风力发电机组的制造技术

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1、 风力发电机组的制造技术（中国）风力发电机组的制造技术（中国） Manufacturing Technology of Wind Turbines in China 吴运东吴运东 Wu Yundong 14/06/2004 汕头 风力发电机组的制造技术（中国）风力发电机组的制造技术（中国） 1 中国风力发电机组制造技术的发展 11 历史 自 70 年代第二次世界石油危机以来，我国许多大学，研究院所和生产厂商尝试在我国开发并网型风力发电机组。浙江机电院和上海电力院等单位于 70 年代未开发了我国第一台现代工业概念的 18kW 风力发电机组。随后我国各单位又先后开发了 20kW、30kW、40kW

2、 和 50 kW 的风力发电机样机。这些机组的主要特点为：3 桨叶、退役直升机桨叶、变桨距调节、同步或异步发电机、继电控制。18kW 风力发电机组于 79 年投入运行，前后共运行 10 年之久，运行时间约 5 万小时，发电约 20 万度。1990 年我国又在 18kW 的技术基础上，制造了 5 台 30kW风力发电机，这 5 台 30kW 风力发电机组成我国第一个国产化的风电场。从 90年运行至 2000 年，已安全运行 9 年，发电量约 80 万度。 1983 年，我国引进了 3 台 55kW Vestas 风电机，从此中国打开国门，吸引了许多发达国家的技术人员来我国考察访问， 同时大量中国

3、技术人员赴发达国家学习、考察国际先进风力发电技术。通过技术交流与合作、我国于 90 年代先后开发成功了 55kW、120kW、200kW 和 300kW 风电机组。这些机组基本上是 3 桨叶、定桨距失速调节、玻璃钢桨叶、微机控制。这里有引进国外技术，中外合资及在国外先进技术的基础上消化吸收自主开发等各种方式进行技术开发。 值得欣慰的是在国家科技部的支持下我国自行开发成功 200kW 风力发电机组。 其国产化率达 90%以上并拥有完全的知识产权。 1995-2004 我国风力发电制造业的壮大期。 新疆金风 600kW 浙江运达 250kW风力发电机大批量进入市场。新疆金风、浙江运达 750kW

4、开发成功并投入市场。 12 现状 我国现在具备整机技术开发能力的单位约七家，其技术开发能力及其风电机运行概况如表 1 所示： 表 1、国内风电机整机开发单位情况 单位名称 开 发 能 力 机 组 情 况 新 疆 金 风 科技 97 年引进德国 Jacobs 600kW 风电机技 术，现已生产 100 余台。2003 年开发成 功 750kW 风电机，2004 年投放市场 600kW 已完全国产化。 750kW 已有 60% 国产化 浙 江 运 达 风 力 发 电 工 程 有 限 公司 曾开发成功 18kW、20kW、30kW、40kW 风电机与丹麦 BONUS 合作生产 120kW 风 电机，

5、独立开发成功 200kW、250kW 风 电机；200kW 及 250kW 机组 90%以上采 用国产部件。拥用完全自主知识产权。 2003 年开发成功 750kW 风电机，2004 年投放市场 5 台 30kW、风电机从 90 年投入运行 至今，10 台 120 kW 风电机从 96 年投 入运行至今，200 kW 风电机从 96 年 开始先后投入至今已有 30 余台投入 运行。 沈 阳 工 业 大学 8590 年开发 75 kW 风电机，90 年后 参加东北电管局 200 kW 风电机控制系 统开发工作。现正在开发 1MW 风力发电 机组。 75 kW 机组在丹东运行多年，200kW 机组

6、自 97 年 4 月投入运行。 万电公司 97 年从奥地利引进 600 kW 风电机技术， 已生产 6 台。 2 台安装在辉腾，4 台安装在锡林 西安维德 97 年根据丹麦 Nordtank 300kW 样机与 技术，开发生产了二台 300 kW 风电机， 除控制与液压为进口外，其余部件均为 国产。 98 年 3 月安装在南澳运行至今。 二 风电机部件开发现状 （一） 。 桨叶 通过 200kW风电机的攻关研制，解决了 10 米长的失速型桨叶的失速负荷计算，性能计算，结构设计及制造工艺。尤其是首次解决气动刹车小叶片的设计制造问题。在 200 kW桨叶设计制造的基础上，上海玻璃钢所又研制成功 3

7、00 kW的14 米桨叶，该桨叶在安装之前，在厂内进行了 5 106次的动载试验。现在我国已完成 600kW 19 米长桨叶的研制工作。保定惠腾已批量生产 19 米桨叶，至今已生产约 200 副。保定惠腾还开发成功 23.8 米桨叶，已用到国产 750kW风力发电机中。 （二） 控制系统 浙江机电院在 200kW 风电机中自主开发成功基于 P-D 现场总线的先进控制系统。该系统主要优点为： 1、各种控制功能由分立和模块来执行。模块之间的通信由双绞线组成的总线来实现。这不仅可减少塔上塔下通信电缆的数量，而且可减少对通信电缆的干扰。 2、各模块间相对独立。当一个模块发生故障时，不会影响其他模块的正

8、常使用，提高控制系统的可靠性。 3、抗过载能力强、能在恶劣环境中工作。同时还开发成功中文平台的中央控制软件和通过电话线通信的通信软件。 通过以上的工作使我国完全掌握了定桨距调节的大型风电机（包括 600kW、750kW 等）的控制系统的设计与制造。 （三） 发电机 我国现有发电机制造厂已完全有能力开发高效、高可靠性，双速双绕组的风力发电机。如上海电机厂已开发成功 250kW、600 kW 发电机，湘潭电机厂已开发成功 300kW 发电机、兰州发电机厂开发成功 300kW、600kW 发电机，杭州发电设备厂开发成功 200kW 发电机。 山西永济电机厂已批量生产 600 kW 发电机及 750

9、kW 发电机 （四） 齿轮箱 风力发电机对齿轮箱的要求比较高，一般齿轮箱很难满足风力发电机的要求。主要表现为：A、长寿命、一般要求无检修寿命大于 10 万小时。B 低噪声，一米处的噪声的声功率不得大于 75db。、动载系数大。 我国现有杭州齿传输线箱厂、四川齿轮箱厂和南京高速齿轮箱厂在开发风电机齿轮箱， 现已开发成功 200 kW、 250kW 和 300kW 风电机的齿轮箱并投入运行。600kW 风电机的齿轮箱也已批量生产 （五） 金属结构件 风电机的金属结构件主要有：机舱、塔架、主轴、偏航系统和轮毂等。我国许多厂家均能生产这些部件。现在已参与生产这些部件的厂家有：杭州重型机器厂、第一拖拉机

10、厂、西安航空发动机厂、鞍山铁塔厂、瑞安压力容器厂和太原重型机器厂等。 三 技术引进及中外合资企业 由于中国风电机市场发展非常快。97 年底全国风电机总装机容量为 MW，98 年底装机容量达到 MW。国外各大风电机制造厂看好中国的风电市场，纷纷来中国投资或建立合资厂，以期占领我国的风电机市场。 98 年 4 月西安航空发动机公司和德国巴杜公司 Nordex 合资成立各占 50%股权的注册资金为 300 万美元的风电机制造厂。其目标是生产 Nordex 300kW 和600kW 的风电机， 98 年 10 月洛阳第一拖拉机厂和西班牙 MADE 公司合资成立各占50%股权的注册资金为 300 万美元

11、的风电机制造厂，其目标是生产 MADE300kW 和660kW 风电机。现在这西安维德已批量生产 600 kW 风力发电机投放市场，洛阳MADE 因种种原因处于破产边缘。 2 风力发电机组制造技术 21风力发电机组设计 211总体设计 一、气动布局方案 包括对各类构形、型式和气动布局方案的比较和选择、模型吹风，性能及其他气动特性的初步计算，确定整机和各部件（系统）主要参数，各部件相对位置等。最后，绘制整机三面图，并提交有关的分析计算报告。 二、整机总体布置方案 包括整机各部件、各系统、附件和设备等布置。此时要求考虑布置得合理、协调、紧凑，保证正常工作和便于维护等要求，并考虑有效合理的重心位置。

12、最后绘制整机总体布置图，并编写有关报告和说明书。 三、整机总体结构方案 包括对整机结构承力件的布置，传力路线的分析，主要承力构件的承力型式分析，设计分离面和对接型式的选择，和各种结构材料的选择等。整机总体结构方案可结合总体布置一起进行，并在整机总体布置图上加以反映，也可绘制一些附加的图纸。需要有相应的报告和技术说明。 四、各部件和系统的方案 应包括对各部件和系统的要求、组成、原理分析、结构型式、参数及附件的选择等工作。最后，应绘制有关部件的理论图和有关系统的原理图，并编写有关的报告和技术说明。 五、整机重量计算、重量分配和重心定位 包括整机总重量的确定、各部分重量的确定、重心和惯量计算等工作。

13、最后应提交有关重量和重心等计算报告，并绘制重心定位图。 六、配套附件 整机配套附件和备件等设备的选择和确定，新材料和新工艺的选择，对新研制的部件要确定技术要求和协作关系。最后提交协作及采购清单等有关文件。 总体设计阶段将解决全局性的重大问题，必须精心和慎重地进行，要尽可能充分利用已有的经验，以求总体设计阶段中的重大决策建立在可靠的理论分析和试验基础上，避免以后出现不应有重大反复。 此阶段的结果是应给出风力发电机组整机三面图，整机总体布置图，重心定位图，整机重量和重心计算报告，性能计算报告，初步的外负载计算报告，整机结构承力初步分析报告，各部件和系统的初步技术要求，部件理论图，系统原理图，新工艺

14、、新材料等协作要求和采购清单等，以及其他有关经济性和使用性能等应有明确文件。 212总体参数 在风轮气动设计前必须先确定下列总体参数。 一、风轮叶片数B 一般风轮叶片数取决于风轮的尖速比。目前用于风力发电一般属于高速风力发电机组，即4-7 左右，叶片数一般取 23。用于风力提水的风力机一般属于低速风力机，叶片数较多。叶片数多的风力机在低尖速比运行时有较低的风能利用系数，即有较大的转矩，而且起动风速亦低，因此适用于提水。而叶片数少的风力发电机组的高尖速比运行时有较高的风能利用系数，且起动风速较高。另外，叶片数目确定应与实度一起考虑，既要考虑风能利用系数，也要考虑起动性能，总之要达到最多的发电量为

15、目标。 由于三叶片的风力发电机的运行和输出功率较平稳，目前风力发电机采用三叶片的较多。 二、风轮直径D 风轮直径可用下行公式进行估算 23 1212123 149. 0421DVCDVCPPP= (2-2-1) 式中 P风力发电机组设计（额定）风况输出电功率（kW） ： 空气密度，一般取标准大气状态； （kg/m3） V1设计风速（风轮中心高度） （m / s） ： D风轮直径（m） ： 发电机效率： 传动效率： Cp 风能利用系数。在计算时，一般应取额定风速下的Cp值。 三、设计风速V1风轮设计风速（又称额定风速）是一个非常重要的参数，直接影响到风力发电机组的尺寸和成本。设计风速取决于安装风

16、力发电机组地区的风能资源。风能资源既要考虑到平均风速的大小，又要考虑风速的频度。 知道了平均风速和频度， 就可以确定风速V1的大小， 如可以按全年获得最大能量为原则来确定设计风速。也有人提出以单位投资获得最大能量为原则来选取设计风速。 四、尖速比 风轮的尖速比是风轮的叶尖速度和设计风速之比。尖速比是风力发电机组的一个重要设计参数，通常在风力发电机组总体设计时提出。首先，尖速比与风轮效率是密切相关的，只要风力发电机没有超速，运转处于较高尖速比状态下的风力发电机，风轮就具有较高的效率。对于特定的风轮，其尖速比不是随意而定的，它是根据风力发电机组的类型、叶尖的形状和电机传动系统的参数来确定的。不同的尖速比意味所选用或设计的风轮实度具有不同的数值。设计要求的尖速比，是指在此尖速比上，所有的空气动力学参数接近于它们的最佳值，以及风轮效率达到最大值。 在同样直径下，高速风力发电机组比低速风力发电机组成本要低，由阵风引起的动负载影响亦要小一些。另外，