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1、第四讲风力发电机的结构与分类 栗文义 4 1风力发电机的分类风力发电机分类按照不同的标准有不同的分类方法 按风力机的功率分类 可分为 微型风力发电机 其额定功率为50 100W 小型风力发电机 其额定功率为1 10KW 中型风力发电机 其额定功率为10 100KW 大型风力发电机 其额定功率为100KW以上 4 2水平轴风力发电机的结构水平轴风力发电机是目前世界各国最为成功的一种形式 而生产垂直轴风力发电机的国家很少 虽然垂直轴风力发电机一些优点但垂直轴风力发电机效率低 需重启设备 水平轴风力发电机主要由风轮 风轮轴 低速联轴器 增速器 高速轴联轴器 发电机 塔架 调速装置 调向装置 制动器等
2、组成 1 风轮叶片安装在轮毂上称作风轮 它包括叶片 轮毂等 风轮是风力发电机接受风能的部件 现代的风力发电机的叶片数 常为1 4枚叶片 常用的是2枚或3枚叶片 由于叶片是风力发电机接受风能的部件 所以叶片的扭曲 翼型的各种参数及叶片结构都直接影响叶片接受风能的效率和叶片的寿命 叶片尖端在风轮转动中所形成圆的直径称风轮直径 亦称叶片直径 叶片又可分为变桨距叶片和固定桨距叶尖可变桨距或叶尖有阻尼器两种叶片 其作用都是为了调速 从叶片结构上又可分为木制叶片 铝合金挤压成型的等弦长叶片 钢制叶片 钢纵梁玻璃钢叶片 玻璃钢叶片等 由于叶片在转动中 距转动中心不同半径的线速度也不同 接受风能也不同 为了叶
3、片各部接受风能大体一致 叶片往往做成从叶根至叶尖是渐缩的 并且扭转一定角度 这种叶片称扭曲叶片 现代大 中型风力发电机都采用扭曲叶片 叶片安装在轮毂上 有些调速装置就安装在轮毂内 如图 2 4 b 2 增速器由于风轮的转速低而发电机转速高 为匹配发电机 要在低速的风轮轴与高速的发电机轴之间接一个增速器 增速器就是一个使转速提高的变速器 增速器的增速比i是发电机额定转数nD与风轮额定转数n的比 即i nD n 3 联轴器增速器与发电机之间用联轴器连接 为了减少占地空间 往往联轴器与制动器设计在一起 风轮轴与增速器之间也有用联轴器的 称低速联轴器 如图 2 4 a 中4和9 4 制动器制动器是使风
4、力发电机停止运转的装置 也称刹车 制动器有手制动器 电磁制动器和液压制动器 当采用电磁制动器时 需有外电源 当采用液压制动器时 除需外电源外 还需泵站 电磁阀 液压油缸及管路等 5 发电机叶片接受风能而转动最终传给发电机 发电机是将风能最终转变成电能的设备 风力发电机土常用的发电机有四种 直流发电机 常用在微 小型风力发电机上 直流电压12 24 36V等 中型风力发电机也有用直流发电机的 永磁发电机 常用在小型风力发电机上 电压一般为115 127V等 有直流也有交流 永磁交流发电机在中 大型风力发电机上尚未得到使用 主要有些技术问题还未解决 现在我国已经发明了交流电压440 240V的高效
5、永磁交流发电机 可以做成多极低转速 特别适合风力发电机 同步交流发电机 它的电枢磁场与主磁场同步旋转 同步转速nD 60f p 异步交流发电机 它的电枢磁场与主磁场不同步旋转 其转速比同步转速略低 当并网时转速应提高 6 塔架塔架是支撑风力发电机的支架 塔架有型钢桁架结构的 有圆锥型钢管和钢筋混凝土的等三种形式 同时塔架又分为硬塔 柔塔 甚柔塔 硬塔的固有频率大于Kn 其中K为叶片数 n为风轮转数 柔塔的固有频率在Kn和n之间 甚柔塔的固有频率小于n 为防止钢制塔架生锈 往往对钢制塔架热镀锌 7 调速装置风速是变化的 风轮的转速也会随风速的变化而变化 为使风轮运转在所需要的额定转速下的装置称为
6、调速装置 当风速超过停机风速时 调速装置会使风力发电机停机 调速装置只在额定风速以上时调速 目前世界各国所采用的调速装置主要有以下几种 可变桨距调速装置 变桨距调速装置是现代风力掣电机主要调速方式之一 在图2 4中 微机发出指令让叶片增大安装角以减少由于风速增大使叶片转速加快的趋势 电磁阀打开 变桨距液压油缸动作 拉动叶片向叶片安装角增大的方向转动一定角度使叶片接受风能减少 维持风轮运转在额定转速范围内 当风速减小时 微机指令的动作与上述相反 减小叶片的安装角以使叶片接受风能增加 维持风轮转速在额定转速的范围内 变桨距调速装置也有多种形式 上述为液压变桨距调速装置 变桨距调速装置还有一种由调速
7、电机来驱动的 这种由调速电机驱动的变桨距调速也是当代风力发电机主要的调速方式之一 定桨距叶尖失速控制调速装置 定桨距叶尖失速控制调速装置是当代风力发电机常采用的主要调速方式之一 定桨距就是叶片的安装角是固定的 也就是叶片固定在轮毂上不能转动 在叶尖上有一段叶片是可以转动的 在额定风速下叶尖上可动的一段叶片与叶片保持一致 当风速超过额定风速时 可动叶尖在液压或机械动力的驱动下 转一定角度 使可动叶尖失速对风形成阻力 风愈大则转的角度愈大对风的阻力也愈大 从而保持叶片运转在额定风速下 当风速减小时上面的过程正好相反 当风速达到停机风速时 可动叶尖对风轮运转完全形成阻力 致使风轮停止转动 也称空气动
8、力制动或刹车 离心飞球调速装置 离心飞球调速装置是风力发电机最早的变桨距调速装置 现代风力发电已很少采用 离心飞球调速装置最典型结构是绞接在轮毂上的飞球随风轮转动而转动 在额定风速下 飞球的离心力与弹簧压力相平衡 当风速超过额定风速时 风轮转速加快 飞球离心力增大 克服弹簧压力向外伸开 飞球另一端拐轴就驱动大齿轮转功 并驱动与其啮合的小齿轮转动 而小齿轮轴正是叶片可变桨距的轴 因此叶片向其安装角增大的方向转动 使叶片向减少迎风面 保持风轮运转在额定转速范围内 当风速减小时 飞球调速过程恰好相反 离心飞球调速装置还有很多种结构形式 可以控制整个叶片变桨距 也可以利用飞球离心力控制叶片锥角以改变叶
9、片迎风面来调速 空气动力调速装置 空气动力调速装置的机理是在叶尖上或叶片中部安装一块阻尼板 在额定风速下 阻尼板随风轮运转的离心力与弹簧的拉力平衡并保持与风轮转动中受空气阻力最小的位置 当风速超过额定风速时 阻尼板由于离心力的作用而张开并对空气形成阻力使风轮转速保持在额定转速的范围内 空气动力调速形式有很多 定桨距叫尖失速控制调速也属空气动力调速之一 图2 5是Wlnd Charger空气动力调速装置 它是用两个圆弧板铰接在与叫片相垂直的短臂上 短臂与轮毂焊在一起 在额定风速下向圆弧板的离心力与弹簧的拉力平衡并保持与风轮一起转动叫对空气阻力最小的位置 当风速超过额定风速时 风轮转速增加 圆弧板
10、离心力增大 使其克服弹簧拉力向外张开造成空气阻力使风轮转速保持在额定转速的范围内 当风速减小时 圆弧板离心力减小 靠弹簧的拉力的圆弧板以拉了回来 减小空气阻力 使风轮机在额定转速范围内 扭头 仰头调速装置 扭头 调速装置就是把风轮和机舱与转盘偏心布置 当风速超过额定风速时风时风轮和机舱能绕转盘偏离风向一定角度从而减小叶片迎风面积以达到调速的目得 超过额定风速愈大则风轮偏离风向愈大 使风轮保持在额定转速范围内 图2 6是扭头调速 图2 7是仰头调速 当风速超过停机风速时 风轮顺桨 机舱与风向垂直 停机 牵拉在尾舵梁上的弹簧在风轮顺桨时自锁 开机时需人工调回 扭头调速是沿用最久的行之有效的调速方式之一 其结构简单 易于制造 成本低 至今还用在中型20kW以下及微小型风力发电机的调速上 仰头调速装置常用在微小型风力发电机的调速上 仰头调速装置也是将风轮和机舱与塔架的铰接轴偏心布置 当风轮在额定风速下运转时弹簧拉力与风轮机舱对铰接轴的力矩相平衡 当风速大于额定风速时风轮克服弹簧拉力而仰头调速 仰头调速机理与扭头调速机理相同 仅是方向不同 8 调向装置调向装置就是使风轮正常运转时一直使风轮对准风向的装置 风力发电机的调向有很多种形式 总的说来有五种形式 尾舱调向 侧风轮调向 下风向调向及调向电机 伺服电机 调向和液压驱动调向
