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1、风力发电原理,新能源学院 关新,2019/10/25,第5章 风力发电机组,2019/10/25,5.1 一次能源系统,叶片 基本要求 有高效的接受风能 合理的结构密度轻、结构强度、疲劳强度、力学性能 弹性、惯性及其振动频率要正常 表面光滑减少与空气的摩擦阻力 小噪声，不得产生强烈的电磁波干扰和光反射,2019/10/25,5.1 一次能源系统,叶片 基本要求 排内部积水 耐腐蚀、耐紫外线照射性、雷击保护 制造容易，安装及维修方便，制造成本和使用成本低,2019/10/25,5.1 一次能源系统,叶片 叶片类型 数量单叶片、双叶片、三叶片以及多叶片 翼型形状变截面和等截面 材料及结构形式木制叶
2、片、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金挤压成型叶片、玻璃钢叶片（GFRP，环氧树脂、酚醛树脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维而做成的增强塑料）、碳纤维复合叶片（CFRP）、纳米材料,2019/10/25,5.1 一次能源系统,叶片 叶柄结构 螺纹件预理式,2019/10/25,5.1 一次能源系统,叶片 叶柄结构 钻孔组装式,2019/10/25,5.1 一次能源系统,叶片 叶片数 两叶片风轮对应最大风能利用系数的转速比较高。 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。 接受程度,2019/10/25,5.1 一次能源系统,轮毂 固定式轮毂 铸造结构或焊接结构 安装、使用和
3、维护简单，不存在磨损问题,2019/10/25,5.1 一次能源系统,轮毂 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,2019/10/25,5.1 一次能源系统,轮毂 各叶片自由的铰链式轮毂 单独做拍向（俯仰方向）调整而互不干扰 可以做单独的挥向（叶片转动方向）调整,2019/10/25,5.2 主传动系统,作用是将由风能产生的动力传递给风力发电机 主轴、主轴承、齿轮箱、联轴器,2019/10/25,5.2 主传动系统,总体传动形式 一字形 特点：对中性好，负载分布均匀 缺点：占轴线长，可能使主轴太短，主轴承载荷较大,2019/10/25,
4、5.2 主传动系统,总体传动形式 回流式 特点：可以缩短机舱长度，增加主轴长度，减少塔架（筒）负载的不均衡,2019/10/25,5.2 主传动系统,总体传动形式 分流式 主轴完全独立结构 主轴与齿轮箱间靠联轴器连结 主轴独立地承受风轮自重产生的弯曲力矩和风轮的轴向推力（配推力轴承） 齿轮箱体积相对较小 刹车过程较为平稳 需对低速轴轴承单独进行润滑,2019/10/25,5.2 主传动系统,总体传动形式 分流式 主轴半独立结构 一组前轴承托架，后轴承是与齿轮箱共用的 轴与齿轮箱间采用半刚性的胀套连接或刚性的法兰连接 轴上弯矩的减小 材料、减轻了重量,2019/10/25,5.2 主传动系统,总
5、体传动形式 分流式 齿轮箱、主轴一体结构 低速轴与齿轮箱合为一体 齿轮油直接对低速轴轴承进行润滑 体积较大、较重、结构相对复杂、造价较高 承受来自叶轮的冲击载荷 刹车过程中齿轮箱承受较大的载荷,2019/10/25,5.2 主传动系统,总体传动形式 直驱型无齿轮箱 不使用齿轮箱 风轮与发电机转子共用一个轴 故障率也最低 风轮不是悬臂状态，动态稳定性好、寿命长、可靠性高,2019/10/25,5.2 主传动系统,主轴及主轴承 受力形式：轴向力、径向力、弯矩、转矩和剪切力 主轴轴心通孔作用？,2019/10/25,5.2 主传动系统,主轴及主轴承 主轴安装方式： 挑臂梁：两点支撑 悬臂梁：三点支撑
6、 优点：前点为刚性支撑；后点为弹性支撑（齿轮箱）。,2019/10/25,5.2 主传动系统,主轴及主轴承 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 进行淬火原因？ 轴承座运行时允许有微量油渗出！,2019/10/25,5.2 主传动系统,主轴及主轴承,2019/10/25,5.2 主传动系统,主齿轮箱 工作特征 低温状态下抗冷脆性等特性。 应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击。 保证充分的润滑条件等。 对冬夏温差巨大的地区，要配置合适的加热和冷却装置。 要设置监控点，对风力发电机组齿轮箱的运转和润滑状态进行遥控。,2019/10/25,5.2
7、 主传动系统,主齿轮箱 风力发电机组的齿轮箱 平行轴结构齿轮箱一级的传动比比较小，多级可获得大的传动比，但体积较大 行星齿轮箱结构比较复杂，可实现大传动比，传递相同功率时行星齿轮箱比平行轴齿轮箱的体积要小得多,2019/10/25,5.2 主传动系统,主齿轮箱 风力发电机组的齿轮箱,2019/10/25,5.2 主传动系统,主齿轮箱 齿轮箱图例,2019/10/25,5.2 主传动系统,主齿轮箱 齿轮箱的主要零部件 齿轮箱体 固定轴承的空间位置 通过轴承在齿轮箱体和风轮轴托架上得到平衡，通过轴承使轴能够转动以传递扭矩。 安装轴承及齿轮的润滑系统及安全监测系统 铸铁箱体，轻铝合金铸件的已不多见
8、箱体上应设有观察窗 为保证同轴度，齿轮箱采用浮动安装结构,2019/10/25,5.2 主传动系统,主齿轮箱 齿轮箱的主要零部件 齿轮 作用：传递扭矩，轮系还可以改变转速和扭矩 轮辐轮缘整体锻件的形式 斜齿轮、螺旋齿轮及人字齿轮：传动噪声小、承载能力强,2019/10/25,5.2 主传动系统,主齿轮箱 齿轮箱的主要零部件 齿轮,2019/10/25,5.2 主传动系统,主齿轮箱 齿轮箱的主要零部件 轴承 滚动轴承：静摩擦力矩和动摩擦力矩都很小 疲劳损伤：表面下出现细小裂纹，裂纹逐步增大，材料剥落，产生麻点，最后造成大面积剥落 故障判定：运转不平稳和噪声异常，温度升高 类型：圆柱滚子轴承、圆锥
9、滚子轴承、调心滚子轴承,2019/10/25,5.2 主传动系统,主齿轮箱 齿轮箱的主要零部件 密封 非接触式密封：间隙大小取决于轴的径向跳动大小和端盖孔相对于轴承孔的不同轴度 接触式密封。要求：密封可靠、耐久、摩擦阻力小，容易制造和装拆，应能随压力的升高而提高密封能力和有利于自动补偿磨损,2019/10/25,5.2 主传动系统,主齿轮箱 齿轮箱的主要零部件 齿轮箱的润滑系统 分类：飞溅润滑与强制润滑 润滑系统：,2019/10/25,5.2 主传动系统,主齿轮箱 齿轮箱的主要零部件 齿轮箱的润滑系统 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
10、统冷却方式 风冷式,2019/10/25,放气接头,截止阀,5.2 主传动系统,主齿轮箱 齿轮箱的主要零部件 齿轮箱的润滑系统 润滑油 减少部件磨损 降低摩擦 降低振动和噪声 减少冲击载荷 冷却散热媒体 抗腐蚀能力。,2019/10/25,5.2 主传动系统,主齿轮箱 齿轮箱的主要零部件 齿轮箱的润滑系统 润滑油 带走污染物及磨损产生的铁屑。 油品使用寿命较长 分类：润滑油，合成润滑油 油品的选择 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,2019/10/25,5.2 主传动系统,主齿轮箱 齿轮箱的主要零部件 齿轮箱的润滑系统 加热与冷却 低的温度将会使润滑油
11、的黏度增大，使润滑泵效率降低，管道阻力增大，导致齿轮箱内各润滑点的润滑状态恶化 高的温度将会使润滑油的黏度变稀，使油膜变薄，承载能力降低，导致齿轮箱内各润滑点的润滑状态恶化,2019/10/25,5.2 主传动系统,主齿轮箱 齿轮箱的主要零部件 齿轮箱的润滑系统 齿轮箱运行保护装置 监控：轴承温度、润滑油温度、润滑系统的油压、润滑油位、润滑油的加热和散热装置的工作状态 组成：润滑油温度传感器、油位传感器、油压传感器、油流量传感器、压力表、加热器温度传感器、冷却器温度传感器等,2019/10/25,5.2 主传动系统,联轴器 刚性联轴器和挠性联轴器 无弹性弹性元件联轴器 金属挠性元件联轴器 刚性
12、联轴器 制造和安装简单 有良好的互换性，且拆卸方便 可以承受重负载 胀套的使用寿命长，强度高,2019/10/25,5.2 主传动系统,联轴器 刚性联轴器 连接前的准备工作 结合表面必须无污物、无腐蚀和无损伤 均匀涂一层薄润滑油 胀套的安装 防止结合件的倾斜 拧紧胀套螺钉的方法 力矩扳手按对角、交叉均匀地拧紧,2019/10/25,5.2 主传动系统,联轴器 刚性联轴器 胀套的拆卸 先松开全部螺钉，但不要将螺钉全部拧出 防护 外露端面及螺钉头部涂上一层防锈油脂,2019/10/25,5.2 主传动系统,联轴器 挠性联轴器 强度高，承载能力大 弹性高，阻尼大，具有足够的减振能力 具有足够的补偿性
13、 工作可靠性能稳定，具有耐热性、不易老化等特性,2019/10/25,5.2 主传动系统,联轴器 挠性联轴器 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,2019/10/25,5.2 主传动系统,联轴器 挠性联轴器 连杆联轴器 在保护套的表面涂有不同的涂层，保护套与轴之间的摩擦力始终是保护套与轴套之间摩擦力的2倍，从而保证滑动永远只会发生在保护套与轴套之间,2019/10/25,5.2 主传动系统,联轴器 挠性联轴器 万向联轴器 适用于有大角位移的两轴之间的连接,2019/10/25,5.2 主传动系统,联轴器 挠性联轴器 膜片联轴器 中间体带有力矩限制器
14、，当传动力矩过大时可以自动打滑。,2019/10/25,5.3 支撑系统,机舱 由机舱底盘、机舱罩和整流罩组成 机舱罩 下舱罩和上舱罩，厚度为810mm 玻璃钢,2019/10/25,5.3 支撑系统,机舱 导流罩 整流罩外部呈流线性，有利于减少风对机舱的作用力,2019/10/25,5.3 支撑系统,底盘 定位和承载的作用 高的强度和刚度 还具有良好的减震特性,2019/10/25,前底盘（铸件）,后底盘（焊件）,5.3 支撑系统,塔架 承受各种载荷，传递载荷到基础 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
15、组,2019/10/25,5.3 支撑系统,塔架 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,2019/10/25,5.3 支撑系统,塔架 塔架的分类塔筒式塔架 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,2019/10/25,5.3 支撑系统,塔架 塔架结构 塔筒、塔门、塔梯、电缆梯与电缆卷筒支架、平台、外梯、照明设备、安全与消防设备等组成 塔筒 采用高强度螺栓穿过内翻式法兰将塔筒连接 高度确定 25m 25m,2019/10/25,5.3 支
16、撑系统,塔架 塔架结构 塔筒,2019/10/25,5.3 支撑系统,塔架 塔架结构 平台 为方便安装螺栓，平台距法兰处1.1m左右,2019/10/25,5.3 支撑系统,塔架 塔架结构 电缆及其固定 通过电缆卷筒与支架固定 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。,2019/10/25,5.3 支撑系统,塔架 塔架结构 外梯有直梯和螺旋梯两种,2019/10/25,5.3 支撑系统,塔架 塔架的固有频率 振幅大小于激振频率和塔架的固有频率有关,2019/10/25,5.3 支撑系统,塔架 塔架的固有频率 振幅大小于激振频率和塔架的固有频率有关 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=Nn f（1+20%）n或Nn,2019/10/25,5.3 支撑系统,塔架 塔架的固有频率 fNn：刚性塔 nfNn：半刚性塔 fn：
