風機理論知識介紹

風力發(fā)電機組理論知識介紹（機械部分）

中船重工（重慶）海裝風電設備有限公司問題一：為什么我們的風力發(fā)電機被稱為：三葉片、上風向、水平軸、變槳型風電機組問題二：為什么我們的風力發(fā)電機組需要：葉片、變槳軸承、變槳驅(qū)動、輪轂、主軸、主軸承、導流罩、主齒輪箱、聯(lián)軸器、高速軸制動器、機艙起重機、液壓單元、偏航驅(qū)動、偏航軸承、偏航剎車、塔筒……1、風能利用的歷史

人類利用風能已有數(shù)千年歷史，在蒸汽機發(fā)明以前風能曾經(jīng)作為重要的動力，用于船舶航行、提水飲用和灌溉、排水造田、磨面和鋸木等。埃及被認為可能是最先利用風能的國家，約在幾千年前，他們就開始用風帆來幫助行船，波斯和中國也很早開始利用風能，主要是使用垂直軸風車。歐洲到中世紀才廣泛利用風能，荷蘭人發(fā)展了水平軸的風車，18世紀荷蘭曾利用近萬座風車將海堤內(nèi)的水排干，造出的良田相當于國土面積的三分之一，成了著名的風車之國。這種風車在歐洲大陸和英國的鄉(xiāng)村是很普遍的，成為機械能的主要來源。19世紀中葉以后，美國大規(guī)模開發(fā)西部，為了解決人畜飲水問題，制造了金屬葉片的風輪，驅(qū)動活塞泵用于提水，成為有名的美國農(nóng)場風車（如下圖一所示），擁有量曾達到600萬臺。中國創(chuàng)造的立帆式垂直軸風輪，是將8個帆各編在一個直立的桿上，各帆的正中上端則各由一繩系之，當?shù)胤Q此為走馬燈式風車（如下圖二所示）。圖一美國農(nóng)場風車圖二立帆式垂直軸風車

在蒸汽機出現(xiàn)之前，風力機械是動力機械的一大支柱，其后隨著煤、石油、天然氣的大規(guī)模開采和廉價電力的獲得，各種曾經(jīng)被廣泛使用的風力機械，由于成本高，效率低，使用不方便等，無法與蒸汽機、內(nèi)燃機和電動機等相競爭，漸漸被淘汰。例如荷蘭現(xiàn)存幾百座風車，被作為文物保護起來，成為旅游景觀。到了19世紀末，開始利用風力發(fā)電，這在解決農(nóng)村電氣化方面顯示了重要的作用，特別是20世紀70年代以后利用風力發(fā)電更進入一個蓬勃發(fā)展的階段。2、風力發(fā)電的發(fā)展2.1風力發(fā)電的特點風力發(fā)電是利用風能來發(fā)電，而風力發(fā)電機組（簡稱風電機組）是將風能轉(zhuǎn)化為電能的機械。風輪是風電機組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。槳葉具有良好的空氣動力外形，在氣流作用下能產(chǎn)生空氣動力使風輪旋轉(zhuǎn)，將風能轉(zhuǎn)換成機械能，再通過齒輪箱增速驅(qū)動發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)變成電能。由于風速隨時在變化，因此處在野外運行的風電機組承受著十分復雜惡劣的交變載荷。目前風電機組的設計壽命是20年，要求能經(jīng)受住60m/s的Ⅱ級暴風襲擊，機組的可利用率要達到95％以上。2.2風力發(fā)電的運行方式

風力發(fā)電的運行方式主要有兩類。一類是獨立運行供電系統(tǒng)，即在電網(wǎng)未通達的偏遠地區(qū)，用小型風電機組為蓄電池充電，再通過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電向終端電器供電，單機容量一般為100W～10kW；或者采用中型風電機組與柴油發(fā)電機或太陽光電池組成混合供電系統(tǒng)，系統(tǒng)的容量約為10～200kW，可解決小的社區(qū)用電問題。另一類是作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運行，聯(lián)網(wǎng)風力發(fā)電是大規(guī)模利用風能的最經(jīng)濟方式。機組單機容量范圍在200～2500kW之間，既可以單獨并網(wǎng)，也可以由多臺，甚至成百上千臺組成風力發(fā)電場，簡稱風電場。2.3風電的優(yōu)點風電的突出優(yōu)點是環(huán)境效益好，不排放任何有害氣體和廢棄物。平均每裝一臺單機容量為1兆瓦的風能發(fā)電機，每年可以減排2000噸二氧化碳（相當于種植1平方英里的樹木）、10噸二氧化硫、6噸二氧化氮。風電場雖然占了大片土地，但是風電機組基礎(chǔ)使用的面積很小，不影響農(nóng)田和牧場的正常生產(chǎn)。多風的地方往往是荒灘或山地，建設風電場的同時也開發(fā)了旅游資源。3、風能資源3.1風的形成簡單的說，太陽的輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不均；空氣沿水平方向運動形成風。風的形成就是空氣流動的結(jié)果。

3.2大氣運動的原因

a.地球大氣運動既受氣壓梯度力的影響，還要受地轉(zhuǎn)偏向力的影響。由于地球上各緯度所接受的太陽輻射強度不同，在赤道和低緯度地區(qū)，太陽高度角大，日照時間長，太陽輻射強度強，地面和大氣接受的熱量多、溫度較高；再高緯度地區(qū)太陽高度角小，日照時間短，地面和大氣接受的熱量小，溫度低。這種高緯度與低緯度之間的溫度差異，成了南北之間的氣壓梯度，使空氣作水平運動，風應沿水平氣壓梯度方向吹，即垂直與等壓線從高壓向低壓吹。

b.此外因為地球在自轉(zhuǎn)，使空氣水平運動發(fā)生偏向，這個力稱為地轉(zhuǎn)偏向力，又叫科里奧利力，這種力使北半球氣流向右偏轉(zhuǎn)，南半球向左偏轉(zhuǎn)。

所以大氣真實運動是這兩種力綜合影響的結(jié)果。3.3地形對風的影響山谷和海峽能改變氣流運動的方向，還能使風速增大，而丘陵、山地會因為摩擦而使風速減小，孤立的山峰會因海拔高而使風速增大。3.4海風，陸風；山風，谷風

a.海風、陸風：大陸上的氣流受熱膨脹上升至高空流向海洋，到海洋上空冷卻下沉，在近地層海洋上的氣流吹向大陸，補償大陸的上升氣流，低層風從海洋吹向大陸，這被稱為海風；夜間，情況相反，低層風從大陸吹向海洋，被稱為陸風。b.山風、谷風：白天山坡受熱快，溫度高于山谷上方同高度的空氣溫度，坡地上的暖空氣從山坡流向谷地上方，谷地的空氣則沿著山坡向上補充流失的空氣，這時由山谷吹向山坡的風，稱為谷風。夜間，山坡因冷卻降溫速度比同高度的空氣快，冷空氣沿坡地向下流入山谷，稱為山風。3.5風能來源風的能量是由太陽輻射能轉(zhuǎn)化來的，太陽每小時輻射地球的能量是174,423,000,000,000千瓦，換句話說，地球每小時接受了1.74x10^17瓦的能量。風能大約占太陽提供總能量的百分之一，二，太陽輻射能量中的一部分被地球上的植物轉(zhuǎn)換成生物能，而被轉(zhuǎn)化的風能總量大約是生物能的50～100倍。3.6風功率的計算風的能量指的是風的動能。特定質(zhì)量的空氣的動能可以用下列公式計算：能量=1/2X質(zhì)量X(速度)^2吹過特定面積的風的功率可以用下列公式計算：功率=1/2X空氣密度X面積X(速度)^3其中，功率單位為瓦特；空氣密度單位為千克/立方米；面積指氣流橫截面積，單位為平方米；速度單位為米/秒。

于上述公式中可以看出，風功率與速度的三次方〔立方〕成正比，并與風輪掃掠面積成正比。不過實際上，風輪只能提取風的能量中的一部分，而非全部。3.7中國風能資源我國10米高度層的風能資源總儲量為32.26億千瓦，其中實際可開發(fā)利用的風能資源儲量為2.53億千瓦。而據(jù)估計，中國近海風能資源約為陸地的3倍，所以，中國可開發(fā)風能資源總量約為10億千瓦。其中青海、甘肅、新疆和內(nèi)蒙可開發(fā)的風能儲量分別為1143萬千瓦、2421萬千瓦、3433萬千瓦和6178萬千瓦，是中國大陸風能儲備最豐富的地區(qū)。3.8中國風力資源分布東南沿海及其附近島嶼是風能資源豐富地區(qū)，有效風能密度大于或等于200瓦/平方米，沿海島嶼有效風能密度在300瓦/平方米以上，全年中風速大于或等于3米/秒的時數(shù)約為7000～8000小時，大于或等于6米/秒的時數(shù)為4000小時。新疆北部、內(nèi)蒙古、甘肅北部也是中國風能資源豐富的地區(qū)，有效風能密度為200～300瓦/平方米，全年中風速大于或等于3米/秒的時數(shù)為5000小時以上，全年中風速大于或等于6米/秒的時數(shù)為3000小時以上。黑龍江、吉林東部、河北北部及遼東半島的風能資源也較好，有效風能密度在200瓦/平方米以上，全年中風速大于和等于3米/秒的時數(shù)為5000小時，全年中風速大于和等于6米/秒的時數(shù)為3000小時。

青藏高原北部有效風能密度在150～200瓦/平方米之間,全年風速大于和等于3米/秒的時數(shù)為4000—5000小時，全年風速大于和等于6米/秒的時數(shù)為3000小時；但青藏高原海拔高、空氣密度小，所以有效風能密度也較低。云南、貴州、四川、甘肅、陜西南部、河南、湖南西部、福建、廣東、廣西的山區(qū)及新疆塔里木盆地和西藏的雅魯藏布江為風能資源貧乏地區(qū)，有效風能密度在50瓦/平方米以下，全年中風速大于和等于3米/秒的時數(shù)在2000小時以下，全年中風速大于和等于6米/秒的時數(shù)在150小時以下，風能潛力很低。4、風力機的工作原理4.1風力機的種類風力機經(jīng)過2000年的發(fā)展過程，現(xiàn)在已有很多種型式!其中有的是老式風力機，現(xiàn)在不再使用；有的是現(xiàn)代風力機，正為人們廣泛利用；有的正在研究之中。盡管風力機的型式各異，但它們的工作原理是相同的，即利用風輪從風中吸收能量，然后再轉(zhuǎn)變成其他形式的能量。依風機旋轉(zhuǎn)主軸的方向（即主軸與地面相對位置）分類，可分為兩類：1）水平軸風力機，風輪的旋轉(zhuǎn)軸與風向平行；2）垂直軸風力機，風輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或氣流方向。4.2基本原理—功率系數(shù)(風能利用系數(shù)）

ρ

—空氣密度，kg/m3A—轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)圓面積，m2V—風速，m/s風力機的輸出功率L(W)風能機械能電能風輪發(fā)電機4.3風力機主要部件結(jié)構(gòu)NORDEX80/2500kW型1、葉輪2、輪轂3、機艙內(nèi)框架4、葉輪軸與主軸連接5、主軸6、齒輪箱7、剎車盤8、發(fā)電機的連接9、發(fā)電機10、散熱器11、冷卻風扇12、風測量系統(tǒng)13、控制系統(tǒng)14、液壓系統(tǒng)15、偏航驅(qū)動16、偏航軸承17、機艙蓋18、塔架19、變槳距部分REPOWER1.5MW

v90_200k.wmv風機結(jié)構(gòu)5、風輪類型5.1單葉片風輪空氣動力特性和轉(zhuǎn)子動力特性均不平衡缺點：產(chǎn)生大幅值的交變應力，降低產(chǎn)品壽命。5.2雙葉片空氣動力特性和轉(zhuǎn)子動力特性比較平衡優(yōu)點：風輪效率比三葉片高點。缺點：a.2葉片風輪的動態(tài)載荷比3葉片風輪的動態(tài)載荷大得多。

b.2葉片風輪噪聲大、運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)、成本高。風輪的氣動效率大約降低2％～3％左右。輪轂也比較復雜。5.3三葉片空氣動力特性和轉(zhuǎn)子動力特性比較平衡優(yōu)點：a.3葉片使風力發(fā)電機組系統(tǒng)運行平穩(wěn)，基本上消除了系統(tǒng)的周期載

荷，輸出穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩。

b.美觀，風輪效率較高。6、傳動鏈類型傳動鏈類型分為有齒輪箱和直驅(qū)式兩大類，而帶齒輪箱的傳動鏈常見的是二點支撐和三點支撐。

傳動鏈好壞的評價，主要是從齒輪箱、主軸承、主軸的受力特性、可維護性、是否易裝配和帶來的整機重量等方面來分析的。6.1二點支撐的傳動鏈

安裝有兩個獨立的主軸滾子軸承，前一個軸承僅承受徑向力，后一個軸承承受徑向力和軸向力。齒輪箱僅傳遞扭矩，減少了齒輪箱載荷的復雜性，大大提高了齒輪箱的壽命，部件安裝較方便，內(nèi)部空間較大，便于進行維護，且對齒輪箱進行大的維護時，不需要特別的工裝對風輪進行穩(wěn)定。缺點是主軸較長較重。6.2三點支撐的傳動鏈主軸前段安裝一個滾子軸承，齒輪箱內(nèi)部集成一個滾子軸承，齒輪箱不僅傳遞扭矩，還要承受風輪傳遞的其他載荷（如彎矩、翹曲等）。缺點是主軸較長較重，對齒輪箱進行大的維修和更換困難，需要用特別的工裝對風輪進行平衡。帶齒輪箱的風力發(fā)電機組是目前MW級商業(yè)運用中使用最多的機組，開發(fā)有不同的傳動鏈方案，它們的共同特點是均配備有增速齒輪箱，采用異步電機。但在風機運行過程中，增速齒輪箱的故障發(fā)生率較高。這是帶齒輪箱風力發(fā)電機組中最大的缺陷。目前，二點支撐的傳動鏈結(jié)構(gòu)已經(jīng)大大改善了齒輪箱的受力情況，顯著提高了齒輪箱的使用壽命。直驅(qū)式風力發(fā)電機組是最近才發(fā)展起來的，最大特點是沒有增速齒輪箱，采用全密封結(jié)構(gòu)、強制散熱方式。大大降低了風機的故障發(fā)生率。缺點是其同步電機質(zhì)量巨大，制造困難。維修更換不易，機組、塔架很重。

6.3MW級商用風機的兩大流派6.3.1帶齒輪箱6.3.2直驅(qū)型國外：ENERCON國內(nèi)：金風、湘電6.3.3半直驅(qū)型把齒輪箱和主軸、發(fā)電機軸承結(jié)合在一起的傳動方式，該方式目前市場份額較小。7、技術(shù)分析7.1葉片變槳距與葉片定槳距

葉片定槳距技術(shù)主要用于MW級以下的風機，隨著單臺風機容量的越來越大，采用葉片定槳距技術(shù)的風機越來越難以承受大容量所帶來的交變高載荷。嚴重影響到風機的安全和風能的有效利用。葉片變槳距技術(shù)的采用不僅能夠通過變槳有效利用風能，而且能夠有效卸載不利的風載荷對機組的損害，提高機組的安全和使用壽命。主要用于大功率MW級風機。

在葉片變槳距技術(shù)的運用中，又分為電氣變槳技術(shù)和液壓變槳技術(shù)。電氣變槳采用電機驅(qū)動、調(diào)整槳角。其電源采用滑環(huán)方式接入，可靠性高。但其體積較大，輪轂空間利用率低，維護不方便，且必須采用帶齒的變槳軸承，而帶齒的變槳軸承價格比無齒的變槳軸承價格估計要高20%左右。液壓變槳采用液壓馬達驅(qū)動、調(diào)整槳角。其特點是動力高、體積小，輪轂空間利用率高，可采用無齒的變槳軸承。動力是通過旋轉(zhuǎn)的液壓接頭來源于機艙液壓系統(tǒng)。這種方式的局限性是液壓管路的密封容易出現(xiàn)泄漏，特別是旋轉(zhuǎn)的液壓接頭。從而造成液壓泵啟動頻繁，甚至變槳動作出現(xiàn)沖擊、角度出現(xiàn)較大偏差。7.2主軸軸承在風電應用領(lǐng)域，主軸軸承主要有兩大生產(chǎn)廠家。FAG和SKF。SKF力推其獨家開發(fā)的CARB軸承的應用，CARB軸承的特點是內(nèi)外圈可以有較大的相對移動量，以適應主軸由于熱脹冷縮帶來的變形量，安裝需要特殊的工裝。另外滾子能夠自動導位，使負荷能夠平均作用在整個滾子的位置上，降低運行時的摩擦。在有角度誤差或軸向位移的情況下，其承載能力仍很高。球面滾子軸承能夠自動調(diào)心，可以容許較大的對準誤差。軸的軸向游隙相對較小，可同時承受軸向和徑向載荷，但由于主軸因為熱脹冷縮帶來的變形量，軸承座需預留設計間隙。7.3偏航、變槳軸承

偏航變槳軸承須承受很大的傾覆力矩，對滾道的處理、游隙的控制有較高的要求。

生產(chǎn)轉(zhuǎn)盤軸承的廠家，有Rollix、羅特艾德、DRE/CON、洛軸、瓦軸等，但洛軸、瓦軸在用于風機的轉(zhuǎn)盤軸承技術(shù)上，對軸承游隙控制、熱處理、表面淬火處理、局部大載荷變形控制方面，實際經(jīng)驗較少。內(nèi)齒加工周期長，成本高。在機組內(nèi)部受外界污染小。7.4齒輪箱主要作用是將風輪在風力作用下產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應的轉(zhuǎn)速。不同形式的風力發(fā)電機組對齒輪箱的布置形式及結(jié)構(gòu)也不同。固定平行軸和行星齒輪傳動最為常見。

齒輪箱的潤滑：通常采用油池潤滑和強制潤滑，前者油不循環(huán)，熱量不能有效傳遞，易產(chǎn)生高溫報警停機。后者通過外部油泵將油強制送到給潤滑點，潤滑充分，并能很好進行熱交換。

冷卻：常見空/油冷卻和空/水/油冷，前者通過冷卻器直接冷卻油，后者通過冷卻器冷卻水，水再去冷卻油，冷卻效率高，成本相對較高。7.5聯(lián)軸器應用在聯(lián)軸器應用中，目前應用較多的是帶扭矩限制器的聯(lián)軸器，主要是為了防止電機側(cè)突變負載過高而對齒輪箱帶來的沖擊。在出現(xiàn)沖擊情況下，通過扭矩限制器的滑動來減緩、吸收，達到保護齒輪箱的目的。7.6內(nèi)部起重機選用方式風機的內(nèi)部起重機方式目前大體有如下幾種：主要從受力結(jié)構(gòu)、可到達范圍、實現(xiàn)方式來考慮。7.6.1問號型對主要部件具有較好的可到達性，但是需要特殊的支撐結(jié)構(gòu)5.6.2半圓型對主要部件具有較好的可到達性，結(jié)構(gòu)簡單、費用相對較低。但是不能到達所有區(qū)域。5.6.3一字型對整個傳動鏈具有較好的可到達性。但是需要特殊的支撐結(jié)構(gòu)、費用較高。5.6.4工字型對整個傳動鏈及周圍區(qū)域具有較好的可到達性。但是費用昂貴。7.7塔筒電梯在目前的大容量風機中，由于塔筒較高，人員攀登困難，基本上都會考慮安裝風機電梯。一種是采用鋼絲繩作為電梯導向，另一種采用爬梯本身的框架進行導向。單獨采用鋼絲繩作為電梯導向，其電梯的安裝較自由、靈活，限制較少。對于電梯出現(xiàn)故障后，電梯內(nèi)人員自己基本不需要幫助就可以安全回到地面。而采用爬梯本身的框架進行導向的，安裝位置基本固定。一旦爬梯位置確定后，其電梯安裝位置也就基本確定。沒有采用鋼絲繩作為導向的電梯安裝靈活。7.8柔性剎車技術(shù)目前，在風機安全剎車方式上，有一種叫SOBO柔性剎車技術(shù)，其剎車動作類似汽車防抱死的頻繁點剎車，只不過頻率要小得多。這種剎車方式能夠在一定程度上減緩剎車對風機的沖擊。7.9離線和在線過濾方式右邊是齒輪潤滑系統(tǒng)離線和在線過濾方式示意圖。常規(guī)的齒輪過濾是采用在線的，如果要保持較高的（比如17/15/12）清潔度等級，其昂貴的濾芯約半年就得更換。而增加采用離線潤滑方式后，由于其離線潤滑泵送流量較低，約45升/小時，可以安裝很細的濾清器，微粒尺寸達到2um，濾清器納污量達1.5升，能夠吸收將近1升的水，還可以有效濾氧，且其濾芯的更換容易、價格便宜。是在線過濾的最佳輔助手段。使昂貴的在線過濾濾芯更換周期大大延長。也很好地保護了齒輪箱。7.10集中潤滑與手動潤滑方式手動潤滑方式成本低，潤滑時間和潤滑量都不精確，主要憑維護人員經(jīng)驗完成。集中潤滑方式成本高，但可使軸承處于最佳潤滑狀態(tài),從而延長軸承使用壽命.延長服務周期,并確保在各種惡劣環(huán)境下能有效潤滑到人工很難手動潤滑到的潤滑點---如震動、轉(zhuǎn)動、粉塵、高溫或潮濕環(huán)境，減少摩擦和降低磨損,提高可靠性和使用壽命，合理的潤滑可以減少過度潤滑導致潤滑劑浪費以及環(huán)境污染。8、產(chǎn)品介紹

HZ2.0MW雙饋式風電機組是海裝公司與德國Aerodyn公司根據(jù)中國市場需求與配套能力合作開發(fā)的，為三葉片、上風向、水平軸、電氣變槳、變速恒頻、主動對風、傳動鏈采用兩點支撐原理的機組。

HZ2.0MW雙饋式風電機組所有型號按照標準化、系列化和通用化進行設計和制造，可適應積雪、結(jié)冰、沙塵和低濃度鹽霧等惡劣環(huán)境。有如下特點：雙軸承支撐結(jié)構(gòu)的傳動鏈二級剎車保護系統(tǒng)（氣動剎車、液壓剎車）齒輪箱油雙重過濾系統(tǒng)自動式集中潤滑系統(tǒng)防沖擊力矩保護連軸器防沙塵設計

適應低溫和高海拔環(huán)境完善的控制系統(tǒng)高可靠性、低運營成本、低維護時間發(fā)電量高、電能質(zhì)量高電網(wǎng)適應性好、具有低電壓穿越能力

1葉片2輪轂3塔筒4主軸5主軸承座6偏航驅(qū)動器7齒輪箱潤滑泵8控制柜9變頻器10冷卻風扇11冷卻泵12發(fā)電機13連軸器14制動器15齒輪箱16機艙起重機17液壓站2.0MW機組總體結(jié)構(gòu)圖8.1風輪采用變槳變速調(diào)速系統(tǒng)，每個葉片都具有獨立的變槳機構(gòu)。安裝有葉片鎖緊裝置，保證了人員進入葉片維修的安全。氣流攻角可變，能夠盡可能多地獲取風能,確保風電機組運行更穩(wěn)定、更安全。電網(wǎng)故障等緊急停機時，變槳系統(tǒng)采用備用電池來供電，確保風機安全。導流罩內(nèi)部設計有維修通道，方便維修人員從內(nèi)部進入輪轂。輪轂的結(jié)構(gòu)設計采用有限元分析，材料選用QT400-18AL，強度高，韌性好，耐低溫沖擊，具有很好的抗疲勞性能，同時也很好滿足了極限載荷要求8.2傳動鏈主軸采用雙軸承支撐，前軸承承受徑向載荷，后軸承主要承受軸向載荷，使齒輪箱免受風輪傳來的復雜受力，使齒輪箱可靠性大為提高，提高了整個機組的可靠性。齒輪箱采用了在線過濾和離線過濾雙系統(tǒng)，減少更換濾芯和潤滑油周期。前軸承座帶風輪鎖緊系統(tǒng)，便于機組安裝、維護，有效保護人生安全。

主要功能是跟蹤風向，偏航由四個帶電磁制動的電機