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1.5 MW 风力 发电 机组 总体 设计

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I1.5MW 风力发电机总体设计摘摘 要要风是一种永不枯竭的清洁能源，随着传统能源的日渐枯竭，人们对风能的利用也越来越重视。特别是随着控制技术和制造技术的发展，风力发电机组的规模不断扩大，兆瓦级以上的风力发电机的研制已成为目前风电产业的主要发展方向。本次设计对 1.5MW的风力发电机机组结构的总体布局，总体参数的规划以及各组成部件的选型原则和设计要求进行阐述。关键词：MW 级风力发电机，总体设计II The overall Design of 1.5MW Wind Power GeneratorAbstract The wind is an inexhaustible clean energy, Along with the traditional energy sources dried up with each passing day, people are paying more and more attention to the use of wind energy.Especially with the control technology and the development of production technology, expanding the scale of wind power generating unit，MW above the level of the development of wind turbines has become the main direction of the development of wind power industry.The design of1.5MW wind generator structure of the overall layout, the overall planning and the parameters of each component selection principles and design requirements .KEY WORDS: The MW class wind generator, Overall designIII目 录摘 要 .IAbstract .II1 绪论 .11.1 课题研究背景 .11.2 国外风力发电机发展现状 .11.3 国内风力发电机的研制情况 .21.3.1 我国风力发电机发展历史.21.3.2 我国风电发展存在问题 .51.4 本课题研究的意义 .72 1.5mw 风力发电机组总体方案的设计.72.1 风电机组功能的设计 .72.1.1 风电机组功率的调节方式设计 .82.2.2 风力发电机组的系统选型设计.92.2 风力发电机组总体布局 .103 风电机组的各组成部分的设计计算 .143.1 风轮的设计估算.143.2 叶片的设计 .153.2.1 叶片材料的选择 .153.2.2 叶片的翼型选择和尺寸计算 .173.3.1 主轴支撑形式的选择.183.3.2 轴系连接件的选择 .193.3.3 风机主轴的设计计算 .23(1）确定输出轴的运动和动力参数。 .233.4 增速箱的结构设计.243.5 变桨距系统系统设计.273.6 偏航传动系统的设计.283.7 风力发电机组机舱与塔架的总体设计 .293.7.1 机舱的总体设计 .293.7.2 塔架的设计 .314 设计总结 .324.1 设计过程 .324.2 需求改进 .324.3 设计心得 .33IV致 谢 .1参 考 文 献 .21.5MW 风力发电机组总体设计11 绪论1.1 课题研究背景风是一种永不枯竭的能源。地球上的风能大大超过水流的能量, 也大于固体燃料和液体燃料能量的总和。有人估计过, 地球上可用来发电的风力资源约有 l00 亿千瓦, 几乎是现在全世界水力发电装机的 l0 倍。目前世界每年燃烧煤所获得的能量,只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此, 国内外都很重视利用风力来发电, 开发新能源。在各种能源中, 风能是利用起来比较简单的一种, 它不同于煤、石油、天然气, 需要从地下采掘出来, 运送到火力发电厂的锅炉设备中去燃烧; 也不同于水能, 必须建造坝, 来推动水轮机运转; 也不像原子能那样, 需要昂贵的装置和防护设备。风能的利用由于简单, 且机动灵活, 因此有着广阔的前途。特别是在缺乏水力资源、缺乏燃料和交通不方便的沿海岛屿、山区和高原地带, 都具有速度很高的风, 这是很宝贵的能源, 如果能利用起来发电对当地人民的生活和生产都会很有利的。1.2 国外风力发电机发展现状风能是非常重要并储量巨大的能源，它安全、清洁、充裕，能提供源源不绝，稳定的能源。近年来, 资源的短缺和环境的日趋恶化使世界各国开始重视开发和利用可再生、且无污染的风能资源。目前，利用风力发电已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。风电行业的真正发展始于 1973 年石油危机，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，投入大量经费，用新技术研制现代风力发电机组，80 年代开始建立示范风电场，成为电网新电源。在过去的 20 年里，风电发展不断超越其预期的发展速度，一直保持着世界增长最快的能源地位 近年来，风电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快的能源的地位。截止 2008 年末，全球累计装机容量达到 120.8GW，增长幅度为 28.8%，高于近十年的年均复合增长率平均值。 20 年来, 世界上已有近 30 个国家开发建设了风电场(是前期总数的 3 倍) , 风电场总装机容量约 1400 万 kW (是前期总数的 100 倍)。目前, 德国、美国、丹麦以及亚洲的印度位居风力发电总装机容量前列, 且未来计划投资有增无减。到 2007 年底，全球风力发电安装容量达 94112 兆瓦，其中 2007 年全球新增风力发电装机容量约20073 兆瓦，与 2006 年的 15197 兆瓦相比增长达到 32%。全球安装容量最大的国家是德国（22247MW） 、美国（16818MW） 、西班牙（15145MW） 、印度（8000MW）和中国（6050MW）,2007 年新增安装容量最多的国家是美国（5244MW） 、西班牙（3522MW） 、中国（3449MW） 、印度（1730MW）和德国（1667MW） 。预计到 2020 年，新增安装容量达 10万兆瓦。德国风力发电装置和技术处于世界领先地位，尤其受到国外客户的青睐，全陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 2球风能市场的快速发展给德国风力发电产业提供了良好的机会。德国非常重视风能的开发和利用，出台了非常有效的政策和措施，促进和鼓励风能技术的开发和利用。2005 年以来，全球风电累计装机容量年平均增长率为 27.3%，新增装机容量年平均增长率为 36.1%，保持着世界增长最快能源的地位。2010 年全球装机容量达 196630MW，新装机容量 37642MW，比去年同期增长 23.6%。目前，德国、西班牙和意大利三国的风电机组的装机容量约占到欧洲总量的65%。近年来，在欧洲大力发展风电产业的国家还有法国、英国、葡萄牙、丹麦、荷兰、奥地利、瑞典、爱尔兰。欧洲之外，发展风电的主要国家有美国、中国、印度、加拿大和日本。迄今为止，世界上已有 82 个国家在积极开发和应用风能资源。丹麦是风力发电先进国家之一，它将风力发电作为国策，已有风力发电站近 4000座，总装机容量 73xkw，发电总量达到 634xw，相当于一个中等规模的核电站410610发电量，占全国能源总消耗量的 3.7%。丹麦风电产业自 20 世纪 80 年代起步，如今其风电机组已主导着全球的市场。风电成功的原因之一在于，每届政府对国家能源计划的立场都非常坚定，务求减少对进口燃料的依赖，尽量做到可持续发展。最近又提出到 2030 年风电将满足约一半的电力需求。德国的风能资源远不如法国和英国丰富，但风电发展的世界领先地位却毋庸置疑。20 世纪 80 年代，德国政府资助了一系列研究计划；1991 年，国会又通过了强制购电法，为清洁能源提供足够的激励机制并建立起市场，并能参与煤电和核电竞争。由于环保者的努力，政府还设定了到 2025 年风电至少供应 25%发电量的目标瑞典从七十年代开始风力发电的开发，经过 20 多年的努力，己成为该领域的领先者之一，到 2005 年底，装机容量己达到 9.5xkw。220 多座风力发电站，大部分位410于南部地区和波罗的海的厄兰岛及哥德兰岛上，哥德兰岛的风力发电量可保证全岛 68%的能源需求。为了更充分地利用风力资源，瑞典成立了包括一系列电力供应公司的专门财团，目标是在近几年内使风力发电量增加 4 倍。瑞典由于场地问题，致力于海洋风力发电。由于建设费和与输电的连接费用高，所以规模有大型化的倾向。 印度是发展中国家的先锋。风电最初的发展动力来自非常规能源部(MNES)鼓励能源的多元化指导。为了找出最有利的地点，MNES 在全国建立起风速测量站的网络。为投资者提供投资成本折旧和免税等多种经济优惠，在 2002 年推出的免税计划中规定，风电场前 10 年的收入可享受 100%的免税。此外，各省还制定自己的优惠政策。1.3 国内风力发电机的研制情况1.3.1 我国风力发电机发展历史我国风力发电概况中国是一个风力资源丰富的国家, 风力发电潜力巨大。据 1998 1.5MW 风力发电机组总体设计3年统计, 风力风电累计装机 22.36 万 kW , 仅占全国电网发电总装机的 0.081% , 相对于可开发风能资源的开发率仅为 0.088%。中国第一座风力发电场于 1986 年在山东荣成落成, 总装机较小, 为 355kW。到1993 年我国风电场总装机容量达 17.1MW , 1999 年底, 我国共建了 24 个风力发电场, 总装机 268MW。我国风力发电场主要分布在风能资源比较丰富的东南沿海、西北、东北和华北地区, 其中风电装机容量最多的是新疆已达 72.35kW。在未来 2 3 年内, 我国计划新增风电场装机容量将在 800MW 以上, 并且将会出现 300 400MW 的特大型风力发电场。中国风电设备制造业发展经历了三个阶段：一是 1985 -1995 年期间，通过建设运营风电场，中国开始学习国外风力发电设备制造技术；二是 1996-2000 年期间，中国通过引进技术实现本地化风电机组制造；三是 2000 年至今，中国正在进行风电设备产业化生产、兆瓦级风电机组的研发工作。19861995 年即“七五”至“八五”期间，山东荣城于 1986 年建成了全国第一座并网型风电场，总装机容量为 1MW；1990 年全国已建起 4 座并网型风电场，总装机容量为 4MW，其最大单机容量为 200kW；到 1995 年全国已建成 5 座并网型风电场，总装机容量为 36MW，其最大单机容量为 500kW。这 10 年，实现了我国并网型风电零的突破，建设有 32MW 级的中型风电场，为我国风电高技术产业的形成和发展打下了基础。从下表可以看出，1996 年以后，即我国通过引进技术实现本地化风电机组制造以后，我国的风电装机容量增长的绝对量水平大大提高。在此以前，每年装机容量的绝对增长量最高水平不超过 2 万千瓦，但是此后每年的绝对增长量比 1996 年以前至少提高了一倍以上，最高的 1997 年甚至达到了 11 万千瓦。 表 1-1 1996-2007 年我国风力发电装机容量及其增长情况年份总装机容量（万千瓦）增速（%）新增量（万千瓦）19900.4119910.4919.510.0819921.45195.920.9619931.7117.930.2619942.6353.800.9219953.7642.971.1319965.6650.531.90199716.66194.3511.00199822.3534.155.69199926.7919.874.44陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 4200034.4328.527.64200139.9816.125.55200246.817.066.82200356.721.159.9200476.1434.2919.44200512665.4849.862006260.4106.67134.42007605132.33344.6 0100200300400500600700199019911992199319941995199619971998199920002001200220032004200520062007050100150200250总装机容量（万千瓦）增速（%）图 11 1990-2007 年我国风力发电装机容量及增速从 1990 年到 2007 年，我国的风电装机容量从 0.41 万千瓦增长到 605 万千瓦；其中从 1995 年到 2000 年的年平均增速也是 55.7%左右。近两年我国风力发电机装机容量的增长相当迅速。2007 年，我国新增风力发电装机容量 344.6 万千瓦，比 2000 年增加了 336.96 万千瓦，平均每年增加 48.14 万千瓦。根据中国风能协会提供的统计数据，截止 2007 年底，我国（台湾地区除外）新增风电机组 3155 台，新增装机容量达 3446MW，同比增长 156.4%；2007 年底累计风电机组 6469 台，装机容量达 6050MW，风电场 158 个，分布于 21 个省（市、区和特别行政区） ，较 06 年增加了 6 个省市（北京、山西、河南、湖南和湖北） ，累计装机容量同比增长 132.33%，07 年共计上网电量约 52 亿 KW/h。1.5MW 风力发电机组总体设计5010002000300040005000600070002000年 2001年 2002年 2003年 2004年 2005年 2006年 2007年0.00%20.00%40.00%60.00%80.00%100.00%120.00%140.00%上 上 上 上 上 上上 上 上 上 上 上 上图 12 2000-2007 年我国风电机组累计装机容量及增速 单位：MW %对比全球与中国风电装机容量的存与增量数据，从 04 年起，我国风电装机容量 CAGR（年复合增长率，%）达到了 66.74%，较全球装机容量 CAGR 的 18.62%高出近 48个百分点，风电产业发展的速度惊人，令世界瞩目；我们认为，产业政策预期逐步明朗将促使风电产业发展的步伐继续加快，按可再生能源十一五发展规划中对风电装机容量的安排，保守估计 2010 年前风电装机容量 CAGR 仍维持在 58%的高速增长阶段，2020 年前年复合增长率仍能达到 23.4%。07 年全球风电机组装机容量的地域分布出现了分化，尽管我国总装机容量仅占全球的 6.4%，为全球第五位，但新增装机容量占比达到了 17.2%，进入全球前三位，预计这种快速增长的态势将得以延续，我们判断，按目前国内风电制造的产能扩张和产业推进的速度， 可再生能源中长期发展规划和可再生能源发展“十一五”规划里风电发展的预期目标将提前实现。1.3.2 我国风电发展存在问题 1）资源勘察 现在需要进行第二轮风能资源普查，在现有气象台站的观测数据的基础上，按照近年来国际通用的规范进行资源总量评估，进而采用数值模拟技术编制高分辨率的风能资源分布图，评估风能资源技术可开发量。更重要的是应该利用 GIS（地理信息系统）技术将电网、道路、场址可利用土地，环境影响、当地社会经济发展规划等因素综合考虑，进行经济可开发储量评估。 2）风电设备生产本地化 我国现有制造水平远落后于市场对技术的需求，国内定型风电机组的功率均为兆瓦级以下，最大 750 千瓦，而市场需要以兆瓦级为主流。国内风电机组制造企业面临着技术路线从定桨定速提升到变桨变速，单机功率从百千瓦级提升到兆瓦级的双重压陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 6力，技术路线跨度较大关。自主研发力量严重不足，由于国家和企业投入的资金较少，缺乏基础研究积累和人才，我国在风力发电机组的研发能力上还有待提高，总体来说还处于跟踪和引进国外的先进技术阶段。目前国内引进的许可证，有的是国外淘汰技术，有的图纸虽然先进，但受限于国内配套厂的技术、工艺、材料等原因，导致国产化的零部件质量、性能需要一定时间才能达到国际水平。购买生产许可证技术的国内厂商要支付昂贵的技术使用费，其机组性能价格比的优势在初期不明显。在研发风电机组过程中注重于产品本身，而对研发过程中需要配套的工作重视不够。由于试验和测试手段的不完备，有些零部件在实验室要做的工作必须总装后到风电场现场才能做。风电机组的测试和认证体系尚未建立。 风电机组配套零部件的研发和产业化水平较低，这样增加了整机开发的难度和速度。特别是对于变桨变速型风机，国内相关零部件研发、制造方面处于起步阶段，如变桨距系统，低速永磁同步发电机，双馈式发电机、变速型齿轮箱，交直交变流器及电控系统，都需要进行科技攻关和研发。 3）成本和上网电价比较高 基本条件设定：根据目前国内风电场平均水平，设定基本条件为：风电场装机容量 5 万千瓦，年上网电量为等效满负荷 2000 小时，单位千瓦造价 800010000 元，折旧年限 12.5 年，其他成本条件按经验选取。财务条件：工程总投资分别取 4 亿元（8000 元/千瓦） 、4.5 亿元（9000 元/千瓦）和 5 亿元（10000 元/千瓦） ，流动资金 150 万元。项目资本金占 20，其余采用国内商业银行贷款，贷款期 15 年，年利率 6.12。增值税税率为 8.5，所得税税率为33，资本金财务内部收益率 10。 风电成本和上网电价水平测算：按以上条件及现行的风电场上网电价制度，以资本金财务内部收益率为 10为标准，当风电场年上网电量为等效满负荷 2000 小时，单位千瓦造价 800010000 元时，风电平均成本分别为 0.3730.461 元/千瓦时，较为合理的上网电价范围是 0.5660.703 元/千瓦时（含增值税） 。成本在投产初期较高，主要是受还本付息的影响。当贷款还清后，平均度电成本降至很低。 风电场造价对上网电价有明显的影响，当造价增加时，同等收益率下的上网电价大致按相同比率增加。 如果全国风电的平均水平是每千瓦投资 9000 元，以及资源状况按年上网电量为等效满负荷 2000 小时计算，则风电的上网电价约每千瓦时 0.63 元，比于全国火电平均上网电价每千瓦时 0.31 元高一倍。4）电网制约 风电场接入电网后，在向电网提供清洁能源的同时，也会给电网的运行带来一些负面影响。随着风电场装机容量的增加，以及风电装机在某个地区电网中所占比例的1.5MW 风力发电机组总体设计7增加，这些负面影响就可能成为风电并网的制约因素。 风力发电会降低电网负荷预测精度，从而影响电网的调度和运行方式；影响电网的频率控制；影响电网的电压调整；影响电网的潮流分布；影响电网的电能质量；影响电网的故障水平和稳定性等。 由于风力发电固有的间歇性和波动性，电网的可靠性可能降低，电网的运行成本也可能增加。为了克服风电给电网带来的电能质量和可靠性等问题，还会使电网公司增加必要的研究费用和设备投资。在大力发展风电的过程中，必须研究和解决风电并网可能带来的其他影响。1.4 本课题研究的意义能源是世界各国的经济命脉。近年来，中国经济持续高速增长，已经成为能源消耗第二大的国家。煤炭等常规能源的紧缺严重影响着电力和经济的发展，而因煤电导致的环境问题也日益加剧。在这种情况下，寻求新能源以优化电力结构已成当务之急，风力发电就是新能源利用中广为推荐的一种。与煤、石油等常规的化石能源不同，风能属于可再生能源，不存在枯竭的问题，而且它分布广泛、蕴含能量巨大；不但如此，利用风能发电还具有常规能源无可比拟的清洁性，所以在环境压力日益加剧的今天，风力发电得到了越来越多的关注与青睐。据调查，目前在世界上可再生能源的开发利用中，风力发电是除水力发电之外，技术最成熟、最具规模开发和有商业化发展前景的发电技术。1995 年颁布的中华人民共和国电力法中，明确提出国家鼓励和支持利用可再生能源发电，这为风电的开发提供了良好的政策环境。由于风电在减轻环境污染、调整能源结构等方面的突出作用，政府先后投入了大量的资金对其进行科学研究和应用推广，使风电技术有了明显提高，装机容量也已经位居亚洲第三位。在“十一五”规划中，国家要逐步加大可再生能源开发的力度，并提出了比以往更为积极的发展政策。除了要扩大风机规模之外，在风电的管理、风电设备的设计、制造方面，都要力争达到国际先进水平。可以预见，在我国的电力结构中,风电将逐步占据着越来越重要的地位。随着风力发电技术的日渐成熟，风电场的规模逐渐增大，目前在 MW 级的风机在国际市场级越来越多，其控制技术也越来越成有成熟，而我国的兆瓦级风机技术的还没有完全掌握。目前，1.52MW 风机在市场上越来越受欢迎，本次设计对 1.5MW 风机的总体结构进行设计，对以后从事风电产业具有指导意义。陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 82 1.5mw 风力发电机组总体方案的设计2.1 风电机组功能的设计功率特性对风电机组的年发电量有直接的影响。风电机组功率特性除了取决于风轮本身的气动特性外，与其运行方式也密切相关，因此，对其功率调节方案的分析和合理选择，是风力发电机组总体功能设计的重要环节。 2.1.1 风电机组功率的调节方式设计目前并网型风力发电机组进行风轮功率调节的方式有三种，即被动失速型，变桨距调节和主动失速调节这三种方式。1）定桨距失速调节型风力发电机组 定桨距是指桨叶与轮载的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机） 。在低风速段叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。但其缺点也很运行的，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。失速调节型的优点是失速调节简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨突出，主要表现在：a) 风轮的功率特性主要由叶片失速特性决定，受气动设计特性影响，功率的输出可能不稳定，甚至不确定。b）风轮系统阻尼值相对较低，震动幅度相对较大，易导致构件的疲劳损坏；c）高速段叶片及塔架等部件将承受较大载荷。d）风电机组现场安装需要进行调试，调整叶片安装角。随着风电机组单机功率和叶片体积的增大，由于上述问题更加突出，在大功率的发电机组中已很少采用。 2）变桨距调节型风力发电机组 变桨距是指安装在轮载上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。其调节方法为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到最佳攻角，当转速达到佳一定时，再调节到合适位置，直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在 0位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。随着风电控制技术的发展，当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用 OptitiP 技术，即根据风速的大调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比，优化输出功率。变桨距调节的优点是桨叶受力较小，1.5MW 风力发电机组总体设计9桨叶做的较为轻巧。桨距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的吸收风能转化为电能，同时在高风速段保持功率平稳输出。缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。 3) 主动失速调节型风力发电机组 将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合，充分吸取了被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。在低风速肘，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨距角调整优化机组功率的输出；当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值以下，限制机组最大功率输出，随着风速的不断变化，桨叶仅需要微调维持失速状态。制动刹车时，调节桨叶相当于气动刹车，很大程度上减少了机械刹车对传动系统的冲击。 主动失速调节型的优点是其言了定奖距失速型的特点，并在此基础上进行变桨距调节，提高了机同频率后并入电网。机组在叶片的设计上采用了变桨距结构。其调节方法是：在起动阶段，通过调节变桨距系统控制发电机转速，将发电机转速保持在同步转速附近，寻找最佳并网时机然后平稳并网；在额定风速以下时，主要调节发电机反力转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上时，采用变速与桨叶节距双重调节，通过变桨距系统调节限制风力机获取能量，保证发电机功率输出的稳定性，获取良好的动态特性；而变速调节主要用来响应快速变化的风速，减轻桨距调节的频繁动作，提高传动系统的柔性。变速恒频这种调节方式是目前公认的最优化调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。变速恒频的优点是大范围内调节运行转速，来适应因风速变化而引起的风力机功率的变化，可以最大限度的吸收风能，因而效率较高；控制系统采取的控制手段可以较好的调节系统的有功功率、无功功率，但控制系统较为复杂。 由于目前主动失速调节方式目前还在试制阶段，而变桨距调节方式电机控制技术日趋完善，目前在 3MW 以下的风力发电机组的，大多采用这种功率调节方式。本次设计采用变桨距调节方式。2.2.2 风力发电机组的系统选型设计因风轮可可考虑为定速和变速两种方式运行，所以并网型风力发电机组的发电系统也可以分为恒速衡频和变速衡频两种基本方式，恒速衡频的风力发电系统结构相对简单，但风能的利用率低。在大型风力发电机组典型设计中已很少使用，因此在此不做介绍。本次设计采用变速衡频的发电系统。采用采用变速衡频的发电系统允许风轮和发电机在转速子啊一定范内变化，对于并网型风力发电机而言，需要采用相应的技术解决方案，使其满足并网发电的频率恒定要求。陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 10结合目前大型风力发电机组的主流设计技术，本次设计采用交流励磁双馈式异步发电机的发电系统。此种发电技术的变速衡频控制由转子电路实现，流过转子的电功率与发电机转速所决定的转差率有关。由于转差率仅占发电机功率很小的一部分，所需的双向变频的容量也很小，对其降低发电和控制系统的的成本及实施难度十分有利，同时，这种发电系统还可以对有功功率进行控制。图 2-1 交流励磁双馈式异步发电机2.2 风力发电机组总体布局1) 风力发电机组主传动链的布局所谓主传动链的布局是指风电机组中风轮至发电机的动力传动系统。主传动链的总体布局需要结合风电机系统的设计，并考虑对风力发电机组成本构成和性能等方面的影响。水平轴风力发电组的风轮需要安装在塔架上，但并不意味着 主传动链和发电机等部件都必须 图 2-2 主传动链的安装在塔架上。因此，研究主传动链，发电机等部件的与风力发电机组的总体布局的关系，合理平衡相关的性能，载荷和成本等相关方面的因素，对风力发电机组和塔架的设计是有重大意义的。基于风电装备设计方法研究的现状，同时考虑到风轮和发电机系统的低设计和制造能力，美国国家可再生实验室（NREL)将目前主传动链布局的形式大致划分为基本传动链，直接由风轮驱动发电机和采用低速比增速的传动链等几种典型布局方案。a) 主传动链的基本布局形式所谓传动链总体的基本布局形式的特征为主传动链与发电机等部件呈一线型布置在机舱内；通过风轮主轴驱动大传动比的增速齿轮箱，将风轮产生的扭矩传递给发电机。迄今大多数水平轴风电机组采用了此种布局方式，其原因是传动路径短，较容易1.5MW 风力发电机组总体设计11实现关键部件（如发电机，齿轮箱）的标准化设计，以便能够有基础工业部门提供这些部件，促进风电机组制造产业的形成，进而降低整机的成本,同时，也可为日后电机组的运行和维护提供便利。图 2-2 主传动链的可行布局形式 a) 一线形式布局的传动链 b） 塔架在顶端布置的发电机 c） 布置在塔架底部的齿轮箱和发电机 d) 塔架底部垂直布置的发电机e) 垂直布置的分离式齿轮箱 f）无齿轮箱直驱式传动链。1）有利于降低对风电机组发电机系统的设计要求，较容易控制风电机组的总体成本2）允许风轮变速范围较宽，可以在发电机同步转速的 30%范围内运行。3）容易实现风电零部件的标准化设计，设计风险较低。4）目前尚无关键技术障碍，对风电机组的大型化的发展有利。 b）风轮直接驱动发电机的布局经过多年的发展，采用风轮直接驱动发电机布局设计的风电机组逐渐增多，现在已成为与基本布局主传动链并列的另一种典型的设计形式。直驱式风电发电机组其基陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 12本由轮毂、发电机、机舱等构成。其技术特征为一般采用永磁式发电系统，作为关键部件的发电机由风轮直接驱动且允许较低转速运行，此种无齿轮箱的主传动链布局具有以下特点。1) 传动系统结构简单，有利于降低风电机组的故障率；2) 允许风轮在较大范围内变速运行，有利于提高风能利用率；3) 目前所需的多级低速永磁式同步发电机的体积和重量大，发电机的设计制造、运输和运行可靠性等问题有待解决。4) 发电机系统部件尚难形成标准，且需要采用全功率逆变装置，成本较高。c）采用低速比的齿轮增速的混合驱动布局这种布局的基本概念是通过低速比传动的的齿轮箱增速，进而部分提高发电机的输入转速。此种概念的主要特点是结合了直驱式和传统传动链的优势。与直驱布局相比较，可减少以有效发电机重量，体积设计难度。基于我国风电事业的发展现状，本次设计采用传统的主传动链连接形式，采用一线式布局形式。 1.5MW 风力发电机组总体设计133 风电机组各组成部分的设计计算3.1 风轮的设计估算设计参数：1.发电机的输出功率 1.5MW,转速 1700rpm,风轮额定输入转速 20rpm.(1）风机的气动特性的设计根据我国风场的等级的分布级不同海拔下的大气压，可知取风电厂风密度为=1.2Kg/2m1）计算设计风速，根据风厂计算出设计风速（相当于当地年平均07.40/WVMS风速）2）选定单位面积功率，根据风区，设计风速和单位面积功率图，选定单位面积功率： （二类风区） (3-1)*2384.5(/)PPw mA3）计算扫风面积 A,给定额定功率和单位面积功率，计算扫风面积:*1500000PW (3-2)*1500003901.2( )384.5PAmP4）计算叶轮直径 (3-3)44 3901.270.5( )ADm 5）选取，根据已知的 -特性图，选取 =7.1,=0.425。pCpC 6）计算设计转速 n (3-4)06060 7.1 7.4014.24( / min)70.5WnrV7)计算设计功率 (3-5)3300.50.5 1.21 3901.2 7.400.425406.48()WPPCKWAVW 8)计算额定风速 (3-6)1.69 7.4012.5(/ )WVm s 9)计算额定工况利用系数计算风能利用系数 (3-7)*3322 15000000.3251.21 3901.2 12.5PWPCAV查叶尖速比 ，由风能利用系数查的叶尖速比 =5.84。计算额定转速：陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 14 （ 3-8）6060 4.2 1319.8(/ )70Wnm sDV(2）风轮的叶片数的确定，风轮的叶片数 B 对最佳叶尖速比也有影响，已有实m验结果显示随叶片数的增多而减少，亦即具有较多叶片的风轮需在相对低的叶尖速m比下运行，鉴于目前大型风电机组主要集中在两叶片和三叶片的选择，在此只做相关的对比分析。采用两叶片的风轮叶片数较少，重量轻，风轮的成本相对较低。但由于风剪切效应的影响，两叶片风轮在运行的过程中作用于叶片的气动载荷差距较大，对风电机组的结构和稳定性产生不利影响，表 2-2 是风剪切时两种风轮基本载荷的影响，表中为叶片根部作用的挥舞弯矩， 为风轮的俯仰角。0M而采用三叶片虽然会增加风轮的质量，但风轮的气动特性和结构的综合性能相对较好，运行和功率输出也相对较稳定些，从美观的角度来讲，三叶片的风轮结构也较美观。 表 3-1 三叶片和两叶片根部弯矩比较3.2 叶片的设计 3.2.1 叶片材料的选择 由于风力发电机组工作在野外，叶片材料的选择受到了许多因素的制约，如材料的各种物理性能，可靠性，安全性，可用性，易处理性回收在利用性和经济性等。用于制造叶片的材料的选用原则，首先要求其有良好的力学，热学，化学特性。包括高强度、高刚度、低密度、长寿命，耐腐蚀等。同时要求其性价比高，易于加工且减少环境污染。风轮叶片一般采用金属（铝合金） 、玻璃纤维增强材料（玻璃钢） ，碳纤维增强符合材料等，表 2-3 是一些叶片的制造材料及其相应的结构特性，为了便于比较，表中给出了各种材料的耐压比强度，疲劳强度和比模量等结构特性指标。表 3-2 各种材料的结构特性的比较三叶片风轮两叶片风轮三叶片两叶片风轮轴弯矩 01.5M 02M机舱的偏航弯矩很小0sin2M机舱的俯仰弯矩 01.5M 0(1 cos2 )M1.5MW 风力发电机组总体设计15 材料密度3/Kg cm拉伸强度 /Gpa弹性模量/Gpa疲劳强度/Mpa比强度/()/MNKg比模量/()/MNKg合金钢7.80.45210700.05826.7铝合金2.70.4173400.1527玻璃纤维/环氧树脂1.70.5722350.2913.2碳纤维/聚酯1.40.38551000.2539木材/环氧树脂0.580.10511350.181.9从表 2-3 中可以看出，虽然复合材料的拉升强度比金属低，但其比强度，比模量都比较高。由于叶片的要求质量轻。碳纤维材料制造风轮的主要优势是质量轻，例如，某种采用碳纤维叶片的质量为3800Kg,而同样的玻璃纤维叶片的质量则重达 5800Kg。表 2-4 反映了几种长度和不同材料叶片的质量关系。表 33 叶片长度与不同材叶片的质量关系不同材料的叶片质量/kg叶片长度玻璃纤维/聚酯玻璃纤维/环氧树脂碳纤维/环氧树脂29560049003458005200380019180010003810200840043106008800522100054170005819000从上述分析可以看出，碳纤维复合材料的特性相对具有较多优势，但是由于其价格较高（约为玻璃纤维材料的 10 倍） ，在目前的叶片制造中应用较少，目前广泛使用的仍是玻璃纤维复合材料。3.2.23.2.2 叶片的翼型选择和尺寸计算叶片的翼型选择和尺寸计算已知的设计参数为:额定功率为 1.5MW,设计参数为 IEC 二级风场；对风方式:上风向；70.5m;叶片数目：3 叶片的设计叶尖速比 =7，切入风速：3m/s;切出风速：25m/s,额定风速：12.5m/s1)翼型的选择参照目前已有的 1.5MW 风轮叶片翼型的典型布置方式，本次设计初选 SERTS 818/S825/S826 翼型系列簇，考虑到对于大型风轮叶片 SERI 翼型系列的相对厚度不太陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 16合适，且难以满足叶片的结构刚度和重量等方面的要求。在此基础上我们加以修改，以达到空气动力学性能和结构强度的优化组合。一般可以通过增加 SERTS 818/S825/S826 翼型系列的厚度得到合适的气动翼型，所设计的各截面的气动翼型如表 2-5 所示表 3-4 叶片各截面的气动翼型分布展向位置翼型翼型厚度比后缘厚度5%-7%圆柱25%S818-3030%1.3%75%S825-3121%1.0%95%S826-1616%0.75%本次设计采用 POPID 进行逆向设计，故采用基于动量-叶素理论，估算叶片距风轮轴线 r 距离处的叶片截面产生的气动力，进行初步确定叶片翼型与叶素基本参数的关系。取贝茨极限，得到风轮与风速的基本设计关系：23duu （39）33cot22rdruur (310)2221616949LBCrrCrR式中为叶片 r 处的速度比，为流经风轮处的气流速度；为无穷远处的气流速ru度 。 由式 2-2-1 可得: （211）33cot22Rrr通过上式可以确定气流的入流角 ，并根据设计经验选取各叶素剖面攻角 。由式可计算叶片的弦长 C 为: (312)2216C=49()9LrBCR同时得到桨矩角的关系为 (3-13)3cot2rarcR设定升力系数为，分别对弦长和扭角进行迭代，同时改变 75%展长处的升1.45LC 力系数，计算结果如下表 2-6 所示。表 3-5 叶片设计参数表1.5MW 风力发电机组总体设计17节点截面位置(/m)扭角 (度)两截面间距离/m弦长(L/m)翼型12.62512.53.51.93cylinder25.2512.53.52.00S81838.7512.53.53.03S818412.2510.16683.52.52S818515.757.421933.51.93S818619.254.686903.51.68S818722.752.465803.51.33S818826.251.322423.51.14S825929.750.907873.50.87S8251033.250.363923.50.56S8263.3 主轴的设计计算3.3.1 主轴支撑形式的选择在风力发电机组中主轴承担了支撑轮毂传递过来的负载的作用，并将扭矩传递给增速箱；将轴向推力；气动弯矩传递给机舱和塔架。在结构允许的条件下通常将主轴的设计尽量保守些，主轴的支撑形式一般有以下两种支撑形式，如图 3-1 所示。 (a) (b) 图 3-1 主轴示意 (a)挑臂梁结构 （b）悬臂梁结构图 a 由两个调心滚子轴承所支撑。图 b 主轴上一个支撑轴承架支撑，另一个支撑由齿轮箱支撑，也就是所谓的三点支撑，下面我们来讨论主轴的支撑方式。1）挑臂梁的支撑方式是通过独立安装在机架上的两个轴承支撑主轴，其中靠近风轮主轴的轴承承受轴向载荷，两轴承都承受径向载荷，并将弯矩传递给机架和塔架，此种情况下主轴只传递转矩到增速箱。这种结构的特点是主轴支撑布局轴向结构较长，制作成本较高，但对于小批量生产而言，这种结构简单，便于采用标准齿轮箱和主轴支撑构件，重量大带来的不利影响可以处于次要地位。2）三点式支撑主轴陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 18近年来的大型风电机组，较多的采用了将主轴后支撑集成于增速箱的支撑形式，由位于主轴的前轴承和位于增速箱两侧的支撑构成三点式支撑。荷传递到主轴的距离，有利于降低后支撑的载荷。这种结构还有利于吸收来自叶片的额突变载荷。3）齿轮箱集成主轴的传递形式齿轮箱集成风机主轴结构是一种紧凑的传动链形式，此种传动链的主要问题是由于集成主难以选用标准齿轮箱，因而批量少时可能造成成本增加。齿轮箱集成主的主要优点是使风轮部件直接和齿轮箱的集成主轴相连接，可以降低主传动链的装配难度，以及主机架的设计难度。但也应注意，与三点支撑相比，此种主轴的支撑形式可能对疲劳循环应力比较敏感，同时还应考虑到维修等方面的问题。综上所述，结合 1.5MW 风机塔架高，功率较大可能使使个组成部件质量较大，同时风机所受载荷特点，本次设计采用三点式支撑方式。3.3.2 轴系连接件的选择为了实现机组传动链间扭矩的传递，传动链的轴系需要必要的连接构件（如联轴器等） ，在风力发电机组中，常采用刚性联轴器，弹性联轴器（或万向节联轴器）两种方式。刚性联轴器常应用于对中性好的二轴连接，以弥补风电机组安装过程中的轴系误差，解决主传动链中轴系不对中的问题。而弹性联轴器可为二轴对中性较差时提供二轴连接，更重要的是提供一个弹性环节，该环节可以吸收轴系因外部负载的波动而产生的额外流量。同时，柔性联轴器还可以增加传动链的系统阻尼，减少振动的传递。在风力发电机组中通常在低速轴端（主轴与齿轮箱低速轴联接处）选用刚性联轴器。一般多选用胀套式联轴器，柱销式联轴器等。在高速轴端（发电机与齿轮箱高速轴联接处）选用弹性联轴器（或万向联轴器） ，一般选用轮胎联轴器，或十字节联轴器。(1)低速轴联轴器低速轴联轴器采用胀紧连接套，是当今国际上广泛应用于重型载荷下机械连接的一种先进基础部件。它与一般的过盈连接、无键连接相比，胀套式联轴器具有许多独特的优点：1）制造和安装简单，安装胀套的轴和孔的加工不像过盈配合那样要求高精度的制造公差。安装胀套也无须加热、冷却或加压设备，只需将螺栓按规定的扭矩拧紧即可，并且调整方便，可以将轮毂在轴上很方便的调整到所需位置。2）有良好的互换性，且拆卸方便。这是因为胀套能把较大配合间隙的轮毂连接起来，拆卸时将螺栓拧松即可使被连接件容易地拆开。1.5MW 风力发电机组总体设计193) 胀套式联轴器可以承受重负载，胀套结构可以做成多种多样，一个胀套不够，还可以串联使用。4）胀套的使用寿命长，强度高。因为它是靠摩擦传动对被联件没有键削弱也没有相对运动，工作中不会有磨损，胀套在胀紧后，接触面紧密，结合不易生锈。胀套在超载时可以保护设备不受损坏。型胀套，适用于轴和轴上零件的连接，以传递扭矩，轴向力或两者的复合载荷，10Z其基本结构如图 3-2 所示。图 3-2 胀紧连接套1）外胀套 2）螺钉 3）内胀套胀紧连接套（以下简称胀套）的选用方法和连接尺寸1) 按照负载选用胀套选择胀套应满足：a.传递转矩:lMMb.承受轴向力:lxFFc.传递力: (314)23 2(10 )2XdFFM d.承受径向力: （315）310tFPdl陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 20式中 M需传递的扭矩（KN.m） ； 需承受的轴向力（KN） ；tF 需承受的轴向力（kN） ；rF 胀套的额定扭矩（KN） ；tM 胀套的额定轴向力（KN） ；xF d、 胀套的内径和内环宽度（mm） ；l 胀套与轴结合面的压力（） ；tp2/N mm2）一个连接采用数个胀套时的额定负载 一个胀套的额定负载小于需传递的负载时，可以用两个以上的胀套串联使用，其总额定负载为： （316）mtMmM式中 n 个胀套总额定负载；mM M负载系数（m 值见表 3-6） 。 表 3-6 胀套的 M 值m连接中的胀套数量 nZ1 型胀套型胀套2345ZZZZ、11.001.021.561.831.862.742.03(2) 高速轴联轴器在风力发电机组中对弹性联轴器的基本要求：1） 强度高，承载能力大。由于风力发电电机组的传动轴系有可能发生瞬时尖峰载荷，故要求联轴器的许用瞬时最大转矩为许用长期载荷的二倍以上。2） 弹性高,阻尼大，具有足够的。3） 具有足够的补偿性，满足工作时两轴发生的位移要求。4） 工作可靠性稳定，对具有橡胶弹性元件的联轴器还应具有耐热性，不易老化等特性，基于基于以上工作要求，结合不同联轴器的性能，我们选择轮胎联轴器作为高速轴联轴器。其结构如图 3-4 所示。 1.5MW 风力发电机组总体设计21图 3-3 轮胎联轴器1主动端半联轴器 2轮胎环3螺钉 4从动端半联轴器轮胎联轴器的强度和刚度计算：1） 轮胎联轴器的强度计算，橡胶元的剪切强度条件： 212 TD (3-17) 式中：联轴器的计算转矩（N.mm） ；T 橡胶元的壁厚（mm） ； 橡胶元受最大切应力的直径（压板外径)（mm） ；1D 橡胶材料的许用切应力（MPa） ； 对橡胶材料 =0.4 0.5；Mpa 对橡胶织材料 =0.70.75 ；Mpa 2）轮胎联轴器的刚度计算，联轴器的扭转刚度： (3-18)250TC G (b-) 212 TD （3-19）式中 : 联轴器的计算转矩（N.m） 。T橡胶元的壁厚 。 0.05D3.3.3 风机主轴的设计计算(1）确定输出轴的运动和动力参数。1）由已知条件可知：发电机的额定转速为 n=1700r/min,额定功率 P=1.5MW陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 222）确定各传动件的效率。通过查机械设计手册可得个传动件的传动效率，即轮胎联轴器的传动效率；增速箱的传动效率为；胀紧连接套的传动效率10.99520.96为；则输入轴端的传动总效率为：30.996 （3-19）1230.995 0.96 0.9960.94 3）输入轴的输入功率3P （3-315001595.740.96kwPPkw20）4）输入轴的转速 。320 / minnr5）输入轴-轴段上的转矩:3T （3-6683339.55 101595.749.55 107.62 10.20PTN mmn21）（2）轴的结构设计1）确定轴上零件的装配方案如图 3-3 所示，记轴的右端面为，并从右到左每个截面变化处依次标记为 ，对应的每段轴的长度和直径依次为 和。1223dd 、1223ll 、图 3-7 主轴结构2）确定轴的最小轴颈： mind(a）估算轴的最小直径。段，按扭矩估算，直径最小，选取轴的材料为40Cr。查机械设计手册取 C=110,空心轴的内外径之比 =0.6，则： （3-22）33min441595.74110495.98()(1)20(1 0.6 )PdCmmn1.5MW 风力发电机组总体设计23(b）选择输出联轴器型号。联轴器的计算转矩，考虑到联轴器所承受的转矩变化较大，故取工作情况系数，则：1.7ak （3-23）31.7 1595.742712.76(.)caaTk TN mm选用胀紧连接套，查标准 JB/T7934-1999,选用型胀紧连接套（T=2780N/mm）10Z半联轴器长度 L=65mm,半联轴器的孔径=500mm。1d（c）确定轴的最小直径，应满足，取。mindmin121minddddmin12500ddmm3）确定各轴段的尺寸：（a）轴头的长度，为保证胀套轴向定位的可靠性，应略大于胀紧套长度L=212mm，取=286mm。12L（b）-段轴身的直径，处轴肩 h=(0.07-0.1)d=35-40mm.因轴肩受轴向力，取 h=40mm,则: (3-24)231225002 40580ddhmm (c）确定，选择调心滚子轴承。查轴承样本 GB/T2301630,其内径 d=630mm,外34d径 D=920mm,宽度 T=212mm.质量 511kg,故=630mm.56d(d）过度轴,长度。45710dmm45170lmm(e）轴端法兰直径，根据与其相配合的轮毂法兰直径，取=1681mm。法兰厚6d6d度=160mm。9l(f）轴承的跨度估算，取。故主轴总长度为:min331500lddmmL总 (3-25)=286+495+606+500+170+160+30=2246()Lmm总3.4 增速箱的结构设计将风轮转速转化为发电机所需的转速，是风电机组传动链设计问题需解决的关键问题之一，目前主流技术是采用大传动比的齿轮传动装置。1）齿轮箱的设计特点相对与其他工业齿轮箱，风电齿轮箱设计条件比较苛刻，目前也是风电机组的主要故障源之一。其设计特点表现在：a) 传动条件风电齿轮箱属于大传动比，大功率的增速传动装置，且需要承受多变的风载荷作用及其他冲击载荷。由于维护不便，其运行的可靠性和使用寿命的要求较高。通常要求其设计寿命不少于 20 年。而设计过程难以确定风电齿轮箱的设计载荷，其很大程度上是导致其故障的诱因。b）运行环境风电机组常年运行于酷暑，严寒等极端自然环境下，且安装在高空，维护困难。因此，除常规机械性能外，对构件材料还要求低温状态下有抗冷脆性等性能，由于风电机组长期处于自动控制状态，需考虑对齿轮箱的充分润滑和检测，并且有适宜的加陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 24热和冷却措施，以保证润滑系统的正常工作。c）设计与安装条件有鉴于齿轮箱的体积和重量相对其他部件载荷成本的影响，减小其设计结构和减轻形成重量尤为重要，但结构的可靠性和设计尺寸的矛盾对增速箱的设计形成很大的压力。d）其他一般需要在齿轮箱的输入端（或输出端）设置制动装置以配合风轮的气动制动，实现对风电机组的控制功能。由于制动对传动链产生的载荷对传动链的构件产生不良影响。应考虑防止冲击和振动的措施，设计合理的传动轴系和齿轮箱体的支撑。其中，齿轮箱体和机架间一般不采用刚性连接，以降低齿轮箱产生的振动和噪声。有鉴于以上特点，风电齿轮箱的设计目标很明确，和在满足传动效率，可靠性和前提工作寿命的要求的前提下，以最小体积和重量为目标，获得优化的传动方案。齿轮箱的设计过程，应以传动效率和空间限制为前提，尽可能的选择简单，可靠，维修方便的结构方案。同时正确的处理结构方面刚性和结构紧凑性等方面的问题。2）风电齿轮箱的基本形式a）齿轮箱的构成根据传动链布局和风轮主轴的支撑形式的要求，齿轮箱的结构可能有较大的差异，但其主体一般由箱体，传动机构，支撑构件（如轴承） 、润滑系统和其他附件构成。齿轮箱体需要承受来自风轮的载荷，同时要承受齿轮箱传动过程中的各种载荷。箱体也是基础构件之一，需要根据风电机组总体布局的设计要求，为风轮主轴、齿轮传动机构和主轴传动链提供可靠的支撑分与连接，将载荷平稳的传递到主机架。传动机构是实现齿轮箱增速传动功能的核心部份，通常由多级齿轮传动副和支撑构件构成。可靠的润滑系统是齿轮箱的重要配置，可以实现传动构件的良好润滑。同时，为了确保极端温度条件下的润滑油性能，一般需要设置相应的加热和冷却装置。b）传动形式齿轮齿轮箱的传动装置的形式很多， 按其运动形式大致可分为定轴齿轮，行星齿轮以及组合传动的齿轮箱；按其传动形式可分为单级传动或多级传动；按其布置形式可分为展开式，分流式和同轴式等形式的齿轮箱。风电齿轮箱要求的增速比通常比较大，一般需要多级的齿轮传动。目前大型风电机组的增速箱典型设计，多采用行星轮与定轴齿轮组成混合齿轮系的传动方案。目前常用的风电机组齿轮箱结构及其传动特点如表 3-7 所示。表 3-7 常用齿轮箱的传动形式及其特点传动形式传动简图推荐传动比特点及应有1.5MW 风力发电机组总体设计25 单级 NCG 型齿轮齿轮传动 2.8-12.5结构简单，但传动比小。在要求结构紧凑的动力传动中应用广泛。行星齿轮传动两级 NCG 型齿轮传动 40-160 同单级 NWG 型行星齿轮传动比较，结构相对复杂，可满足较大速比的传动要求。一级行星两级斜齿轮传动行星齿轮和平行轴混合式 20-80 低速部分为行星齿轮传动，可使功率分流，同时合理的利用了内啮合，结构较紧凑。后两级我定轴齿轮传动，可合理分配速比，提高传动效率。为了提高传动效率，和适应大的增速比传动，本次设计结合以往典型设计的优点，采用二级行星+一级斜齿轮的传动形式。其结构草图如图 3-8 所示。图 3-8 二级行星+一级斜齿轮的传动形式总传动比 i=,其各级传动比分配如下：17008520i 陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 26第一级行星齿轮传动：；14.8i 第二级行星齿轮传动：；25.7i 第三级斜齿轮传动：；33.1i 3.5 变桨距系统系统设计变桨距操作系统的主要功用是根据风电机组控制命令，通过改变叶片的入流角，实现对风轮转速，功率调节和制动。一般变桨矩角度范围为，高于额定风速时090用于功率调节的变桨速度多在左右。而制动顺桨速度一般要求较高的速度。1 / S实现变桨距操作的装置，由驱动部件和安装在叶片和轮毂间的传动机构组成。图3-9 所示是一种变桨距传动装置的典型设计形式。由电动机和减速装器构成的驱动部件，变桨距传动由内啮合齿轮副实现。图 3-4-3 为变桨矩轴承的装配方案，由图可见，也叶片 1 固定在轴承的旋转运动部分 5（内齿圈或外齿圈）上，该部分具有齿轮传动机构，变桨轴承的非旋转部分通过销或者是螺钉进行连接。图 3-9 一种变桨矩轴承的装配设计方案1叶片 2螺栓连接 3轴承外圈 4轮毂 5轴承内圈 6变桨驱动系统变桨矩驱动部件主要采用含有位置反馈和电热调节器的直流伺服电机，安装与变桨轴承的齿轮传动部分相啮合的小齿轮，与变桨轴承大齿轮形成开式传动副。变桨距轴承是变桨距装置的关键部件，除保证叶片相对轮毂的可靠运动外，同时也提供叶片和轮毂的连接，并将叶片的载荷传递给轮毂。变桨轴承属于专用轴承，有多种形式，国外（如我国机械行业标准 GB/T10705-2007）中，对此类轴承有相关的规定。1.5MW 风力发电机组总体设计27参照已有 1.5MW 风力发电机的变桨轴承的选用标准，查风电轴承标准 GB/T10705-2007，选用单排滚动体四点接触变桨距轴承，轴承型号：010.40.900 。3.6 偏航传动系统的设计偏航系统是水平轴风力发电机重要的组成部分。根据风向的变化，偏航操作系统装置按系统控制单元的发出指令，使风轮处于迎风状态，同时还提供必要的锁紧力矩，以保证风电发电机组的安全运行。偏航装置主要由偏航轴承，传动，驱动与制动等功能部件或机构组成。偏航系统要求运行的速率较低，且结构设计所要求的安装空间，承受载荷更大，因而有更多的技术解方案。图 3-10 是一种主动偏航装置的设计方案，以此来讨论相关的结构设计。图 3-10 一种偏航系统的装配设计方案 1机舱底座 2轴承外圈 3 制动器 4螺栓连接 5塔架 6轴承内圈当需要随风改变风轮位置时，通关安装在驱动部件上的小齿轮和大齿轮啮合，带动主机架和机舱旋转使风轮对准风向。为保证风电机组运行的稳定性，偏航要设置制动器，一般多采用液压钳盘式制动器，为保证风机的使用寿命，制动盘的材质应具有足够的强度和韧性。对偏航系统制动器的基本要求是保证呢个风电机组额定负载下的制动矩稳定，所提供的阻尼转矩稳定，所提供的阻尼转矩平稳（与设计值的偏差小于 5%） ，且制动没有异常噪音，制动器闭合时，制动衬块和制动器的贴合面积不超过设计面积的 50%。偏航驱动部件一般由电动机，大增速比减速器和开式齿轮传动副组成。通过法兰连接安装在主机架上。（1）设计要求陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 28驱动器的主要任务与大速比减速器有关。由于设计空间有限，驱动部件一般选用转速较高的电动机，尽可能减少设计结构的体积。但由于偏航驱动所要求的输出转速又很低，必须采用紧凑型的大速比减速器，以满足偏航执行机构的设计要求。偏航减速器多采用硬齿面啮合设计对齿轮传动精度的要求，一般外啮合为 6 级，内啮合为 7级，减速器轴主要传动构件件，可采用低碳合金刚材料，齿面热处理一般采用渗碳焠硬（硬度一般为 HRC58） 。（2）偏航减速器机构设计中应注意的问题根据设计要求，减速器通常需要采用 34 级行星齿轮传动方案，而大速比行星齿轮的功率分流和均载是其设计的关键。同时，若考虑立式安装条件，设计时也需要特别关注轮系的重力对均载问题的影响。为此，此种轮系的前三级行星轮的杆系构件以及除一级传动的太阳轮外都需要采用浮动连接设计方案。为解决各级行星传动轮系构件的干涉和装配问题，各级传动件构件之间多采用渐开线花键连接。3.7 风力发电机组机舱与塔架的总体设计3.7.1 机舱的总体设计机舱主要包括两部分：机舱底盘和机舱外罩。机舱底盘上布置有风轮，轴承座，齿轮箱，发电机，偏航驱动等部件。起定位和承载的作用，机舱底盘的设计，主要应保证刚度，强度和稳定性。刚度是评定机舱底盘的工作能力的主要准则之一，机舱底盘刚度是决定风力发电机组传动链的工作稳定性，决定回转支撑工作的稳定性。强度强度是评定机舱底盘工作可靠性的另一个基本准则，机舱底盘的强度应根据风力发电机组运转过程中可能发生的最大载荷来校核。机舱底盘强度和刚度都需要从静态和动态两方面来考虑。动刚度是衡量机舱底盘抗振能力的指标，而提到机舱底盘抗振能力应从提高机舱底盘控件的静刚度控制固有频率，加大阻尼等方面入手。稳定性风力发电机组底盘是一个扁平结构，其主也要的受力件稳定性较好，某些受压件及受压弯结构也可能存在失稳问题，必须加以校核。机舱底盘的设计一般有以下要求：1）在满足强度和刚度的前提下，机舱底盘应尽量重量轻、成本低。2）抗振性好。3）结构设计合理，工艺性好，便于铸造，便于铸造，焊接和机械加工；4）结构要求便于安装与调整，方便修理和更换零部件；5）造型好，使之既实用经济，又美观大方。机舱底盘分为前后两个部分。前机舱底盘多为铸件，后机舱底盘多为焊接件。铸造基舱底盘材料多为 QT400-15,该材料具有韧性高，低温性能好的优点，且具有一定的1.5MW 风力发电机组总体设计29耐蚀性。焊接机舱底盘具有强度和刚度高，重量轻，生产周期短及施工简便等优点，因此在风力发电机组中大多采用焊接机舱底盘，焊接机舱底盘大多采用 Q345 板材，在高寒地区还应采用 Q345D 板材。为了保证尺寸稳定，消除内应力，焊接后必须进行热处理，第一次热处理安排在焊接完后，第二次热处理安排在粗加工之后进行。本次设计结合已有的设计经验，采用前机舱底盘为 QT400-15 铸件，其设计结构如图 3-11 所示。 3-11 前机舱底盘后机舱底盘采用 Q345 板材焊接，在其设计过程中必须进行强度校核。其设计结构如图