风力发电机设计基础课程设计复印.doc

本科生课程设计题 目：800KW风力发电机组概念设计 学 院：机械交通学院 专 业：风电专业 班级：052 姓 名：戴海波 学号：053735207 指导教师：崔新维 职称：副教授 2009 年 1 月 10 日目 录前 言4课程设计任务书51 概念设计71.1概念设计的定义72风力发电机的概念设计82.1风力发电机设计参数82.1.1 设计标准和设计等级82.1.2风力发电机的额定功率92.1.3风轮叶片数92.1.4风力发电机的驱动方式92.2额定风速的确定及分析102.3叶轮直径的设计和分析112.4额定转速的确定与分析122.4.1转速的确定需要考虑的因素122.4.2额定转速的计算122.5功率控制方式132.5.1被动失速控制132.5.2变桨距控制142.5.3主动失速控制152.5.4功率控制方式的选择162.6机组刹车系统172.6.1气动刹车172.6.2机械盘式刹车182.6.3机组刹车系统的制动182.7定速转动模式192.7.1定速转动模式的特点192.7.2定速运行存在的主要问题192.7.3定速转动的优化192.8发电机的选择212.8.1发电机的类型212.8.2定桨距风力发电机的选择212.9塔架刚度要求222.10其他要求232.10.1定桨距风力发电机组的液压系统232.10.2偏航系统252.10.3 机舱262.10.4轮毂273零部件设计293.1塔架的成本293.2塔架的设计303.2.1选择塔架的类型303.2.2塔架的设计问题313.2.3塔架高度的计算313.2.4塔架固有频率的选定313.2.5塔架的载荷计算314.风力发电机齿轮箱的设定354.1设计说明354.2 设计要求364.2.1 效率364.2.2 噪声级364.2.3 可靠性374.3 齿轮箱设计思想374.4 设计载荷374.4.1 载荷分析374.4.2 载荷计算384.5 齿轮箱结构型式的确定394.5.1 齿轮箱的类型与特点394.5.2 齿轮箱图例414.5.3 齿轮箱型式的确定424.6 齿轮箱设计参数424.7 齿轮传动设计434.7.2 齿轮传动参数选择原则444.7.3 材料、精度等级及齿数选定454.7.4 按齿面接触强度设计454.8 轴的设计524.8.1 轴直径计算分析524.8.2 轴肩部位分析524.8.3 轴的材料分析534.9 轴承的选取534.9.1轴承类型确定534.9.2 轴承的分析计算公式534.10 齿轮与轴的联接544.11 箱体设计论述54结束语55参考文献56前 言学习完风力发电机设计基础这门课程，崔新维老师布置了有关风力发电机组概念设计的课程任务。课程设计时间为2个星期。这门课程是我们“风电工程”专业方向的最后一门专业课程，前期通过对空气动力学基础、风资源分析、风力发电机载荷分析、风电场运行及维护、风力发电机组的控制技术等课程的学习以及有关风电的软件如Wasp、Bladed、 Wind farmer 的初步应用。对风力发电机的设计、制造、运行维护有了系统、初步的了解。为今后从事风力发电机的设计制造、运行维护、技术服务及相关技术工作奠定了一定的基础。通过这次风力发电机组的概念设计，巩固了以前所学的内容，理顺了专业课中所涉及的知识，进一步加深了对风力发电机组的认识。从已知风机额定功率如何求得叶轮直径、额定风速、额定转速到如何确定功率的控制方式、转动模式和如何选择适合机型的发电机、底座以及设计塔架中应考虑的问题、解决方法、强度计算和校核，对风力发电机的初步设计有了一定的掌握。本课程设计参考了很多参考书和网上的资料，在设计中也查阅了图书馆中与风电相关的书籍。鉴于本人水平有限及对风力发电机组方面知识的了解不足，课程设计说明书中存在错误之处，请崔老师给予指导和指正。 戴海波 2009年1月课程设计任务书一. 课程设计的时间流程本课程设计按如下流程进行。序号内容时间分配(天)备注1任务分配与要求0.5指导教师2查阅资料，拟定计划1.5在教师指导下3概念设计3参考内容：本课程教材4零部件或子系统设计3参考内容：其他课程教材5文件整理与编写1按格式编写设计计算报告6审核与定稿0.5学生之间互审、教师审阅7答辩准备与汇报1做出PPT文件答辩8指导老师评分按5级记分二. 概念设计要求学生可以以教材中第二章内容为线索，基于任务书完成下列概念设计内容：叶轮直径设计与分析额定风速的确定与分析额定转速的确定与分析功率控制方式机组刹车系统定速或变速转到模式发电机类型塔架刚度要求其他内容零部件设计学生可以选择一个下列零部件进行设计计算：齿轮箱偏航传动系统变桨传动系统塔架功率调节控制系统（定速、变速方式）机组传动系动力学分析整机动力学分析三. 课程设计任务序号112345678910额定功率（kW）500550600650700750800850900950序号111121314151617181920额定功率（kW）1000105011001150120012501300135014001450序号212驱动方式带齿轮箱直接驱动序号312叶轮个数32按学号顺序，由序号1、2、3组合选择，组合顺序为：序号1+序号2+序号3，如0111、0211、0311依此类推。0111的含义是：额定功率为500kW，带齿轮箱，3叶片机组。本人学号053735207，所分到的课程设计题目组合顺序为0711。则风力发电机设计参数为：风力发电机设计参数额定功率（KW）800叶片个数3驱动方式齿轮箱风力发电机设计基础课程设计1 概念设计1.1概念设计的定义由于计算理论的不成熟，模型简化不准确，荷载因素不确定和建筑材料的弥散性等因素造成某些结构无法通过精确的力学分析计算来解决，此时需要运用合理的“结构概念”来进行分析和判断，这些源于结构理论和工程实践经验同时被证实有效的设计称为概念设计。1.2概念设计运用于风力发电机的设计 通过完成风力发电机组的概念设计，使我们能综合运用风力发电机设计基础及有关专业的知识，对大学所学的知识融会贯通。通过设计，让我们具有设计与分析发电机组的初步能力，为将来从事风电工程技术事业奠定一定的基础。2风力发电机的概念设计2.1风力发电机设计参数如图2-1为风力发电机的设计参数，包括风力发电机的额定功率，叶片个数，驱动方式。风力发电机设计参数额定功率（KW）800叶片个数3驱动方式齿轮箱图2-12.1.1 设计标准和设计等级目前国际公认的风力发电机组设计标准主要是国际电工委员会的IEC标准和德国Germanisch Lloyd公司推出的GL规范。设计风力发电机组首先要确定风力发电机组的设计等级，按照不同的风况，IEC标准的IEC61400-1定义了四种风力机设计等级，以适应于不同风资源地区，见表2-2：表2-2 风力机设计等级分类表2-2中：Vref是轮毂高度处多年平均最大风速，A是按照较高的湍流强度设计的等级，B是按照较低的湍流强度设计的等级，C是按照最低的湍流强度设计的等级，Iref是风速为15 m/s时的湍流强度，S是由设计者自定的等级。这里所选取的风力发电机等级为，最大风速。2.1.2风力发电机的额定功率风力发电机组设计首先要确定机组的额定功率，额定功率一般根据市场需求以及经济性来确定。额定功率的选择直接影响风力发电叶轮直径、叶轮转速、额定风速等参数的确定。 （2.1）2.1.3风轮叶片数一般风轮叶片数取决于风轮的尖速比。目前用于风力发电一般属于高速风力发电机组，即4-7 左右，叶片数一般取2或3。用于风力提水的风力机一般属于低速风力机，叶片数较多。叶片数多的风力机在低尖速比运行时有较低的风能利用系数，即有较大的转矩，而且起动风速亦低，因此适用于提水。而叶片数少的风力发电机组的高尖速比运行时有较高的风能利用系数，且起动风速较高。另外，叶片数目确定应与实度一起考虑，既要考虑风能利用系数，也要考虑起动性能，总之要达到最多的发电量为目标。由于三叶片的风力发电机的运行和输出功率较平稳，目前风力发电机采用三叶片的较多。 （2.2）2.1.4风力发电机的驱动方式本文所设计的风力发电机的驱动方式是带齿轮箱的。详细设计过程会在下文零部件设计中说明这里主要介绍下齿轮箱设计所要注意的因数。齿轮箱的功能：提速。齿轮箱是机组中最贵的和最重的部件之一。通常由专业厂商设计制造。 由于风力发电机的齿轮箱的运行条件与其它齿轮箱的运行条件差异较大， 基本要求：重量轻、效率高（尤其对大型风力机）、承载能力大、躁声小、起动力矩小。齿轮箱主要有两种类型：平行轴式、行星式。设计齿轮箱时应考虑的因素 ：基本类型 齿轮箱与主轴轴承分离还是集成 增速比 级数 齿轮箱的重量和成本 齿轮箱的载荷 润滑 断续运行时的效率 噪声2.2额定风速的确定及分析机组在额定风速点达到额定功率。额定风速选择的目标是确定一个合理的额定风速值，这里存在一个涉及多方面因素的优化问题，其中的成本因素是优先考虑的。如果选取的额定值太高，机组很少能达到额定功率，总发电量降低，以至于成本相对发电量来说就不合理了。另一方面，如果额定值取在最优值以下，相对于发电量，成本又偏高。根据风频分布图2-3(a)和年发电量情况图2-3(b)可初步确定额定风速。图2-3(a)图2-3（b）这里取 12m/s 2.3叶轮直径的设计和分析叶轮输出功率： 于是得： 根据面积计算公式： 可推导出计算直径的公式：其中为功率系数，取 为齿轮箱传动效率,为传动轴效率，取为空气密度，取 根据叶轮扫风面积和叶轮直径的换算公式计算出叶轮直径的值： 为便于计算取直径D=50m.2.4额定转速的确定与分析2.4.1转速的确定需要考虑的因素尺寸控制：叶片弦长（实度）与转速的平方成反比。重量控制：风轮转速增加后，叶片的重量（成本）将增加，但传动系统、机舱和塔架的费用降低，因此在考虑风轮转速时要进行优化，兼顾两者的费用。噪声限制：风轮叶片所产生的气动噪音与叶尖线速度的五次方成正比，通常限制叶尖线速度小于65m/s。 视觉影响：从环保角度考虑，风轮转速增加对人的视觉会产生一种冲击。2.4.2额定转速的计算风轮转速主要取决于尖速比，尖速比越大则转速越高，风力发电机的转速比通常取57。由于受到叶尖线速度的限制。取叶尖线速度为65m/s.则风轮转速 这里，=12.05m/s,R=D/2=25.1m,可求得2.5功率控制方式功率控制的方式主要分为被动失速控制、变桨距控制、主动失速控制。2.5.1被动失速控制2.5.1.1被动失速控制的数学理论被动失速控制是最简单的控制方式，利用高风速时升力系数的降低和阻力系数的增加，限制功率输出的增加，在高风速时保持近似恒定。有关被动失速的计算公式：其中F为气动推力，T为叶轮扭矩，L为升力，D为阻力，为升力系数， r为叶轮半径，为入流角。作用在叶轮上的扭矩： 2.5.1.2被动失速控制方式的主要优缺点被动失速控制方式的优点：控制简单，百KW级多用。被动失速控制方式的缺点：功率曲线由叶片的失速特性决定，功率输出不稳定，甚至是不确定的；阻尼较低，振动幅度较大，易疲劳损坏；高风速时，气动载荷较大，叶片及塔架等受载较大；在安装点需要试运行，优化安装角；低风速段，叶轮转速较低时的功率输出较高。2.5.2变桨距控制2.5.2.1变桨距控制方式的概念变桨距控制就是变桨距叶片用可转动的轴安装在轮毂上，轮毂上安装的几个叶片可同步转动以改变叶片的安装角，即同步改变叶片的迎角可以满足不同风速条件下风力发电机可以得到额定功率。2.5.2.2变桨距控制方式的主要优缺点变桨距控制方式的主要优点：更多获取风能；提供气动刹车；减少作用在机组上的极限载荷；桨距角的变化；速率：5/s或更高；范围：运行时035 ；刹车时090 ,0 时，叶尖弦线位于转动平面内。变桨距控制方式的主要缺点：增加一或三套变桨距系统（电动或液压驱动），从而增加了故障概率。如图2-4为变桨距系统。图2-42.5.3主动失速控制2.5.3.1主动失速控制的特点采用失速叶片保证功率调节简单可靠；利用桨距调节在中低风速区优化功率输出，高风速区维持额定功率输出；在临界失速点，通过桨距调节跨越失速不稳定区。2.5.3.2主动失速的技术特点与被动失速功率调节相比：可以补偿空气密度、叶片粗糙度、翼型变化对功率输出的影响,优化中低风速的出力,额定点之后可维持额定功率输出。叶片可顺桨，刹车平稳,冲击小，极限载荷小。如图2-5，被动失速与主动失速的功率曲线的比较，在超过额定风速后，被动失速的功率随风速的增加而减小，而主动失速的功率随风速的增加而无太大变化。图2-5与变桨距功率调节技术相比： 受阵风、湍流影响较小，功率输出平稳，无需特殊的发电机桨距仅需微调，磨损少，疲劳载荷小。2.5.4功率控制方式的选择通过对被动失速控制，变桨距控制，主动失速控制的分析，以及风力发电机的额定功率和其他因素的考虑，设计800KW的风力发电机所选择的功率控制方式为主动失速控制。选择主动失速控制方式的理由：主动失速控制在低风速区优化功率输出，高风速区维持额定功率输出；百兆瓦风力发电机组采用主动失速控制与变桨距控制，被动失速控制都有很大的优势。如图2-6为变桨距机组和主动失速型机组的不同工作情况，变桨距机组在功率达到最大值时，随风速的改变而改变攻角，从而使机组工作在功率在最大值附近。主动失速机组工作在功率达到最大值要开始下降的区间，通过改变攻角主动失速，从而保证机组工作在功率最大值附近。图2-62.6机组刹车系统800kW风力发电机所采用的机械刹车系统是由气动刹车和2部机械盘式刹车组成。2.6.1气动刹车 800kW风力发电机采用主动失速型控制系统，因此有一套变桨系统如图2-7。通过变桨起到气动刹车的功能。图2-72.6.2机械盘式刹车盘式刹车系统在中大型风力发电机组中主要作为辅助刹车装置，并且在大型风力发电机组上，机械刹车都被安排在高速轴上。图2-8为机构刹车机构由安装在低速轴或高速轴上的刹车圆盘与布置在四周的液压夹钳构成。液压夹钳固定，刹车圆盘随轴一起转动。刹车夹钳有一个预压的弹簧制动力，液压力通过油缸中的活塞将制动夹钳打开。机械刹车的预压弹簧制动力，一般要求在额定负载下脱网时能够保证风力发电机组安全停机。但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。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。图2-82.6.3机组刹车系统的制动制动过程有三种情况：正常停机安全停机紧急停机2.6.3.1正常停机风力发电机已经联网，此时要正常停机，制动程序为：通过电磁阀释放叶尖；当发电机转速降至同步转速时，发电机主接触器动作，发电机与电网解裂；风轮转速低于设定值时，第一部盘式刹车投入；如果叶尖扰流器释放后转速继续上升，则第二部刹车立即投入；下一次使用刹车系统时，第二个投入的刹车先投入；停机后叶尖扰流器收回。2.6.3.2安全停机叶尖扰流器释放的同时投入第一部刹车；当发电机转速降至同步转速时，发电机主接触器跳开，第二不部机械刹车被投入；叶尖扰流器不收回。2.6.3.3紧急停机所有的继电器，接触器失电；叶尖扰流器和两部刹车同时投入，发电机同时与电网解裂。2.7定速转动模式800kW风力发电机的转动模式设计为定速双速转动模式。2.7.1定速转动模式的特点定速运行的特点：控制简单，但不能最大限度获得风能。2.7.2定速运行存在的主要问题定桨距机组在低风速运行时的效率较低；由于转速恒定，而风速变化（如运行风速范围为325m/s）；如果设计低风速时效率过高，叶片会过早失速 发电机本身在低负荷时的效率问题；当P30%的额定功率时，效率90%；当P 3P柔塔： 1P f 3P 甚柔塔：f 1P如果塔架满足强度要求，则它的刚度基本取决于塔架高度和直径的比值。比值越大，塔架越柔。刚塔的优势在于，运行时不会发生共振，噪声很小。但需用的材料太多，超过强度的需要。因此，通常多用柔塔。800KW风力发电机组选用柔性塔架，风轮转速为24.7rpm时风轮的转动频率和叶片的通过频率分别为：fr = 24.7rpm/60s=0.41Hzfb = 1.23Hz因此，塔架的固有频率f 应满足：0.41Hzf 1.23Hz如实际设计的塔架频率f 为0.8Hz，就满足要求。图2-112.10其他要求2.10.1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，主要用来执行风力发电机组的开关机指令。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。这两个回路的工作任务是使机组运行时制动机构始终保持压力。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。图2-12 定桨距风力发电机的液压系统1-油箱 2-液压泵 3-电动机 4-精滤油器 5-油位指示器 6-溢流阀7-单向阀 8-蓄能器 9-压力开关 10-节流阀 11-压力表 12-电磁阀（1）13-电磁阀（2） 14-刹车夹钳 15-突开阀 16-电磁阀（3）图2-12为某风力发电机组的液压系统。由于偏航机构也引入了液压回路，它由三个压力保持回路组成。图左侧是气动刹车压力保持回路，压力油经油泵2、精滤油器4 进入系统。溢流阀6用来限制系统最高压力。开机时电磁阀121 接通，压力油经单向阀7 2 进入蓄能器8-2，并通过单向阀7-3和旋转接头进入气动刹车油缸。压力开关9由蓄能器的压力控制，当蓄能器压力达到设定值时，开关动作，电磁阀121关闭。运行时，回路压力主要由蓄能器保持，通过液压油缸上的钢索拉住叶尖扰流器，使之与叶片主体紧密结合。电磁阀12-2为停机阀，用来释放气动刹车油缸的液压油，使叶尖扰流器在离心力作用下滑出；突开阀15，用于超速保护，当叶轮飞车时，离心力增大，通过活塞的作用，使回路内压力升高；当压力达到一定值时，突开阀开启，压力油泄回油箱。突开阀不受控制系统的指令控制，是独立的安全保护装置。图中间是两个独立的高速轴制动器回路，通过电磁阀131、13-2 分别控制制动器中压力油的进出，从而控制制动器动作。工作压力由蓄能器81 保持。压力开关91根据蓄能器的压力控制液压泵电动机的停/ 起。压力开关9-3、9-4用来指示制动器的工作状态。右侧为偏航系统回路，偏航系统有两个工作压力，分别提供偏航时的阻尼和偏航结束时的制动力。工作压力仍由蓄能器8-1 保持。由于机舱有很大的惯性，调向过程必须确保系统的稳定性，此时偏航制动器用作阻尼器。工作时，4DT 得电，电磁阀16左侧接通，回路压力由溢流阀保持，以提供调向系统足够的阻尼；调向结束时，4DT失电，电磁阀右侧接通，制动压力由蓄能器直接提供。由于系统的内泄漏、油温的变化、及电磁阀的动作，液压系统的工作压力实际上始终处于变化的状态之中。其气动刹车与机械刹车回路的工作压力分别如图2-13a、b所示。图2-13气动刹车与机械刹车压力图a）气动刹车压力 b)机械刹车压力-开机时液压泵启动-内泄引起的压力降-液压泵重新启动-温升引起的压力升高-电磁阀动作引起的压力降-停机时电磁阀打开图中虚线之间为设定的工作范围。当压力由于温升或压力开关失灵超出该范围一定值时，会导致突开阀误动作，因此必须对系统压力进行限制，系统最高压力由溢流阀调节。而当压力同样由于压力开关失灵或液压泵站故障低于工作压力下限时，系统设置了低压警告线，以免在紧急状态下，机械刹车中的压力不足以制动风力发电机组。2.10.2偏航系统偏航系统的功能： 所有的水平轴风力发电机必须偏航实现对风。 偏航运动由偏航机构实现。 偏航速率较低，以避免陀螺力过大。偏航系统类型：主动偏航用于上风式机组，利用电机驱动。自由偏航通常用于下风式机组，利用空气动力驱动。图2-14偏航系统的结构图2-14为偏航系统的结构图，偏航系统中至少包含偏航轴承，偏航轴承必须能承载机组中主要部件的重量，并传递气动推力到塔架。 主动偏航的偏航轴承中含有齿圈，偏航驱动机构中的小齿轮与之啮合，驱动底板摆动。偏航驱动机构中通常包括：电机减速器驱动小齿轮偏航系统减速后，使小齿轮低速增扭。 主动偏航的一个问题是，断续的偏航运动使偏航齿轮易磨损或断齿。为了减缓冲击，设置偏航刹车，在不偏航时制动。 主动偏航系统的偏航运动是由偏航误差控制的。当偏航误差超过一定时间段允许的范围时，偏航开始启动。 自由偏航系统中通常只有偏航轴承。 有的机组中设置偏航阻尼器，减慢偏航速率，减小陀螺载荷。2.10.3 机舱机舱包括机舱底板和机舱盖。2.10.3.1机舱底板机舱底板是安装齿轮箱、发电机、偏航轴承等部件的结构件。为了保持部件间的相对位置，底板应有足够的刚度。机舱底板的类型：独立底板集成齿轮箱底板独立底板通常是刚性铸件或焊接件。其上开设联接用的螺纹孔。集成底板的壳体要足够厚，以利于承载。图2-15为机舱底板的三维模拟图。图2-15底板载荷：底板向塔架传递来自叶轮的载荷及来自电机、齿轮箱和刹车的反作用载荷。它还必须有足够的刚度，以防部件间的相对移动。2.10.3.2机舱盖机舱盖保护底板上的机械和电气零部件免受阳光、雨水、冰雪的影响。机舱盖通常用轻型材料制成，如玻璃钢。大型机组的机舱盖要足够大，便于人员进入检查和维护。图2-16为已经竖好风机的机舱盖。图2-162.10.4轮毂轮毂的功能：连接叶片和主轴，最终连接到传动系的其余部件；必须传递并承受所有来自叶片的载荷。 轮毂的材料：通常用钢材，焊接或铸造制成，由于结构一般较复杂，多用球墨铸铁铸造。 轮毂的结构形式：结构形式取决于方案设计，两叶片或三叶片，定桨距或变桨距。水平轴风力发电机采用三种基本形式：刚性轮毂；跷跷板式叶片轮毂；铰接叶片轮毂。刚性轮毂：轮毂的主要部分相对主轴是固定的。使用最普遍，几乎为三叶片或多叶片机组通用。 三叶片机组的轮毂有两种外形：三叉形和球形。如图2-17。图2-17刚性轮毂可用于定桨距叶片和变桨距叶片。 如果叶片相对主轴有锥度，可在轮毂上预留接合面。 要有足够的强度承受叶片上的气动载荷和其它动态载荷。 用于变桨距机组的轮毂，必须提供：叶根轴承；可靠的定位措施；变桨距机构。刚性轮毂承受的三种载荷情况：对称叶轮推力：所产生的叶根弯矩在轮毂的前端生成双向拉力，在后端生成双向压力。推力本身在轮毂的连接低速轴的法兰附近产生挥舞弯曲应力。 在单个叶片上的推力：在轮毂的后端生成挥舞方向的弯曲应力；在轮毂上从变桨轴承的上风侧到连接低速轴的法兰的一段曲线附近生成摆振方向的拉伸应力。 叶片重力弯矩：在三叉轮毂中，相等和相反的叶片重力弯矩经过圆柱筒传到轮毂的前端和后端附近，并互相抵消。实际中，是在每个叶根设置一个坐标系来分析6种载荷情况（3个力矩和3个力）。 轮毂应力的时间历程可以通过加载时变的叶片载荷来获得。如图2-18所示。图2-18对于跷跷板式叶片轮毂，铰接叶片轮毂这里就不多做分析。3零部件设计3.1塔架的成本图3-13.2塔架的设计3.2.1选择塔架的类型塔架将机组的主要部件升到一定的高度。由于风速随着高度增加，并且湍流现象减少。 从获取风能上讲，因此塔架越高越好，但受到成本的约束。通常塔架的高度为11.5叶轮直径。但不宜低于24米（风速、湍流因素）。水平轴机组常用三种塔架： 桁架式：早期多用，1980s后少用;如图（a）。 圆筒式：目前多用; 如图（b）。 拉索式：大中型机少用。如图（c）。（a）桁架式 （b）圆筒式 （c）拉索式圆筒式的主要优势：无需定期拧紧结点螺栓；进入机舱的通道较安全；视觉较好。 塔架材料：塔架多用钢材，通常要做防腐处理,因此800KW风力发电机组的塔架选择：圆筒式，材料为Q235。3.2.2塔架的设计问题塔架的主要功能是支撑风力发电机的机械部件，发电系统，承受风轮的作用力和风作用在塔架上的力（弯距，气动推力及对塔架的扭力），塔架还必须具有足够的疲劳强度，能承受风轮引起的振动载荷，包括启动和停机的周期性影响，突风变化，塔影效应等。塔架的刚度要适度，其自振频率（弯曲及扭转）要避开运行频率（风轮旋转频率的3倍）的整数倍。塔架自振频率高于运行频率的塔称之为刚塔，低于运行频率的塔称之为柔塔。塔架设计的基本问题： 动力学问题塔架固有频率的选定；静强度问题在极限载荷作用下的承载能力； 稳定性问题在弯矩和轴向压力作用下抗屈曲的能力； 疲劳问题在交变载荷作用下塔架的疲劳寿命。3.2.3塔架高度的计算塔架的高度一般取1-1.5倍的叶轮直径。塔架高度为了便于计算这里取个整数H=60m。3.2.4塔架固有频率的选定上文已经对塔架固有频率的选定讨论过，塔架的固有频率f 应满足：0.41Hzf 1.23Hz。3.2.5塔架的载荷计算塔架主要受两类载荷：稳定载荷和动载荷。稳定载荷：主要来自气动推力和扭矩，以及塔头质量,尤其要考虑塔架的弯曲和屈曲。计算塔架载荷时至少考虑两种情况下的塔架受载：额定功率运行时； 存活风速下的保持稳定（IEC推荐用50年一遇极限风速）。800KW风力机在各种工况条件下受到的载荷是多种多样的，其方向与大小也不同，经过分析，塔架承受的载荷主要是塔架上各部件的重量、塔架的自重及作用在风力机浆叶上的轴向力。而塔架的自重通过塔架重心，电机的重量和叶轮的重量大小差不多，且可理想的认为通过塔架重心。为了简化计算，只考虑风作用在叶轮上的气动推力。根据有关资料介绍 ，风力机运行时，作用在风轮扫风面积上的轴向推力用下列公式计算：.V 为风机风机工作时的最大允许风速，V=25。A为叶轮的扫掠面积。由此得出工作时风轮承受的最大轴向力为： 风力机停机时作用在其上的轴向力公式为：；V为风速，在二类风区因停机时最大抗风速度为42.5m/s，V=42.5；S为叶轮扫掠面积，S=，（）；此时作用在风机上的轴向力为： 通过上面两式的比较，我们可知：800KW风力机工作在最大允许风速时，其承受的轴向力最大，下面我们将以的值，来进行静力分析。 由于塔架采用圆筒式，材料为Q235。Q235的许用应力。塔架主要受力如图3-3。由于载荷是作用在塔架上，可把风机简化成一个竖直的圆桶，作用在叶轮上的气动载荷通过底座集中做用在塔架顶部，如图3-4。图中F为。图3-3图3-4力F作用在塔架上所产生的弯距如图3-5。图3-5经过受力分析，可得在塔架根部受到的弯距最大。弯曲的强度条件为其中抗弯截面系数 其中D为塔筒外径，d为塔筒内径。利用最大许用应力来求内径的最大值。由公式可得：取D为3m, 可求得：也就是说内径时，塔架就能满足强度，抵抗的住风力机工作在最大允许风速时所承受的气动载荷。取d=2.86m时，对塔架的强度进行校核。结果说明当d=2.86m是符合强度要求。则塔架壁厚7cm.得到塔架设计参数塔架的设计参数高度 （m）材料刚度外径（m）内径(m)塔底厚度(m)60Q2350.41Hzf 1.23Hz32.860.07塔架是圆锥形，上部厚度的确定和塔底厚度一样。4.风力发电机齿轮箱的设定4.1设计说明风力发电机齿轮箱的作用是将风力带动的桨叶经齿轮箱增速后传给发电机发电，风力发电机齿轮箱是风力发电动力传递的核心装置，一旦齿轮箱出了问题，整台发电设备就处于瘫痪状态，而且齿轮箱处于几十米的高空，维修吊装极为困难，由于齿轮箱使用工况很不稳定，工况极其恶劣，而且要持续每年300天以上运行。这些都应该在齿轮箱的设计中考虑和解决的问题。因此齿轮箱的设计必需安全可靠，经久耐用。通过以上分析，考虑到齿轮箱工作环境以及可靠性等方面因素做了以下设计。4.2 设计要求设计在保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构简化且重量最轻。通过比较选定最佳传动方案，合理的设计参数，稳定可靠的构件和具有良好力学特性以及在环境极端温差下仍然保持稳定的材料等。风力发电机组齿轮箱的设计参数，采用优化设计的方法，即利用计算机的分析计算后做对比，在满足各种限制条件下求得最优设计方案。4.2.1 效率齿轮箱的效率通过功率损失计算得到。功率损失主要包括齿轮啮合、轴承摩擦、润滑油飞溅和搅拌损失、风阻损失、其他机件阻尼等。计算公式为：式中:齿轮啮合摩擦损失的效率；轴承摩擦损失的效率； 润滑油飞溅和搅油损失的效率； 其他摩擦损失的效率。对于行星轮系齿轮机构，计算效率时还应考虑对应于均载机构的摩擦损失。行星齿轮轮系的效率，通用一般机械设计手册推荐的公式进行计算。其方法主要有啮合功率法和力偏移法两种。啮合功率法通过转化机构（定轴轮系）的机械效率来求出行星轮系的机械效率，虽然是一种近似算法，但由于方便计算和理解，故常用此法进行设计计算。力偏移法有较高的精度，但计算繁杂，一般少用。风力发电机齿轮箱的专业标准要求齿轮箱的机械效率，在标准条件下应达到大于97%的指标。对于采用滚动轴承支承且精确制造的闭式圆柱齿轮传动，每一级传动的效率概略定为99%，一般情况下，风力发电机组齿轮箱的齿轮传动不超过三级。值得指出的是，随着传递载荷的减小，效率会有所下降，这是因为整个齿轮箱的空载损失，即润滑油飞溅和搅动时的能量损失、轴承的摩擦以及密封等的损失，在传递功率变化时几乎是不变的。4.2.2 噪声级风力发电齿轮箱的噪声标准为左右。噪声主要来自各传动件，采以下相应降低噪声的措施：l 适当提高齿轮精度，进行齿形修缘，增加啮合重合度；l 提高轴和轴承的刚度；l 合理布置轴系和轮系传动，避免发生共振。齿轮箱安装时采取必要的减振措施，按规范找正，充分保证机组的联结刚度，将齿轮箱的机械振动控制在GB/T8543 规定的C级之内。4.2.3 可靠性按照设计寿命最少20年的要求，须对齿轮箱整机及其零件的设计极限状态和使用极限状态进行极限强度分析、疲劳分析、稳定性和变形极限分析、动力学分析等。4.3 齿轮箱设计思想风力发电机齿轮箱设计思想：l 根据国内的材料、工艺加工、使用等实际情况设计风电齿轮箱。l 提高齿轮强度提高安全系数，提高可靠性，达到设计要求。在提高可靠性的同时，保持同型号的齿轮箱的重量和外形尺寸基本一致，尽可能保持安装尺寸的通用性，以质量轻、尺寸小为参考。l 由于齿轮箱的维修非常困难，且不经济，尽量做到更换小零件不用吊到地面，在舱内就可以完成。能够最大限度的观测齿轮箱内部运行情况，及时发现问题和检修。l 轴承的选用以寿命长为原则，在同样的条件下应选用额定负荷最大的轴承，使用寿命最长。4.4 设计载荷齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。风力发电机组载荷谱是齿轮箱设计计算的基础。载荷谱可通过实测得到，也可按照JB/F10300标准计算确定。此处按照国际通行的风力发电机组设计要求中给出了简化等幅载荷谱进行设计。4.4.1 载荷分析齿轮箱重要设计载荷有：工作转矩、气动推力。图25 轮毂坐标系图25中即工作转矩，即气动推力。4.4.2 载荷计算4.4.2.1气动载荷作用在风轮上的气动载荷，为了计算需求出作用在风轮扫掠面积A上的平均压力. 由公式确定 式中：，根据贝茨公式计算；空气密度；额定风速。代入系数值，并经量纲转换后得：式中：的量纲为。代入=12m/s可得4.4.2.2 轴向载荷轴向载荷力为：代入R=26.5可得：4.2.3 径向载荷径向载荷扭矩，扭矩由输出功率确定：式中：叶轮转动角速度；发电机和齿轮箱的总效率系数。将，rad/s, 代入可得4.5 齿轮箱结构型式的确定4.5.1 齿轮箱的类型与特点风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型可分为圆柱齿轮箱、行星齿轮箱以及它们互相组合起来的齿轮箱；按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；按照转动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等等。常用齿轮箱形式及其特点和应用见表3。传动形式传动简图推荐传动比特点及应用两级圆柱齿轮传动两级圆柱齿轮传动展开式结构简单，但齿轮相对于轴承的位置不对称，因此要求轴有较大的刚度。高速级齿轮布置在远离转矩输入端，这样，轴在转矩作用下产生的扭矩变形可部分地互相抵消，以减缓沿齿宽载荷分布不均匀的现象。用于载荷比较平稳的场合。高速级一般做成斜齿，低速级可做成直齿分流式结构复杂，但齿轮相对于轴承的对称布置，与展开式相比载荷沿齿宽分布均匀，轴承受载较均匀，中间轴危险截面上的转矩只相当于轴所传递转矩的一半。适合于变载荷的场合。高速级一般用斜齿，低速级可做成直齿或人字齿同轴式减速器横向尺寸较小，两对齿轮浸入油中深度大致相同，但轴向尺寸和重量较大，且中间轴较长、刚度差，使沿齿宽载荷分布不均匀，高速轴的承载能力难于充分利用，两级圆柱齿轮传动同轴同轴分流式每对啮合齿轮仅传递全部载荷的一半，输入轴和输出轴只承受扭矩，中间轴只受全部载荷的一半，故与传递同样功率的其他减速器相比，轴颈尺寸可以缩小二级圆柱齿轮传动展开式同两级展开分流式分流式同两级分流式行星齿轮传动单级NGW与普通圆柱齿轮减速器相比，尺寸小，重量轻，但制造精度要求较高，结构较复杂，在要求结构紧凑的动力传动中应用广泛两级NGW同单级NGW型一级行星两级圆柱齿轮传动混合式低速轴为行星传动，使功率分流，同时合理应用了内啮合。末二级为平行轴圆柱齿轮传动，可合理分配减速比，提高传动效率表3 常用风力发电机组齿轮箱的形式和应用4.5.2 齿轮箱图例各种齿轮箱图例如图26-图28所示。图26为两级圆柱齿轮传动齿轮箱的展开图。输入轴大齿轮和中间轴大齿轮都是以平键和过盈配合与轴联接；两个从动齿轮都是采用了轴齿轮的结构。图26 两级圆柱齿轮传动图27中两个都是一级行星和两级平行轴圆柱齿轮传动装置，a采用飞溅润滑方式，b采用强制润滑方式并与机组的大轴做成一体。 （a）飞溅润滑 （b）强制润滑 风力发电机组设计基础课程设计说明书图27一级行星和两级平行轴圆柱齿轮传动装置图28所示的是一种结构较为新颖的两级行星和一级平行轴圆柱齿轮传动齿轮箱，其行星架固定，内齿圈主动，两排行星齿轮变为定轴传动。从结构上看各个组件可独立拆卸，便于在机舱内进行检修。图28 两级行星和一级平行轴圆柱齿轮传动齿轮箱4.5.3 齿轮箱型式的确定目前我国使用的国内外风力发电机齿轮箱，主要配套齿轮箱有GE、维德、美德、德雅可夫、vestas、西班牙等各公司齿轮箱，以及在此基础上进行设计的国内生产的风电齿轮箱。这些齿轮箱的适用范围