稳定性。 “） 强度强度是评定机舱底盘工作性能的另一个基本准则， 机舱底盘的强度应根据风 力发电机组在运转过程中可能发生最大载荷来校核。对于风力发电机组更重要的还要 校核其疲劳强度， 因为风力发电机组的寿命要求高， 国外已有将风力发电机组寿命提高 到#$ 年及运行小时数达 “$， $%。 机舱底盘强度和刚度都要从静态和动态两个方面来考虑。动刚度是衡量机舱底盘 抗振能力的指标， 而提高机舱底盘抗振性能应从提高机舱底盘构件的静刚度、 控制固有 频率、 加大阻尼等方面人手。 #） 稳定性风力发电机组的机舱底盘是一个扁平式结构， 其主要受力件稳定性较好， 某些受压部件及受压弯结构也可能存在失稳问题， 必须加以校核。 二、 机舱底盘设计的一般要求 !） 在满足强度及刚度的前提下， 机舱底盘应尽量重量轻、 成本低； “） 抗振性好； #） 结构设计合理， 工艺性良好， 便于铸造、 焊接和机械加工； &） 结构力求便于安装与调整， 方便修理和更换零部件； ） 造型好， 使之即适用经济， 又美观大方。 三、 机舱底盘的设计步骤 !） 初步确定机舱底盘的形状和尺寸， 机舱底盘的结构形状与尺寸， 取决于安装在它 内部与外部的零件和部件的形状与尺寸、 配置情况、 安装与拆卸及在机舱底盘内维护及