第4章风力发电机组

1、新能源学院新能源学院风力发电原理 新能源学院 关新1新能源学院新能源学院第4章 风力发电机组 4.1 风力发电机组的分类和构成2新能源学院新能源学院4.1 风力发电机的分类和构成l风力发电机组的分类u根据风力机轴的空间位置分类u水平轴风力发电机组风轮围绕一个水平轴旋转，风轮的旋转平面与风向垂直u垂直轴风力发电机组风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向，可以接受来自任何方向的风，无须对风；齿轮箱和发电机可以安装在地面上，减轻风力机发电机组承重，且方便维护2022-1-293新能源学院新能源学院4.1 风力发电机的分类和构成l风力发电机组的分类u叶片越多，转得越慢，叶片数多的风力机通常称为低速风力机，它

2、在低速运行时，有较大的转矩。它的启动力矩大、启动风速低，因而适用于磨面、提水u叶片数目少的风力机通常称为高速风力机，它在高速运行时有较高的风能利用系数，但启动风速较高，适用于发电2022-1-294新能源学院新能源学院4.1 风力发电机的分类和构成l风力发电机组的分类u根据风轮的迎风方式分类u上风型水平轴风力发电机组风首先通过风轮再穿过塔架，风轮总是面对来风方向，风轮在塔架“前面”，必须有某种调向装置来保持风轮迎风u下风型水平轴风力发电机组风首先通过塔架在穿过风轮，风轮在塔架“后面”，能够自动对准风向。2022-1-295新能源学院新能源学院4.1 风力发电机的分类和构成l风力发电机组的分类u

3、根据风轮与发电机之间的连接方式分类u变速式风力发电机组带有增速齿轮箱u直驱式风力发电机组风轮直接驱动同步多极发电机2022-1-296新能源学院新能源学院4.1 风力发电机的分类和构成l风力发电机组的分类u根据叶片能否围绕其纵向轴线转动分类u定桨距式风力发电机组当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化，在转速恒定的条件下，风速增加超过额定超过额定风速时，如果风流与叶片分离，叶片将处于“失速”状态，风轮输出功率降低u变桨距式风力发电机组风速变化时，桨叶的迎风角能随之变化2022-1-297新能源学院新能源学院4.1 风力发电机的分类和构成l风力发电机组的分类u根据发电机组负载形式分类u并网型风力

4、发电机组通过并网逆变器直接馈入电网，然后电力通过电网再输送给用电户u离网型风力发电机组独立于现有电网，需要蓄电池蓄能2022-1-298新能源学院新能源学院4.1 风力发电机的分类和构成l风力发电机组的构成u一次能源系统叶片、轮毂u主传动系统主轴、主轴轴承、齿轮箱、联轴器u支撑系统导流罩、机舱罩、底盘塔筒、基础2022-1-299新能源学院新能源学院4.1 风力发电机的分类和构成l风力发电机组的构成u发电系统同步发电机（永磁式同步发电机）异步发电机（双馈式异步发电机）u制动系统机械制动（液压系统）、空气动力制动、u偏航系统u变桨系统u避雷系统2022-1-2910新能源学院新能源学院第4章 风

5、力发电机组 4.2 一次能源系统11新能源学院新能源学院4.2 一次能源系统l叶片的构造u材料：玻璃纤维增强塑料（GFRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）、木材、钢和铝。u复合材料以玻璃纤维或碳纤维为增强材料，树脂为基体。优点：比重小，强度较高；易成型性好；耐腐蚀性强；维护少，以修补。u钢材主要用于叶片内部结构的连接件2022-1-2912新能源学院新能源学院4.2 一次能源系统l叶片叶柄结构u采用螺栓与轮毂连接，形成悬臂形式螺纹件预埋件钻孔组装式u木质、铝合金挤压成型等弦长、钢制、钢纵梁玻璃钢、玻璃钢2022-1-2913新能源学院新能源学院4.2 一次能源系统l叶片数u两叶片风轮对应最大风能

6、利用系数的转速比较高。u对刚性轮毂来说，作用在两叶片风轮的脉动载荷要大于三叶片风轮。u接受程度2022-1-2914新能源学院新能源学院4.2 一次能源系统l轮毂u固定式轮毂铸造结构或焊接结构u铰链式轮毂用于有叶柄的单叶片和二叶片风轮。叶片被悬挂的角度与风轮转速有关，转速越低，角度越大。2022-1-2915新能源学院新能源学院4.2 一次能源系统l叶片的基本几何定义u叶尖u叶片投影面积；叶片翼型u中弧线；前缘；后缘u几何弦；平均几何弦长；气动弦长u厚度；相对厚度u弯度u安装角；扭角；几何攻角2022-1-2916新能源学院新能源学院4.2 一次能源系统l叶片的基本几何定义u当攻角增大时，升力

7、系数Cl成线性递增，当攻角达到某一值时，Cl突然下降，这一现象称为失速。 称为临界攻角。u压力中心点：对于某一特定攻角，翼型总对应一特殊点，空气动力对这个点的力矩为零，将该点称为压力中心点2022-1-2917新能源学院新能源学院4.2 一次能源系统l叶片的基本几何定义u气动力效率：在某一攻角下，升力与阻力之比称为升阻比，又称气动力效率，即：2022-1-2918dlCCcot新能源学院新能源学院4.2 一次能源系统l风轮的几何定义与参数u风轮直径u风轮扫掠面积u风轮偏角、桨距角、风轮锥角、风轮仰角u风轮额定转速、风轮最高转速u风轮实度u叶尖速比2022-1-2919新能源学院新能源学院第4章

8、 风力发电机组 4.3 主传动系统20新能源学院新能源学院4.3 主传动系统l组成：u主轴、主轴承、齿轮箱、联轴器2022-1-2921新能源学院新能源学院4.3 主传动系统l主轴及主轴承u受力形式：轴向力、径向力、弯矩、转矩和剪切力u主轴轴心通孔作用？2022-1-2922新能源学院新能源学院4.3 主传动系统l主轴及主轴承u主轴安装方式：挑臂梁两点支撑悬臂梁三点支撑优点：前点为刚性支撑；后点为弹性支撑（齿轮箱）。2022-1-2923新能源学院新能源学院4.3 主传动系统l主轴及主轴承u主轴承双列调心滚子轴承特点：能够补偿轴的绕曲和同心误差。结构特点。径向孔：润滑油通道u进行淬火原因？u轴

9、承座运行时允许有微量油渗出！2022-1-2924新能源学院新能源学院4.3 主传动系统l主轴及主轴承2022-1-2925新能源学院新能源学院4.3 主传动系统l齿轮箱（增速箱）2022-1-2926新能源学院新能源学院4.3 主传动系统l齿轮箱（增速箱）u润滑油净化和温控系统粘度对温度的影响?粘度高，齿轮箱润滑部位不能得到充分润滑。粘度下降，对啮合齿面油膜的形成不利。为何要控制温度？易生成点蚀、胶合和磨损现象。2022-1-2927新能源学院新能源学院4.3 主传动系统l齿轮箱（增速箱）u润滑油净化和温控系统润滑方式飞溅润滑强制润滑过滤器工作方式粘度高，液压油通过粗、精两个过滤装置（单向阀

10、开）。粘度低，液压油只通过粗过滤器装置（单向阀关）2022-1-2928新能源学院新能源学院4.3 主传动系统l齿轮箱（增速箱）u 润滑油净化和温控系统2022-1-2929截止阀放气接头新能源学院新能源学院4.3 主传动系统l齿轮箱（增速箱）u润滑油净化和温控系统截止阀作用更换滤芯时将过滤器壳体内的油液排出放气接头作用将系统中的气泡排除。润滑系统冷却方式风冷式机组起动前，先启动润滑油泵！2022-1-2930新能源学院新能源学院4.3 主传动系统l齿轮箱（增速箱）u齿轮箱安装过程激光对中人工盘动电机反向拖动分阶段加负载2022-1-2931新能源学院新能源学院4.3 主传动系统l联轴器u刚性

11、联轴器u挠性联轴器无弹性弹性元件联轴器金属挠性元件联轴器2022-1-2932新能源学院新能源学院4.3 主传动系统l联轴器u刚性联轴器无键连接，可传递转矩、轴向力或两者的复合载荷，承载能力高，定心性好u万向联轴器适用于有大角位移的两轴之间的连接u轮胎联轴器补偿性能和缓冲减振能力大，但随扭角增加，两轴会产生相当大的附加轴向力2022-1-2933新能源学院新能源学院4.3 主传动系统l联轴器u膜片联轴器中间体带有力矩限制器，当传动力矩过大时可以自动打滑。2022-1-2934新能源学院新能源学院4.3 主传动系统l联轴器u连杆联轴器特点：保护套的表面有不同的图层，保护套与轴之间的摩擦力始终是保

12、护套和轴套之间摩擦力的2倍，从而保证滑动永远只会发生在保护套与轴套之间。2022-1-2935新能源学院新能源学院第4章 风力发电机组 4.4 支撑系统 36新能源学院新能源学院4.4 支撑系统l机舱l机舱底盘u性能要求：高强度、高刚度和减振特性u结构特点分为两部分：前机舱底盘为铸件；后机舱底盘为焊接件。2022-1-2937新能源学院新能源学院4.4 支撑系统l机舱l机舱罩u结构特点分为下舱罩和上舱罩两部分，加中空式加强筋与底盘连接利用带有橡胶减震器的螺栓将机舱连接板与机舱底盘支架连接。2022-1-2938新能源学院新能源学院4.4 支撑系统l机舱l整流罩u外部呈流线型，有利于减小风对机舱

13、的作用力2022-1-2939新能源学院新能源学院4.4 支撑系统l塔筒l功能u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。2022-1-2940新能源学院新能源学院4.4 支撑系统l塔筒l分类u拉索式塔架通过数根钢索固定在离散的地基上，由每根钢索的调节螺栓调节长短，保证整个风力发电机组对地基的垂直度。适用小型风电机组。2022-1-2941新能源学院新能源学院4.4 支撑系统l塔筒l分类u桁架式塔架采用钢管或角铁焊接成截锥形桁塔支撑在地基上，桁塔的横截面多为正方形或正多边形。适用于中小型风力机2

14、022-1-2942新能源学院新能源学院4.4 支撑系统l塔筒l分类u塔筒式塔架钢制塔架采用强度和塑性较好的多段钢板进行滚压，对接焊成截锥式筒体，两端与法兰盘焊接而构成截锥塔筒钢混组合塔架钢筒夹混塔架2022-1-2943新能源学院新能源学院4.4 支撑系统l塔筒l塔架结构u安装方式采用高强度螺栓穿过内翻式法兰将塔筒连接。u高度确定25m 25m2022-1-2944zzgtgAHRH1:1:DHtg新能源学院新能源学院4.4 支撑系统l塔筒l平台u为方便安装螺栓，平台距法兰处1.1m左右。l电缆及其固定u通过电缆卷筒与支架固定u电缆卷筒作用保证电缆有一定的自由旋转，同时承载相应部分的电缆重量

15、。l内梯与外梯2022-1-2945新能源学院新能源学院4.4 支撑系统l塔筒l塔架的固有频率u振幅大小于激振频率和塔架的固有频率有关。2022-1-2946ygf2138133mglglmEJylx6444dDJx新能源学院新能源学院4.4 支撑系统l塔筒l塔架的固有频率u受力频率风轮转子残余的旋转不平衡质量引起的振动频率=转速n塔影、不对称空气来流、风切变、尾流引起的振动频率=Nnf（1+20%）n或Nn2022-1-2947新能源学院新能源学院4.4 支撑系统l塔筒l塔架的固有频率ufNn：刚性塔unfNn：半刚性塔ufn：柔塔2022-1-2948新能源学院新能源学院4.4 支撑系统l

16、塔筒l塔架-风轮系统振动模态u分析模态作用在交变力、交变力矩作用下的振型、振幅和频率，为解决风力机的动态稳定性问题提供依据u固有频率改变随着离心力增加，叶片的刚性增加，从而固有频率提高。2022-1-2949新能源学院新能源学院4.4 支撑系统l基础u厚板块基础抵制倾覆力矩和机组重力偏心力。可承受偏心力距为WB/6。u形式平面板块基础平放机座基础嵌入式塔架和倾斜板块基础岩石床打锚基础2022-1-2950新能源学院新能源学院4.4 支撑系统l基础u多桩基础适用土质疏松的地质。u混凝土单桩基础2022-1-2951新能源学院新能源学院4.4 支撑系统l避雷系统l风轮叶尖和风速传感器保护u叶尖处设

17、有接闪器u风速传感器的避雷针u机舱外壳u瞬态电流不允许经过轴承等精密部件2022-1-2952新能源学院新能源学院4.4 支撑系统l避雷系统l机舱的保护u传动系统齿轮箱、发电机、钢架和机舱构成等位体，避免电压过高对部件的破坏。2022-1-2953新能源学院新能源学院4.4 支撑系统l避雷系统l电气设备的保护u电源系统的保护三级保护原理防雷击浪涌保护器浪涌保护器终端设备保护器u控制柜内主控器的电源保护变压器输出端并联加装防雷器2022-1-2954新能源学院新能源学院4.4 支撑系统l避雷系统l电气设备的保护u测控线的保护在变送器前段加装模拟信号防雷器或开关信号防雷器。u地基防雷接地体由垂直接

18、地体和环形接地体组成。2022-1-2955新能源学院新能源学院4.4 支撑系统l支撑系统保护u连接件的维护力矩检测；防腐u结构件的维护外观检查；防锈及补漆（底漆、面漆）；焊点处检查；电缆破损检查u塔基水平度检测下塔筒外法兰盘上选取4个监测点u塔筒标识维护：标识清晰2022-1-2956新能源学院新能源学院第4章 风力发电机组 4.5 制动系统57新能源学院新能源学院4.5 制动系统l制动的两种分类：u运行制动u紧急制动l制动装置：u机械制动u空气动力制动2022-1-2958新能源学院新能源学院4.5 制动系统2022-1-2959新能源学院新能源学院4.5 制动系统l工作原理：u利用非旋转

19、元件和旋转元件之间的相互摩擦来阻止转动和转动的趋势。l分类u常开式u常闭式2022-1-2960新能源学院新能源学院4.5 制动系统l机械制动l制动器u工作状态分类常闭式和常开式u盘式制动器钳盘式：固定式和浮动式（固定和摆动）全盘式锥盘式2022-1-2961新能源学院新能源学院4.5 制动系统l机械制动l制动器安装方式u避免制动轴受到径向力和弯矩，钳盘式制动器应成对分布。u 制动力矩在低速轴很大。u失速型风力机常用低速轴机械制动（可靠性角度考虑）u变桨距风力机在高速轴制动，但易发生制动的不均匀性。2022-1-2962 MP新能源学院新能源学院4.5 制动系统2022-1-2963新能源学院

20、新能源学院4.5 制动系统2022-1-2964新能源学院新能源学院4.5 制动系统l空气动力制动u特点空气动力制动并不能使风轮完全静止下来，只能使其转速限定在允许的范围内。u定桨距风力机采用的空气动力装置为叶尖扰流器2022-1-2965新能源学院新能源学院4.5 制动系统l空气动力制动u工作过程：当转速增加时，叶尖的离心力增大，叶尖扰流器克服液压力的作用脱离叶片主体转动到制动位置。u叶尖扰流器还可以作为液压系统出现故障的保护装置。2022-1-2966新能源学院新能源学院第4章 风力发电机组 4.6 变桨系统67新能源学院新能源学院4.6 变桨系统l变桨距u使叶片绕其安装轴旋转，改变叶片的

21、桨距角，从而改变风力机的气动特性l类型u液压变距型u电动变距型2022-1-2968新能源学院新能源学院4.6 变桨系统l液压变桨距系统类型u组成桨距控制器、数码转换器、液压控制单元、执行机构、位移传感器2022-1-2969新能源学院新能源学院4.6 变桨系统l液压变桨距系统类型u驱动形式分类单独变桨特点：可靠性高需要精确的同步变距控制统一变桨工作过程2022-1-2970新能源学院新能源学院4.6 变桨系统l电动变桨距系统u总体结构u工作过程主控制器根据风速、发电机功率和转矩等，把指令信号发送至电动变桨距控制系统电动变桨距系统把实际值和运行状况反馈至主控器。2022-1-2971新能源学院

22、新能源学院4.6 变桨系统l电动变桨距系统2022-1-2972新能源学院新能源学院4.6 变桨系统l电动变桨距系统u单元组成伺服电机的作用。电机编码器的作用。减速器采用的形式。2022-1-2973新能源学院新能源学院4.6 变桨系统l电动变桨距系统u变桨减速器的润滑u润滑方式浸油润滑加油脂润滑油脂检查l变桨轴承u一般采用4点角接触球轴承2022-1-2974新能源学院新能源学院第4章 风力发电机组 4.7 偏航系统75新能源学院新能源学院4.7 偏航系统l偏航定义u水平轴风力发电机风轮绕垂直轴的旋转l偏航分类u主动偏航u被动偏航2022-1-2976新能源学院新能源学院4.7 偏航系统l偏

23、航系统的功能u跟踪风向的变化，驱动机舱围绕塔架中心线旋转，使风轮扫掠面与风向保持垂直。u解缆功能在反复调整方向过程中，有可能发生沿着同一方向累计转了许多圈，造成机舱与塔底之间的电缆扭绞现象。u偏航阻尼器功能使机舱平稳转动2022-1-2977新能源学院新能源学院4.7 偏航系统l偏航系统的组成和工作原理2022-1-2978新能源学院新能源学院4.7 偏航系统l偏航系统的组成和工作原理u偏航计数器功能记录偏航系统旋转圈数的装置。u偏航具体过程2022-1-2979新能源学院新能源学院4.7 偏航系统l偏航系统的组成和工作原理u组成偏航轴承；偏航驱动装置；偏航制动器；偏航液压回路齿圈与偏航轴承做

24、成一体u齿圈形式内齿圈外齿圈2022-1-2980新能源学院新能源学院4.7 偏航系统l偏航系统的组成和工作原理u偏航轴承内、外齿圈特点u偏航驱动偏航驱动的安装方式。u偏航制动与主传动制动器的区别：不设置弹簧。2022-1-2981新能源学院新能源学院4.7 偏航系统2022-1-2982新能源学院新能源学院4.7 偏航系统l偏航系统的维护u偏航制动器磨损情况漏油情况紧固力矩最大压力是否为设定值制动器的阻尼压力摩擦片表面清洁度摩擦片厚度达到下限时要及时更换2022-1-2983新能源学院新能源学院4.7 偏航系统l偏航系统的维护2022-1-2984新能源学院新能源学院4.7 偏航系统l偏航系

25、统的维护u偏航轴承维护：密封带必须保持没有灰尘，清洗其他部件时，避免清洁剂接触到密封带或进入滚道系统。安装偏航轴承后要找出4个合适的测量点并在支承和连接支座上标注，并记录相应数据，此数据作为以后测量数据的基准。2022-1-2985新能源学院新能源学院4.7 偏航系统l偏航系统的常见故障u齿圈齿面磨损u液压管路泄露u偏航压力不稳u异常噪声u偏航定位不准确u偏航计数器故障2022-1-2986新能源学院新能源学院第4章 风力发电机组 4.8 液压系统87新能源学院新能源学院4.8 液压系统l作用u液压系统主要用于控制变桨距机构和机械制动，也用于偏航驱动与制动。2022-1-2988新能源学院新能

26、源学院4.8 液压系统l液压元件u动力元件、控制元件、执行元件和辅助元件。动力元件：将机械能转换为液压压力能。控制元件：控制系统压力、流量、方向以及进行信号转换和放大。执行元件：将流体的压力能转换为机械能。辅助元件：保证系统正常工作。2022-1-2989新能源学院新能源学院4.8 液压系统l液压元件u液压泵分类：按结构与压力分类液压泵的性能参数额定压力理论排量功率效率2022-1-2990新能源学院新能源学院4.8 液压系统l液压元件u液压泵2022-1-2991新能源学院新能源学院4.8 液压系统l液压元件u液压泵2022-1-2992新能源学院新能源学院4.8 液压系统l液压元件u液压泵

27、2022-1-2993新能源学院新能源学院4.8 液压系统l液压阀u分类方向控制阀压力控制阀流量控制阀2022-1-2994新能源学院新能源学院4.8 液压系统l液压阀u方向控制阀普通单向阀液控单向阀换向阀2022-1-2995新能源学院新能源学院4.8 液压系统l液压阀u单向阀2022-1-2996新能源学院新能源学院4.8 液压系统l液压阀u单向阀2022-1-2997新能源学院新能源学院4.8 液压系统l液压阀uN位n通换向阀2022-1-2998新能源学院新能源学院4.8 液压系统l液压阀uN位n通换向阀2022-1-2999新能源学院新能源学院4.8 液压系统l液压阀u压力控制阀溢流

28、阀（作用）定压安全卸载减压阀顺序阀压力继电器2022-1-29100新能源学院新能源学院4.8 液压系统l液压阀u压力控制阀2022-1-29101新能源学院新能源学院4.8 液压系统l液压阀u压力控制阀2022-1-29102新能源学院新能源学院4.8 液压系统l液压阀u流量控制阀节流阀（作用）节流调速阻尼压力缓冲调速阀分流集流阀2022-1-29103新能源学院新能源学院4.8 液压系统l液压阀u流量控制阀2022-1-29104新能源学院新能源学院4.8 液压系统l液压阀u流量控制阀电液伺服阀：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电液比例阀：用比例电磁铁代替普通电磁换

29、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。2022-1-29105新能源学院新能源学院4.8 液压系统l液压缸u是液压系统中的执行元件，是将输入的液压能转化为机械能的能量装置，它可以方便地获得直线往复运动。2022-1-29106新能源学院新能源学院4.8 液压系统l液压缸2022-1-29107新能源学院新能源学院4.8 液压系统l辅助装置u蓄能器应急油源吸收压力脉动减小液压冲击辅助能源u过滤器作用：保证液压油的清洁分类：表面型；深度型；磁性2022-1-29108新能源学院新能源学院4.8 液压系统l辅助装置u油箱分为总体式和分体式u热交换器分为风冷式、水冷式和冷媒式u密封装置分为接触性密封和非接触性密封2022-1-29109新能源学院新能源学院4.8 液压系统l辅助装置2022-1-29110新能源学院新能源学院4.8 液压系统l定桨距风力机液压系统2022-1-29111新能源学院新能源学院4.8 液压系统l定桨距风力机液压系统u蓄能器的作用当主油路断开时，由蓄能器储存的能量提供压力，使叶尖扰流器与叶片保持一致。u突开阀的作用当风速超过切出风速时，突开阀自动换向，系统的压力被释放，叶尖扰流器脱