风力发电机组结构.ppt

1、第三章 风力发电机组结构,内容,1.主要机组类型 2.基本性能和主要参数 3.机组的基本结构,1.主要机组类型,1）根据风轮与塔架的相对位置，可分为上风向和下风向机组,1.主要机组类型,2）根据功率调节方式，可分为失速机组和变桨机组,失速机组主要利用叶片的气动失速特性，即当入流风速超过一定值时，在叶片后端将形成湍流状态，使升力系数下降，而阻力系数增加，从而限制了机组功率的进一步增加。,变桨距机组的叶片和轮毂不是固定连接，叶片桨距角可调。在超过额定风速范围时，通过增大叶片桨距角，使攻角减小，以改变叶片升力FL与阻力FD的比例，达到限制风轮功率的目的，使机组能够在额定功率附近输出电能。,1.主要机

2、组类型,a) 带增速齿轮箱风电机组,b) 直驱风电机组,3）根据主轴传动方式，可分为带齿轮箱机组和直驱机组,1.主要机组类型,a) 陆上风机,b) 海上风机,4）根据安装地理位置，可分为陆上机组和海上机组,海上风机特殊性,1）海上风电场一般处于深度小于30米的中浅深海域，海面平坦无障碍物，风况条件优于陆地。但是风场与海浪、潮汐具有较强的耦合作用，使得海上风电机组运行在随机海浪干扰下载荷条件比较复杂。 2）海上风场遭遇极端气象条件的可能性大，强阵风、台风和巨浪等极端恶劣天气条件都会造成严重破坏，对于机组安全可靠性要求更高。,海上风机特殊性,3）海上机组的基础比陆地机组复杂，必须根据海域的情况，选

3、择不同的基础形式。中浅海域常用的基础结构形式包括重力基础、单桩基础、吸力式桶形基础、三足（四足）桩基础或三足（四足）吸力式桶形基础，而当水深大于50米时，多则选择悬浮式基础。用于基础的建设费用占据较大比例。,（a）重力式结构 （b）筒式结构 （c）桩基固定式（单立柱、单立柱三桩、四腿导管架）,海上风机特殊性,4）海上风电机安装、运行、操作和维护等方面都比陆地风场困难。,我国海上风机发展趋势滩涂风电场,目前，我国已建或在建的滩涂风电场主要集中在潮上带及围垦区。潮间带由于淤泥地质，风电设备运输安装都是难题。但是相比于近海风电，业内专家认为潮间带风电场还具有一定成本优势。国内首个海上潮间带风力发电项

4、目龙源江苏如东海上潮间带试验风场于09年10月并网发电成功，首批两台1.5兆瓦风力发电机组正式并网运行。,2.基本性能和主要参数,1）功率曲线（切入、额定、切出风速） 2）风轮直径和轮毂高度 3）叶片数 4）风轮转速、叶尖速比 5）风轮锥角和风轮仰角,表3-1 某型号1.5MW机组的主要技术规格,2.基本性能和主要参数,1）功率曲线（切入、额定、切出风速）,变速风力发电机组的功率曲线,2.基本性能和主要参数,2）风轮直径和轮毂高度,风电机组功率和直径的发展,2.基本性能和主要参数,3）叶片数,带有单叶片风轮、双叶片风轮和三叶片风轮的三种水平轴风电机组形式,3）叶片数（续）,采用不同的叶片数，对

5、风电机组的气动性能和结构设计都将产生不同的影响。风轮的风能转换效率取决于风轮的功率系数。,不同叶片数的风轮的功率系数随叶尖速比的变化曲线,在相同风速条件下，叶片数越少，风轮最佳转速越高.多叶片风轮由于功率系数很低.,3）叶片数（续）,因此用于衡量风轮转矩性能的另一个重要参数是转矩系数，它定义为功率系数除以叶尖速比。,不同叶片数风轮的转矩系数曲线,叶片数越多，最大转矩系数值也越大，对应的叶尖速比也越小，表明启动转矩越大,2.基本性能和主要参数,4）叶尖速比,叶尖速比描述风电机组风轮特性的一个重要的无量刚量，定义为风轮叶片尖端线速度与风速之比，即,2.基本性能和主要参数,5）风轮锥角和风轮仰角,风

6、轮锥角是叶片与风轮主轴相垂直的旋转平面的夹角，风轮仰角是风轮主轴与水平面的夹角。,3.机组的基本结构,1）总体结构 2）叶片 3）轮毂 4）轴系 5）发电机 6）机舱 7）偏航 8）塔架与基础,1）总体结构,大型水平轴风电机组主要由风轮、机舱、塔架和基础组成。,风电机组基本结构,1）总体结构（续）,双馈风电机组内部结构,2）叶片,风电机组叶片应满足以下要求： 1）良好的空气动力外形，能够充分利用风电场的风资源条件，获得尽可能多的风能； 2）可靠的结构强度，具备足够的承受极限载荷和疲劳载荷能力；合理的叶片刚度，叶尖变形位移，避免叶片与塔架碰撞； 3）良好的结构动力学特性和气动稳定性，避免发生共振

7、和颤振现象，振动和噪声小； 4）耐腐蚀、防雷击性能好，方便维护； 5）在满足上述目标的前提下，优化设计结构，尽可能减轻叶片重量、降低制造成本。,2）叶片 几何形状及翼型,a) 风电机组叶片（E112型）长度与A340型客机比较,b) 叶片几何参数,c) 叶片翼型沿展向变化,2）叶片 几何结构,叶片剖面多采用蒙皮与主梁构造形式，中间有硬质泡沫夹层作为增强材料。叶片主梁材料一般需采用单向程度较高的玻纤织物，叶片蒙皮主要由胶衣、表面毡和双向复合材料铺层构成。,叶片主梁,叶片铺层,2）叶片 加工制造,叶片上下两半部分分别在固定形状的模具中完成铺层，然后在前后缘粘合在一起，形成整体叶片。,叶片制造,2）

8、叶片叶尖气动制动机构,对于失速机组，叶片端部（叶尖）采用制动，超速保护。,2）叶片叶根与轮毂连接形式,a) 法兰连接,b) 预埋金属根端连接,叶片根端必须具有足够的剪切强度、挤压强度，与金属的连接强度也要足够高，这些强度均低于其拉弯强度。常用方式有法兰连接与预埋金属根端连接。,2）叶片叶片故障,a）叶片表面覆冰,b) 表面腐蚀,c)裂纹,d) 极端风破坏,叶片故障统计,2）叶片叶片防雷,闪电可以产生超过亿伏的平均电压，百万安培的平均电流。风电机组通常树立在比较空旷的地域，容易遭受雷击，叶片上必须安装防雷击装置。,在叶尖部位安装一个金属（铝或铜）接受块，然后通过叶片内部金属导线连接到叶根部的柔性

9、金属板上，经过塔架内的接地系统，将雷击电流接地。,叶片防雷装置示意图,2）叶片叶片除冰系统,a) 电加热除冰系统概念,b) 热空气除冰系统概念,针对一些地区容易造成叶片覆冰的环境条件，一些叶片制造企业也考虑了多种解决覆冰问题的方案，例如叶片表面采用特殊的防冰涂层、叶片中安装覆冰报警及除冰系统等。,a) 运行状态下的轮毂,b) 风轮吊装,轮毂用于连接叶片和主轴，承受来自叶片的载荷并将其传递到主轴上。对于变桨距风电机组，轮毂内的空腔部分还用于安装变桨距调节机构。,3）轮毂,3）轮毂形状,a) 三角形轮毂,b) 三通式轮毂,三角形轮毂，内部空腔小，体积小，制造成本低，适用于定桨距机组；三通式轮毂，主

10、要用于变桨距机组，其形状如球形，内部空腔大，可以安装变桨距调节机构，承载能力大。,3）轮毂变桨机构,现代大型并网风电机组多数采用变桨距机组，其主要特征是叶片可以相对轮毂转动，实现桨距角的调节。其主要作用有以下两点： 1）在正常运行状态下，当风速超过额定风速时，通过改变叶片桨距角，改变叶片的升力与阻力比，实现功率控制。 2）当风速超过切出风速时，或者风电机组在运行过程出现故障状态时，迅速将桨距角从工作角度调整到顺桨状态，实现紧急制动。,3）轮毂变桨机构,变桨机构结构,4）轴系,轴系用来连接风轮与发电机，将风轮产生的机械转矩传递给发电机，同时实现转速的变换。,带增速齿轮箱的风电机组传动系统示意图,

11、4）轴系主轴,主轴一端连接风轮轮毂，另一端连接增速齿轮箱的输入轴，用滚动轴承支撑在主机架上。风轮主轴的支撑结构形式与增速齿轮箱的形式密切相关。按照支撑方式不同，主轴可以分为三种结构形式，适用于不同机组。,风轮主轴支撑形式,4）轴系齿轮箱,a) 齿轮箱于风轮侧外观视图,b)于发电机侧外观视图,风电齿轮箱的设计条件比较苛刻，同时也是机组的主要故障源之一， 其基本设计特点表现在： 1.传动比大，传递功率大 2.运行条件恶劣,c)多级行星轮系风电机组齿轮箱,4）轴系齿轮箱故障,齿轮在运行过程中，齿面承受交变压应力、交变摩擦力以及冲击载荷的作用，将会产生各种类型的损伤，导致运行故障甚至失效。,齿轮典型故

12、障,4）轴系连接与制动,为实现机组传动链部件间的扭矩传递，齿轮箱高速轴与发电机轴采用柔性联轴器，以弥补机组运行过程轴系的安装误差。机械刹车机构一般采用盘式结构，制动盘安装在齿轮箱输出轴与发电机轴的弹性联轴器前端。制动刹车时，液压制动器抱紧制动盘，通过摩擦力实现刹车动作。,某机组的联轴器,5）发电机,大型风电机组一般采用双馈异步电机和永磁同步电机作为 发电机。,双馈风电机组,永磁直驱风电机组,机舱装配现场,6）机舱,为了保护传动系统、发电机以及控制装置等部件，将它们用轻质外罩封闭起来，称为机舱。机舱通常采用重量轻、强度高、耐腐蚀的玻璃钢制作。,7）偏航系统,偏航系统主要用于调整风轮的对风方向。大

13、型风电机组主要采用电动机驱动的偏航系统。该系统的风向感受信号来自装在机舱上面的风向标。通过控制系统实现风轮方向的调整。,偏航系统结构示意图,1主机架，2偏航驱动，3运输支架,8）塔架与基础,塔架是机组的支撑部件，承受机组重量、风载荷及各种动载荷，并将这些载荷传递到基础。塔架结构形式主要有钢筋混凝土结构、桁架结构和钢筒结构三种 。,a) 钢筋混凝土结构塔架 b) 钢筒塔架和桁架塔架,8）塔架与基础塔筒加工,塔筒通常采用宽度为2米、厚度为10至40毫米的钢板，经过卷板机卷成筒状，然后焊接而成。,塔同加工,8）塔架与基础塔筒安装,每段塔筒两端焊有连接法兰，在现场安装时，用螺栓将各节塔筒连成一体，形成最终的整体塔筒。,a 塔筒法兰连接,b 现场吊装,c 塔筒内部,8）塔架与基础基础,基础主要提供塔筒底部的连接和固定，塔架基础应使机组在所有可能出现的载荷条件下保持稳定状态，不能出现倾倒、失稳或其它问题。 塔架基础均为现浇钢筋混凝土独立基础，根据风电场场址工程地质条件和地基承载力以及基础荷载、结构等条件有较多设计形式。从结构的形式看，常见的有板状、桩式和桁架式等基础。,8）塔架与基