20千瓦风力发电机设计【含4张PDF图纸+CAD制图+文档】
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说明书摘 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20千瓦的风力发电机，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。AbstractWind 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 20 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.目录1. 绪论511 风力发电发展概况512 风力发电的背景6121 能源危机6122 环境危机6123 可再生能源开发利用7124 风能开发利用813 风力发电发展现状8131 国外风电发展现状9132 国内风电发展现状1014 国内外风电机组发展趋势11141 产业集中是总的趁势11142 水平轴风电机组技术成为主流11143 风电机组单机容量持续增大12144 变桨变速功率调节技术得到广泛采用12145 双馈异步发电技术仍占主导地位12146 大型风电机组关健部件的性能日益提高13147 智能化控制技术提高了风电机的可靠性和寿命13148 叶片技术发展趋势13149 风电场建设和运营的技术水平日益提高141410 恶劣气侯环境下的风电机可靠性得到重视1415 小结152. 发电机组的基本功能构成及工作原理1621 风电机组的基本功能构成1622 风电机组的工作原理172. 3 风力发电机的基本结构及三维建模19 231 风轮19232 轮毂19233 主轴20234 齿轮箱21235 发电机21236 偏航系统22237 对风装置23238 塔架和基础23239 附属部件233. 风电发电机主要零件的设计计算2531 确定设计目标25 311 风力机总体设计方案25312 风力机零件设计方案2732 风力发电机设计中的相关理论及概念28 321 风力机气动设计理论基础28322 叶片设计中的基本概念3133风力发电机叶轮系统设计计算33 331 叶轮的总体设计33332 叶片的设计计算34 333 轮毂的选择3934 风力发电机增速器的设计计算39 341 传动方案的确定39342 增速器基本设计要求及设计步骤40343 传动原理图41344 增速器各传动部件的材料及力学性能42345 第一级行星轮系传动设计43346 第二级平行轴圆柱直齿轮设计44347 第三级平行轴圆柱斜齿轮设计45348 行星齿轮具体结构的确定4535 塔架的设计46 351 塔架高度的确定46 352 塔架形式的确定4736 偏航系统的设计4737 制动系统的设计4838 其它附属部件的设计49 341 机舱的设计49342 机座的设计49 341 回转体的设计49总结50致谢51参考文献52显示对应的拉丁字符的拼音字典朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典1. 绪论11 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 垂直轴风车世界上第1台风电机组于1891年在丹麦建成，但由于技术和经济等方面的原因，风力发电一直未能得到广泛应用。直到1973年发生了石油危机，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，采用新技术研制现代风电机组。20世纪80年代开始建立示范风电场。20世纪90年代，许多国家纷纷制定了激励风力发电发展的优惠政策。1992年以来，全球风电累计装机容量的年增长率一直高于15%，风力发电技术日臻成熟。2002年4月25日，首届世界风能大会在法国巴黎举行，欧洲和北美风力发电技术发展迅速。2006年，全球已有48个政府引入法规扶持风力发电等可再生能源的发展。2008年年底全球累计风电装机容量已超过了120.8GW，相当于减排1.58亿吨CO2。美国风电市场近年来一直保持高速发展，2009年新增风电装机容量9.92GW，累计风电装机容量达到35.16GW，排名世界第1。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。19861993年，全国共建12个风电场，装机容量为13.3MW；19941999年，全国共建有21个风电场，装机容量达到249.05MW。其中，19921996年的主力机型为200300kW机组，19972002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。12 风力发电的背景121 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。122 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。123 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。124 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2.74106GW，其中可利用的风能总量为2.74104GW，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。1891年，丹麦建成了世界第一座风力发电站。20世纪30年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功的研制了一些小型风电机组。这种小型风电机组被广泛运用在多风的海岛和偏僻的乡村，所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低很多。不过，当时的发电量较低，大都在5kW以下。1973年，世界石油危机爆发以后，风能作为新能源得到重视，世界风力发电发展迅速开始加快，各国都在积极研制、开发1100kW以上的大型风电机组。美国在1974年开始实施联邦风能计划，20世纪80年代成功开发了100kW、200 kW、2000 kW、2500 kW、6200 kW、7200 kW等6种风电机组。瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本、西班牙等国，也根据各自国家的情况制订了相应的风力发电计划。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。20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。13 风力发电国内外发展现状131 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kWh；2030年风电装机容量达到300GW，发电量达到6000108kWh，分别占届时欧盟风电装机容量和发电量的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。132 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。14 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：141 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。142 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。143 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。144 变桨变速功率调节技术得到广泛采用由于变桨距功率调节方式具有载荷控制平稳、安全和高效等优点，近年在大型风电机组上得到了广泛采用。结合变桨距技术的应用以及电力电子技术的发展，大多风电机组开发制造厂商开始使用变速恒频技术，并开发出了变桨变速风电机组，使得在风能转换上有了进一步完善和提高。2009年，在全球所安装的风电机组中有95的风电机组采用了变桨变速方式，而且比例还在逐渐上升。我国2009年安装的MW级风电机组中，也全部是变桨距机组。2MW以上的风电机组大多采用三个独立的电控调桨机构，通过三组变速电机和减速箱对桨叶分别进行闭环控制。145 双馈异步发电技术仍占主导地位以丹麦Vestas公司的V80、 V90为代表的双馈异步发电型变速风电机组，在国际风电市场中所占的份额最大。德国Repower公司利用该技术开发的机组单机容量已经达到5MW。西门子公司、德国Nordex公司、西班牙Gamesa公司、美国GE风能公司和印度Suzlon公司都在生产双馈异步发电型变速风电机组，2009年新增风电机组中，双馈异步发电型变速风电机组仍然占80以上。目前，欧洲正在开发10MW的双馈异步发电型变速恒频风电机组。我国内资企业华锐风电、东方气轮机、国电联合动力、广东明阳等企业也在生产双馈异步发电型变速风电机组。2009年我国新增风电机组中，双馈异步发电型变速风电机组仍然占82以上。目前，我国华锐风电研发的3MW的双馈异步发电型变速恒频风电机组已经投入运行。146 大型风电机组关健部件的性能日益提高随着风电机组的单机容量不断增大，各部件的性能指标都有了提高，国外己研发出3000V-12000V的风力发电专用高压发电机，使发电机效率进一步提高；高压三电平变流器的应用大大减少了功率器件的损耗，使逆变效率达到98以上；某些公司还对桨叶及变桨距系统进行了优化，如德国ENERCON公司在改进桨叶后使叶片的 Cp值达到了0.5以上。从2007年胡苏姆风能展的情况看，欧洲风电设备的产业链已经形成，为今后的快速发展奠定了基础。我国在大型风电机组关键部件方面也取得明显进步，如南京高速齿轮箱厂、重庆齿轮箱厂、大重减速机厂、杭州前进齿轮箱厂和德阳二重等主要齿轮箱制造企业生产的大型风电机组齿轮箱，供货能力充足，质量已有明显提高；保定惠腾、连云港中复连众和中材科技已能生产长达48.8m，与3兆瓦风电机组配套的大尺寸叶片，兰州电机厂生产的发电机等产品质量都有很大提高。从2009年上海第四届风能展的情况看，我国风电设备的产业链已经形成，为今后的快速发展奠定了稳固的基础。我国在某些基础结构件、铸锻件等领域已经具有优势，不仅能满足国内市场需求，而且已经向国际市场供货。北京科诺伟业能源科技有限公司、合肥阳光电源有限公司、北京清能华福风电技术有限公司、天津瑞能电气、龙源电气、九州电气和禾旺电气等10多家企业已具备兆瓦级风电机组变流器研发、生产和供货能力。147 智能化控制技术提高了风电机的可靠性和寿命鉴于风电机的极限载荷和疲劳载荷是影响风电机组及部件可靠性和寿命的主要因素之一，近年来，风电机制造厂家与有关研究部门积极研究风电机的最优运行和控制规律，通过采用智能化控制技术，与整机设计技术结合，努力减少和避免风电机组运行在极限载荷和疲劳载荷，并逐步成为风电控制技术的主要发展方向。148 叶片技术发展趋势随着风电机组尺寸的增大，叶片的长度也变得更长，为了使叶片的尖部不与塔架相碰，设计的主要思路是增加叶片的刚度。为了减少重力和保持频率，则需要降低叶片的重量。好的疲劳特性和好的减振结构有助于保证叶片长期的工作寿命。额外的叶片状况检测设备将被开发出来并安装在风电机组上，以便在叶片结构中的裂纹发展成致命损坏之前或风电机组整机损坏之前警示操作者。对于陆上风电机组来说，不久这种检测设备就会成为必备品。为了增加叶片的个刚度并防止它由于弯曲而碰到塔架，在长度大于50米的叶片上将广泛使用强化碳纤维材料。为了方便兆瓦级叶片的道路运输，某些公司已经把叶片制作成两段。例如德国Enercon公司的E126 6MW风电机组的叶片由内、外两段叶片组成，靠近叶根的内段由钢制造，外包玻璃钢壳体形成气动形状表面。智力材料例如压电材料将被使用以使叶片的气动外形能够快速变化。为了减少叶片和整机上的疲劳负荷，可控制的尾缘小叶可能被逐步引入叶片市场。热塑材料的应用：LM Glasfibre公司正开展一项耗资8百万欧元的研究项目，目的是用玻璃钢、碳纤维和热塑材料的混合纱丝去制造叶片。一旦这种纱丝铺进模具，加热模具到一定温度后，塑料就会融化，并将纱丝转化为合成材料，这可能会使叶片生产时间缩短50%。149 风电场建设和运营的技术水平日益提高随着投资者对风电场建设前期的评估工作和建成后运行质量的越来越高的要求，国外已经针对风资源的测试与评估开发出了许多先进测试设备和评估软件。在风电场选址，特别是选址方面已经开发了商业化的应用软件。在风电机组布局及电力输配电系统的设计上也开发出了成熟软件。国外还对风电机组和风电场的短期及长期发电量预测做了很多研究，取得了重大进步，预测精确度可达90以上。1410 恶劣气侯环境下的风电机可靠性得到重视由于中国的北方具有沙尘暴、低温、冰雪、雷暴，东南沿海具有台风、盐雾，西南地区具有高海拔等恶劣气候特点，恶劣气候环境已对风电机组造成很大的影响，包括增加维护工作量，减少发电量，严重时还导致风电机组损坏。因此，在风电机组设计和运行时，必须具有一定的防范措施，以提高风电机组抗恶劣气候环境的能力，减少损失。因此，今年来中国的风电机组研发单位在防风沙、抗低温、防雷击、抗台风、防盐雾等方面着手进行了研究，以确保风电机组在恶劣气候条件下能可靠运行，提高发电量。15 小结随着能源危机程度的加深，世界各国都在加大风能利用和开发，尤其是我国能源耗费相对较大，更要积极开发绿色环保能源。针对我国风力发电面临的问题和挑战，产业初期特别需要加大对研发的投入，随着国家对风电的重视，可再生能源法及实施办法出台，相信我国的风电发展将会快步前进。为了可持续发展，我国的风电发展产业需要借鉴其他产业的经验教训，要重质量，讲效益，走集约发展路线，创造和谐发展蓝图。2. 发电机的工作原理及基本结构21 风电机的功能单元的划分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。22 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。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 电网 风 M1 1 M2 2 P3 变压器 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）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Nm； 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 （1-2）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Nm； 2主传动系统的角速度，单位为1/s； 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 （1-3）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； cos功率因数； 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 风力发电机的基本结构及三维建模2.3.1 风轮 风轮是由叶片和连接叶片和发电机的轮毂组成。其功能是将风能转换为机械能。叶片采用三片，叶片的材料选用玻璃钢，它是由环氧树脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤维而做成的增强塑料。其强度高，重量轻，耐老化，表面可再缠玻璃纤维及涂环氧树脂，其他部分填充泡沫塑料。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。如图2-3所示 图2-3风轮的结构图2.3.2 轮毂 风力机叶片都要装在轮毂上，通过轮毂与主轴连接，并将叶片力传到风力机驱动的对象(发电机)。同时轮毂也实现叶片桨距角控制，故需要有足够的强度。有些风力机采用桨距角叶片结构，可以简化结构、提高寿命和降低成本。轮毂是用铸铁或者钢板焊接而成。铸钢在加工前要对其进行探伤，决不允许有夹渣、缩孔、砂眼、裂纹等缺陷。焊接的轮毂，其焊接必须经过超生波检查，并按桨叶可能承受的最大离心力载荷确定钢板的厚度。此外，还要考虑交应变力引起的焊接缝疲劳。轮毂如下图2-4所示图2-4轮毂示意图2.3.3 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2-5主轴示意图2.3.4 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。图2-6 齿轮箱整体图2.3.5 发电机 发电机也是风力发电机组中关键零部件，它的性能好坏直接影响整机效率和可靠性。发电机可选用同步发电机，同步发电机是目前使用最多的一种发电机，同步发电机的定子与异步发电机的相同，由定子铁心和三相定子绕组组成；转子由转子铁心、转子绕组（即励磁绕组）、集电环和转子轴等组成，转子上的励磁绕组经集电环、电刷与直流电源相连，通以直流励磁电流来建立磁场。为了便于起动，磁极上还一般装有笼型起动绕组。 同步发电机的工作原理：在风力发电机的拖动下，转子（含磁极）以转速n旋转，旋转的磁场切割定子上的三相对称绕组，在定子绕组中产生频率为f1的三相对称的感应电动势和电流输出，从而将机械能转化为电能。由定子绕组中的三相对称电流产生的定子旋转磁场的转速与转子转速相同，即与转子磁场相对静止。因此，发电机的转速、频率和极对数之间有着严格不变的固定关系，即：f1=pn/60=pn1/602.3.6 偏航系统 偏航系统包含偏航轴承，偏航轴承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，驱动底板转动。偏航驱动机包括电机、减速器、驱动小齿轮等。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！用调速器与限速装置实现风力机在不同风速时，转速恒定和不超过某一最高转速限值。当风速过高时，这些装置还可用来限制功率，并减小作用在叶片上的力。调速器和限速装置有三类：偏航式、气动阻力式和变桨距角式。本风力发电机主要采取如图所示的主动偏航式调速装置，用于上风式风轮机，利用电机驱动。偏航系统如图2-7所示图2-7偏航系统示意图2.3.7 对风装置 自然界的风，不论是速度还是方向，都经常发生变化。对于水平轴风力机，为了得到最高的风能利用效率，应使风轮的旋转面经常对准风向，为此，需要对风装置。一些典型的对风装置，使用尾舵控制对风的最简单的方法，小型风力机多采用这种方式。在风力机两侧装有控制方向的舵轮，多用于中型风力发电机。2.3.8 塔架和基础塔架的功能是支撑位于空中的风力发电系统，塔架与基础相连接，承受风力发电系统运行引起的各种载荷，同时传递这些载荷到基础，使整个风力发电机组能稳定可靠地运行。塔架的刚度要适度，其自震频率要避开运行频率的整数倍。塔架按结构不同可分为拉索式、桁架式、锥筒式塔架，本设计采用锥筒式塔架。2.3.9 附属部件附属部件包括机舱、机座、回转体以及制动装置等，下面分别简要介绍。1、机舱风力机常年在野外运转，不但要经受狂风暴雨的袭击，还时刻面临尘沙磨损和盐雾侵蚀的威胁。为了使塔架上方的主要设备及附属部件（桨叶及尾舵或舵轮除外）免受风沙、雨雪、冰雹以及盐雾的直接侵害，往往用罩壳把他们密封起来，这罩壳就是“机舱”。田园一号风力发电机机舱设计的的轻巧、美观并带有流线型，它是由重量轻、强度高而又耐腐蚀的玻璃钢制作，并在金属机舱的面板上相间敷以玻璃布与环氧树脂保护层。2、机座机座用来支撑塔架上方风力机的所有设备及附属部件，它牢固与否直接关系到整机的安全和使用寿命。机座的设计要与整机布置统一考虑，在满足强度和刚度要求的前提下应力求耐用、紧凑、轻巧。尤其像田园一号这种中型风力机的机座是由纵梁、横梁为主，再辅以台板、腹板、肋板等焊接而成。焊接时必须严格根据焊接工艺施焊，并采取必要的技术措施以减少变形。主要焊接需经探伤检查，决不允许有未融合、未焊透，更不得有裂纹、夹渣、气孔等缺陷。3、回转体回转体是机座与塔架之间的连接件。它是由固定套、会转圈以及位于他们之间的轴承组成。固定套锁定在塔架上部，而回转圈则与机座相连。当风向变化时，风力机就能绕其回转而自动迎风。4、制动装置制动装置也称刹车机构，是风力机非常重要的附属部件，它可以保证风力机在维修或大风期间风轮处于制动状态。风力发电机的主要结构部件如上所述，使用catia软件对其各部分零件进行三维建模，完成装配如图2-8所示。图2-8风力发电机整体装配图3. 风电发电机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。31 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。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。3.1.2 风力机零件设计方案（1）风电机组部件结构方案设计根据确定的总体气动布局、总体技术参数、设计载荷以及风电机组的初步结构方案，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：风轮（包括详细的叶片结构、轮毂、变桨距机构等）、主传动链（包括主轴、联轴器、齿轮箱、制动装置等）、发电机系统、机舱和主机架、偏航系统、塔架和基础等。（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。3.2 风力发电机设计中的相关理论及概念叶片是风车结构中最重要的，也是受力最复杂的部件。风车运行在随时变化的自然环境中，受力情况复杂，风车叶片的设计是风车设计的。叶片是风车吸收风能的部件，业是主要的受力部件。设计优良的叶片能够很好的控制载荷，同时最大幅度的提高风车的效率。因此，对风车叶片的设计显得尤为重要。3.2.1 风力机气动设计理论基础贝茨(Betz)理论世界上第一个关于风力机风轮叶片接受风能的完整的理论是1919年由A贝茨(Betz)建立的。贝茨理论的建立，是假定风轮是“理想”的，全部接受风能(没有轮毅)，叶片无限多，对空气流没有阻力。空气流是连续的，不可压缩的，叶片扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的(或称平行风轮轴线的)，这时的风轮称“理想风轮”。分析一个放置在移动的空气中的“理想风轮”叶片上所受到的力及移动空气对风轮叶片所做的功。设风轮前方的风速为v1,v是实际通过风轮的风速。v2是叶片扫掠后的风速，通过风轮叶片前风速面积s1,叶片扫掠面的风速面积s及扫掠后风速面积s2。风吹到叶片上所做的功是将风的动能转化为叶片转动的机械能.如图3-1所示。v1-叶片前的风速； v-风经过叶片时的速度； v2-风经过叶片后的速度； S1-叶片前的风速的面积； S-风经过叶片时的面积； S2-风经过叶片后的面积，于是 风作用在叶片上的力由欧拉定理求得：F=sv(v2-v1) 图3-1 贝茨理论计算简图式中 -空气当时的密度。风轮所接受的功率为 N=Fv=sv2(v2-v1) 经过风轮叶片的风的动能转化 T=sv() 式中sv-空气质量。 N=T v=因此，风作用在风轮叶片上的力F和风轮输出的功率N分别为 F=s（ N=s（v1+v2）风速v1是给定的，N的大小取决于v2，N是v2的函数，对N微分求最大值，得 =s（令其等于0，求解方程，得 v2=v1求Nmax得 Nmax=s=令=0.593为CP，称作贝茨功率系数，有 Nmax=而正是风速为v1风能T，故 Nmax=CpT Cp=0.593说明风吹在叶片上，叶片上所能获得的最大功率Nmax为风吹过叶片扫掠面积s的风能的59.3%。贝茨理论说明，理想的风能对风轮叶片做功的最高效率是59.3%。 通常风力机风轮叶片接受风能的效率达不到59.3%，一般设计时根据叶片的数量、叶片翼型、功率等情况，取0.25-0.45。贝茨风能理论是风力机设计的最基本理论。到目前为止还没有发现有突破贝茨风能效率的风力机。贝茨理论是假想建立在“理想风轮”的情况下得到的。贝茨理论没有给定理想风轮叶片的形状、翼型、迎角、叶片扭曲等直接影响风轮接受风能的各种条件，因此，在设计风力发电机时、要注意考虑叶片接受风能的各种要素.3.2.2叶片设计中的基本概念 贝茨理论提供了风能的基本理论，没有提供风力机叶片的几何形状，因为贝茨理论假定的是理想风轮。风轮叶片的几何形状不同则其空气动力特性也不同。在未讨论叶片的几何形状及其空气动力特性之前，先明确几个概念和术语。 (1) 叶尖速比。叶尖速比，简称尖速比，风轮叶片尖端的线速度与风速v之比，用入来表示 = 式中：V叶片尖端线速度，m/s； v风速，m/s； n风轮转速，r/min； R风轮转动半径，m。低速风轮，取小值；高速风轮，取大值。表3-1给出了风轮叶片数与尖速比入的匹配值。表3-1 风力机叶片数与尖速比的匹配尖速比叶片数尖速比叶片数18244352612582433881512 (2) 翼的前缘。在图3-2中，翼的前头A为一圆头，称翼的前缘。 (3) 翼的后缘。翼的尾部B为尖型，即翼的尖尾称翼的后缘。 (4) 翼弦。翼的前缘A与后缘B的连线称翼的弦，AB的长是翼的弦长L，亦称翼弦 图3-2 翼的概念及翼的受力分析 (5) 翼的上表面。在图3-2中，翼弦上面的弧曲，即弧面称翼的上表面。 (6) 翼的下表面。翼弦下部的弧面，即弧面称翼的下表面。 (7) 翼的最大厚度h。冀的上表面与下表面相对应的最大距离称翼的最大厚度h。一般翼的最大厚度距前缘占弦长的20%35%，当厚度表达为弦长的函数称厚弦比或称相称相对厚度，通常为10%15% 。 (8) 翼展。叶片旋转直径，即风轮转动直径称为翼展。 (9) 叶片安装角。风轮旋转平面与翼弦所成的角称叶片安装角，在扭曲叶片中，沿翼展方向不同位置叶片的安装角各不相同，用来表示。 (10) 迎角。翼弦与相对风速所成的角称迎角，亦称攻角。 (11) 展弦比。翼展的平方与翼的面积之比，即风轮直径的平方与叶片面积之比，称展弦比，用来表示 = 式中：平均弦长，m； 叶片面积，m2； R风轮转动半径，m。(12) 失速。风吹在翼型上时使翼产生升力FL和阻力FD，升力与阻力之比称作翼型的升阻比，用来表示 式中：CL升力系数； CD阻力系数； FL升力，N或KN； FD阻力，N或KN。 升力随迎角的增加而增加，阻力FD随迎角的增加而减小。当迎角增加到某一临界值acr时，升力突然减小而阻力急剧增加，此时风轮叶片突然丧失支承力，这种现象称为失速。表3-2是叶片剖而翼型与升阻比()的关系。在负迎角时，升力系数随负角的增加而减小，达到最小值CLmin；阻力系数随负角的减小而降低，对不同翼型叶片其都能对应一个最小值;而后随迎角的增大而增大。(13) 风轮。风轮就是叶片安装在轮毅上的总成。(14) 叶片。叶片是接受风能的基本部件。叶片的翼型及扭曲、叶片的数量和尖速比都直接影响叶片接受风能的效率。表3-2 叶片剖面翼型与升阻比的关系风力机种类叶片剖面翼型尖速比（）升阻比（L/D）风力抽水机平板型曲板型风帆型 11020401025微、小型风力发电机普通翼型风帆型扭曲型343457205010403080中、大型风力发电机扭曲型51550100(15) 叶片旋转平面。叶片转动时所形成的圆面。(16) 风轮直径。叶片转动扫掠面的直径，亦称叶片直径。3.3 风力发电机叶轮系统的设计计算3.3.1叶轮的总体设计直接驱动风力发电机组的叶轮用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能。叶轮的转动是风作用在叶片上产生的升力导致。机组采用三叶片，上风向的布置形式，每个叶片有一套独立的变桨机构，主动对叶片进行调节。叶片采用NACA翼型叶片，叶片材料使用强化玻璃钢。叶轮直径为77m，扫风面积为4810m2。叶片配备雷电保护系统。当遭遇雷击时，通过间隙放电器将叶片上的雷电经由塔架导入地下。每一个叶片上有一个变桨轴承，变桨轴承连接叶片和铸铁结构的轮毂。叶片桨距角可根据风速和功率输出情况自动调节。风机维护时，叶轮可通过锁定销进行锁定。叶轮通过圆锥滚子轴承同空心轴连接，空心轴固定在机舱底座上。3.3.2叶片设计计算（1）风轮扫掠面积S的确定风力机的有效功率为NE=kCaCtSv3，故风轮扫掠面积S为 S= 式中： K单位换算系数，由表取K=0.6127； Ca空气高度密度换算系数，取Ca=1； Ct空气湿度密度修正系数，取Ct=1.13； Ne风力机有效功率，Ne=1500KW； v设计风速，取V=10m/s； 风力机全效率。风力机的全效率一般取=25%-50%。低速风力机取小值，1-3叶片高速风力机取大值；选取，取=0.45由以上参数可得： S=4810m2 表3-3 风力机功率换算系数K风力机功率单位风轮叶片扫掠面积S 风速 v功率换算系数 K瓦特（W）平方英尺（f）英里/小时(mile/h)5.08瓦特（W）平方英尺（f）英尺/秒（ft/s）1.61瓦特（W）平方米（）米/秒（m/s）0.6127马力（ph）平方英尺（f）英里/小时(mile/h)6.81马力（ph）平方米（）米/秒（m/s）8.21表3-4 空气密度修正系数,值 海拔高度 （m）海拔高度（ft） 摄氏温度（）华氏温度（）001.00-17.7801.1376225000.912-6.67201.083152450000.8324.44401040228675000.75615.559.91.0003048100000.68726.67800.963 表3-5 设计风力发电机初估全效率取值表风力机形式 初估全效率 （） 说明多叶片风力机10%30%多用于农业、牧业抽水风帆叶片风力机10%20%多用于抽水、碾米、磨面垂直轴“索旺尼斯”风力机10%20%多用于抽水、压缩空气垂直轴“达里厄”风力机15%30%用于风力发电机扭曲叶片风力机（螺旋型）15%35%30%45%1.010.0kW小型风力发电机10.0100.0kW小型风力发电机扭曲叶片风力机（螺旋型）35%50%100kW以上大型风力发电机（2）风轮直径的确定求出叶片扫掠面积S之后，便可计算出风轮直径d d=2 (m) 由式可得风轮直径d=277m。（3）确定风力机叶片数 风力机的叶片数与风力机的用途有关，与尖速比有一定的匹配，参考表3-2选取。由表3-2，取尖速比=5，则叶片数为3叶片。（4）确定单个叶片的面积Sy风力机接受风能的效率，与叶片翼型、尖速比等因素有关，同时还与密实比有关。所以密实比就是叶片本身的面积K与叶片扫掠面积S之比。密实比愈高的叶片，其尖速比愈低，风轮转速也愈低，叶片也愈多。多叶片低转速风轮启动性能好，适用于风力机抽水、碾米、压缩空气;密实比愈低的叶片，其尖速比愈高，其风轮转速愈高，叶片数愈少，适合于风力发电机。 = (m2) 式中：k风轮叶片数， -密实比。由以上参数可得单个叶片面积 =128m2（5）叶片剖面翼型 翼型对风力机叶片很重要，它直接接影响风轮的启动及接受风能的效率。叶片翼型基本_L可分为平板型、风帆型和扭曲型。低速风力机往往采用翼型为平板型或风帆型，它的的迎角在整个叶片上是一样的，效率也不高，但结构简单，易于制造，成本低。现代风力发电机的风轮叶片翼型基本上都用扭曲型，扭曲叶片虽然制造困难，但能提高风能利用率，使风力发电机获得最佳的风能功率。所谓扭曲叶片，就是沿叶片长度叶片翼型扭转一定角度，使得叶片翼型各处的安装角不一致，角度由叶根至叶尖逐渐减少，使叶片各处都处在最佳迎角状态，以获得最佳升力，从而提高叶片接受风能的效率。一些微小型风力发电机叶片有的是木制的，不易扭曲也可做成等安装角叶片，只是效率低一些。叶片设计选取NACA-4412翼型，在确定叶片剖面翼型的同时，必须注意到翼型的升阻比。从理论上说，升阻比L/D越大越好，但升阻比大到一定限度时风轮叶片的效率并不一定高，可选取翼型的升阻比L/D=8（6）叶片具体尺寸的确定叶片翼型不同其所接受的风能亦有差别，为厂表示不同形状的叶片其接受风能的特征引入叶片形状参数，尖速比愈大，则叶片面积应愈小。叶片接受风能的效率还与叶片翼型的相对迎风角有关，即与迎角有关，因相对迎风角=+。为使叶片各处接受空气动力一致，叶片各处的安装角就不同，亦即相对迎风角不同，这就是扭曲叶片。随着尖速比的增大叶片的相对迎风角愈小。=2是叶片尖端线速度与风速的比。叶片从转动中心至叶尖不同半径处的尖速比可由下式得： = 式（2-11）中：ri叶片从转动中心至叶尖的不同半径； R叶轮半径，R=37.5m； 尖速比，=5。现将风轮分为10个剖面，每个剖面间隔0.1R。(a) 利用上式计算各剖面尖速比值；(b) 利用公式确定每个剖面的相对迎风角和安装角；(c)根据公式N= 确定每个剖面的形状参数N；(d)由于选取的翼型为NACA-4412翼型，当L/D=100时，由图3-3可知迎角=80，此时升力系数CL=1.1；利用公式L=计算弦长L。 由(a)(b)(c)(d)步的计算结果如下表3-6所示： 表3-6 叶片尺寸参数r/R0.10.20.30.40.50.60.70.80.910.511.522.533.544.5553.133.623.918.414.912.510.89.58.47.645.125.615.910.46.94.52.81.50.4-0.4N11.458.151.841.070.690.490.360.280.220.18L1540410036003090258520851585108557480 图3-3 NACA-4412翼型 风轮叶片各参数确定之后，叶片几何形状就可确定，同时叶片实际安装角也可确定，叶片的实际工作位置就确定了。 定桨距叶片就是按计算所得到的实际叶片安装角将叶片固定到轮毅上，不能变动叶片安装角； 变桨距叶片就是叶片用可转动的轴安装在轮毅上，轮载上安装的几个叶片可同步转动以改变叶片的安装角，也即同步改变叶片的迎角以满足不同风速条件下(额定风速以上)风力发电机得到额定功率。变桨距叶片亦称变桨距调速。叶尖失速控制叶片就是叶片大部分固定，仅叶尖部分叶片可以转动改变叶片安装角的叶片。用叶尖失速控制的叶片来调速的称作叶尖失速控制调速。变桨距控制的目的是：使叶片的功角在一定范围（0度-90度）变化，以便调节输出功率，避免了定桨距机组在确定功角后，有可能夏季发电低，而冬季又超发的问题。在低风速段，功率得到优化，能更好的将风能转化电能。变桨机组的控制策略为：(a)额定风速以下通过控制发电机的转速使其跟踪风速，这样可以跟踪最优Cp；(b)额定风速以上通过扭矩控制器及变桨控制器共同作用，使得功率、扭矩相对平稳；功率曲线较好。（7）叶片结构设计风力发电机的风轮叶片是接受风能的最主要部件，叶片的设计要求有高效的接受风能的翼型，合理的安装角(或迎角)，科学的升阻比、尖速比和叶片扭曲。由于叶片直接迎风获得风能，所以还要求叶片有合理的结构、先进的材料和科学的工艺以使叶片能可靠地承担风力、叶片自重、离心力等给予叶片的各种弯矩、拉力，而且还要求叶片重量轻、结构强度高、疲劳强度高、运行安全可靠、易于安装、维修方便、制造容易、制造成本和使用成本低:另外，叶片表面要光滑以减少叶片转动时与空气的摩擦阻力。风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构。结构上分三个部分。(1)根部:材料一般为金属结构;(2)外壳:一般为玻璃钢;(3)龙骨(加强筋或加强框):一般为玻璃纤维增强复合材料或碳纤维增强复合材料。采用玻璃钢叶片，所谓玻璃钢就是环氧树脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤维而做成的增强塑料。增强塑料强度高、重量轻、耐老化，表面可再缠玻璃纤维及涂环氧树脂，既可增加强度又使叶片表面光滑。本设计采用用玻璃钢抽压或挤压成从叶根至叶尖渐缩的纵梁，其余部分用泡沫塑料填充，蒙皮用23层玻璃纤维缠绕再涂环氧树脂的玻璃钢叶片。3.2.3 轮毂的设计轮毂用于连接风力机的叶片，可以实现叶片桨距角控制，需要有足够的强度。在本设计中，轮毂采用圆柱形结构，该结构铸造性好，材料为QT400-18AL强度较高，可以满足设计要求。3.3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。 3.3.1传动方案的确定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3-7 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，因此要求轴有较大刚度。高速级齿轮布置在原理转矩输入端，这样，轴在转矩作用下产生的扭转变形可部分抵消，以减缓沿齿宽载荷分布不均现象，用于载荷比较平缓场合。高速级一般做成斜齿，低速级可做成直齿分流式结构复杂，但由于齿轮箱对于轴承对称布置，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，适用于变载荷的场合。高速级一般用斜齿，低速级可用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转矩，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1500kw风电增速箱由于功率大，大转矩的特点，通常采用功率分流的行星传动。常见结构有：两级平行轴加一级行星和一级平行轴加两级级行星传动两种形式。本文采用的是平行轴与行星轮系混合式齿轮箱。3.3.2增速器基本设计要求及设计步骤增速器齿轮箱的主要设计要求如表3-8所示。表3-8 原始设计要求额定功率1500kW增速比52-72输出转速1400-1600r/min输入转速24-35r/min分度圆压力角20模数5-15增速器设计步骤：(1)根据传动装置的使用要求及工作特点确定传动形式为行星齿轮传动。 (2)确定行星传动的结构形式和选择传动方案。(3)根据选定的电机的输入速度和经过减速机构减速后的输出速度，确定出这个减速机构的传动比范围。输入转度：27.854rpm增速机构增速后的输出速度：1544.1rpm根据减速装置的用途和工作特点，传动形式定位两级定轴传动+单级行星传动，行星传动的结构形式确定为：单级2K-H（NWG）型行星传动机构。确保其稳定性，行星轮数目为3，其传动比范围为：。由此，初定传动比分配情况如下：第一级行星传动：=2.9545第二级行星传动：=3.6315第三级定轴传动：=5.16673.3.3传动原理图目前，国内生产的增速箱主要采用2KH(KGW)型行星传动，行星架为输入端，太阳轮为输入端。其具有如下优点：(1)行星架采用焊接结构，工艺简单，重量较轻。(2)动力由行星轮系系杆输入，刚性好，符合风力发电机受力大、转矩大的特点。(3)高速级和低速级分别采用行星架浮动和太阳轮浮动，简化了结构，使得结构更加的紧凑，均载效果好。考虑到1500kW风力发电机大功率，结构紧凑、高可靠性等特点，本文采用的传动形式如图3-4图3-4 1500kW风力发电机组增速箱传动简图增速器传动结构分为三级，第一级为行星轮系，第一级行星架为输入端，由第一级太阳轮传递至第二级行星齿轮平行轴轮系传动；第三级采直齿轮传动，直接与电机相联。此传动方案具有如下优点：(1)低速级为行星传动，效率高，体积小，重量轻，结构简单，传递功率范围大，成功实现了功率分流，轴向尺寸小，采用行星轮浮动，均载效果好，实现了大传动比；(2)高速级为平行轴圆柱直齿轮传动，合理分配了传动比，实现了平稳输出，降低了振动。 3.3.4增速器各传动部件的材料及力学性能由于风力发电机组具有工作环境恶劣、受力情况复杂等特点。因此，与一般传动机构相比，除了要满足机械强度条件外，还应满足极端温差条件下的一些机械特性，如低温抗脆性、低膨胀收缩率等。对于传动部件而言，一般情况下不采用分体式结构或者焊接结构，齿轮毛坯尽可能采用轮辐轮缘整体锻件形式以提高承载能力。齿轮采用优质合金钢锻造制取毛坯己获得良好的力学特性。表3-9列出本文所设计的增速器各传动部件的材料及力学性能。表3-9 各传动部件材料及力学性能传动件材料 热处理 接触强度（MPa） 弯曲强度 （MPa） 加工精度太阳轮20CrMnTi渗碳淬火，齿面硬度5660HRC1500480磨齿5级行星轮 内齿圈42CrMn调质，齿面硬度HBS260720320插齿6级直齿轮20CrMnTi渗碳淬火，齿面硬度5660HRC1500480 磨齿5级 3.3.5第一级行星轮系传动设计计算齿轮基本参数根据初定条件即尽可能取质数， 则计算：计算并初选：初选预计啮合角校验行星轮齿装配条件：同心条件为了保证中心轮和行星架轴线重合，各对啮合齿轮间的中心距必须相等。而对于角度变位传动，应为装配条件由于各行星轮必须均布于中心齿轮之间。为此，各齿轮齿数与行星轮个数必须满足装配条件，否则，会出现行星齿轮无法装配的情况。单排2K-H行星传动的装配条件为：两中心轮的齿数之和应为行星轮数目的整数倍。即（整数）邻接条件保证相邻两行星轮的齿顶不相碰即根据以上条件，初选模数为10mm，按照技术要求查阅相关手册，确定第一级行星轮系具体参数如表3-10。表3-10 第一级行星轮系参数齿数模数变位系数齿顶圆齿根圆分度圆螺旋角第一级中心轮2410 0 260 215 2400行星轮38100 400 355 3800内齿圈100100 980 1025 100003.3.6 第二级行星轮系传动设计装配条件与第一级行星轮系相同。按照技术要求查阅相关手册，确定第二级行星轮系的参数，具体参数如表3-11所示。表3-11 第二级行星轮系传动设计齿数模数变位系数齿顶圆齿根圆分度圆螺旋角第二级中心轮2410 0 360 315 2400行星轮36100 500 455 3800内齿圈120100 1080 1225 100003.3.7第三级平行轴圆柱直齿轮设计齿数分配如下：具体参数如表3-12。表3-12 第三级平行轴直齿轮参数齿数模数变位系数齿顶圆齿根圆分度圆螺旋角第三级直齿轮一65603022852900直齿轮二22601441171320标准中心距a=422mm3.3.8行星齿轮具体结构的确定太阳轮的结构 为便于轴与齿轮之间的连接，本文将太阳轮制成齿轮轴的形式，并利用鼓形渐开线花键实现与上一级行星架的连接，可使中心轮在一定范围内轻微摆动，实现均载。图3-5 太阳轮机构太阳轮的结构如图3-5所示行星轮的结构由于风力发电机传动比较大，故本文中采取轴承安装在行星齿轮轴孔内的方式，以减小传动的轴向尺寸，并使装配结构简化。当一般壁厚度（m为模数）时，为改善轴承受力情况，应使行星轮孔内两个轴承之间的距离最大，这样的装配形式也可使载荷沿齿宽方向分布均匀。在行星轮孔内装一个双列调心滚子轴承也可以减小载荷沿齿宽分布的不均匀性。由于行星轮载荷较大，本文中采用了安装两个双列调心滚子轴承的方式，行星轮结构如图3-6。图3-6 行星轮结构行星架的结构行星架是行星传动中结构较复杂的一个重要零件。常用行星架有双臂整体式、双臂分离式和单臂式三种。毛坯一般采用铸造、锻造和焊接等方法。本设计中采用了双臂整体式，毛坯选用铸钢材料ZG340640，这种结构具有良好刚性。3.4 塔架设计塔架是支撑高位布置风力机的架子，它不仅要有一定的高度，使风力机处在较为理想的位置上（即涡流影响较小的高度）运转；而且还应有足够的强度与刚度，以保证在台风或暴风袭击时，不会使整机倾倒。因此，塔架的设计是风力机机械设计中极为重要的一环，应十分重视。3.4.1 塔架高度的确定由于剪切效应的影响，风速是随着高度的增加而增大。塔架越高，风力机单位面积所捕捉的风能越大，但造价，技术要求以及吊装的难度也随之增加。所以，风力机的塔架并非越高越好，而要综合考虑技术与经济这两个因素。这样，塔架的高度实际上就被限制在一定的范围之内。塔架的最低高度为 Hmin=h+C+R 式中：h接近风力机的障碍物高度；取h=20m C由障碍物最高点到风轮扫掠面最低点的距离（常取C=1.52.0m）； R风轮半径，R=39.5m由以上数据可得Hmin=20+2+39.5=61.5m， 取H=63.25m3.4.2 塔架形式确定采用圆台式，圆台式塔架由钢板卷制（或轧钢）焊接而成的上小下大的圆台，如图3-7所示 图3-7 圆台式塔架示意图机组的动力盘与控制柜通常就吊挂在塔架的内壁上，无需再另建控制室。塔内有直梯通往机舱。它外形美观，结构紧凑，很受用户欢迎，因此，广泛用于上风向布置的大型风力机上。3.5 偏航系统的设计采用主动偏航对风形式。在机舱后部放置两个互相独立的传感器风速计和风向标。风向标的信号反映出风机与主风向之间有偏离，当风向
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