第三章风力发电机的类型与结构

第三章风力发电机的

类型和结构①微型风力发电机，其额定功率为50～1000W。②小型风力发电机，其额定功率为1.0～10.0kW。③中型风力发电机，其额定功率为10.0～100.0kW。④大型风力发电机，其额定功率大于100kW。1风力发电机的种类1.1按风力发电机的功率分类小型及大型风力发电机组1.2根据动力学划分

阻力型风力发电机：在逆风方向装有一个阻力装置，当风吹向阻力装置时推动阻力装置旋转，旋转能转化为电能。风力发电机不能产生高于风速很多的转速；风轮转轴的输出扭矩很大。常用于扬水、拉磨等动力。升力型风力发电机：风能吹过转子时对转子产生升力带动转子转动。

由于升力的作用，风轮圆周速度达到风速几十倍，现代风力发电机组几乎全是此类型。1.3根据转子受力风向划分顺风型风力发电机：发电机在转子前面，转子自然顺风受力产生能量。逆风型风力发电机：发电机在转子后面，转子由外力调节，始终保持迎风受力从而产生能量。1.4根据桨叶接受风能的功率调节方式定桨距（被动失速型）风力发电机：定桨距（失速型）的桨叶与轮毂的连接是固定的。

风速变化时，桨叶的迎风角不能随之变化。定桨距（失速型）机组结构简单、性能可靠。变桨距风力发电机：变桨距机组叶片可绕叶片中心轴旋转，使叶片攻角可在一定范围内（一般0-90度）调节变化。

性能比定桨距提高很多，但结构复杂，多用于大型机组。主动失速风力发电机：发电机达到额定功率后，主动失速调节是使桨距角向减小的方向转过一个角度。

目的使攻角相应增大，以限制风能利用率。1.5根据叶轮转速是否恒定分类恒速风力发电机恒速风力发电机的设计简单可靠，造价低，维护量小，可直接并网；缺点是气动效率低，结构负荷高。变速风力发电机变速风力发电机的气动效率高，机械应力小，功率波动小，成本效率高，支撑结构轻；缺点是功率对电压降敏感，电气设备的价格较高，维护量大。1.6按照风力机旋转的主轴方向水平轴风力发电机：风轮轴线安装位置与水平夹角不大于150度的风力机。可以是升力装置(升力驱动风轮)，也可以是阻力装置(阻力驱动风轮)。垂直轴风力发电机：风轮轴线安装位置与水平面垂直的风力机。在风向改变时，无需对风。在这点上，相对水平轴风力机是一大优点。这使结构简化，同时也减少了风轮对风时的陀螺力。水平轴及垂直轴风力发电机组独立运行风力发电机，风力发电机输出的电能经蓄电池蓄能，再供用户使用。这种方式可供边远农村、牧区、海岛、边防哨所等电网达不到的地区使用。一般单机容量在几百瓦到几kW。并网运行风力发电机组，在风力资源丰富地区，按一定的排列方式安装风力发电机组，称为风力发电场。发出的电能全部经变电设备送到电网。这种方式是目前风力发电的主要方式。风力同其它发电方式互补运行，风力—柴油互补方式运行，风力—太阳能电池发电联合运行，风力—抽水蓄能发电联合运行等。这种方式一般需配备蓄电池，以减少因风速变化导致的发电量的突然变化所造成的影响，还可节约一次能源。1.7按风力发电机的运行方式2

水平轴风力发电机结构大型风电机组基本结构

1－叶片；2－轮毂；3－机舱；4－叶轮轴与主轴连接；5－主轴；6－齿轮箱；7－刹车机构；8－联轴器；9－发电机；10－散热器；11－冷却风扇；12－风速仪和风向标；13－控制系统；14－液压系统；15－偏航驱动；16－偏航轴承；17－机舱盖；18－塔架；19、变桨距部分叶片

轮毂风轮轴风轮的组成图风轮2.1风轮及其组成

风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其它动力机的主要标志。风轮的作用是捕捉和吸收风能。并将风能转变成机械能。再由风轮轴将能量送给传动装置以水平轴升力型风力机的风轮为例(下图)来说明风轮功率的计算。风以速度V吹向风轮时，风轮转动。设旋转着的风轮其扫掠面积为A，空气密度为，在1s中内流向风轮的空气所具有的动能为

（1）若风轮的直径为D，则

（2）这些风能不可能全部被风轮捕获。风轮捕获风能并将之转换成机械能，再由风轮轴输出的功率N（称之为风轮功率)。它与之比，称为风轮功率系数(或风能利用系数)，用表示，即

（3）

（4）

式中的值为0.2～0.5。

由式（3）得知：因此，当风轮大小、工作风速一定时，应尽可能提高值，以增大风轮功率。这是从事风能开发利用的科技人员追求的主要目标之一。风轮功率与风轮直径的平方成正比风轮功率与风速的立方成正比风轮功率与风轮的叶片数目无直接关系风轮功率与风轮功率系数成正比叶片是风力机的关键部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素叶片材料经历了木制叶片布蒙皮叶片钢梁玻璃纤维蒙皮叶片铝合金叶片复合材料叶片新型复合材料叶片。叶片及叶片材料风力机风轮叶片向大功率、长叶片方向发展风力机风轮叶片不断的更新设计，以有好的气动性能碳纤维复合材料在风力机风轮叶片上的应用不断扩大在风力机叶片上大量采用碳纤维复合材料，但是又取决于碳纤维的价格叶片发展趋势

叶片横截面形状基本类型平板型弧板型流线型

叶片是风力机捕捉风能的最重要部件。风能利用效率取决于良好的叶片的空气动力外型，以及具有高强度、高硬度、低密度以及较长使用寿命等优良特点的制造材料。风力提水机的叶片风力发电机组的叶片常见的风力机叶片的横截面结构图叶片材料选择的要求及选择规则

叶片材料选择要求运行要求材料特性可靠性物理属性可处理性回收再利用性经济性安全性良好的力学、热学及化学特性高硬度、高强度、低密度使用寿命长、良好的耐腐蚀性要易于生产加工、要价格合理加工助剂的价格要尽量低廉并且操作时不污染环境叶片材料选择规则纤维增强复合材料玻璃纤维复合材料碳纤维复合材料玻璃钢复合材料叶片的主要材料特性玻璃钢叶片

用于叶片制造的材料一般有木材、金属，如钢和铝，以及玻璃钢。由于叶片的木材一般要选用优质木材，如桦木、核桃木等，材料来源困难、取材率低、造价高、维修不便。钢金属材料制造，又存在加工复杂、工艺装备多、生产周期长、产品不耐腐蚀等一系列问题。因此，目前在国内已很少选用木材或金属制造叶片，大多数采用玻璃钢。玻璃钢叶片的优点可充分根据叶片的受力特点设计强度和刚度容易成型，易于达到最大气动效果的翼型优良的动力性能和较长的使用寿命维修简便，以节省大量人力物力耐腐蚀性和耐气候性好易于修补26轮毂轮毂是将叶片和叶片组固定到转轴上的装置。它将风轮的力和力矩传递到主传动机构中轮毂是用铸钢或钢板焊接而成。铸钢在加工前要对其进行探伤，绝不允许有夹渣，缩孔，砂眼，裂纹等缺陷。焊接的轮毂，其焊缝必须经过超声波检查，并按浆叶可能承受的最大离心力载荷确定钢板的厚度。此外，还要考虑交变应力引起的焊缝疲劳焊接的轮毂，其焊缝必须经过超声波检查，并按浆叶可能承受的最大离心力载荷确定钢板的厚度。此外，还要考虑交变应力引起的焊缝疲劳轮毂有固定式和铰链式两种

主轴也称为低速轴，安装在风轮和齿轮箱之间。前端通过螺栓与轮毂刚性连接，后端与齿轮箱低速连接，承力大而且复杂。主轴受力形式轴向力径向力转矩弯矩剪切力风机每经历一次起动和停机，主轴所受的各种力，都将经历一次循环因此会产生循环疲劳主轴有较高的综合机械性齿轮箱是风力发电机组关键零部件之一。由于风力机工作在低转速下，而发电机工作在高转速下，为了实现风力机和发电机的匹配，采用增速齿轮箱。2.2

齿轮箱按传统类型圆柱齿轮箱行星齿轮箱互相组合的齿轮箱齿轮箱的分类按传动的级数单级齿轮箱多级齿轮箱按照传动的方式可以分为：展开式，分流式，同轴式以及混合式2.3调速装置

自然界的风速经常变化。风轮的转速随风速的增大而变快，发电机的输出电压、频率、功率也增加；当风轮的转速超过额定值时，有可能影响机组的使用寿命，甚至造成设备的毁坏。为使风轮能以一定的转速稳定地工作，风力发电机组上设有调速装置。调速装置是在风速大于设计额定风速时才起作用，因此又被称为限速装置。当风速增至停机风速时，调速装置能使风轮顺桨(风向与风轮旋转平面平行)停机。减少风轮迎风面积侧翼装置偏心装置缩小风轮圆形迎风面积改变叶片翼型攻角值配重(飞球)与弹簧配合装置叶片重量与弹簧配合装置变桨距调速装置利用空气在风轮圆周切线方向的阻力阻力翼阻尼板风力机调速装置调速原理侧翼及偏心装置调速原理示意图缩小风轮圆形迎风面积原理图发电机是将由风轮轴传来的机械能转变成电能的设备。2.4

发电机直流发电机永磁发电机同步交流发电机异步交流发电机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。2.5

塔架塔架的基本形式单管拉线式衍架式塔架锥筒式塔架衍架拉线式塔架微型风力机小，中型风力机中，大小型风力机大型风力机2.6增速器由于风轮的转速低而发电机的转速高，为匹配发电机，要在低速的风轮轴和高速的发电机轴之间接一个增速器，增速器就是使转速提高的变速器。增速器的增速比是发电机额定转速和风轮额定转速比。2.7联轴器

增速器和发电机之间用联轴器连接。在风力发电机中，常采用刚性联轴器、弹性联轴器（或万向联轴器）两种方式。在低速轴端（主轴与齿轮箱低速轴联接处）选用钢性联轴器，一般多选用涨套式联轴器、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。风力发电机组的传动装置包括增速器与联轴器等。2.8.1机舱2.8

控制系统及附属部件风力机常年在野外运转狂风暴雨的袭击尘砂磨损和盐雾侵蚀为了使塔架上方的主要设备不受风沙的直接侵害罩壳——机舱2.8.2机头座

它用来支撑塔架上方的所有装置及附属部件它牢固与否将直接关系到风力机的安危与寿命由于微、小型风力机塔架上方的设备重量轻。一般是由钢板焊接而成，即根据设计要求在底板上焊上加强肋中、大型风力机的机头座要复杂一些，它通常由以纵梁、横梁为主，再辅以台板、腹板、肋板等焊接而成焊接质量要高。台板面要刨平，安装孔的位置要精确

回转体(转盘)是塔架与机头座的连接部件，通常由固定套、回转圈以及位于它们之间的轴承组成。固定套销定在塔架上部，回转圈与机头座相连，通过它们之间的轴承和对风装置相连，在风向变化时，机头便能水平地回转，使风轮迎风工作。2.8.3

回转体

大、中型风力机的回转体常借用塔式吊车上的回转机构。小型风力机的回转体通常是在上、下各设一组轴承，可采用圆锥滚子轴承。也可以上面用向心球轴承承受径向载荷。下面用推力轴承来承受机头的全部重量。微型风力机的回转体不宜采用滚动轴承，而采用青铜加工的滑动轴承。这是为了防止机头对瞬时变化的风向过于敏感而导致风轮的频繁回转。

制动装置是使风力发电机停止运转的装置(也称刹车系统)。对于微型和小型风力发电机，可采用如图所示的刹车机构。

2.8.4

制动装置