任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試 - 風(fēng)電機組的裝配與調(diào)試- 紫瑯職業(yè)技術(shù)學(xué)院

模塊三風(fēng)力發(fā)電機組機頭局部的

裝配與調(diào)試任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試

風(fēng)力發(fā)電機按照其裝機容量的大小可分為下小型、中型、大型、特大型風(fēng)力發(fā)電機。0.1~1kW以下風(fēng)力發(fā)電機為小型風(fēng)力發(fā)電機；1~100kW的為中型風(fēng)力發(fā)電機；100~1000kW功率的為大型風(fēng)力發(fā)電機；1000kW以上的兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機為特大型風(fēng)力發(fā)電機。不同類型風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)不同，特別機頭局部的設(shè)計有很大的區(qū)別。小型風(fēng)力發(fā)電機一般由風(fēng)葉、風(fēng)葉盤、傳動軸、機殼、定子、轉(zhuǎn)子、發(fā)電機軸、前后端蓋等結(jié)構(gòu)組成。風(fēng)力機驅(qū)動的發(fā)電機一般都是低速發(fā)電機，在轉(zhuǎn)速幾百轉(zhuǎn)/分時就可以發(fā)電。發(fā)電機是永磁三相的交流發(fā)電機。2任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試而大型風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一般由風(fēng)輪葉片、輪轂、機艙罩、齒輪箱、發(fā)電機〔定子繞組、轉(zhuǎn)子磁鋼、發(fā)電機軸〕、偏航系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成。風(fēng)力發(fā)電機組機頭局部是整個系統(tǒng)的核心，機頭局部性能的好壞直接影響著整個發(fā)電機組的發(fā)電性能。因此，機頭局部的裝配與調(diào)試就顯得非常重要。本模塊主要以小型風(fēng)力發(fā)電機為例，介紹和訓(xùn)練風(fēng)力發(fā)電機機頭局部的安裝與調(diào)試，并啟發(fā)學(xué)生舉一反三，到達對各種類型的風(fēng)力發(fā)電機組的裝配與調(diào)試有較為全面的了解和掌握。3任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試[學(xué)習(xí)背景]風(fēng)輪是由葉片和輪轂〔風(fēng)葉盤〕組成的。風(fēng)葉是風(fēng)力發(fā)電機組上具有空氣動力學(xué)形狀，使風(fēng)輪繞其軸轉(zhuǎn)動，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能的主要構(gòu)件。同時，葉片是決定風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率、平安可靠運行的關(guān)鍵部件。輪轂是固定葉片位置，并能將葉片組件安裝在風(fēng)輪軸上的裝置。4任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試[能力目標(biāo)]

〔1〕了解葉片設(shè)計時的技術(shù)要求；〔2〕掌握葉片的材料及加工工藝；〔3〕掌握葉片的性能及檢測方法；〔4〕掌握葉輪的安裝流程及本卷須知。5任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試

[根底知識]1．葉片的技術(shù)要求風(fēng)力發(fā)電機葉片的技術(shù)要求直接決定著葉片的結(jié)構(gòu)、材料、加工方法和本錢。因此，熟悉葉片的技術(shù)要求具有十分重要的意義。根據(jù)對葉片的技術(shù)要求，國家制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。6任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試1〕空氣動力學(xué)設(shè)計要求葉片的額定設(shè)計風(fēng)速應(yīng)按風(fēng)力發(fā)電機的等級確定。葉片在弦長和扭角分布上應(yīng)采用曲線變化，以使風(fēng)力發(fā)電機獲得最大的氣動效率。風(fēng)能利用系數(shù)Cp應(yīng)大于或等于。提供葉片的弦長、扭角和厚度沿葉片徑向的分布以及所用翼型的外形尺寸數(shù)據(jù)。明確規(guī)定葉片的適用范圍。對于變槳距葉片，要求其運行風(fēng)速范圍盡可能寬，并給出葉片的變槳距范圍。7任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試2〕結(jié)構(gòu)設(shè)計要求葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)極端載荷并考慮機組實際運行環(huán)境因素的影響，使葉片具有足夠的強度和剛度。要求葉片要盡可能得輕，并考慮葉片間相互平衡措施。葉片的設(shè)計平安系數(shù)應(yīng)大于或等于。葉片的設(shè)計壽命應(yīng)大于或等于20年。對于葉片中的機械結(jié)構(gòu)，如變槳距葉片的變槳距系統(tǒng)和定槳距葉片的葉尖啟動剎車機構(gòu)，其可靠性應(yīng)滿足用戶的要求。8任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計還應(yīng)包括以下內(nèi)容：①葉片的質(zhì)量及質(zhì)量分布；②葉片重心位置；③葉片轉(zhuǎn)動慣量；④葉片的剛度及剛度分布；⑤葉片的固有頻率；⑥同輪轂連接的詳細(xì)接口尺寸。9任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試2.葉片的材料及加工工藝1〕葉片的材料由上述內(nèi)容可知，風(fēng)葉具有空氣動力學(xué)特性，是風(fēng)力發(fā)電機的主要構(gòu)件。制造葉片的材料有玻璃纖維增強塑料〔GFRP〕、碳纖維增強塑料(CFRP)、木材、鋼和鋁等?！?〕玻璃纖維增強塑料〔GFRP〕目前商品化的大型風(fēng)機葉片大多采用玻璃纖維增強塑料〔GFRP〕制造。10任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試GFRP葉片的特點為：可根據(jù)風(fēng)機葉片的受力特點來設(shè)計強度與剛度翼型容易成型，可到達最大氣動效率

使用時間長達20年，能經(jīng)受108以上疲勞交變載荷

耐腐蝕性好

〔2〕

碳纖維增強塑料(CFRP)對于大型葉片，剛度成為主要問題。為了保證在極端風(fēng)載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。既要減輕葉片的質(zhì)量，又要滿足強度與剛度要求，有效的方法是采用碳纖維增強塑料〔CFRP〕。

11任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試〔3〕木材木材在大型風(fēng)力發(fā)電機組中使用的范圍也在擴大，主要用于葉片結(jié)構(gòu)內(nèi)部的夾心材料。木材重量輕、本錢低、阻尼特性優(yōu)良；其缺點是易受潮，加工本錢高?！?〕鋼材鋼材主要用于葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的連接件，很少用于葉片的主體結(jié)構(gòu)。這是因為葉片比重大，疲勞強度低。12任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試2〕葉片的加工工藝隨著風(fēng)力發(fā)電機功率的不斷提高，安裝發(fā)電機的塔座和捕捉風(fēng)能的復(fù)合材料葉片做的越來越大。為了保證發(fā)電機運行平穩(wěn)和塔座平安，不僅要求葉片的質(zhì)量輕也要求葉片的質(zhì)量分布必須均勻、外形尺寸精度控制準(zhǔn)確、長期使用性能可靠。假設(shè)要滿足上述要求，需要相應(yīng)的成型工藝來保證。傳統(tǒng)復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機葉片多采用手糊工藝〔HandLay-up〕制造。手糊工藝的主要特點在于手工操作、開模成型〔成型工藝中樹脂和增強纖維需完全暴露于操作者和環(huán)境中〕、生產(chǎn)效率低以及樹脂固化程度〔樹脂的化學(xué)反響程度〕往往偏低，適合產(chǎn)品批量較小、質(zhì)量均勻性要求較低復(fù)合材料制品的生產(chǎn)。13任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試目前國外的高質(zhì)量復(fù)合材料風(fēng)機葉片往往采用RIM、RTM、纏繞及預(yù)浸料/熱壓工藝制造。其中RIM工藝投資較大，適宜中小尺寸風(fēng)機葉片的大批量生產(chǎn)〔>50,000片/年〕；RTM工藝適宜中小尺寸風(fēng)機葉片的中等批量生產(chǎn)〔5,000～30,000片/年〕；纏繞及預(yù)浸料/熱壓工藝適宜大型風(fēng)機葉片批量生產(chǎn)。14任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試3.葉片的性能與檢測方法風(fēng)機葉片檢驗和分析工程主要有：靜態(tài)檢驗；疲勞檢驗；室外檢驗；模型分析；強度〔硬度〕檢驗；紅外成像分析；聲學(xué)分析；超聲檢查；葉片外表質(zhì)量控制；質(zhì)量分布測量；自然頻率和阻尼的測定。1〕靜態(tài)檢驗靜態(tài)檢驗用來測定葉片的結(jié)構(gòu)特性，包括硬度數(shù)據(jù)和應(yīng)力分布。靜態(tài)檢驗可以使用多點負(fù)載方法或單點負(fù)載方法，并且負(fù)載可以在水平方向進行也可以在垂直方向進行。15任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試圖3-1：室外多點垂直方向靜態(tài)檢驗

圖3-2：高達10個負(fù)載點的葉片靜態(tài)檢驗

16任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試2〕疲勞檢驗葉片的疲勞檢驗用來測定葉片的疲勞特性。實際大小的葉片疲勞檢驗通常是認(rèn)證程序的根本局部。葉片疲勞檢驗包括單獨的翼面向和翼弦向檢驗。疲勞檢驗時間要長達幾個月，檢驗過程中，要定期的監(jiān)督、檢查以及檢驗設(shè)備的校準(zhǔn)。檢驗工作人員通過網(wǎng)絡(luò)攝象機和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的在線網(wǎng)絡(luò)端口進行檢驗過程的監(jiān)督。17任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試圖3-3：大篷中的風(fēng)機葉片疲勞檢驗

圖3-4：翼面向疲勞檢驗18任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試3〕室外檢驗室外檢驗是一種選擇性的檢驗方式。室外檢驗可以降低費用，但同時也增加難度。必須對檢驗和測量設(shè)備加以保護，以免受環(huán)境的破壞，并且還要考慮檢驗的機密性和噪音的影響。溫度變化和風(fēng)況也影響檢驗的結(jié)果，因此在測量、分析時也應(yīng)該把這些因素考慮進去，然后得出結(jié)果。19任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試4〕超聲波檢查隨著風(fēng)電機組越來越向大型化、大容量化開展，葉片的也就隨之增大，生產(chǎn)本錢也在提高，技術(shù)要求也在提高，因此生產(chǎn)風(fēng)機葉片的風(fēng)險也在提高，因此需要一種快速、高效并且非破壞性的檢查方法。自動超聲波檢查非常適合風(fēng)機葉片檢驗。利用自動超聲波檢驗方可以有效的檢測層的厚度變化，顯示隱藏的產(chǎn)品故障，例如：分層、內(nèi)含物、氣孔〔枯燥地區(qū)〕、缺少黏合劑、翼梁與外殼之間以及外殼的前緣與后緣之間黏結(jié)不牢。超聲波檢驗可以直接用來最優(yōu)化葉片設(shè)計和產(chǎn)品參數(shù)，從而大幅降低葉片故障的風(fēng)險。20任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試

圖3-5：自動化超聲波檢查圖3-6：新型移動掃描儀21任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試5〕葉片外表質(zhì)量控制良好的葉片外表和涂層是確保葉片使用壽命的第一步，如果對葉片外表進行涂層，清潔是非常重要的。通過測量葉片外表張力來確定葉片外表是否清潔。完成葉片外表涂層后，可以通過測量顏色、光澤、外表粗糙度以及粘著力來判斷葉片外表質(zhì)量。葉片的耐久性包括葉片抵御風(fēng)化的能力，通過周期性的噴灑鹽水加速自然風(fēng)化的方法檢驗葉片的抗腐蝕的能力。葉片的耐久性還包括抵御酷暑天氣的能力、耐磨損以及化學(xué)穩(wěn)定性。所有的耐久性檢驗一般都是檢驗樣品，而不是檢驗已經(jīng)生產(chǎn)好的葉片。22任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試6〕紅外成象分析和聲學(xué)分析非破壞性檢驗可以是葉片疲勞檢驗的紅外成像分析檢驗或者是葉片疲勞和靜態(tài)檢驗的應(yīng)力波分析檢驗。23任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試4.風(fēng)輪的裝配與安裝1〕風(fēng)輪的組裝風(fēng)輪的組裝需要在吊裝機艙前提前完成，在地面上將三個葉片與輪轂連接好，并調(diào)整好葉片安裝角，成為整體風(fēng)輪；然后把裝好全葉片的風(fēng)輪起吊至塔架頂部高度后與機艙上的風(fēng)輪軸對接安裝。風(fēng)輪安裝工藝如下：風(fēng)輪組裝一般在風(fēng)力發(fā)電機組安裝現(xiàn)場進行。組裝前安裝點應(yīng)清理干凈、相對平坦，墊木、葉片支架及吊帶、工具、油料均應(yīng)備齊到現(xiàn)場，風(fēng)輪輪轂、葉片均已去除外包裝、防銹內(nèi)包裝，工作外表擦拭干凈。24任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試使用葉片專用吊具、吊帶將葉片水平起吊到葉片根部與輪轂法蘭等高，調(diào)節(jié)變槳軸承使其安裝角標(biāo)識與葉片上的安裝角標(biāo)識對準(zhǔn)。要求輪轂迎風(fēng)面與葉片前緣向上。分別把三個葉片上的連接螺栓穿入變槳軸承與輪轂的法蘭孔中，確認(rèn)各葉片安裝角的相對偏差沒有超過設(shè)計圖樣的規(guī)定后，按對角擰緊法〔如圖3-10〕分兩次將連接螺栓擰緊至規(guī)定力矩。25任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試圖3-10對角擰緊法

26任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試平安前兩個葉片時，輪轂連接螺栓上緊后，起重機不能松鉤。松鉤前需要利用支架分別將葉尖局部支撐好，提前松鉤將會造成輪轂傾覆。當(dāng)三個葉片全部安裝完后，輪轂的受力處于平衡狀態(tài)，這時可以去除葉尖下的全部支撐物。對于利用葉尖進行空氣制動的葉片，應(yīng)安裝調(diào)整好葉片的葉尖。進行以上操作時，均應(yīng)按安裝手冊在相關(guān)零件外表涂密封膠或MoS2潤滑脂。27任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試2〕風(fēng)輪的吊裝風(fēng)輪的吊裝采用兩臺起重機或一臺起重機的主、副鉤“抬吊〞方法，由主起重機或主鉤吊住上揚的兩個葉片的葉根，完成空中90°翻身調(diào)向，松開副起重機或副鉤后與已裝好在塔架頂上的機艙風(fēng)輪軸對接，其具體步驟如下：工作現(xiàn)場應(yīng)有足夠的人員拉緊導(dǎo)向繩，以保證起吊方向，防止風(fēng)輪葉尖碰著地面和塔架，以免損傷葉尖或觸及其他物體。用兩副吊帶分別套在輪轂兩個葉根處，另一條吊帶套在第三個葉尖局部，主要作用是保證在起吊過程中葉尖不會碰地。同時，分別把三根導(dǎo)向繩拉繩在葉片上綁好，導(dǎo)向繩長度和強度應(yīng)足夠。葉片起吊如圖3-11。28任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試圖3-11風(fēng)輪起吊29任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試主起重機吊鉤或主鉤吊兩個葉根吊帶，而副起重機吊鉤或副吊鉤吊第三個葉片吊帶，首先水平吊起，在離開地面幾米后副起重機吊鉤或副吊鉤停止不動。在主起重機吊鉤或主鉤繼續(xù)緩慢上升過程中，使風(fēng)輪從起吊時狀態(tài)逐漸傾斜，當(dāng)風(fēng)輪輪轂高度超過風(fēng)輪半徑尺寸約兩米時，副起重機吊鉤或副鉤緩慢下放使吊帶滑出，風(fēng)輪只由主起重機或主吊鉤住，完成空中90°翻轉(zhuǎn)。通過拉三根拉繩，使風(fēng)輪軸線處于水平位置，繼續(xù)吊升風(fēng)輪使與機艙主軸連接法蘭對接。安裝人員系好平安帶，由機艙開口處從外部進入風(fēng)輪輪轂中心，松開機艙內(nèi)風(fēng)輪鎖定裝置，轉(zhuǎn)動齒輪箱軸，使主軸與風(fēng)輪輪轂法蘭螺孔對正。30任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試穿入輪轂與主軸的固定螺栓，完成固定螺栓的緊固工作。當(dāng)已緊固的螺栓數(shù)超過總數(shù)一半〔安裝手冊另有規(guī)定時按規(guī)定數(shù)〕且其在圓周較均勻分布時，重新將風(fēng)輪鎖定，完成其余螺栓連接作業(yè)，并按規(guī)定力矩上緊。在輪轂內(nèi)的安裝人員撤回機艙，剎緊盤式制動器，松開并去除主吊帶。31任務(wù)一風(fēng)輪的安裝與調(diào)試【操作指導(dǎo)