风机各部件的基本介绍.ppt

风机各部件的基本介绍 目录 第一部分 各系统部件介绍第二部分 电控系统功能介绍第三部分 风机传动系统第四部分 风机偏航系统及液压系统 第一部分 各系统部件介绍 大型风力发电机组从外观结构来说一般由图2 1所示部分组成 从机组各部分所能实现的功能来说一般由图2 2所示部分组成 1 风轮风轮由轮毂和叶片组成 它的作用是将风能转换为机械能 它由气动性能优异的叶片装在轮毂上组成 风轮转子直径随着风力发电机功率的增大而增大 风轮按叶片数可以分为单叶片 双叶片 三叶片和多叶片风轮 其中三叶片风轮由于稳定性好 在并网型风力发电机组上得到广泛应用 按照叶片能否围绕其纵向轴线转动 可以分为定桨距风轮和变桨距风轮 定桨距风轮叶片与轮毂固定连接 结构简单 但是承受的载荷较大 变桨距风轮的叶片与轮毂通过轴承连接 虽然结构比较复杂 但能够获得较好的性能 而且叶片承受的载荷较小 重量轻 轮毂风力机叶片都要装在轮毂上 轮毂是风轮的枢纽 也是叶片根部与主轴的连接件 所有从叶片传来的力 都通过轮毂传递到传动系统 再传到风力机驱动的对象 同时轮壳也是控制叶片桨距 使叶片作俯仰转动 的所在 2 主传动系统传动系统包括主轴 齿轮箱和联轴器 轮毂与主轴固定连接 将风轮的扭矩传递给齿轮箱 有的风力发电机组组将主轴与齿轮箱的输入轴合为一体 大型风力发电机组风轮的转速一般在10 30r min范围内 通过齿轮箱增速到发电机的同步转速1500r min 或1000r min 经高速轴 联轴节驱动发电机旋转 主轴在风力发电机组中 主轴承担了支撑轮毂处传递过来的各种负载的作用 并将扭矩转递给增速齿轮箱 将轴向推力 气动弯矩传递给机舱 塔架 主轴前端法兰与轮毂相联接 将风轮的回转运动传递给齿轮箱的低速轴 设计过程中应考虑主轴的轴向力 剪力 弯矩及扭矩 进行强度初步分析计算 主轴的疲劳性能是非常关键的 为此 要注意外形和结构细节设计 如应力卸载槽 表面处理和加工工艺等 齿轮箱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 风力发电机组齿轮箱的种类很多 按照传统类型可分为圆柱齿轮增速箱 行星增速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 联轴器 大型风力发电机组通常采用浮动用齿式联轴器 齿式联轴器按其外齿的轮齿在齿宽方向的截面形状 常用的是直齿和鼓形齿 直齿加工简单 但允许倾斜角小 一般不大于30 工作时 容易产生轮齿端部受载 齿面磨损大 强度和寿命较低 鼓形齿 允许倾斜角较大 一般可达2 左右 轮齿受力情况好 浮动灵敏 强度和寿命较高 联轴器有单齿和双齿联轴器 联轴器的倾斜角 图2 7联轴器结构原理 图中 被浮动构件的径向位移量 联轴器的长度 联轴器的定心方式 有外径定心和齿侧定心 齿侧定心有自动定心作用 有利于联轴器的齿间载荷分布 3 发电机发电机将风轮的机械能转换为电能 分为异步发电机和同步发电机两种 异步发电机的转速取决于电网的频率 只能在同步转速附近很小的范围内变化 当风速增加使齿轮箱高速输出轴转速达到异步发电机同步转速时 机组并入电网 向电网送电 风速继续增加 发电机转速也略为升高 增加输出功率 达到额定风速后 由于风轮的调节 稳定在额定功率不再增加 为了减少齿轮箱的传动损失和发生故障的概率 有的风力发电机组组采用风轮直接驱动同步多极发电机 又称无齿轮箱风力发电机组组 其发电机转速与风轮相同而且随着风速变化 风轮可以转换更多的风能 所承受的载荷较小 减轻部件的重量 缺点是这种发电机结构复杂 制造工艺要求很高 需要变流装置才能与电网频率同步 经过转换又损失了能量 4 偏航系统 偏航系统是水平轴风力发电机组的不可缺少的组成部分 偏航系统的主要作用有两个 其一是与风力发电机组的控制系统相配合 使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态 充分利用风能 提高风力发电机组的发电效率 其二是提供必要的锁紧力矩 以保障风力发电机组的安全运行 偏航系统采用四点球轴承回转环 确保风轮处于正确的风向位置 偏航操作由三个行星齿轮完成 每一个由电力电子控制的电机驱动 这样偏航齿轮的负荷大小均匀 偏航制动由六个液压制动器控制的大盘制动 且每一个偏航齿轮独立制动 整个系统保证偏航控制平滑 当偏航结束 机舱就固定不动 而且偏航齿轮也不承受负荷 偏航系统有两个独立的风向标检测风速并送主计算机 保证风能最佳利用且驱动链应力最小 5 雷电保护风力发电机的塔架一般有圆锥形钢结构和梯形栅格钢结构两种 圆锥形钢结构内部安装楼梯 安全线路 工作平台和照明系统 塔架基础采用地下钢筋混凝土结构 随着塔身高度增加 风轮叶片遭受雷击的概率也增加 必须设计防雷系统 如果风轮或机舱遭受雷击 雷电保护系统会将雷电电流引入接地系统 6 控制系统及安全系统风轮功率控制采用大功率整流逆变控制器 以及有源滤波和无功补偿 信号处理通常有两个独立的计算机或高速数字信号处理芯片 主机在地面控制室的开关柜内 从机设在机舱内 所有来自传感器和变送器的输入信号都由从机汇集和处理 再传送给主机 主机监控风轮所有的运行状态 主机和从机间通过光纤达到可靠快速地交换信息 风力发电机完全实现远程监控 从远程计算机可读取所有风轮数据 安全系统要保证机组在发生非正常情况时立即停机 预防或减轻故障损失 关键部件采用了 失效 保护 的设计原则 7 基础机组基础的设计由塔架基底倾覆力矩决定 对于圆筒型塔架采用的基础结构有厚板块 多桩和单桩形式 a 平面板块基础 b 平放基座基础 c 嵌入式塔架和倾斜板块基础 d 岩石床打锚基础 各类机型中 变速变距型风电机组控制技术较复杂 其控制系统主要由三部分组成 主控制器 桨距调节器 功率控制器 主控制器主要完成机组运行逻辑控制 如偏航 对风 解绕等 并在桨距调节器和功率控制器之间进行协调控制 桨距调节器主要完成叶片节距调节 控制叶片桨距角 在额定风速之下 保持最大风能捕获效率 在额定风速之上 限制功率输出 功率控制器主要完成变速恒频控制 保证上网电能质量 与电网同压 同频 同相输出 在额定风速之下 在最大升力桨距角位置 调节发电机 叶轮转速 保持最佳叶尖速比运行 达到最大风能捕获效率 在额定风速之上 配合变桨距机构 最大恒功率输出 小范围内的抑制功率波动 由功率控制器驱动变流器完成 大范围内的超功率由变桨距控制完成 第二部分控制系统功能和控制策略介绍 机组运行工作状态划分及转换 4种工作状态 运行状态暂停状态停机状态紧急停机状态 每种状态是一个活动层次 运行状态层次最高 急停状态最低 四种工作状态的主要特征和说明如下 1 运行状态机械闸松开允许机组并网发电机组自动偏航调向桨距控制系统选择优化工作模式 根据风速状况选择优化的桨距角 液压系统保持工作压力冷却系统自动状态操作面板显示 运行 状态 2 暂停状态机械闸松开液压系统保持工作压力机组自动偏航调向叶片桨距角调到接近全翼展状态叶轮空转或停止冷却系统自动状态操作面板显示 暂停 状态这个状态在调试时很有用 主要用来调试时测试整个系统的功能是否正常 机组运行工作状态划分及转换 3 停机状态机械闸松开叶片处于全翼展状态液压系统保持工作压力机组自动偏航调向停止冷却系统非自动状态操作面板显示 停机 状态 4 紧急停机状态机械闸抱闸紧急电路 安全链 开启控制器所有输出信号无效控制器仍在运行和测量所有输入信号操作面板显示 紧急停机 状态当急停电路 安全链 动作时 所有接触器断开 控制器输出的任何信号都无效 这种状态多在手动操作和按下紧急停机按钮时出现 偏航结构及其控制 偏航系统的组成 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 偏航液压回路 纽缆保护装置 偏航计数器 偏航控制 通过转动风轮使其远离风向 减少功率吸收 它需要偏航驱动系统 轮毂要承受偏航回转力矩 总的来说控制有效 设计简单 驱动偏航 自由偏航或固定式偏航下风向风机采用自由偏航方式 风机象一个大的风向标一样自动跟随风向摆动 不需要驱动装置 可以设计偏航阻尼限制偏航速率 上风向风机一般采用主动偏航方式 驱动系统包括偏航电机 减速机 偏航刹车机构等 这种驱动方式塔架需要承受偏航扭矩 偏航控制大多数水平轴风机采用偏航机构旋转风轮顺风 限制功率输出 但这种方法响应速度很慢 原因有 1 机舱和风轮有很大的惯性力矩 2 垂直于风轮的风速与偏航角度的变化呈正弦关系 如果偏航角变化10度 功率下降只变化几个百分比 而如果桨距角变化10度 功率下降会很明显 在变速机组上应用主动偏航控制 振风引起的的超功率可以暂时储存在风轮动能里 如果继续超功率 再进行偏航动作 这种设计方法已在Gamma60试验样机上获得成功 偏航最大速率8度 s 偏航控制流程 概要 一 传动链布局形式二 传动零部件组成 第五部分 风机传动系统 一 传动链布局形式 MY1 5MW 两点支撑双排独立的滚珠轴承 只承受扭矩的独立齿轮箱 于机座相联接的独立的发电机 发电机座不传递转子负载 转子负载对齿轮箱只具有很小的冲击作用 传动系统 其它的传动链布局形式 VESTASV80 1 65MW 三点式支撑 单主轴轴承 成本低 传动链缩短 齿轮箱前轴承承受转矩和径向负载 故障率高 风机传动系统 WINTECWT1650 主轴齿轮箱集成式 优点 结构紧凑 重量轻 缺点 齿轮箱可靠性要求高 维护不变 风机传动系统 直驱式 省去齿轮箱 结构紧凑 技术不成熟 发电机尺寸大 吊装不便 风机传动系统 半直驱式 齿轮箱传动比小 并与发电机集成 结构紧凑 二 传动链组成传动链主要由主轴总成 偏航总成 齿轮箱 联轴器 发电机和机座组成 主轴锁紧装置 主轴 材料 42CrMo 常温 34CrNiMo6 QT 寒带 制造 电炉 真空冶炼 加工方法 铸锭 锻造比 最小3 5 锻造精度 2级 严格执行GB T17107 1997规定 对锻后毛坯进行热处理 后轴承座 推力 前轴承座 浮动 轴承座材料有两种1 QT400 18AL2 EN GJS 350 22U LT 主轴轴承 球面滚子轴承 球面滚子轴承能自动调心 可以承受较大的对中误差 主轴总成爆炸图 齿轮箱 传动比i 100 48 额定功率P 1663kW 输入转速n 17 4rpm 传动方式 二级行星 一级平行 齿轮箱内部结构图 其它类型齿轮箱 传动方式 一级行星 两级平行 多级行星差动轮系 主轴制动 功能 停机和制动 类型 盘式刹车 4 高速轴联轴器 将齿轮箱输出扭矩及转速传递给发电机输入端 并具有缓冲 减振 力矩限制功能 5 发电机 偏航总成 偏航总成结构图 制动器支撑及刹车盘 材料 低温球墨铸铁EN GJS 350 22U LT常温球墨铸铁QT400 AL 偏航制动器 4 1液压系统在风力发电机组中的应用 在定桨距风力发电机组中 液压系统主要用于空气动力制动 机械制动 以及偏航与制动 在变桨距风力发电机组中 液压系统主要用于控制变距机构和机械制动 也用于偏航与制动 第四部分 风机偏航系统及液压系统 风力发电机组中常用的液压元件 4 1 1 液压泵 1 液压泵分类液压泵是能量转换装置 用来向液压系统输送压力油 推动执行元件作功按照结构的不同 液压泵可分为齿轮泵 叶片泵 柱塞泵和螺杆泵等按照额定压力的不同 可分为低压泵 中压泵 中高压泵 高压泵和超高压泵按液压泵输出流量能否调节 又分为定量泵和变量泵 4 1 2液压缸 液压缸是将输入的液压能转变为机械能的能量转换装置 是液压系统的执行元件 可以很方便地获得直线往复运动 左图为液压缸模型图 4 1 3液压阀 液压阀按功能分为 方向控制阀 压力控制阀和流量控制阀 1 方向控制阀方向控制阀 简称方向阀 用来控制液压系统的油流方向 接通或断开油路 从而控制执行机构的启动 停止或改变运动方向 方向控制阀有单向阀和换向阀两大类 单向阀 普通单向阀又称逆止阀 它控制油液只能沿一个方向流动 不能反向流动 它由阀体 阀芯和弹簧等零件构成 带有控制口的单向阀称为液控单向阀 当控制口通压力油时 油液也可以反向流动 如图所示 换向阀 换向阀的作用是利用阀芯相对于阀体的运动 来控制液流方向 接通或断开油路 从而改变执行机构的运动方向 启动或停止 换向阀的种类很多 按操作阀芯运动的方式可分为手动 机动 电磁动 液动 电液动等 2 压力控制阀 在液压系统中用来控制油液压力 或利用压力作为信号来控制执行元件和电气元件动作的阀称为压力控制阀 简称为压力阀 这类阀工作原理的共同特点是 利用油液压力作用在阀芯的力与弹簧力相平衡的原理进行工作的 按压力控制阀在液压系统中的功用不同 可分为溢流阀 减压阀 顺序阀 压力继电器等 3 流量控制阀 在液压系统中用来控制液体流量的阀类统称为流量控制阀 简称为流量阀 它是靠改变控制口的大小 调节通过阀的液体流量 以改变执行元件的运动速度 普通流量控制阀包括节流阀 调速阀和分流集流阀等 4 电液伺服阀和电液比例阀 电液伺服阀是一种根据输入电信号连续成比例地控制系统流量和压力的液压控制阀 它将小功率的电信号转换为大功率的液压能输出 实现执行元件的位移 速度 加速度及力的控制 电液伺服阀控制精度高 响应速度快 应用于控制精度要求较高的场合 电液比例阀是用比例电磁铁代替普通电磁换向阀电磁铁的液压控制阀 它也可以根据输入电信号连续成比例地控制系统流量和压力 在动态特性上不如电液伺服阀 但在制造成本 抗污染能力等方面优于电液伺服阀 4 1 4辅助元件 液压系统中的辅助元件包括油管 管接头 蓄能器 过滤器 油箱 密封件 冷却器 加热器 压力表和压力表开关等 密封装置及油液的选用 密封装置用来防止系统油液的内外泄漏 以及外界灰尘和异物的侵入 保证系统建立必要压力 要求密封装置在一定的工作压力和温度范围内具有良好的密封性能 与运动件之间摩擦系数要小 寿命长 不易老化 抗腐蚀能力强 变桨距机组液压系统 偏航系统的组成 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 偏航液压回路 4 2偏航系统介绍 一 偏航轴承 偏航轴承的轴承内外圈分别与机组的机舱和塔体用螺栓连接 轮齿可采用内齿或外齿形式 外齿形式是轮齿位于偏航轴承的外圈上 加工相对来说比较简单 内齿形式是轮齿位于偏航轴承的内圈上 啮合受力效果较好 结构紧凑 二 偏航驱动装置驱动装置一般由驱动电动机或驱动马达 减速器 传动齿轮 轮齿间隙调整机构等组成 驱动装置的减速器一般可采用行星减速器或蜗轮蜗杆与行星减速器串联 传动齿轮一般采用渐开线圆柱齿轮 偏航驱动用来在对风 解除电缆缠绕时 驱动机舱相对于塔筒旋转 一般有驱动电机或液压驱动单元 安置在机舱里 通过减速机驱动垂直轴上的小齿轮 小齿轮与固定在塔筒上的大齿圈啮合 驱动机舱偏航 啮合轮齿可以在塔筒外 也可在塔筒内 为了节省空间 方便塔筒与机舱间人行通道 一般采取塔筒外的安置方式 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 五 纽缆保护装置 四 偏航计数器 偏航计数器是记录偏航系统旋转圈数的装置 当偏航系统旋转的圈数达到设计所规定的初级解缆和终级解缆圈数时 计数器则给控制系统发信号使机组自动进行解缆 计数器一般是一个带控制开关的涡轮涡杆装置或是与其相类似的程序 纽缆保护装置是偏航系统必须具有的装置 它是出于失效保护的目的而安装在偏航系统中的 它的作用是在偏航系统的偏航动作失效后 电缆的纽绞达到威胁机组安全运行的程度而触发该装置 使机组进行紧急停机 一般情况下 这个装置是独立于控制系统的 一旦这个装置被触发 则机组必须进行紧急停机 纽缆保护装置一般由控制开关和触点机构组成 控制开关一般安装在机组的塔架内壁的支架上 触点机构一般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 触点机构被提升或被松开而触发控制开关 偏航系统的维护 一 维护偏航制动器偏航轴承偏航驱动装置二 统的维修和保养应进行的检查维护和保养 三 偏航系统的常见故障齿圈齿面磨损液压管路渗漏偏航压力不稳噪声异常偏航定位不准确偏航计数器不准确 四 变距系统介绍 当前的变桨距系统主要有液压驱动和伺服电机驱动两种方式 伺服电机驱动以其特有优点成为了当前国外的主要变桨距驱动方式 1 液压驱动变桨距控制系统2 伺服电机驱动变桨距控制系统 液压变桨系统与电动变桨系统比较 1 液压驱动系统 结构复杂 而且液压缸也存在漏油和渗油的隐患 液压油在高温和低温时需要加热和冷却 影响液压刚度 液压阻尼比 液压固有频率等 还占用机舱上的空间 再有就是液压系统不易施加控制策略 液压阀定位精度不是很高 2 伺服电机驱动的系统 具有结构简单 控制策略多样化 如可以在变频器部分采用矢量控制及先进的智能控制理论 控制精度高 节约机舱空间所有的控制系统部分都在轮毂内 唯一的不足的就是蓄电池的寿命问题和成本高 10倍 电动变桨距系统的主要结构 电动变桨距的机械传动示意图 图2风轮布局注 1 变距轴承2 轴柜3 减速机4 变距电机5 位置传感器6 限位传感器7 电池柜8 电池柜9 低速传动轴10 轮毂 电动变桨距系统原理 每个桨叶采用一个带位移反馈的伺服电动机进行单独调节 由同步控制器实现三桨叶的同步变桨 位移传感器采用光电编码器 安装在伺服电动机输出轴上 采集电动机转动角度 伺服电动机通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相连 带动桨叶进行转动 实现对桨叶的节距角的直接控制 在轮毂内齿圈的边上又安了一个非接触式位移传感器 直接检测内齿圈转动的角度 即桨叶节距角变化 当内齿圈转过一个角度 非接触式位移传感器输出一个脉冲信号 变桨距控制是依据安装在电机后方输出轴上的光电编码器所测的速度值进行控制 非接触传感器作为冗余控制的参考值 它直接反映的是桨叶节距角的变化 当发电机输出轴 联轴器或光电编码器出现故障时 即光电编码器与非接触位移传感器所测数字不一致时 则控制器便可知道系统出现故障 电机控制电路安放在电气板上 便于散热 如果系统出现故障 控制电源断电时 电机由电池供电 60s内将桨叶调