风机理论知识介绍

风力发电机组理论知识介绍（机械部分）

中船重工（重庆）海装风电设备有限公司问题一：为什么我们的风力发电机被称为：三叶片、上风向、水平轴、变桨型风电机组问题二：为什么我们的风力发电机组需要：叶片、变桨轴承、变桨驱动、轮毂、主轴、主轴承、导流罩、主齿轮箱、联轴器、高速轴制动器、机舱起重机、液压单元、偏航驱动、偏航轴承、偏航刹车、塔筒……1、风能利用的历史

人类利用风能已有数千年历史，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，约在几千年前，他们就开始用风帆来帮助行船，波斯和中国也很早开始利用风能，主要是使用垂直轴风车。欧洲到中世纪才广泛利用风能，荷兰人发展了水平轴的风车，18世纪荷兰曾利用近万座风车将海堤内的水排干，造出的良田相当于国土面积的三分之一，成了著名的风车之国。这种风车在欧洲大陆和英国的乡村是很普遍的，成为机械能的主要来源。19世纪中叶以后，美国大规模开发西部，为了解决人畜饮水问题，制造了金属叶片的风轮，驱动活塞泵用于提水，成为有名的美国农场风车（如下图一所示），拥有量曾达到600万台。中国创造的立帆式垂直轴风轮，是将8个帆各编在一个直立的杆上，各帆的正中上端则各由一绳系之，当地称此为走马灯式风车（如下图二所示）。图一美国农场风车图二立帆式垂直轴风车

在蒸汽机出现之前，风力机械是动力机械的一大支柱，其后随着煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，各种曾经被广泛使用的风力机械，由于成本高，效率低，使用不方便等，无法与蒸汽机、内燃机和电动机等相竞争，渐渐被淘汰。例如荷兰现存几百座风车，被作为文物保护起来，成为旅游景观。到了19世纪末，开始利用风力发电，这在解决农村电气化方面显示了重要的作用，特别是20世纪70年代以后利用风力发电更进入一个蓬勃发展的阶段。2、风力发电的发展2.1风力发电的特点风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组（简称风电机组）是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转变成电能。由于风速随时在变化，因此处在野外运行的风电机组承受着十分复杂恶劣的交变载荷。目前风电机组的设计寿命是20年，要求能经受住60m/s的Ⅱ级暴风袭击，机组的可利用率要达到95％以上。2.2风力发电的运行方式

风力发电的运行方式主要有两类。一类是独立运行供电系统，即在电网未通达的偏远地区，用小型风电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换成交流电向终端电器供电，单机容量一般为100W～10kW；或者采用中型风电机组与柴油发电机或太阳光电池组成混合供电系统，系统的容量约为10～200kW，可解决小的社区用电问题。另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行，联网风力发电是大规模利用风能的最经济方式。机组单机容量范围在200～2500kW之间，既可以单独并网，也可以由多台，甚至成百上千台组成风力发电场，简称风电场。2.3风电的优点风电的突出优点是环境效益好，不排放任何有害气体和废弃物。平均每装一台单机容量为1兆瓦的风能发电机，每年可以减排2000吨二氧化碳（相当于种植1平方英里的树木）、10吨二氧化硫、6吨二氧化氮。风电场虽然占了大片土地，但是风电机组基础使用的面积很小，不影响农田和牧场的正常生产。多风的地方往往是荒滩或山地，建设风电场的同时也开发了旅游资源。3、风能资源3.1风的形成简单的说，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；空气沿水平方向运动形成风。风的形成就是空气流动的结果。

3.2大气运动的原因

a.地球大气运动既受气压梯度力的影响，还要受地转偏向力的影响。由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同，在赤道和低纬度地区，太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射强度强，地面和大气接受的热量多、温度较高；再高纬度地区太阳高度角小，日照时间短，地面和大气接受的热量小，温度低。这种高纬度与低纬度之间的温度差异，成了南北之间的气压梯度，使空气作水平运动，风应沿水平气压梯度方向吹，即垂直与等压线从高压向低压吹。

b.此外因为地球在自转，使空气水平运动发生偏向，这个力称为地转偏向力，又叫科里奥利力，这种力使北半球气流向右偏转，南半球向左偏转。

所以大气真实运动是这两种力综合影响的结果。3.3地形对风的影响山谷和海峡能改变气流运动的方向，还能使风速增大，而丘陵、山地会因为摩擦而使风速减小，孤立的山峰会因海拔高而使风速增大。3.4海风，陆风；山风，谷风

a.海风、陆风：大陆上的气流受热膨胀上升至高空流向海洋，到海洋上空冷却下沉，在近地层海洋上的气流吹向大陆，补偿大陆的上升气流，低层风从海洋吹向大陆，这被称为海风；夜间，情况相反，低层风从大陆吹向海洋，被称为陆风。b.山风、谷风：白天山坡受热快，温度高于山谷上方同高度的空气温度，坡地上的暖空气从山坡流向谷地上方，谷地的空气则沿着山坡向上补充流失的空气，这时由山谷吹向山坡的风，称为谷风。夜间，山坡因冷却降温速度比同高度的空气快，冷空气沿坡地向下流入山谷，称为山风。3.5风能来源风的能量是由太阳辐射能转化来的，太阳每小时辐射地球的能量是174,423,000,000,000千瓦，换句话说，地球每小时接受了1.74x10^17瓦的能量。风能大约占太阳提供总能量的百分之一，二，太阳辐射能量中的一部分被地球上的植物转换成生物能，而被转化的风能总量大约是生物能的50～100倍。3.6风功率的计算风的能量指的是风的动能。特定质量的空气的动能可以用下列公式计算：能量=1/2X质量X(速度)^2吹过特定面积的风的功率可以用下列公式计算：功率=1/2X空气密度X面积X(速度)^3其中，功率单位为瓦特；空气密度单位为千克/立方米；面积指气流横截面积，单位为平方米；速度单位为米/秒。

于上述公式中可以看出，风功率与速度的三次方〔立方〕成正比，并与风轮扫掠面积成正比。不过实际上，风轮只能提取风的能量中的一部分，而非全部。3.7中国风能资源我国10米高度层的风能资源总储量为32.26亿千瓦，其中实际可开发利用的风能资源储量为2.53亿千瓦。而据估计，中国近海风能资源约为陆地的3倍，所以，中国可开发风能资源总量约为10亿千瓦。其中青海、甘肃、新疆和内蒙可开发的风能储量分别为1143万千瓦、2421万千瓦、3433万千瓦和6178万千瓦，是中国大陆风能储备最丰富的地区。3.8中国风力资源分布东南沿海及其附近岛屿是风能资源丰富地区，有效风能密度大于或等于200瓦/平方米，沿海岛屿有效风能密度在300瓦/平方米以上，全年中风速大于或等于3米/秒的时数约为7000～8000小时，大于或等于6米/秒的时数为4000小时。新疆北部、内蒙古、甘肃北部也是中国风能资源丰富的地区，有效风能密度为200～300瓦/平方米，全年中风速大于或等于3米/秒的时数为5000小时以上，全年中风速大于或等于6米/秒的时数为3000小时以上。黑龙江、吉林东部、河北北部及辽东半岛的风能资源也较好，有效风能密度在200瓦/平方米以上，全年中风速大于和等于3米/秒的时数为5000小时，全年中风速大于和等于6米/秒的时数为3000小时。

青藏高原北部有效风能密度在150～200瓦/平方米之间,全年风速大于和等于3米/秒的时数为4000—5000小时，全年风速大于和等于6米/秒的时数为3000小时；但青藏高原海拔高、空气密度小，所以有效风能密度也较低。云南、贵州、四川、甘肃、陕西南部、河南、湖南西部、福建、广东、广西的山区及新疆塔里木盆地和西藏的雅鲁藏布江为风能资源贫乏地区，有效风能密度在50瓦/平方米以下，全年中风速大于和等于3米/秒的时数在2000小时以下，全年中风速大于和等于6米/秒的时数在150小时以下，风能潜力很低。4、风力机的工作原理4.1风力机的种类风力机经过2000年的发展过程，现在已有很多种型式!其中有的是老式风力机，现在不再使用；有的是现代风力机，正为人们广泛利用；有的正在研究之中。尽管风力机的型式各异，但它们的工作原理是相同的，即利用风轮从风中吸收能量，然后再转变成其他形式的能量。依风机旋转主轴的方向（即主轴与地面相对位置）分类，可分为两类：1）水平轴风力机，风轮的旋转轴与风向平行；2）垂直轴风力机，风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向。4.2基本原理—功率系数(风能利用系数）

ρ

—空气密度，kg/m3A—转轮旋转圆面积，m2V—风速，m/s风力机的输出功率L(W)风能机械能电能风轮发电机4.3风力机主要部件结构NORDEX80/2500kW型1、叶轮2、轮毂3、机舱内框架4、叶轮轴与主轴连接5、主轴6、齿轮箱7、刹车盘8、发电机的连接9、发电机10、散热器11、冷却风扇12、风测量系统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REPOWER1.5MW

v90_200k.wmv风机结构5、风轮类型5.1单叶片风轮空气动力特性和转子动力特性均不平衡缺点：产生大幅值的交变应力，降低产品寿命。5.2双叶片空气动力特性和转子动力特性比较平衡优点：风轮效率比三叶片高点。缺点：a.2叶片风轮的动态载荷比3叶片风轮的动态载荷大得多。

b.2叶片风轮噪声大、运转不平稳、成本高。风轮的气动效率大约降低2％～3％左右。轮毂也比较复杂。5.3三叶片空气动力特性和转子动力特性比较平衡优点：a.3叶片使风力发电机组系统运行平稳，基本上消除了系统的周期载

荷，输出稳定的转矩。

b.美观，风轮效率较高。6、传动链类型传动链类型分为有齿轮箱和直驱式两大类，而带齿轮箱的传动链常见的是二点支撑和三点支撑。

传动链好坏的评价，主要是从齿轮箱、主轴承、主轴的受力特性、可维护性、是否易装配和带来的整机重量等方面来分析的。6.1二点支撑的传动链

安装有两个独立的主轴滚子轴承，前一个轴承仅承受径向力，后一个轴承承受径向力和轴向力。齿轮箱仅传递扭矩，减少了齿轮箱载荷的复杂性，大大提高了齿轮箱的寿命，部件安装较方便，内部空间较大，便于进行维护，且对齿轮箱进行大的维护时，不需要特别的工装对风轮进行稳定。缺点是主轴较长较重。6.2三点支撑的传动链主轴前段安装一个滚子轴承，齿轮箱内部集成一个滚子轴承，齿轮箱不仅传递扭矩，还要承受风轮传递的其他载荷（如弯矩、翘曲等）。缺点是主轴较长较重，对齿轮箱进行大的维修和更换困难，需要用特别的工装对风轮进行平衡。带齿轮箱的风力发电机组是目前MW级商业运用中使用最多的机组，开发有不同的传动链方案，它们的共同特点是均配备有增速齿轮箱，采用异步电机。但在风机运行过程中，增速齿轮箱的故障发生率较高。这是带齿轮箱风力发电机组中最大的缺陷。目前，二点支撑的传动链结构已经大大改善了齿轮箱的受力情况，显著提高了齿轮箱的使用寿命。直驱式风力发电机组是最近才发展起来的，最大特点是没有增速齿轮箱，采用全密封结构、强制散热方式。大大降低了风机的故障发生率。缺点是其同步电机质量巨大，制造困难。维修更换不易，机组、塔架很重。

6.3MW级商用风机的两大流派6.3.1带齿轮箱6.3.2直驱型国外：ENERCON国内：金风、湘电6.3.3半直驱型把齿轮箱和主轴、发电机轴承结合在一起的传动方式，该方式目前市场份额较小。7、技术分析7.1叶片变桨距与叶片定桨距

叶片定桨距技术主要用于MW级以下的风机，随着单台风机容量的越来越大，采用叶片定桨距技术的风机越来越难以承受大容量所带来的交变高载荷。严重影响到风机的安全和风能的有效利用。叶片变桨距技术的采用不仅能够通过变桨有效利用风能，而且能够有效卸载不利的风载荷对机组的损害，提高机组的安全和使用寿命。主要用于大功率MW级风机。

在叶片变桨距技术的运用中，又分为电气变桨技术和液压变桨技术。电气变桨采用电机驱动、调整桨角。其电源采用滑环方式接入，可靠性高。但其体积较大，轮毂空间利用率低，维护不方便，且必须采用带齿的变桨轴承，而带齿的变桨轴承价格比无齿的变桨轴承价格估计要高20%左右。液压变桨采用液压马达驱动、调整桨角。其特点是动力高、体积小，轮毂空间利用率高，可采用无齿的变桨轴承。动力是通过旋转的液压接头来源于机舱液压系统。这种方式的局限性是液压管路的密封容易出现泄漏，特别是旋转的液压接头。从而造成液压泵启动频繁，甚至变桨动作出现冲击、角度出现较大偏差。7.2主轴轴承在风电应用领域，主轴轴承主要有两大生产厂家。FAG和SKF。SKF力推其独家开发的CARB轴承的应用，CARB轴承的特点是内外圈可以有较大的相对移动量，以适应主轴由于热胀冷缩带来的变形量，安装需要特殊的工装。另外滚子能够自动导位，使负荷能够平均作用在整个滚子的位置上，降低运行时的摩擦。在有角度误差或轴向位移的情况下，其承载能力仍很高。球面滚子轴承能够自动调心，可以容许较大的对准误差。轴的轴向游隙相对较小，可同时承受轴向和径向载荷，但由于主轴因为热胀冷缩带来的变形量，轴承座需预留设计间隙。7.3偏航、变桨轴承

偏航变桨轴承须承受很大的倾覆力矩，对滚道的处理、游隙的控制有较高的要求。

生产转盘轴承的厂家，有Rollix、罗特艾德、DRE/CON、洛轴、瓦轴等，但洛轴、瓦轴在用于风机的转盘轴承技术上，对轴承游隙控制、热处理、表面淬火处理、局部大载荷变形控制方面，实际经验较少。内齿加工周期长，成本高。在机组内部受外界污染小。7.4齿轮箱主要作用是将风轮在风力作用下产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。不同形式的风力发电机组对齿轮箱的布置形式及结构也不同。固定平行轴和行星齿轮传动最为常见。

齿轮箱的润滑：通常采用油池润滑和强制润滑，前者油不循环，热量不能有效传递，易产生高温报警停机。后者通过外部油泵将油强制送到给润滑点，润滑充分，并能很好进行热交换。

冷却：常见空/油冷却和空/水/油冷，前者通过冷却器直接冷却油，后者通过冷却器冷却水，水再去冷却油，冷却效率高，成本相对较高。7.5联轴器应用在联轴器应用中，目前应用较多的是带扭矩限制器的联轴器，主要是为了防止电机侧突变负载过高而对齿轮箱带来的冲击。在出现冲击情况下，通过扭矩限制器的滑动来减缓、吸收，达到保护齿轮箱的目的。7.6内部起重机选用方式风机的内部起重机方式目前大体有如下几种：主要从受力结构、可到达范围、实现方式来考虑。7.6.1问号型对主要部件具有较好的可到达性，但是需要特殊的支撑结构5.6.2半圆型对主要部件具有较好的可到达性，结构简单、费用相对较低。但是不能到达所有区域。5.6.3一字型对整个传动链具有较好的可到达性。但是需要特殊的支撑结构、费用较高。5.6.4工字型对整个传动链及周围区域具有较好的可到达性。但是费用昂贵。7.7塔筒电梯在目前的大容量风机中，由于塔筒较高，人员攀登困难，基本上都会考虑安装风机电梯。一种是采用钢丝绳作为电梯导向，另一种采用爬梯本身的框架进行导向。单独采用钢丝绳作为电梯导向，其电梯的安装较自由、灵活，限制较少。对于电梯出现故障后，电梯内人员自己基本不需要帮助就可以安全回到地面。而采用爬梯本身的框架进行导向的，安装位置基本固定。一旦爬梯位置确定后，其电梯安装位置也就基本确定。没有采用钢丝绳作为导向的电梯安装灵活。7.8柔性刹车技术目前，在风机安全刹车方式上，有一种叫SOBO柔性刹车技术，其刹车动作类似汽车防抱死的频繁点刹车，只不过频率要小得多。这种刹车方式能够在一定程度上减缓刹车对风机的冲击。7.9离线和在线过滤方式右边是齿轮润滑系统离线和在线过滤方式示意图。常规的齿轮过滤是采用在线的，如果要保持较高的（比如17/15/12）清洁度等级，其昂贵的滤芯约半年就得更换。而增加采用离线润滑方式后，由于其离线润滑泵送流量较低，约45升/小时，可以安装很细的滤清器，微粒尺寸达到2um，滤清器纳污量达1.5升，能够吸收将近1升的水，还可以有效滤氧，且其滤芯的更换容易、价格便宜。是在线过滤的最佳辅助手段。使昂贵的在线过滤滤芯更换周期大大延长。也很好地保护了齿轮箱。7.10集中润滑与手动润滑方式手动润滑方式成本低，润滑时间和润滑量都不精确，主要凭维护人员经验完成。集中润滑方式成本高，但可使轴承处于最佳润滑状态,从而延长轴承使用寿命.延长服务周期,并确保在各种恶劣环境下能有效润滑到人工很难手动润滑到的润滑点---如震动、转动、粉尘、高温或潮湿环境，减少摩擦和降低磨损,提高可靠性和使用寿命，合理的润滑可以减少过度润滑导致润滑剂浪费以及环境污染。8、产品介绍

HZ2.0MW双馈式风电机组是海装公司与德国Aerodyn公司根据中国市场需求与配套能力合作开发的，为三叶片、上风向、水平轴、电气变桨、变速恒频、主动对风、传动链采用两点支撑原理的机组。

HZ2.0MW双馈式风电机组所有型号按照标准化、系列化和通用化进行设计和制造，可适应积雪、结冰、沙尘和低浓度盐雾等恶劣环境。有如下特点：双轴承支撑结构的传动链二级刹车保护系统（气动刹车、液压刹车）齿轮箱油双重过滤系统自动式集中润滑系统防冲击力矩保护连轴器防沙尘设计

适应低温和高海拔环境完善的控制系统高可靠性、低运营成本、低维护时间发电量高、电能质量高电网适应性好、具有低电压穿越能力

1叶片2轮毂3塔筒4主轴5主轴承座6偏航驱动器7齿轮箱润滑泵8控制柜9变频器10冷却风扇11冷却泵12发电机13连轴器14制动器15齿轮箱16机舱起重机17液压站2.0MW机组总体结构图8.1风轮采用变桨变速调速系统，每个叶片都具有独立的变桨机构。安装有叶片锁紧装置，保证了人员进入叶片维修的安全。气流攻角可变，能够尽可能多地获取风能,确保风电机组运行更稳定、更安全。电网故障等紧急停机时，变桨系统采用备用电池来供电，确保风机安全。导流罩内部设计有维修通道，方便维修人员从内部进入轮毂。轮毂的结构设计采用有限元分析，材料选用QT400-18AL，强度高，韧性好，耐低温冲击，具有很好的抗疲劳性能，同时也很好满足了极限载荷要求8.2传动链主轴采用双轴承支撑，前轴承承受径向载荷，后轴承主要承受轴向载荷，使齿轮箱免受风轮传来的复杂受力，使齿轮箱可靠性大为提高，提高了整个机组的可靠性。齿轮箱采用了在线过滤和离线过滤双系统，减少更换滤芯和润滑油周期。前轴承座带风轮锁紧系统，便于机组安装、维护，有效保护人生安全。

主要功能是跟踪风向，偏航由四个带电磁制动的电机