風(fēng)力發(fā)電講座第一講風(fēng)力機(jī)的類型與結(jié)構(gòu)

1、圖121水平軸風(fēng)力機(jī)a 高速風(fēng)力機(jī)b 低速風(fēng)力機(jī)風(fēng)能是我國目前開發(fā)利用比較成熟的一種新能源,風(fēng)電事業(yè)正在我國蓬勃發(fā)展。為了幫助讀者了解風(fēng)力發(fā)電知識(shí),我們請(qǐng)長期從事風(fēng)力發(fā)電研究工作的中國科學(xué)院電工研究所倪受元研究員撰寫了風(fēng)力發(fā)電講座,以饗讀者。編者風(fēng)力發(fā)電講座第一講風(fēng)力機(jī)的類型與結(jié)構(gòu)倪受元從能量轉(zhuǎn)換的角度看,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由兩大部分組成。其一是風(fēng)力機(jī),它的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能;其二是發(fā)電機(jī),它的功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。本講首先介紹風(fēng)力機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)。1風(fēng)力機(jī)的類型風(fēng)力機(jī)的種類和式樣很多,難以一一盡述。但由于風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的主要部件是受風(fēng)力作用而旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪,因此,風(fēng)力機(jī)依風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)及

2、其在氣流中的位置大體上可分為兩大類:一類為水平軸風(fēng)力機(jī),一類為垂直軸風(fēng)力機(jī)。111水平軸風(fēng)力機(jī)水平軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪圍繞一個(gè)水平軸旋轉(zhuǎn),工作時(shí),風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向垂直,如圖121所示。風(fēng)輪上的葉片是徑向安置的,與旋轉(zhuǎn)軸相垂直,并與風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面成一角度(安裝角。風(fēng)輪葉片數(shù)目的多少,視風(fēng)力機(jī)的用途而定。用于風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)力機(jī)一般葉片數(shù)取14(大多為2片或3片,而用于風(fēng)力提水的風(fēng)力機(jī)一般取葉片數(shù)1224。葉片數(shù)多的風(fēng)力機(jī)通常稱為低速風(fēng)力機(jī),它在低速運(yùn)行時(shí),有較高的風(fēng)能利用系數(shù)和較大的轉(zhuǎn)矩。它的起動(dòng)力矩大,起動(dòng)風(fēng)速低,因而適用于提水。葉片數(shù)少的風(fēng)力機(jī)通常稱為高速風(fēng)力機(jī),它在高速運(yùn)行時(shí)有較高的風(fēng)能利用系數(shù)

3、,但起動(dòng)風(fēng)速較高。由于其葉片數(shù)很少,在輸出同樣功率的條件下比低速風(fēng)輪要輕得多,因此適用于發(fā)電。水平軸風(fēng)力機(jī)隨風(fēng)輪與塔架相對(duì)位置的不同而有上風(fēng)向與下風(fēng)向之分。風(fēng)輪在塔架的前面迎風(fēng)旋轉(zhuǎn),叫做上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)。風(fēng)輪安裝在塔架的下風(fēng)位置的,則稱為下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)。上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)必須有某種調(diào)圖123 達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪結(jié)構(gòu)圖122垂直軸風(fēng)力機(jī)a S 型風(fēng)輪b 達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)向裝置來保持風(fēng)輪迎風(fēng)。而下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)則能夠自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向,從而免除了調(diào)向裝置。但對(duì)于下風(fēng)向風(fēng)力機(jī),由于一部分空氣通過塔架后再吹向風(fēng)輪,這樣,塔架就干擾了流過葉片的氣流而形成所謂塔影效應(yīng),使性能有所降低。112垂直軸風(fēng)力機(jī)垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪圍繞一個(gè)

4、垂直軸旋轉(zhuǎn),如圖122所示。其主要優(yōu)點(diǎn)是可以接受來自任何方向的風(fēng),因而當(dāng)風(fēng)向改變時(shí),無需對(duì)風(fēng)。由于不需要調(diào)向裝置,使它們的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡化。垂直軸風(fēng)力機(jī)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是齒輪箱和發(fā)電機(jī)可以安裝在地面上,這對(duì)于一個(gè)往往需要在一片呼嘯的大風(fēng)中為一臺(tái)離地面幾十米高的水平軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行維修服務(wù)的人員來說,無疑是一個(gè)值得高度評(píng)價(jià)的特點(diǎn)。垂直軸風(fēng)力機(jī)可分為兩個(gè)主要類別,一類是利用空氣動(dòng)力的阻力作功,典型的結(jié)構(gòu)是S 型風(fēng)輪。它由兩個(gè)軸線錯(cuò)開的半圓柱形葉片組成,其優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大,缺點(diǎn)是由于圍繞著風(fēng)輪產(chǎn)生不對(duì)稱氣流,從而對(duì)它產(chǎn)生側(cè)向推力。對(duì)于較大型的風(fēng)力機(jī),因?yàn)槭芷D(zhuǎn)與安全極限應(yīng)力的限制,采用這種結(jié)構(gòu)形式是比較困難的

5、。S 型風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)低于高速垂直軸或水平軸風(fēng)力機(jī),在風(fēng)輪尺寸、重量和成本一定的情況下提供的功率輸出較低,因而用作發(fā)電缺乏競爭力。另一類是利用翼型的升力作功,最典型的是達(dá)里厄(Darrieus 型風(fēng)力機(jī)。它是法國人G 1J 1M 1Darrieus 于1925年發(fā)明的,1931年取得專利權(quán)。當(dāng)時(shí)這種風(fēng)力機(jī)并沒有受到注意,直到20世紀(jì)70年代石油危機(jī)后,才得到加拿大國家科學(xué)研究委員會(huì)(National Research Council 和美國圣地亞(Sandia 國家實(shí)驗(yàn)室的重視,進(jìn)行了大量的研究。現(xiàn)在是水平軸風(fēng)力機(jī)的主要競爭者。達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)有多種形式,如圖123所示的 型、H 型、型、Y

6、型和菱形等?；旧鲜侵比~片和彎葉片兩種,以H 型風(fēng)輪和 型風(fēng)輪為典型。葉片具翼型剖面,空氣繞葉片流動(dòng)產(chǎn)生的合力形成轉(zhuǎn)矩。H 型風(fēng)輪結(jié)構(gòu)簡單,但這種結(jié)構(gòu)造成的離心力使葉片在其連結(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生嚴(yán)重的彎曲應(yīng)力。另外,直葉片需要采用橫桿或拉索支撐,這些支撐將產(chǎn)生氣動(dòng)阻力,降低效率。 型風(fēng)輪所采用的彎葉片只承受張力,不承受離心力載荷,從而使彎曲應(yīng)力減至最小。由于材料可承受的張力比彎曲應(yīng)力要強(qiáng),所以對(duì)于相同的總強(qiáng)度, 型葉片比較輕,且比直葉片可以以更高的速度運(yùn)行。但 型葉片不便采用變漿距方法實(shí)現(xiàn)自起動(dòng)和控制轉(zhuǎn)速。另外,對(duì)于高度和直徑相同的風(fēng)輪, 型轉(zhuǎn)子比H 型轉(zhuǎn)子的掃掠面積要小一些。綜上所述,目前用于風(fēng)力發(fā)電

7、的風(fēng)力機(jī)主要有兩種類型,一種是水平軸高速風(fēng)力機(jī),一種是垂直軸達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī),這兩者之中又以前者占絕大多數(shù)。除此之外,國外還提出了一些新概念型風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置,但從總體上來說,都尚處于研究試驗(yàn)階段,這里不再一一介紹。2風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)和組成風(fēng)力發(fā)電機(jī)的樣式雖然很多,但其原理和結(jié)構(gòu)總的說來還是大同小異的。這里以水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例作一介紹,它主要由以下幾部 圖124風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和組成 圖125葉片的構(gòu)造圖分組成:風(fēng)輪、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(增速箱、發(fā)電機(jī)、機(jī)座、塔架、調(diào)速器或限速器、調(diào)向器、停車制動(dòng)器等,如圖124所示。下面簡要介紹風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪、調(diào)速或限速裝置、調(diào)向裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和塔架等部分,至于發(fā)電機(jī)部分將在第

8、三講中作專門介紹。211風(fēng)輪風(fēng)力機(jī)區(qū)別于其他機(jī)械的最主要特征就是風(fēng)輪。風(fēng)輪一般由23個(gè)葉片和輪轂所組成,其功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。葉片的構(gòu)造如圖125所示。小型風(fēng)力機(jī)的常用優(yōu)質(zhì)木材加工制成,表面涂上保護(hù)漆,其根部與輪轂相接處使用良好的金屬接頭并用螺栓擰緊。有的采用玻璃纖維或其它復(fù)合材料蒙皮則效果更好。大、中型風(fēng)力機(jī)使用木制葉片時(shí),不象小型風(fēng)力機(jī)上用的葉片由整塊木料制作,而是用很多縱向木條膠接在一起(圖125a,以便于選用優(yōu)質(zhì)木料,保證質(zhì)量。有些木料葉片的翼型后緣部分可填塞質(zhì)地很輕的泡沫塑料,表面再包以玻璃纖維形成整體(圖125b。采用泡沫塑料的優(yōu)點(diǎn)不僅可以減輕重量,而且能使翼型重心前移(重心

9、移至靠前緣四分之一弦長處最佳。這樣可以減少葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的不良振動(dòng),對(duì)于大、中型風(fēng)力機(jī)葉片尤為重要。為了減輕葉片重量,有的葉片用一根金屬管作為受力梁,以蜂窩結(jié)構(gòu)、泡沫塑料或輕木作中間填充物,外面再包上一層玻璃纖維(圖125c。為了降低成本,有些中型風(fēng)力機(jī)的葉片采用金屬擠壓件,或者利用玻璃纖維或環(huán)氧樹脂抽壓成型(圖125d。但整個(gè)葉片無法擠壓成漸縮形狀,即寬度、厚度等不能變化,難以達(dá)到高效率。有些小型風(fēng)力機(jī)為了達(dá)到更經(jīng)濟(jì)的效果,葉片用管梁和具有氣動(dòng)外形的較厚的玻璃纖維蒙皮做成(圖125e?；蛘哂描F皮或鋁皮預(yù)先做成翼型形狀,加上鐵管或鋁管,用鉚釘裝配而成(圖125f?？偟恼f來,除小型風(fēng)力機(jī)的葉片

10、部分采用木質(zhì)材料外,中、大型風(fēng)力機(jī)的葉片今后的趨勢(shì)都傾向于采用玻璃纖維或高強(qiáng)度復(fù)合材料。風(fēng)力機(jī)葉片都要裝在輪轂上。輪轂是風(fēng)輪的樞紐,也是葉片根部與主軸的連接件。所有從葉片傳來的力,都通過輪轂傳遞到傳動(dòng)系統(tǒng),再傳到風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)的對(duì)象。同時(shí)輪轂也是控制葉片槳距(使葉片作俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)的所在。在設(shè)計(jì)中應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度,并力求結(jié)構(gòu)簡單,在可能條件下(如采用葉片失速控制,葉片采用定槳距結(jié)構(gòu),即將葉片固定在輪轂上(無俯仰轉(zhuǎn)動(dòng),這樣不但能簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高壽命,而且能有效地降低成本。212調(diào)速或限速裝置在很多情況下,要求風(fēng)力機(jī)不論風(fēng)速如何變化轉(zhuǎn)速總保持恒定或不超過某一限定值,為此目的而采用了調(diào)速或限速裝置。當(dāng)風(fēng)速過

11、高時(shí),這些裝置還用來限制功率,并減小作用在葉片上的力。調(diào)速或限速裝置有各種各樣的類型,但從原理上來看大致有三類:一類是使風(fēng)輪偏離主風(fēng)向,另一類是利用氣動(dòng)阻力,第三類是改變?nèi)~片的槳距角。(1偏離風(fēng)向超速保護(hù)對(duì)小型風(fēng)力機(jī),為了簡化結(jié)構(gòu),其葉片一般固定在輪轂上。為了避免在超過設(shè)計(jì)風(fēng)速的強(qiáng)風(fēng)時(shí)風(fēng)輪超速甚至葉片被吹毀,常采用使風(fēng)輪水平或垂直旋轉(zhuǎn)的辦法,以便偏離風(fēng)向,達(dá)到超速保護(hù)的目的。這種裝置的關(guān)鍵是把風(fēng)輪軸設(shè)計(jì)成偏離軸心一個(gè)水平或垂直的距離,從而產(chǎn)生一個(gè)偏心距。相對(duì)的一側(cè)安裝一副彈簧,一端系在與風(fēng)輪構(gòu)成一體的偏轉(zhuǎn)體上,一端固定在機(jī)座底盤或尾桿上。預(yù)調(diào)彈簧力,使在設(shè)計(jì)風(fēng)速內(nèi)風(fēng)輪偏轉(zhuǎn)力矩小于或等于彈簧力矩

12、。當(dāng)風(fēng)速超過設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí),風(fēng)輪偏轉(zhuǎn)力矩大于彈簧力矩,使風(fēng)輪向偏心距一側(cè)水平或垂直旋轉(zhuǎn),直到風(fēng)輪受力力矩與彈簧力矩相平衡。在遇到強(qiáng)風(fēng)時(shí),可使風(fēng)輪轉(zhuǎn)到與風(fēng)向相平行,以達(dá)到停轉(zhuǎn)。(2利用氣動(dòng)阻力制動(dòng)圖127示出一種利用空氣動(dòng)力制動(dòng)的裝置。將減速板鉸接在葉片端部,與彈簧相連。在正常情況下,減速板保持在與風(fēng)輪軸同心的位置;當(dāng)風(fēng)輪超速時(shí),減速板因所受的離心力對(duì)鉸接軸的力矩大于彈簧張力的力矩,從而繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)成為擾流器,增加風(fēng)輪阻力起到減速作用。風(fēng)速降低后它們又回到原來位置。利用空氣動(dòng)力制動(dòng)的另一種結(jié)構(gòu)是將葉片端部(約為葉片總面積的十分之一設(shè)計(jì)成可繞徑向軸轉(zhuǎn)動(dòng)的活動(dòng)部件。正常運(yùn)行時(shí)葉尖與其它部分方向一致,并對(duì)輸出

13、扭矩起重要作用。當(dāng)風(fēng)輪超速時(shí),葉尖可繞控制軸轉(zhuǎn)60°或90°,從而產(chǎn)生空氣阻力,對(duì)風(fēng)輪起制動(dòng)作用,葉尖的旋轉(zhuǎn)可利用螺旋槽和彈簧機(jī)構(gòu)來完成,也可由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。(3變槳距調(diào)速采用槳距控制除可控制轉(zhuǎn)速外,還可減小轉(zhuǎn)子和驅(qū)動(dòng)鏈中各部件的壓力,并允許風(fēng)力機(jī)在很大的風(fēng)速下運(yùn)行,因而應(yīng)用相當(dāng)廣泛。在中小型風(fēng)力機(jī)中,采用離心調(diào)速方式比較普遍,利用槳葉或安裝在風(fēng)輪上的配重所受的離心力來進(jìn)行控制。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增加時(shí),旋轉(zhuǎn)配重或槳葉的離心力隨之增加并壓縮彈簧,使葉片的槳距角改變,從而使受到的風(fēng)力減小,以降低轉(zhuǎn)速。當(dāng)離心力等于彈簧張力時(shí)即達(dá)到平衡位置。在大型風(fēng)力機(jī)中,常采用電子控制的液壓機(jī)構(gòu)來控制葉

14、片的槳距。例如,美國MOD20型風(fēng)力發(fā)電機(jī)利用兩個(gè)裝在輪轂上的液壓調(diào)節(jié)器來控制轉(zhuǎn)動(dòng)主齒輪,帶動(dòng)葉片根部的斜齒輪來進(jìn)行槳距調(diào)節(jié);美國MOD21型風(fēng)力發(fā)電機(jī)則采用液壓調(diào)節(jié)器推動(dòng)連接葉片根部的連桿來推動(dòng)葉片。這種葉片節(jié)距控制可用于改善風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)特性、發(fā)電機(jī)聯(lián)網(wǎng)前的速度調(diào)節(jié)(減少聯(lián)網(wǎng)時(shí)的沖擊電流、按發(fā)電機(jī)額定功率來限制轉(zhuǎn)子氣動(dòng)功率以及在事故情況下(電網(wǎng)故障、轉(zhuǎn)子超速、振動(dòng)等使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全停車等。213調(diào)向裝置前已說過,下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪能自然地對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向,因此一般不需要進(jìn)行調(diào)向控制(對(duì)大型的下風(fēng)向風(fēng)力機(jī),為減輕結(jié)構(gòu)上的振動(dòng),往往也采用對(duì)風(fēng)控制系統(tǒng)。上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)則必須采用調(diào)向裝置,常用的el有以下幾

15、種:(1尾舵主要用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī),它的優(yōu)點(diǎn)是能自然地對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向,不需要特殊控制。為了獲得滿意的效果,尾舵面積A 與風(fēng)輪掃掠面積A 之間應(yīng)符合下列關(guān)系:A =0.16A 式中,e 為轉(zhuǎn)向軸與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面間的距離;l 為尾舵中心到轉(zhuǎn)向軸的距離(圖126。圖126尾舵調(diào)向由于尾舵調(diào)向裝置結(jié)構(gòu)笨重,因此很少用于中型以上的風(fēng)力機(jī)。(2側(cè)風(fēng)輪如圖127所示,在機(jī)艙的側(cè)面安裝一個(gè)小風(fēng)輪,其旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)輪主軸垂直。如果主風(fēng)輪沒有對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向,則側(cè)風(fēng)輪會(huì)被風(fēng)吹動(dòng),產(chǎn)生偏向力,通過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)使主風(fēng)輪轉(zhuǎn)到對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向?yàn)橹?。圖127側(cè)風(fēng)輪調(diào)向(3電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)向跟蹤系統(tǒng)對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,一般采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)向跟蹤系統(tǒng)。整

16、個(gè)偏航系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)及減速機(jī)構(gòu)、偏航調(diào)節(jié)系統(tǒng)和扭纜保護(hù)裝置等部分組成。偏航調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括風(fēng)向標(biāo)和偏航系統(tǒng)調(diào)節(jié)軟件。風(fēng)向標(biāo)對(duì)應(yīng)每一個(gè)風(fēng)向都有一個(gè)相應(yīng)的脈沖輸出信號(hào),通過偏航系統(tǒng)軟件確定其偏航方向和偏航角度,然后將偏航信號(hào)放大傳送給電動(dòng)機(jī),通過減速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)力機(jī)平臺(tái),直到對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向?yàn)橹?。如機(jī)艙在同一方向偏航超過3圈以上時(shí),則扭纜保護(hù)裝置動(dòng)作,執(zhí)行解纜。當(dāng)回到中心位置時(shí)解纜停止。214傳動(dòng)機(jī)構(gòu)風(fēng)力機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般包括低速軸、高速軸、齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)和制動(dòng)器等(圖128。但不是每一種風(fēng)力機(jī)都必須具備所有這些環(huán)節(jié)。有些風(fēng)力機(jī)的輪轂直接連接到齒輪箱上,不需要低速傳動(dòng)軸。也有一些風(fēng)力機(jī)(特別是小型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)成無齒輪箱的,風(fēng)輪直接連接到發(fā)電機(jī)。在整個(gè)傳動(dòng)系中除了齒輪箱其它部件基本上一目了然。圖128傳動(dòng)系統(tǒng)的部件及位置風(fēng)力機(jī)所采用的齒輪箱一般都是增速的,大致可以分為兩類,即定軸線齒輪傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)。定軸線齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單,維護(hù)容易,造價(jià)低廉,故常為風(fēng)力機(jī)采用。行星齒輪傳動(dòng)具有體積小、重量輕、承載能力大、工作平穩(wěn)和在某些情況下效率高等優(yōu)點(diǎn),但結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜,造價(jià)較高,因而不為風(fēng)力機(jī)所廣泛采用。215塔架風(fēng)力機(jī)的塔架除了要支撐風(fēng)力機(jī)的重量,還要承受吹向風(fēng)力機(jī)和塔架的風(fēng)壓,以及風(fēng)力機(jī)