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机械毕业设计全套
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JX03-257@风力发电机传动链设计1,机械毕业设计全套
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毕业论文 题 目： 风力发电机传动链设计 专 业： 机械设计制造及其自动 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2014 年 5 月 26 日 nts 目录 1. 绪论 . 3 1.1 风力发电发展 概况 . 3 1.2 风力发电的背景 . 4 1.2.1 能源危机 . 4 1.2.2 环境危机 . 4 1.2.3 可再生能源 开发利用 . 5 1.2.4 风能开发利用 . 5 1.3 风力发电国内外发展现状 . 6 1.3.1 国外风电发展现状 . 6 1.3.2 国内风电发展现状 . 7 1.4 国内外风电机技术发展趋势 . 7 1.4.1 产业集中是总的趁势 . 8 1.4.2 水平轴风电机组技术成为主流 . 8 1.4.3 风电机组单机容量持续增大 . 8 2. 发电机的工作原理及基本结构 . 9 2.1 风电机的功能单元的划分 . 9 2.2 风电机组的工作原理 . 10 2.3 风力发电机传动链的基本结构及三维建模 . 12 2.3.1 主轴 . 12 2.3.2 齿轮箱 . 12 3. 风电发电机传动链主要零件的设计计算 . 13 3.1 确定设计目标 . 13 3.1.1 风力发电机总体设计方案 . 13 3.2 风力发电机传动链零件设计方案 . 15 4. 风 力发电机增速器的设计计算 . 16 4.1 传动方案的确定 . 16 4.2 增速器基本设计要求及设计步骤 . 18 4.3 传动原理图 . 18 4.4 增速器各传动部件的材料及力学性能 . 19 4.5 第一级行星轮系传动设计 . 20 4.6 第二级行星轮系传动设计 . 21 4.7 第三级平行轴圆柱直齿轮设计 . 22 4.8 行星齿轮具体结构的确定 . 22 5 主轴制动系统的研究 . 23 5.1 制动器的结构形式选择 . 23 nts 5.1.1 鼓式制动器的结构形式 . 24 5.1.2 盘式制动器的结构形式 . 26 5.1.3 制动器结构的最终选择 . 31 5.2 盘式制动器的结构 . 31 5.2.1 制动器主要部件的结构 . 31 5.2.2 制动器的工作原理及安装位置 . 35 5.3 制动器静载荷接触分析 . 35 5.3.1 制动任务 . 35 5.3.2 计算最大制动力矩和卡钳夹紧力 . 36 6 传动轴的设计 . 39 6.1高速轴的设计 . 39 6.2低速轴的设计 . 39 6.3中间 轴的设计 . 40 总结 . 41 致谢 . 41 参考文献 . 42 nts 1 摘 要 风能作为一种可再生能源越来越受到世界各国政府的重视。与此同时，对风力发电技术和装备 的研究开发也日益成为科技领域和企业界关注的热点课题项目之一。 风能是一种清洁并且可再生的能源，利用风能发电能够大量减少其它发电方式对环境的污染。风力发电机的原理是： 一定速度前进的风吹在静止的风力机叶片上做功并驱动发电机发电，先 通过叶轮 将风能转变成机械能 ， 在 由发电机 将机械能转变成电能。 本文设计了一台功率为 1500 千瓦的风力发电机，其 为水平轴风力发电机，由风轮、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成。 对其叶片，行星齿轮增速器，塔架等进行了详细的方案选择及设计计算。 关键词： 风力发电；水平轴风力机；叶片； 增速器。 nts 2 Abstract Wind energy, as a kind of renewable energy, is paid attention to by governments all around the world. The wind power technology and its equipment research become a hot spot topic for technical circles and enterprise. Wind energy is a clean and renewable energy sources, The use of wind energy to power can reduce a large number of environmental pollution compare with other ways. The principle of wind turbine is: A certain wind speed blowing to the stationary blades of wind turbine-driven generators work and driving generator to power, through the impeller into the wind mechanical energy, then to electrical energy by the generator. In this paper, a power of 1500 KW wind turbine is designed and its horizontal axis wind turbine, Composed by the impeller, generator, yaw devices, control systems, towers and other components. Carry out a detailed design calculations of its leaves, the planetary gear speed increaser, tower, etc. Keyword: wind power; horizontal axis wind turbine; leaves;speed increaser. nts 3 1. 绪论 1 1 风力发电发展概况 风能是一种开发成本较低、清洁、安全、可再生的能源。因此，风能的开发利用越来越受到重视。根据贝兹理论，风力机从风中吸收的能量不到空气动能的 59.3%，同时由于受到机械结构等限制，实际值更小。因此，如何提高风能转化率，获取更多风能，实现风能规模化利用，一直为学者及业界所关注。近年来，大型风电机组通过采用变速变桨距控制及最大功率跟踪 MPPT 等技术，旨在提高响应速度，获得最大能量（低风速是捕获最大功率，高风 速时捕获额定功率）。但是，由于一些不确定因素的存在，风能转换系统表现出强非线性特征，风力机产生的能量随着风速和风向的连续波动是快速变化的。传统线性定常控制器因存在较大超调和损失，系统稳定性差，不适合用来控制大型变速变桨距风电机组。根据风速大小，风力发电系统由 4个动态过程构成，即启动、变速运行、变桨距运行和刹车。其中，启动、刹车过程使系统能在最短时间内有较快的响应速度；变速运行调节风能，减少或消除风能产生过程中的急剧波动，捕获最大能量，减弱暂态负荷的影响；变桨距控制通过调节桨距角维持风电机组输出额定功率不变。 风车按照风轮轴的不同，可以分为水平轴风车和垂直轴风车。能量驱动链（即风轮、主轴、变速箱、发电机）呈水平方向的，称为水平轴风车（水平轴风力发电机，图 1-1能量驱动链呈垂直方向的，称为垂直轴风车（垂直轴风力发电机，图 2）。 图 1-1 水平轴风车 图 1-2 垂直轴风车 我国已成为继欧洲、美国和印度之后风力发电应用的主要市场之一，风能资源丰富，可开发量为 1400GW。其中，陆上开发量为 600GW；海上开发量为 800GW。我 国在 20世纪50年代末，使用各种木结构的布篷式风车。 20世纪 70年代中期以后，风能开发利用列入“六五”国家计划。 20 世纪 70 年代末到 80 年代初，自主研制、批量生产了 10kW 以nts 4 下的小型风力发电机，解决了居住分散的农牧民和岛屿居民的生产、生活用电，风力发电停留在蒙古包单家独户使用或实验室研究阶段。 1983 年，山东引进 3 台丹麦 Vestas 55kW 风力发电机，开始了并网发电技术的试验和示范； 1986 年 5 月，山东荣成建成我国第一个并网风电场，其次是新疆达坂城风电场。 1986 1993 年，全国共建 12 个风电场，装机容 量为 13.3MW； 1994 1999 年，全国共建有 21 个风电场，装机容量达到249.05MW。其中， 1992 1996年的主力机型为 200 300kW机组， 1997 2002年的主力机型则为 600kW机组。 2008年，我国累计装机容量达到 12.21GW，其中并网发电的装机容量为 8.94kW。截止到 2009 年年底，我国风电并网总量累计达到 16.13GW，累计装机容量为 25805.3MW。 1 2 风力发电的背景 1.2.1 能源危机 能源是人类赖以生存的物质基础。自从工业革命以来，全球的能源消耗飞速增长，推动了工业化的进程，提高了社会发展水平和人类生活质量。全球经济的急剧增长对能源的需求越来越大，能源危机制约了人类进一步发展。自 20世纪 50 年代以后，由于石油危机的爆发，对世界经济造成巨大影响，国际舆论开始关注世界能源危机问题。全球能源危机的主要表现在于，全球能源储量与开采时间有限。可以支配的化石资源的极限大约为 11801510亿吨，自 1995年世界石油的开采量 33.2亿吨计算，石油储量大约在2050年左右即将枯竭；天然气储量估计 131800152900m3，年开采量维持在 2300 m3，将在 5765 年 内枯竭；煤的储量约为 5600 亿吨， 1995 年煤开采量为 33 亿吨，可以供应169 年；铀的年开采量目前为每年 6 万吨，据 1993 年世界能源委员会的估计可维持到21世纪 30年代中期。 综上所述，煤炭、石油、天然气等不可再生化石能源的总量有限，待开发新的可再生能源。 1.2.2 环境危机 在能源消耗急剧增长，能源危机凸显的同时，环境危机也出现了。现代社会对能源的巨大需求，导致大量的化石能源被燃烧。燃烧不断产生 CO2和其他温室气体，使得原来沉积在地下的碳元素，被大量释放到空气中。据估计，按照目前的趋势，到 2030年，由各种温室气体增加所引起的气候变化，将相当于把大气中 CO2浓度提高到工业化社会以前 CO2浓度的两倍。到 2100 年，温室效应强度将相当于把大气中 CO2浓度提高到工业化社会以前 CO2浓度的 3 倍，达到 5000 万年前的 CO2浓度水平。能源消费在迅速扩大，已经达到了阻碍地球生态系统自律功能正常运转的程度。研究表明：地球变暖不是地球本身自然循环的变化，而是人类活动排放的 CO2等温室气体效应造成的。其过程与人类nts 5 大量消耗化石能源资源，尤其是燃烧化石燃料发电大量排放的 CO2密切相关。到 2015年，世界温室气体的排放量将达到最 高，全球变暖带来的影响不仅仅是更多的汗涝灾害，还有海平面的上升。全球气候的变化对农业和生态造成了严重的影响，时刻威胁着人类的生命和财产安全。 1.2.3 可再生能源开发利用 目前，如何解决能源危机及其引起的环境危机成为全球经济可持续发展所面临的待解决的重大课题。克服能源危机的出路在于大力发展新能源，用可再生能源替代化石能源。电能具有转换和传输方便的优点，已成为现代工业快速发展不可替代的二次能源。为缓解或从根本上消除能源危机带来的环境破坏，绿色电力的生产为世界各国所关注。绿色电力来源于风能、小水电、太阳能、 地热、生物质和其他可再生能源。因为它们在生产的过程中不消耗煤、石油、天然气等燃料，所以不会产生对环境有害的排放物。相对于常规火力发电，更有利于环境保护和可持续发展。因此，开发绿色电力意义重大。 全球市场对于这样的零排放技术有着巨大且持续增长的需求。为了避免发生不可逆转的气候变化后果，全球的温室气体排放必须在 2020 年前后达到峰值且开始下降，而风电是目前唯一实现这一目标的发电技术。 1.2.4 风能开发利用 太阳的辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均，同时，地球发生自转，使空气沿水平方向运动， 空气流动所形成的动能称为风能。据估计到达地球的太阳能只有大约 2%转化为风能，理论上仅 1%的风能就能满足人类能源的需求。全球的风能总量约为 2.74 106GW，其中可利用的风能总量为 2.74 104GW，比地球上可开发利用的水能总量还要大 10 倍。根据我国 900多个气象站陆地上离地 10m高度资料进行估算，全国平均风功率密度为 100W/m2，风能资源总储量为 3226GW，可开发和利用的陆地上风能储量为 600GW，海上可开发和利用的风能储量为 800GW，共计约 1400GW。 50m 或更高处可开发利用的风能储量为 2000GW。 人类利用风能的历史可以追溯到公元前。在蒸汽机发明以前，风能曾经作为重要的动力，用于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。埃及被认为可能是最先利用风能的国家。 12世纪，风车从中东传入欧洲。 16世纪，荷兰人利用风车排水。随着煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，由于成本高、效率低、使用不方便等，风力发电机械无法与蒸汽机、内燃机和电动机等竞争而逐渐被淘汰。在 20 世纪 70年代中期以后，我国将风能开发利用列入“六五”国家重点项目，得到迅速发展。我国风力发电从 20 世纪 80年代开始真正起步。 20世纪 70年代末 80 年代初，我国自主开发研制并批量生产了额定容量 10 kW以下的小型风电机组，解决了居住分散的农牧民和岛屿居民的生产生活用电。 1986年 5月，山东荣成建成了我国第一个并网风电场。 20nts 6 世纪 80 年代中期以后，我国先后从丹麦、比利时、瑞典、美国、德国引进一批中、大型风电机组，在新疆、内蒙古的风口及山东、浙江、福建、广东的岛屿建立了 8座示范性风电场。 1 3 风力发电国内外发展现状 1.3.1 国外风电发展现状 风电成本 不考虑常规电力环境成本，根据目前的风电技术水平，风电成本仍高于常规电力成本，因此许多国家采取了诸如价格、市场配额、税收等各种激励政策，从不同的方面引导和支持风力发电的发展。经过 30 年的努力，随着市场不断扩大，风电成本大幅度下降，每千瓦时风电成本由 20世纪 80年代初的 20美分下降到 2007年的 46美分。在风能资源较好的地方，风电价格完全可以和煤电竞争，低于燃气电价。 装机容量高速增长 根据全球风能协会公布的 20032007 年统计数据，全球风电平均增长率为 24.7%。到 2007年年底，全球总装机容量累计达到近 94GW，新增风电装机容量 20GW，分别在全球 70多个国家和地区。 2007年全球大约生产了 2000亿度风电电力，约占全球电力供应的 1%。按照累计风电装机容量数据排名， 2007 年全球前十名的国家依次是德国、美国、西班牙、印度、中国、丹麦、意大利、法国、英国和葡萄牙。 2008年全球新装机容量超过 27GW，同比增长 42%，风电装机增长率为 29%，高于过去 5 年的平均增长速度。 2008年年底，总装机容量达到了 120.8GW，美国超过德国，跃居全球风电装机容量首位，同时也成为第二个风电装机容量超过 20GW 的风电大国。中国超过印度，成为亚洲第一、世界第四的风电大国。到 2008 年年底，在世界 风电累计装机容量中，已有包括美国、中国、德国、西班牙、印度等在内的 16 个国家超过 1GW。在欧盟 2007 年新增发电装机容量中，风电开始超过天然气发电成为第一大新增电源，占新增容量的 46%。欧洲 2008年风电新增装机容量为 88GW，累计装机容量达到了 66GW。美国 2007 年新增的风电装机也仅次于天然气发电，位居第二。 2008年内美国竣工的风电项目容量更是占当年度美国所有新增电力装机的 42%，新增装机容量达到 8.34GW，同比增长 157%，累计增长 49.6%，完成新增投资 170亿美元。风电在欧美发达国家已经逐步成 为重要的替代能源。 发展规划 20 世纪 90 年代初，欧盟提出了大力发展风电，到 2010 年风电装机容量到 40GW 的目标，并要求其成员国根据总体发展规划制订本国的发展目标与实施计划。 2007年年初，根据技术发展和能源需求的需要，欧盟又进一步修订了发展计划，希望 2010 年风电装机容量达到 80GW；到 2020年风电装机容量达到 180GW，发电量达到 3600 亿 kW h； 2030年风电装机容量达到 300GW，发电量达到 6000 108kW h，分别占届时欧盟风电装机容nts 7 量和发电量的 35%和 20%。 2006 年，美国可再生能源 理事会提出了将可再生能源的比例由目前的 4%左右，提高到 2025 年的 25%的发展目标。美国风能协会也提出了未来依靠风电满足国内 20%电力需求的宏伟目标。英国、法国、加拿大、澳大利亚、日本和东欧的波兰等国也开始加速发展风电。 1.3.2 国内风电发展现状 装机容量 2004年年底，全国的风力发电装机容量约为 764MW。 2005年 2月可再生能源法颁布之后，当年风力发电新增装机容量超过 60%，总容量达到了 1260GW。 2006年新增装机容量超过 100%，累计装机容量超过 2.6GW。 2007年又新增装机容量 3.3GW，累计装机容量达到 5.9GW，超过丹麦，成为世界第 5 风电大国。当年装机容量仅次于美国和西班牙，超过德国和印度，成为世界上最主要的风电市场之一。风电累计装机容量从 2003年年末的 567MW 增加到了 2008 年年末的 12.21GW，增加了 205 倍。 2008 年新增装机容量超过印度，成为亚洲第一、世界第四、风电装机容量超千万千瓦的风电大国。 2009年新增装机容量 13.85GW，累计装机容量为 26GW，总装机容量跃居世界第 2位。 风电设备制造能力 风电设备制造业发展迅猛。 2005年之前，我国只有少数几家风电设备制 造商，它们规模小、技术落后，风电场建设主要依赖进口风电整机。开再生能源法颁布后，风电整机制造企业已超过 40 家。除金风科技和浙江运达加大投入、迅速扩张之外，东方汽轮机、华锐风电、中国船舶、通用电气、湖南湘电、上海电气、广东明阳、维斯塔斯、歌美飒、苏司兰、西门子等一批国内外大型制造业和投资商纷纷进入我国风电设备制造业市场。 风电技术研发 “九五”和“十五”期间，我国政府组织实施“乘风计划”和“国家科技攻关计划”，以及国债项目和风电特许权项目，支持建立了首批 6家风电整机企业，进行风电技术的引进和消化吸收，部分 企业掌握了单机容量 600kW 和 750 kW 定桨距风电机组的总装技术和关键部件设计制造技术，实现了规模化生产，迈出了产业化发展的第一步。“十五”期间，还开展了 1000 kW、 1500 kW 变速恒频风电机组，以及 1200 kW 永磁直驱风电机组的研发与联合攻关，取得阶段性成果。经过“十五”期间的自主研究和技术引进，我国已基本掌握了以双馈发电机为代表的变速恒频风电机组的控制技术，研制成功兆瓦级风电机组样机。我国风电技术与国外风电技术的差距正在不断缩小。 1 4 国内外风电机技术发展趋势 纵观世界风电技术现实和前沿 技术的发展，目前全球风电技术发展主要呈现如下特点： nts 8 1.4.1 产业集中是总的趁势 2009 年，世界排名前十位的风电机组制造企业占据了全球 78.7的市场份额，世界排名前十五位的风电机组制造企业占据了全球 88.1的市场份额，丹麦 VESTAS、美国 GE WIND、中国华锐、德国 ENERCON、中国金风这前 5家企业，就占据了国内外 49.8市场份领。可以看出：世界风电机组制造企业形成了由十多家大型风电机组制造企业控制或垄断的局面。 近几年，风电设备制造企业之间的兼并、重组、收购愈演愈烈。法国阿海珐集团收购 -Multibrid；丹麦的 Vestas 公司兼并 NEG。 Micon 公司；美国 GE 公司收购了德国安然风电公司； Siemes 公司收购了丹麦 AN/Bonus 和德国 winergy AG 公司；印度 Suzlon公司控股了 Repower 公司；金风科技收购了德国 Vensys公司；湘电股份 1000万欧元收购荷兰达尔文公司；中复连众收购了德国 NOI 公司；中航惠腾 2009 年收购了荷兰 CTC叶片公司；美国 GE 公司与哈电集团合资成立了通用哈电风能（沈阳）公司和哈电通用风能（江苏）公司。此外，各大公司在主要市场集中地都建立了生产基地，一 个大公司相当于多个公司的集成。 1.4.2 水平轴风电机组技术成为主流 水平轴风电机组技术，因其具有风能转换效率高、转轴较短，在大型风电机组上更显出经济性等优点，使水平轴风电机组成为世界风电发展的主流机型，并占到 95以上的市场份额。同期发展的垂直轴风电机组因转轴过长、风能转换效率不高，启动、停机和变桨困难等问题，目前市场份额很小、应用数量有限，但由于其全风向对风、变速装置及发电机可以置于风轮下方或地面等优点，近年来，国际上相关研究和开发也在不断进行并取得一定进展。 1.4.3 风电机组单机容量持续增大 近年来，世界风电市场中风电机组的单机容量持续增大，随着单机容量不断增大和利用效率提高，世界上主流机型已经从 2000 年的 500-1000kW增加到 2009年的 2-31VM。我国主流机型已经从 2005 年的 600-1000kW 增加到 2009 年的 850-2000kW， 2009 年我国陆地风电场安装的最大风电机组为 2MW。 近年来，海上风电场的开发进一步加快了大容量风电机组的发展， 2008年底世界上已运行的最大风电机组单机容量已达到 6MW，风轮直径达到 127m。目前，已经开始 8-10MW风电机组的设计和制造。我国华锐 风电的 3MW 海上风电机组已经在上海东海大桥海上风电场成功投入运行， 5MW海上风电机组已在 2010年 10月底下线。目前，华锐、金风、东汽、国电联合、湖南湘电、重庆海装等公司都在研制 5MW或 6MW的大容量风电机组。 nts 9 控制与安全系统 一次能源转换单元 机械能传递单元 发电单元 2. 发电机的工作原理及基本结构 2 1 风电机的功能单元的划分 风力发电 机是一种复杂的机电一体化设备。从能量转换角度看，此类设备大致包括2-1 所示的几个功能单元。其中，一次能源转换单元的主要功能是将风能转换为旋转机械能；机械能传递单元的主要作用是传动与制动；发电单元将旋转机械能转换为 电能，同时提供必要的并网发电功能；控制与安全系统实现对风电机起、停机和发电等运行过程的控制，并保证风电机在任何状态下的安全性。 图 2-1 风力发电系统的基本功能构成 （ 1）一次能源转换单元 风能是风力发电的一次能源，相应的能量转换单元是风电机组的核心部分，包括风轮、功率控制（调速）等部件。风轮是风电机组能量转换单元的关键部件，一般由良好的空气动力外形的叶片、轮毂和相应的功率控制机构组成。一次能源转换单元的主要功能是将风能转换为旋转机械能（转矩），再通过风轮轴驱动与之连接的机械能传递单元和发电单元。 （ 2）机械能传递单元 机械能传递单元也可简称为风电机组的传动链，连接风电机组的一次能源转换单元与发电单元，使之组成发电系统。该单元一般包括与风轮轮毂相连接的主轴、传动和制动机构等。一般大型风电机组的风轮设计转速较低，需要根据发电单元的要求，通过传动链按一定的速比传递风轮产生的扭矩，使输入发电机的转速满足并网风电机组发电单元的需要。同时，机械能传递单元还要设置可靠的制动机构，以保证风电机组的安全运行。 （ 3）发电单元 发电单元一般由发电机和必要的电功率转换系统构成。并网风电机组发电单元可采用异步发电机或同步发 电机，将风轮产生的旋转机械能转换为电能。发电单元配置的nts 10 电功率转换系统，应能够满足并网或其他形式发电的需求。 （ 4）控制与安全系统 该系统主要功能可分为风电机组运行控制和状态监测两部分：大型风电机组需要自动控制，既能够在无人值守的条件下，保证风电机组的正常和安全运行；同时又要保证风电机组在非正常情况发生时能可靠的停机，以预防或减轻损失。 此外，风电机组还需要有上述功能部件或子系统的支撑结构，如机舱、塔架等；多数风电机组需要设置对风（也称偏航）装置，以保证风轮能够更好的获取风能。 2 2 风电机组的工作原理 在风力发电机组中，存在着两种物质流。一种是能量流，另一种是信息流。两者的相互作用，使机组完成发电功能。风力发电机组的工作原理如图 2-2 所示。 电网 变压器 风 M1 1 M2 2 P3 转速测量 风力发电机 调速 风速、风向 功率测量 图 2-2 风电机的工作原理 1 能量流 当风以一定的速度吹向风力发电机时，在风轮上产生的力矩驱动风轮转动。将风的动能变成风轮旋转的动能，两者都属于机械能。风轮的输出功率为 1 1 1PM= （ 2-1） 式中 P1 风轮的输出功率，单位为 W； M1 风轮的输出转矩，单位为 N m； 控制系统 偏航系统 主传动系统 制动装置 发电系统 测风系统 变桨距系统 nts 11 1 风轮的角速度，单位为 1/s. 风轮的输出功率通过主传动系统传递。主传动系统可能使转矩和转速发生变化，于是有 2 2 2 1 1 1P = M = M h（ 2-2） 式中 P2 主传动系统的输出功率，单位为 W； M2 主传动系统的输出转矩，单位为 N m； 2 主传动系统的角速度，单位为 1/s； 1h 主传动系统的总效率。 主传动系统将动力传递给发电系统，发电机把机械能变为电能。发电机的输出功率为 3 2 23 c o sN N NP U I Pj= = h（ 2-3） 式中 P3 发电系统的输出功率，单位是 W； UN 定子三相绕组上的线电压，单位是 V； IN 流过定子绕组线电流，单位是 A； cosNj 功率因数 ； h 2 发电系统的总效率。 2 信息流 信息流的传递是围绕控制系统进行的。控制系统的功能是过程控制和安全保护。过程控制包括起动、运行、暂停、停止等。在出现恶劣的外部环境和机组零部件突然失效时应该紧急停机。 风速、风向、风力发电机的转速、发电功率等物理量通过传感器变成电信号传给控制系统，它们是控制系统的输入信息。控制系统随时对输入信息进行加工和比较，及时的发出控制指令，这些指令是控制系统的输出信息。 对于变桨距风向，当风速大于额定风速时，控制系统发出变桨距指令，通过变桨距系统 改变风轮叶片的桨距角，从而控制风电机组输出功率。在起动和停止的过程中，也需要改变叶片的桨距角。 对于变速型风机，当风速小于额定风速时，控制系统可以根据风的大小发出改变发电机转速的指令，以便使风力发电机最大限度的捕获风能。 当风轮的轴向和风向偏离时，控制系统发出偏航指令，通过偏航系统校正风轮轴的指向，使风轮始终对准来风方向。 当需要停机时，控制系统发出停机指令，除了借助变桨距制动外，还可以通过安装nts 12 在传动轴上的制动装置实现制动。 实际上，在风电机组中，能量流和信息流组成了闭环控制系统。同时，变桨距系统、偏航系统 等也组成了若干闭环的子系统，实现相应的控制功能。 2.3 风力发电机传动链的基本结构及三维建模 2.3.1 主轴 主轴也称低速轴。大中型风力电机组由于其叶片长、重量大，所以为了使桨叶的离心力与叶尖的线速度不至于太大，其转速一般小于 50r/min，因此，主轴承受的扭矩较大。大中型风力发电机组主轴材料可选用 40Cr 或其他高强度的合金钢，必须经过调质处理，保证钢材在强度、塑性、韧性 3个方面都有较好的综合机械性能，在设计加工图时，必须注明这一技术要求。主轴如图 2-5所示 图 2-3 主轴示意图 2.3.2 齿 轮箱 齿轮箱是风力发电机组中关键零部件。齿轮箱由齿轮副、箱体和轴承、密封装置、润滑油净化和温控系统等组成，由于风力机工作在低转速下，而发电机工作在高转速下，为了实现风力机与发电机匹配，采用增速齿轮箱。在风力发电机组中，对齿轮箱的要求非常严格，不仅体积小、重量轻、效率高，而且要承载能力大、起动力矩小、寿命长。齿轮箱分为两类，即定轴线齿轮传动和行星齿轮传动。定轴线齿轮结构简单，维护容易，造价低廉。行星齿轮传动具有传动比大、体积小、质量小、承载能力大、工作平稳和在某些情况下效率高等优点，缺点是结构相对较复杂，造价 高。 如图 2-6所示。 nts 13 图 2-4 齿轮箱整体图 3. 风电发电机传动链主要零件的设计计算 风电机组设计所涉及的学科领域和专业知识较多，而系统的工程设计技术积累和丰富的设计实践经验是保证大型风电机组设计质量的必备条件。 3 1 确定设计目标 与所有大型装备的设计相似，首先需要明确所设计风电机组的设计目标。比如，并网大功率机组与偏僻地区的小型单机设计需求明显不同。因此，针对设计需求，应考虑合理的机组功能构成、电机类型、控制方式、运输和安装方式等影响机组性能指标的主要因素。例如 ， 陆上风电场所需的大型 机组通常额定功率范围为 500-2MW ，便于运输、安装、运行和维修。近海风力发电机组的运行环境（如风况、波浪和盐雾等 ） 、安装条件等与陆上有很大差别，基础和运输方式需要重点考虑。此外，检修、维护不便，对可靠性有更高的要求。 3.1.1 风力发电机总体设计方案 风电机组是比较复杂的机电装备 ,且要求较好的性价比。总体设计是平衡这些关系的重要设计过程 ， 在某种意义上来说 ，总体设计可以决定整个设计过程的成败 。由于风电机组由多个功能子系统组成 ，机组总体设计与各部件或子系统的功能设计密切相关 ，以针对风轮 部件的总体设计为例 ，就包括了叶片参数、气动性能、结构强度、制造工艺与成本等多方面的设计内容，而这些设计目标很难同时达到，需要权衡各方的比重，选择优化的方案。有鉴于低成本与高可靠性是现代风电机组发展的主要动力和研究热点 ，如何根据设计目标并结合工程经验，在这些复杂因素之间取得平衡关系，满nts 14 足尽可能高的设备性价比要求，是风电机组总体设计的关键所在。 以下简要介绍风电机组总体设计的主要任务与大致步骤 : （ 1）风电机总体设计方案 1 ）总体气动布局方案设计 随着风电机单机功率的增大，系统气动布局设计逐渐成为风电机组 设计重要方面。此阶段的任务主要包括对风场的风况分析，有针对性地对各类可行的功能构成形式和气动布局方案进行比较和选择，并结合机组性能和气动特性的分析和仿真技术，初步确定整机的和各主要部件（子系统）的基本形式，并提交有关的分析计算报告。 2 ）风电机总体参数设计 风电机组气动设计前须首先确定总体参数，如风轮运行参数、叶片参数、设计风速、尖速比、翼型分布及其气动性能等，总体参数设计的基本要求是发电成本最低、机组载荷最小，发电量多且满足电源品质要求。 3 ）风电机的总体结构布局设计 此阶段是需要从风电机的总体功能角 度出发，分析各部件、子系统、附件和设备的布置形式与技术要求，开展对各部件和子系统的技术组成、原理分析、结构形式和功能参数选择等工作。同时需要对整机的结构承力构件布置、承载形式和传力路线进行分析，选择合理的设计分离面和接口形式，以便明确划分各部件设计界面，保证总体设计的质量。 4）载荷分析与风电机组基本性能的预评估 在设计初期，必须对载荷作预评估，以准确确定风电机组的结构设计依据。风电机组应能够承受正常运行中的任何载荷，同时也具备一定的承受极端载荷的能力。最重要的载荷产生于风轮及其叶片，且风轮上的任何载荷都会 对其他子系统产生影响。该阶段要注意查阅并依据相关设计标准，结合具体的风电机组运行工况要求，对所有载荷都应予以仔细分析评估。 5）各部件和子系统的设计方案 根据整机总体结构方案，开展包括对各部件和系统的要求、组成、原理分析、结构形式、参数及附件的选择等设计工作。设计有关部件的结构方案模型图和有关系统的原理图，并编写有关的报告和技术说明。 6）配套附件 选择和确定整机配套附件和备件等设备，对新研制的部件要确定技术要求和协作关系。提交协作及采购清单等有关文件。 总体设计阶段将解决全局性的重大问题，必须精心和慎重的 进行，要尽可能充分利用已有的经验，以求总体设计阶段中的重大决策建立在可靠的理论分析和试验基础上，避免以后出现不应有的重大反复，导致设计的失误和延期。 nts 15 上述总体设计的各阶段属于静态设计，设计结果是：风电机组总体设计方案图、总体布置图和设计计算报告、风电机性能分析与载荷初步分析报告、各部件和子系统的初步技术要求与设计示意图、系统原理图。 （ 2）风电机结构动力学分析 在初步完成风电机组总体设计的基础上，需要进一步对风电机组动特性进行详细的分析。动特性分析属于风电机组结构动力学研究范畴，主要涉及动载荷分析、振动及结构动特性分析等方面的内容。 1）动载荷问题 作用于风轮叶片上的周期性气动和机械载荷会引起叶片等构件的动态响应，而此响应反馈于外部气动负荷。因此，这实质上是一种流固耦合响应问题，对风轮等零部件的疲劳会产生影响。同时，叶片等构件的动负载将合成为风轮的动负载，也是风电机振动的主要振源。 2）振动 风电机组的运行过程中，始终存在持续的周期性的振动，风轮、发电机、传动系统及其支撑结构等零部件的设计都必须考虑振动问题。振动会引起结构的损伤或破坏，影响设备的可靠性和可用性。 3）稳定性 风电机组载荷存在复杂的耦合关系，可 能会导致各种动力稳定性问题的产生。在风电机组发展史上，运行中风轮与其他机体耦合的结构不稳定性问题造成了许多严重的后果。风轮的动力不稳定性，包括变距 /挥舞不稳定性（经典颤振）、变距 /摆振不稳定性及挥舞 /摆振不稳定性等。 （ 3）风电机组的可靠性设计 风电机组可靠性量化指标，通常以其可利用率来度量。此种量化指标属于广义可靠性范畴，因其同时包括了风电机组可靠性和可维修性等方面的内容。因此，可利用率实际上是一种反应风电机组固有可靠性和运行管理可靠性的综合度量指标。 3.2 风力发电机传动链零件设计方案 （ 1）风电机组传动链部件结构方案设计 根据确定的总体传动布局、总体技术参数、设计载荷以及风电机传动链组的初步结构方案，开展子系统和部件具体结构的设计。 这些子系统或主要的部件有：包括主轴、联轴器、齿轮箱、制动装置 （ 2）设计准则 风电机组的零部件很多，相应的结构设计应根据具体的设计要求，参照合理的设计准则进行详细的设计与校核。其中，有些部件（或构件）应采用刚度设计、强度校核的nts 16 准则；有些则应首先考虑强度要求，并进行必要的刚度分析。 （ 3）零部件强度与刚度分析 1）结构的极限强度设计 极限强度设计的基本准则是在 极端载荷作用下，保证构件的应力不超过材料许用应力，避免发生静载破坏。对于载荷的波动情况，一般需要通过增加许用安全系数加以解决。 2）构件刚度分析 构件刚度一般是指其抵抗变形的能力，包括在动载荷和静载荷作用的刚度。实际上，构件的刚度分析与强度设计有密切联系，应根据主要构件的具体工况条件和设计要求，考虑合理的刚度指标，并结合强度分析使设计达到优化。 3）结构疲劳强度设计 疲劳破坏是影响承受交变载荷构件的设计寿命的主要失效形式之一。有鉴于风电机组的循环和随机载荷作用条件，许多构件容易发生疲劳失效。因此，需要详细分 析主要零部件在风电机组寿命期内的循环应力值和循环次数。 4）零部件的工程详图设计 根据风电机组总体与部件结构设计方案，可以开展风电机组的工程详图设计根据主要构件的具体工作。设计中需要解决设备总体和零部件的装配、加工等具体技术问题，提供详细的设计技术文件，形成设备制造工程的基础。 4.风力发电机增速器的设计计算 传动装置是大多数机器的主要组成部分。传动件及传动装置设计是否合理、 制造和装配质量是否符合要求，将成为决定产品质量的关键。传动可以分为机械传动、流体传动和电传动三类。而机械传动按其工作原理分为啮合传 动与摩擦传动，具体分为链传动、带传动、齿轮传动、蜗杆传动四类。根据风力发电机组传动特点和工作环境要求，一般均选择齿轮传动。 齿轮传动是机械传动中最重要、应用最广泛的一种传动形式。其主要优点是：具有瞬时传动比恒定、可靠性高、寿命长、结构紧凑。齿轮传动分为开式、半开式和闭式三种传动方式。由于风力发电机工作环境恶劣，一般采用闭式传动以满足润滑要求。 增速器是指安装在原动机与工作机之问独立的闭式传动装置，用于增加转速应相应减小转矩。增速器是风力发电机组的重要组成部分，它承担了调速、改变运动形式、动力和运动的传递和分 配等功能。考虑到风力发电机要求传动比大、结构紧凑、效率高等特点，本文采用两级行星齿轮传动加一级平行轴斜齿轮传动的结构形式。 4.1传动方案的确定 nts 17 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；按照传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。常用齿轮箱形式及其特点和应用见表 3-7。 表 4-1 常用风力发电机组增速箱的形式和应用 传递形式 传动简图 推荐传动比 特点及应用 两 级 圆 柱 齿 轮 传 动 展开式 128 60i iii= 结构简单，但齿轮箱对于轴承的位置不对称，因此要求轴有较大
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