風(fēng)力發(fā)電原理第三章

1、風(fēng)力發(fā)電原理第三章1第1頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四風(fēng)力機(jī)的類型風(fēng)電機(jī)組主要參數(shù)及設(shè)計(jì)級(jí)別水平軸風(fēng)力機(jī)構(gòu)造第三章 風(fēng)力機(jī)分類和構(gòu)成2第2頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四3-1 風(fēng)力機(jī)的類型 按容量劃分 小型風(fēng)力機(jī)：容量小于60kW 中型風(fēng)力機(jī)：容量為70600kW 大型風(fēng)力機(jī)：容量為6001000kW（1MW） 巨型風(fēng)力機(jī)：容量大于1000kW。 單機(jī)容量越大，槳葉越長(zhǎng)。2MW風(fēng)力機(jī)葉片的直徑已經(jīng)達(dá)到72m，最長(zhǎng)的葉片已經(jīng)做到50m，且隨著機(jī)組容量的增加會(huì)更長(zhǎng)。3第3頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四4第4頁(yè)

2、，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 按照風(fēng)輪結(jié)構(gòu)及其在氣流中的位置： 水平軸風(fēng)力機(jī):葉片圍繞一個(gè)水平軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平按風(fēng)輪結(jié)構(gòu)劃分 按功率調(diào)節(jié)方式劃分 定槳距風(fēng)力機(jī)變槳距風(fēng)力機(jī)主動(dòng)失速型風(fēng)力機(jī)面與風(fēng)向垂直。 垂直軸風(fēng)力機(jī):風(fēng)輪圍繞一個(gè)垂直軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，為了保證發(fā)電機(jī)的輸出功率維持在額定功率附近，需要對(duì)風(fēng)輪葉片吸收的氣動(dòng)功率進(jìn)行控制。對(duì)于確定的葉片翼型，在風(fēng)作用下產(chǎn)生的升力和阻力主要取決于風(fēng)速和攻角，在風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)調(diào)整攻角，可以改變?nèi)~片的升力和阻力比例，實(shí)現(xiàn)功率控制。 5第5頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 定槳距風(fēng)

3、力機(jī):葉片固定在輪轂上，槳距角不變，風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的失速性能。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，在葉片后端將形成邊界層分離，使升力系數(shù)下降，阻力系數(shù)增加，從而限制了機(jī)組功率的進(jìn)一步增加。 優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn):不能保證超過(guò)額定風(fēng)速區(qū)段的輸出功率恒定，并且由于阻力增大,導(dǎo)致葉片和塔架等部件承受的載荷相應(yīng)增大。此外，由于槳距角不能調(diào)整，沒(méi)有氣動(dòng)制動(dòng)功能，因此定槳距葉片在葉尖部位需要設(shè)計(jì)專門(mén)的制動(dòng)機(jī)構(gòu)。 6第6頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 變槳距風(fēng)力機(jī)：葉片和輪轂不是固定連接，葉片槳距角可調(diào)。在超過(guò)額定風(fēng)速范圍時(shí)，通過(guò)增大葉片槳距角，使攻角減小，以改變?nèi)~片升力與阻

4、力的比例，達(dá)到限制風(fēng)輪功率的目的，使機(jī)組能夠在額定功率附近輸出電能。 優(yōu)點(diǎn)：高于額定風(fēng)速區(qū)域可以獲得穩(wěn)定的功率輸出。 缺點(diǎn)：需要變槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性降低。 目前的大型兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組普遍采用變槳距控制技術(shù)。 主動(dòng)失速型風(fēng)力機(jī)：工作原理相當(dāng)于以上兩種形式的組合。利用葉片的失速特性實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，葉片與輪轂不是固定連接，葉片可以相對(duì)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)槳距角調(diào)節(jié)。當(dāng)機(jī)組達(dá)到額定功率后，使葉片向槳距角向減小的方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，增大來(lái)風(fēng)攻角，使葉片主動(dòng)進(jìn)入失速狀態(tài)，從而限制功率。 優(yōu)點(diǎn)：改善了被動(dòng)失速機(jī)組功率調(diào)節(jié)的不穩(wěn)定性。 缺點(diǎn)：增加了槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使設(shè)備變得復(fù)雜。 7第7頁(yè)，共133頁(yè)，20

5、22年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)連接風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子達(dá)到所需要的轉(zhuǎn)速。并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組所用交流發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為 為發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù)；為電網(wǎng)頻率，50Hz。 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速較低，約1020r/min，而發(fā)電機(jī)要輸出50Hz的交流電功率，當(dāng)發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)不同時(shí)，要求轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也不同。如當(dāng)磁極對(duì)數(shù)為2時(shí)，要求發(fā)電機(jī)其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在1500r/min左右，這時(shí)需要在風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)組之間用齒輪箱進(jìn)行增速。如果發(fā)電機(jī)組的極對(duì)數(shù)足夠大，使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速接近，就不需要增速齒輪箱。8第8頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 高傳動(dòng)比齒輪箱型： 優(yōu)點(diǎn)：由于極對(duì)數(shù)小

6、，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積?。?缺點(diǎn)：傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，齒輪箱設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，容易出故障。 直接驅(qū)動(dòng)型：采用多級(jí)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，讓風(fēng)輪直接帶動(dòng)發(fā)電機(jī)低速旋轉(zhuǎn)。 優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有了齒輪箱所帶來(lái)的噪聲、故障率高和維護(hù)成本大等，提高了運(yùn)行可靠性。 缺點(diǎn)：發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)高，體積比較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 半直驅(qū)型：上述兩種類型的綜合。中傳動(dòng)比型風(fēng)力機(jī)減少了傳統(tǒng)齒輪箱的傳動(dòng)比，同時(shí)也相應(yīng)減少了多極同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極數(shù)，從而減少了發(fā)電機(jī)的體積。按傳動(dòng)形式劃分 9第9頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四10第10頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 恒速型風(fēng)力機(jī)：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定不變

7、，不隨風(fēng)速的變化而變化。 變速型風(fēng)力機(jī)：發(fā)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速時(shí)刻變化而變化。主流大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本都采用變速恒頻運(yùn)行方式。 多態(tài)定速風(fēng)力機(jī)：發(fā)電機(jī)組中包含兩臺(tái)或多臺(tái)發(fā)電機(jī)，根據(jù)風(fēng)速的變化，可以有不同大小和數(shù)量的發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行。 按發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化劃分 11第11頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 沿海風(fēng)場(chǎng)風(fēng)況和環(huán)境條件與陸地風(fēng)場(chǎng)存在差別，海上風(fēng)電機(jī)組具有一些特殊性： 1)適合選用大容量風(fēng)電機(jī)組。海上風(fēng)速通常比沿岸陸地高，風(fēng)速比較穩(wěn)定，不受地形影響，風(fēng)湍流強(qiáng)度和風(fēng)切變都比較小，并且具有穩(wěn)定的主導(dǎo)風(fēng)向。在相同容量下，海上風(fēng)電機(jī)組的塔架高度比陸地機(jī)組低。 陸地風(fēng)電機(jī)組海上風(fēng)

8、電機(jī)組 12第12頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 2)風(fēng)電機(jī)組安全可靠性要求更高。海上風(fēng)電場(chǎng)遭遇極端氣象條件的可能性大，強(qiáng)陣風(fēng)、臺(tái)風(fēng)和巨浪等極端惡劣天氣條件都會(huì)對(duì)機(jī)組造成嚴(yán)重破壞。海上風(fēng)電場(chǎng)與海浪、潮汐具有較強(qiáng)的耦合作用，使得風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在海浪干擾下的隨機(jī)風(fēng)場(chǎng)中，載荷條件比較復(fù)雜。海上風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期處在含鹽濕熱霧腐蝕環(huán)境中，加之海上風(fēng)電機(jī)組安裝、運(yùn)行、操作和維護(hù)等方面都比陸地風(fēng)場(chǎng)困難。因此，海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)，尤其是葉片材料的耐久性問(wèn)題極為重要。 3)基礎(chǔ)形式與陸地風(fēng)電機(jī)組有巨大差別。由于不同海域的水下情況復(fù)雜、基礎(chǔ)建造需要綜合考慮海床地質(zhì)結(jié)構(gòu)、離岸距離、風(fēng)浪等級(jí)、海

9、流情況等多方面影響，因此海上風(fēng)電機(jī)組復(fù)雜，用于基礎(chǔ)的建設(shè)費(fèi)用也占較大比例。 海上風(fēng)電在風(fēng)資源評(píng)估、機(jī)組安裝、運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備監(jiān)控、電力輸送等許多方面都與陸地風(fēng)電存在差異，技術(shù)難度大、建設(shè)成本高。13第13頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 水平軸風(fēng)力機(jī)的葉片圍繞一個(gè)水平軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向垂直。葉片徑向安置于風(fēng)輪上，與旋轉(zhuǎn)軸垂直或近似垂直。風(fēng)輪葉片數(shù)目視風(fēng)力機(jī)用途而定，用于風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)力機(jī)的葉片數(shù)一般取13片，用于風(fēng)力提水的風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)一般取1224片。 一、水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 14第14頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 按風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的快慢劃分

10、，可分為高速風(fēng)力機(jī)和低速風(fēng)力機(jī)。 高速風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)較少，13片應(yīng)用得較多，其最佳轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的風(fēng)輪葉尖線速度為515倍風(fēng)速。在高速運(yùn)行時(shí)，高速風(fēng)力機(jī)有較高的風(fēng)能利用系數(shù)。由于葉片數(shù)較少，在輸出功率相同的條件下，比低速風(fēng)輪要輕得多，因此適用于發(fā)電。 葉片數(shù)較多的風(fēng)力機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速較低，為高速風(fēng)力機(jī)的一半甚至更低，風(fēng)能利用率也較高速風(fēng)輪的低，通常稱為低速風(fēng)力機(jī)。起動(dòng)力矩大，起動(dòng)風(fēng)速低。低速運(yùn)行產(chǎn)生較高的轉(zhuǎn)矩，因而適用于提水。15第15頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 按照風(fēng)輪與塔架相對(duì)位置的不同劃分 逆風(fēng)式風(fēng)力機(jī)順風(fēng)式風(fēng)力機(jī)水平軸風(fēng)力機(jī) 風(fēng)輪在塔架的下風(fēng)位置旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)。能夠

11、自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，不需要調(diào)向裝置。缺點(diǎn)：空氣流先通過(guò)塔架然后再流向風(fēng)輪，會(huì)造成塔影效應(yīng)，風(fēng)力機(jī)性能降低。 以空氣流向作為參考，風(fēng)輪在塔架前迎風(fēng)旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)為逆風(fēng)式風(fēng)力機(jī)。需要調(diào)風(fēng)裝置，使風(fēng)輪迎風(fēng)面正對(duì)風(fēng)向。16第16頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 定義：垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪圍繞一個(gè)垂直軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。 特點(diǎn)：無(wú)需調(diào)風(fēng)向裝置，可接受來(lái)自任何方向的風(fēng)，風(fēng)向改變時(shí)無(wú)需對(duì)風(fēng)。齒輪箱和發(fā)電機(jī)均可安裝在地面上或風(fēng)輪下，運(yùn)行維修簡(jiǎn)便，費(fèi)用較低。葉片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，設(shè)計(jì)費(fèi)用較低。 二、垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 分類：阻力型風(fēng)力機(jī)：利用空氣對(duì)葉片的阻力做功。 升力型風(fēng)力機(jī)：利用翼型升力做功。17

12、第17頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 S形風(fēng)力機(jī)由兩個(gè)軸線錯(cuò)開(kāi)的半圓柱形葉片組成，其優(yōu)點(diǎn)可在較低風(fēng)速下運(yùn)行，但S形風(fēng)輪由于風(fēng)輪周圍氣流不對(duì)稱，從而產(chǎn)生側(cè)向推力。 受側(cè)向推力與安全極限應(yīng)力的限制，S形風(fēng)力機(jī)大型化比較困難。風(fēng)能利用系數(shù)也遠(yuǎn)低于高速垂直軸或水平軸風(fēng)力機(jī)，僅為0.15左右。在風(fēng)輪尺寸、重量和成本相同的條件下，其功率輸出較低，因而用于發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性較差。 18第18頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 升力型:達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)是水平軸風(fēng)力機(jī)的主要競(jìng)爭(zhēng)者。 形式:有形、H形、形、Y形和菱形等。根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)形狀，可簡(jiǎn)單地歸納為直葉片和彎葉片

13、兩種。 H形風(fēng)輪和形風(fēng)輪應(yīng)用最為廣泛。葉片具有翼型剖面，空氣繞葉片流動(dòng)而產(chǎn)生的合力形成轉(zhuǎn)矩，因此葉片幾乎在旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)的任何角度都有升力產(chǎn)生。達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)最佳轉(zhuǎn)速較水平軸的慢，但比S形風(fēng)輪快很多，其風(fēng)能利用系數(shù)與水平軸風(fēng)力機(jī)相當(dāng)。19第19頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四H形風(fēng)輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但離心力使葉片在其連接點(diǎn)處產(chǎn)生嚴(yán)重的彎曲應(yīng)力。直葉片借助支撐件或拉索來(lái)支撐，這些支撐產(chǎn)生氣動(dòng)阻力，降低了風(fēng)力機(jī)的效率。形風(fēng)輪所采用的彎葉片只承受張力，不承受離心力載荷，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)，對(duì)于相同的總強(qiáng)度，形葉片比較輕，且比直葉片可以更高的速度運(yùn)行

14、。但形葉片不便采用變漿距方法來(lái)實(shí)現(xiàn)自起動(dòng)和控制轉(zhuǎn)速。對(duì)于高度和直徑相同的風(fēng)輪，形轉(zhuǎn)子比H形轉(zhuǎn)子的掃掠面積要小一些。 20第20頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四3-2 風(fēng)電機(jī)組主要參數(shù)及設(shè)計(jì)級(jí)別風(fēng)電機(jī)組的性能和技術(shù)規(guī)格可以通過(guò)一些主要參數(shù)反映。21第21頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 風(fēng)輪直徑是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的外圓直徑，用D表示。風(fēng)輪直徑大小決定了風(fēng)輪掃掠面積的大小以及葉片的長(zhǎng)度，是影響機(jī)組容量大小和機(jī)組性價(jià)比的主要因素之一。 根據(jù)貝茨理論，風(fēng)輪從自然風(fēng)中獲取的功率為 式中，S為風(fēng)輪的掃掠面積， D增加，則其掃掠面積與D2成比例增加，其獲取的

15、風(fēng)功率也相應(yīng)增加。風(fēng)輪直徑與掃掠面積一. 主要參數(shù)22第22頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑和相應(yīng)功率的發(fā)展變化情況。早期的風(fēng)電機(jī)組直徑很小，額定功率也相對(duì)較低，大型兆瓦機(jī)組的風(fēng)輪直徑在7080m范圍，目前風(fēng)輪直徑超過(guò)100m、額定功率超過(guò)若干兆瓦的風(fēng)電機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行。23第23頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 風(fēng)輪高度是指風(fēng)輪輪轂中心離地面的高度，是風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的一個(gè)重要參數(shù)。 由于風(fēng)剪切特性，離地面越高，風(fēng)速越大，具有的風(fēng)能也越大，因此大型風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展趨勢(shì)是輪轂高度越來(lái)越高。但是輪轂高度增加，所需要的塔架

16、高度也相應(yīng)增加，當(dāng)塔架高度達(dá)到一定水平時(shí)，設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸和安裝等方面都將產(chǎn)生新的問(wèn)題，也導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組成本相應(yīng)增加。 輪轂高度 24第24頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 組成風(fēng)輪的葉片個(gè)數(shù)，用B表示。 選擇風(fēng)輪葉片數(shù)時(shí)要考慮風(fēng)電機(jī)組的性能和載荷、風(fēng)輪和傳動(dòng)系統(tǒng)的成本、風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲及景觀效果等因素。葉片數(shù) 采用不同的葉片數(shù)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都將產(chǎn)生不同的影響。風(fēng)輪的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率取決于風(fēng)輪的功率系數(shù)。25第25頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 多葉片風(fēng)車的最佳葉尖速比較低，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速可以很慢，因此也稱為慢速風(fēng)輪。當(dāng)然多葉片風(fēng)輪

17、由于功率系數(shù)很低，因而很少用于現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組。 現(xiàn)代水平軸風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪的功率系數(shù)比垂直軸風(fēng)輪高，其中三葉片風(fēng)輪的功率系數(shù)最高，其最大功率系數(shù)約為0.47，對(duì)應(yīng)葉尖速比約為7；雙葉片和單葉片風(fēng)輪的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率略低，其最大功率系數(shù)對(duì)應(yīng)的葉尖速比也高于三葉片風(fēng)輪，即在相同風(fēng)速條件下，葉片數(shù)越少，風(fēng)輪最佳轉(zhuǎn)速越高，因此有時(shí)也將單葉片和雙葉片風(fēng)輪稱為高速風(fēng)輪。26第26頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 風(fēng)輪的作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。衡量風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩性能重要參數(shù)： 轉(zhuǎn)矩系數(shù)：功率系數(shù)除以葉尖速比。 轉(zhuǎn)矩系數(shù)決定了傳動(dòng)系統(tǒng)中主軸及齒輪箱的設(shè)計(jì)。現(xiàn)代并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組希望轉(zhuǎn)矩

18、系數(shù)小，以降低傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)費(fèi)用。 葉片數(shù)越多，最大轉(zhuǎn)矩系數(shù)值也越大，對(duì)應(yīng)的葉尖速比也越小，表明起動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大。27第27頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 三葉片風(fēng)輪的性能比較好，目前，水平軸風(fēng)電機(jī)組一般采用兩葉片或三葉片風(fēng)輪，其中以三葉片風(fēng)輪為主。我國(guó)安裝投運(yùn)的大型并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組幾乎全部采用三葉片風(fēng)輪。 葉片數(shù)量減少，將使風(fēng)輪制造成本降低，但也會(huì)帶來(lái)很多不利的因素，在選擇風(fēng)輪葉片數(shù)時(shí)要綜合考慮。兩葉片風(fēng)輪上的脈動(dòng)載荷大于三葉片風(fēng)輪。另外，由于兩葉片風(fēng)輪轉(zhuǎn)速高，在旋轉(zhuǎn)時(shí)將產(chǎn)生較大的空氣動(dòng)力噪聲，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，而且風(fēng)輪轉(zhuǎn)速快視覺(jué)效果也不好。 風(fēng)輪實(shí)度：風(fēng)輪葉片總面積

19、與風(fēng)輪掃掠面積的比值，常用于反映風(fēng)輪的風(fēng)能轉(zhuǎn)換性能。 風(fēng)輪的葉片數(shù)多，風(fēng)輪的實(shí)度大，功率系數(shù)比較大，但功率曲線較窄，對(duì)葉尖速比的變化敏感。葉片數(shù)減小，風(fēng)輪實(shí)度下降，其最大功率系數(shù)相應(yīng)降低，但功率曲線也越平坦，對(duì)葉尖速比變化越不敏感。 28第28頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 葉尖速比為風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比，是描述風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪特性的一個(gè)重要的無(wú)量綱量。 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、葉尖速比 對(duì)于特定的風(fēng)輪形式，其功率系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線確定，形狀如同一個(gè)山包。在某一葉尖速比值處，功率系數(shù)達(dá)到最大值，此時(shí)，風(fēng)輪吸收的風(fēng)能最多，對(duì)應(yīng)的葉尖速比值稱為最佳葉尖速比。 風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪

20、的一個(gè)主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡可能多地吸收風(fēng)能，因此在低于額定風(fēng)速的區(qū)域，希望使風(fēng)輪盡可能工作在最大功率系數(shù)附近，即風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的比值盡可能保持在最佳葉尖速比附近。由于風(fēng)速是連續(xù)不斷變化的，因此需要對(duì)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使之與風(fēng)速變化匹配。29第29頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 以表所列的1.5MW風(fēng)電機(jī)組為例，三葉片風(fēng)輪，直徑77m，額定風(fēng)速12m/s為例。粗略估算風(fēng)輪的額定轉(zhuǎn)速。 設(shè)三葉片風(fēng)輪對(duì)應(yīng)的最佳葉片速比約為7，風(fēng)輪的額定轉(zhuǎn)速約為 實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速范圍的確定，還要考慮其他多種因素，如所列機(jī)組的實(shí)際轉(zhuǎn)速范圍約在1120r/min之間。 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速除了影響風(fēng)

21、能吸收特性以外，還對(duì)風(fēng)輪的機(jī)械轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組的額定功率和風(fēng)輪直徑確定后，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增加，則風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩減小，因而作用在傳動(dòng)系統(tǒng)上的載荷也相應(yīng)減小，并使齒輪箱的增速比降低。 30第30頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 風(fēng)輪錐角:葉片與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸相垂直的平面的夾角。 風(fēng)輪仰角：風(fēng)輪主軸與水平面的夾角。 由于葉片為細(xì)長(zhǎng)柔性體結(jié)構(gòu)，在其旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，受風(fēng)載荷和離心載荷的作用，葉片將發(fā)生彎曲變形，風(fēng)輪錐角和仰角的主要作用是防止葉片在發(fā)生彎曲變形狀態(tài)下，其葉尖部分與塔架發(fā)生碰撞。 風(fēng)輪錐角和風(fēng)輪仰角 31第31頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 偏航

22、角：通過(guò)風(fēng)輪主軸的鉛垂面與風(fēng)速在水平面上的分量的夾角。 風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)測(cè)量的風(fēng)速方向，通過(guò)偏航系統(tǒng)對(duì)風(fēng)輪的方向進(jìn)行調(diào)整，使其始終保持正面迎向來(lái)風(fēng)方向，以獲得最大風(fēng)能吸收率。 偏航角 32第32頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 主要指其吸收和轉(zhuǎn)化風(fēng)能的 性能，即風(fēng)輪的氣動(dòng)性能。 功率特性是反映風(fēng)電機(jī)組基本性能的重要指標(biāo)，用風(fēng)電機(jī)組輸出功率隨風(fēng)速的變化曲線來(lái)表示。功率曲線直接影響風(fēng)電機(jī)組的年發(fā)電量。 風(fēng)電機(jī)組的基本性能 不同風(fēng)速對(duì)應(yīng)的理論風(fēng)功率曲線、根據(jù)貝茨理論計(jì)算的理想風(fēng)輪吸收風(fēng)功率曲線以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際功率曲線。其中理論風(fēng)功率與風(fēng)速的三次方成正比，而

23、根據(jù)貝茨定理，理想風(fēng)輪只能吸收部分風(fēng)功率（極限狀態(tài)下，只能吸收理論風(fēng)功率的0.59倍），實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪不滿足理想風(fēng)輪條件，并且存在各種損失，其風(fēng)能吸收數(shù)量低于貝茨極限。風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展過(guò)程，一直追求使機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)接近貝茨極限。 33第33頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 風(fēng)場(chǎng)條件（風(fēng)況條件、地理和氣候環(huán)境特點(diǎn)等）是風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)和選型的主要影響因素。 在世界范圍內(nèi)，可用于風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)場(chǎng)條件千差萬(wàn)別。國(guó)際電工委員會(huì)在其頒布的風(fēng)電機(jī)組相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中(IEC64000-1)，根據(jù)風(fēng)速和湍流狀態(tài)參數(shù)將水平軸風(fēng)電機(jī)組分成若干個(gè)級(jí)別，這樣就減少了風(fēng)電機(jī)組的類型，從而可以降

24、低風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)成本，增加風(fēng)電機(jī)組的競(jìng)爭(zhēng)力。 將風(fēng)電機(jī)組分成四個(gè)級(jí)別，即三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別(、)和一個(gè)特殊級(jí)別(S)。 二、風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)級(jí)別 34第34頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 所列數(shù)值是風(fēng)輪輪轂高度處的值。風(fēng)電機(jī)組分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)只依據(jù)風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度兩個(gè)主要參數(shù)。 1) 為10min參考平均風(fēng)速，實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的10min平均風(fēng)速值計(jì)算： 即，三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別機(jī)組所適用的風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)速分別為：I級(jí)機(jī)組：10m/s平均風(fēng)速；級(jí)機(jī)組：8.5m/s平均風(fēng)速；級(jí)機(jī)組：7.5m/s平均風(fēng)速。 2) 為風(fēng)速在15 m/s時(shí)的湍流強(qiáng)度期望值，表中對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組級(jí)別都分為A、B、C三種

25、不同的風(fēng)湍流狀態(tài)，其湍流強(qiáng)度期望值分別為0.16、0.14和0.12。即標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組共有9個(gè)類型。 3)為了解決一些特殊風(fēng)場(chǎng)條件的機(jī)組設(shè)計(jì)和選用問(wèn)題，標(biāo)準(zhǔn)中在三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別以外，還列出一個(gè)特殊級(jí)別S，具體設(shè)計(jì)參數(shù)由設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際風(fēng)況條件制定。35第35頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四3-3 水平軸風(fēng)力機(jī)構(gòu)造 水平軸風(fēng)力機(jī)主要由以下幾部分組成：葉片、機(jī)艙、輪轂、調(diào)速器、調(diào)向裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械剎車裝置和塔架等。36第36頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 風(fēng)電機(jī)組主要由風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架和基礎(chǔ)等部分組成。風(fēng)輪和機(jī)艙置于塔架頂端，機(jī)艙內(nèi)包括風(fēng)輪主軸、傳

26、動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)等部件。機(jī)艙內(nèi)的所有部件安裝在主機(jī)架上，主機(jī)架通過(guò)軸承與塔架頂端相連接，可以在偏航系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，相對(duì)于塔架軸線旋轉(zhuǎn)，使風(fēng)輪和機(jī)艙隨著風(fēng)向的變化調(diào)整方向。塔架固定在基礎(chǔ)上，將作用于風(fēng)輪上的各種載荷傳遞到基礎(chǔ)上。 風(fēng)輪是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的部件，其上安裝若千個(gè)葉片，葉片根部與輪轂相連。風(fēng)以一定速度和攻角作用于葉片上，使葉片產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪主軸旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。風(fēng)輪主軸經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。 機(jī)組通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在各種條件下的運(yùn)行控制。 37第37頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四風(fēng)輪變槳機(jī)構(gòu)輪轂葉片偏航系統(tǒng)

27、軸的連接與制動(dòng)增速齒輪箱風(fēng)輪主軸傳動(dòng)系統(tǒng)塔架與基礎(chǔ)38第38頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 葉片 風(fēng)力機(jī)葉片安裝在輪轂上，輪轂與主軸相連，并將葉片力矩傳遞到發(fā)電機(jī)。風(fēng) 輪39第39頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 風(fēng)輪葉片主要實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的吸收，其形狀決定了空氣動(dòng)力學(xué)特性，設(shè)計(jì)目標(biāo)是最大可能吸收風(fēng)能，同時(shí)使重量盡可能減輕，降低制造成本。葉片應(yīng)滿足以下要求：良好的空氣動(dòng)力外形，能夠充分利用風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)資源條件，獲得盡可能多的風(fēng)能?？煽康慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度，具備足夠的承受極限載荷和疲勞載荷能力；合理的葉片剛度、葉尖變形位移，避免葉片與塔架碰撞。良好的結(jié)構(gòu)動(dòng)

28、力學(xué)特性和氣動(dòng)穩(wěn)定性，避免發(fā)生共振和顫振現(xiàn)象，振動(dòng)和噪聲小。耐腐蝕、防雷擊性能好，方便維護(hù)。在滿足上述目標(biāo)的前提下，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，盡可能減輕葉片重量、降低制造成本。 40第40頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 葉片長(zhǎng)度很長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，不同部位的圓周速度相差很大，導(dǎo)致來(lái)風(fēng)的攻角相差很大，因此風(fēng)電機(jī)組葉片沿展向各段處的幾何尺寸及剖面翼型都發(fā)生變化。1葉片幾何形狀及翼型 41第41頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 葉片特征：沿展向方向上，翼型不斷變化，各剖面的弦長(zhǎng)不斷變化，各剖面的前緣和后緣形狀也不同。葉片扭角也沿展向不斷變化，葉尖部位的扭角

29、比根部小。這里的葉片扭角指在葉片尖部槳距角為零的情況下，各剖面的翼弦與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角。 葉片的剖面翼型應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的外部條件并結(jié)合載荷分析進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率與空氣流過(guò)葉片翼型產(chǎn)生的升力有關(guān)，因此葉片的翼型性能直接影響風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。 應(yīng)用較多的有NACA翼型、SERI翼型、NREL翼型和FFA-W翼型等。 42第42頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 小型風(fēng)力機(jī)葉片常用整塊木材加工而成，表面涂層保護(hù)漆，根部通過(guò)金屬接頭用螺栓與輪轂相連。有的采用玻璃纖維或其他復(fù)合材料作為蒙皮，使葉片具有更佳的耐磨性能。 大、中型風(fēng)力機(jī)采用木質(zhì)葉片時(shí)，不用整塊木料進(jìn)行制作

30、，而是采用很多縱向木條膠接在一起，以保證選用優(yōu)質(zhì)木材，提高葉片質(zhì)量。為減輕重量，在木質(zhì)葉片的后緣部分填塞質(zhì)地較輕的泡沫塑料，表面用玻璃纖維作蒙皮。采用泡沫塑料的優(yōu)點(diǎn)不僅可以減輕質(zhì)量，而且能使翼型重心前移，重心設(shè)計(jì)在近前緣1/4弦長(zhǎng)處為最佳，可以減輕葉片的質(zhì)量。 2葉片的材料 43第43頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 為減輕葉片的質(zhì)量，有的葉片用一根金屬管作為受力梁，以蜂窩結(jié)構(gòu)、泡沫塑料或輕木材作中間填充物，外面再包上玻璃纖維防腐防磨。大型風(fēng)力機(jī)的葉片較長(zhǎng)，如3MW風(fēng)力機(jī)葉片達(dá)到50m左右，承受的風(fēng)載荷較大，因此葉片設(shè)計(jì)要保證一定的強(qiáng)度和剛度要求。目前，大、中型風(fēng)力

31、機(jī)的葉片都采用玻璃纖維或高強(qiáng)度復(fù)合材料進(jìn)行制作。 葉片蒙皮的鋪層形式主要取決于葉片所受的外載荷，根據(jù)外載荷的大小和方向，確定葉片鋪層數(shù)量，以及鋪層增強(qiáng)纖維的方向。由于葉片所受彎矩、轉(zhuǎn)矩和離心力都是從葉尖向葉根逐漸遞增，因此鋪層結(jié)構(gòu)的厚度一般從葉尖向葉根逐漸遞增。 44第44頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 由于風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，所以當(dāng)風(fēng)速超過(guò)切出風(fēng)速時(shí)，變槳調(diào)節(jié)的風(fēng)電機(jī)組通過(guò)對(duì)槳距角的調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)制動(dòng)。對(duì)于失速控制的風(fēng)電機(jī)組，由于葉片與輪轂固定連接，通常采用可旋轉(zhuǎn)的葉尖實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)制動(dòng)。 圖為一種具有旋轉(zhuǎn)葉尖的制動(dòng)結(jié)構(gòu)。在風(fēng)輪運(yùn)行時(shí)，葉尖部分和其他部分

32、方向一致，形成一個(gè)整體。當(dāng)需要制動(dòng)時(shí)，葉尖部分繞葉片軸向旋轉(zhuǎn)90，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能。 3氣動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng) 45第45頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 葉片所受的各項(xiàng)載荷，無(wú)論是拉力還是彎矩、轉(zhuǎn)矩、剪力都在根端達(dá)到最大值，如何把整個(gè)葉片上所承受的載荷傳遞到輪轂上去，關(guān)鍵在于葉片的根端連接設(shè)計(jì)。 玻璃鋼強(qiáng)度性能的一個(gè)弱點(diǎn)是層間剪切強(qiáng)度較低，強(qiáng)度矛盾集中在根端，根端設(shè)計(jì)成為葉片設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵問(wèn)題。 葉片根端必須具有足夠的剪切強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度，與金屬的膠接強(qiáng)度也要足夠高，這些強(qiáng)度均低于其拉彎強(qiáng)度，因此葉片的根端是危險(xiǎn)的部位，設(shè)計(jì)應(yīng)予以重視。如果不注意根端連接設(shè)計(jì)，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致整個(gè)葉片

33、飛出，使整臺(tái)風(fēng)電機(jī)組毀壞。 4葉根連接46第46頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 法蘭連接 這種形式的葉根像一個(gè)法蘭翻邊。在此法蘭上，除了有玻璃鋼外，還與金屬盤(pán)對(duì)拼，在金屬盤(pán)上的附件與輪轂相連。 預(yù)埋金屬根端連接 在根端設(shè)計(jì)中，預(yù)埋上一個(gè)金屬根端，此結(jié)構(gòu)一端可通過(guò)螺栓與輪轂連接，另一端牢固預(yù)埋在玻璃鋼葉片內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)形式避免了對(duì)葉片根部結(jié)構(gòu)層的加工損傷，提高了根部連接的可靠性，也減小了法蘭盤(pán)的重量。缺點(diǎn)就是每個(gè)螺紋件的定位必須準(zhǔn)確。47第47頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 常見(jiàn)的葉片故障類型包括表面腐蝕、雷擊、覆冰、裂紋以及極端風(fēng)造成的

34、葉片斷裂等。 5葉片失效與防護(hù)措施48第48頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 德國(guó)某公司對(duì)在德國(guó)安裝的20000臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的葉片故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其中氣動(dòng)部件故障率約為40%，導(dǎo)致風(fēng)輪不平衡問(wèn)題（氣動(dòng)不平衡、質(zhì)量不平衡、不平衡超限）的故障也約占40%，風(fēng)輪其他故障略低于20%。49第49頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 葉片故障主要對(duì)葉片的氣動(dòng)性能、主軸不平衡以及振動(dòng)和噪聲狀態(tài)產(chǎn)生影響。圖為表面干凈葉片和表面臟污葉片的功率特性，臟污葉片導(dǎo)致葉片氣動(dòng)性能明顯下降，輸出功率減少。 葉片各類故障造成風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)質(zhì)量不平衡，對(duì)葉片、變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主軸，齒

35、輪箱（裂縫、損壞）、發(fā)電機(jī)（阻尼線圈的磨損）、電子器件（沒(méi)有緊緊固定的控制柜的振動(dòng)）、偏航驅(qū)動(dòng)、偏航制動(dòng)以及塔筒和地基的裂縫都將產(chǎn)生影響。 50第50頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 熱膨脹性：葉片結(jié)構(gòu)中使用了不同的材料，所以必須考慮各種材料熱膨脹系數(shù)的不同，以免因溫度變化而產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而破壞葉片。 密封性：空心葉片應(yīng)有很好的密封性，一旦密封失效，其內(nèi)必然形成冷凝水集聚，造成危害?？稍谌~尖、葉根各預(yù)開(kāi)一個(gè)小孔，以使葉片內(nèi)部空間進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐L(fēng)，并排除積水。需要注意的是小孔尺寸要適當(dāng)，過(guò)大的孔徑將氣流從內(nèi)向外流動(dòng)，產(chǎn)生功率損失，還將伴隨產(chǎn)生噪聲。 51第51頁(yè)，共1

36、33頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 雷擊保護(hù)：為了防止被雷電擊毀、支撐發(fā)電機(jī)的塔架必須用良好的導(dǎo)線接地。復(fù)合材料制成的葉片，需要特殊的防雷裝置。風(fēng)力機(jī)葉片的防雷設(shè)計(jì)一般有4種。大型復(fù)合材料葉片上預(yù)防措施最好是在葉尖處沿整個(gè)翼型外圍做一個(gè)金屬的尖帽，從葉尖向內(nèi)延伸8l0cm。通過(guò)安裝在葉片內(nèi)部的金屬導(dǎo)線連接到葉根部的柔性金屬板上，并經(jīng)過(guò)塔架內(nèi)的接地系統(tǒng)，將雷擊電流接地。 52第52頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 葉片除冰系統(tǒng)針對(duì)一些地區(qū)容易造成葉片覆冰的環(huán)境條件，提出了多種解決覆冰問(wèn)題的方案。如葉片表面采用特殊的防冰涂層、葉片中安裝覆冰報(bào)警及除冰系

37、統(tǒng)等。圖為兩種葉片除冰系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)示意圖。 除冰系統(tǒng)53第53頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 輪轂是連接葉片與風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸的部件，用于傳遞風(fēng)輪力和力矩到后面?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)。 分類：固定式輪轂、葉片之間相對(duì)固定鉸鏈?zhǔn)捷嗇灪透魅~片自由的鉸鏈?zhǔn)捷嗇灐?輪轂 1固定式輪轂 特點(diǎn)：主軸與葉片長(zhǎng)度方向夾角固定不變；制作成本低，維護(hù)少，不存在鉸接葉片的磨損問(wèn)題；但葉片上全部力和力矩都經(jīng)輪轂傳遞到后續(xù)部件。 目前大型三葉片風(fēng)輪常用結(jié)構(gòu)，輪轂形狀比較復(fù)雜，通常采用球磨鑄鐵制成，澆注方法容易成形與加工，球磨鑄鐵抗疲勞性能高。 54第54頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37

38、分，星期四 鉸鏈?zhǔn)箖扇~片之間固定連接，軸向相對(duì)位置不變，但可繞鉸鏈軸沿風(fēng)輪拍向在設(shè)計(jì)位置做正負(fù)510的擺動(dòng)，類似蹺蹺板。當(dāng)來(lái)流速度在葉輪掃風(fēng)面內(nèi)上下有差別或陣風(fēng)出現(xiàn)時(shí)，葉片的載荷使得葉片離開(kāi)設(shè)計(jì)位置，若位于上部的葉片向前，則下方的葉片向后。由于兩葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)力矩變化很大，因此葉輪會(huì)產(chǎn)生很高的噪聲。 葉片被懸掛的角度與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越低，角度越大。具有這種鉸鏈輪轂式的風(fēng)輪具有阻尼器的作用。當(dāng)來(lái)流速度變化時(shí)，葉片偏離原懸掛角度，其安裝角也發(fā)生變化，一片葉片因安裝角的變化升力下降，而另一片升力提高，因而產(chǎn)生反抗風(fēng)向變化的阻尼作用。 2葉片之間相對(duì)固定鉸鏈?zhǔn)捷嗇灒ㄔ缙趹?yīng)用） 55第55頁(yè)

39、，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四3.各葉片自由的鉸鏈?zhǔn)捷嗇?輪轂的每個(gè)葉片之間互不依賴，在外力作用下，可單獨(dú)做調(diào)整運(yùn)動(dòng)。這種調(diào)整不但可做成僅具有拍向椎角的形式，還可以做成拍向、揮向角度均可以變化的方式。 理論上講，采用這種鉸鏈結(jié)構(gòu)可保持恒速運(yùn)行。56第56頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 現(xiàn)代大型并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組多數(shù)采用變槳距機(jī)組，其主要特征是葉片可以相對(duì)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)槳距角的調(diào)節(jié)。主要作用：在正常運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，通過(guò)改變?nèi)~片槳距角，改變?nèi)~片的升力與阻力比，實(shí)現(xiàn)功率控制。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)切出風(fēng)速時(shí)，或者風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)故障狀態(tài)

40、時(shí)，迅速將槳距角從工作角度調(diào)整到順槳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。 變槳機(jī)構(gòu) 57第57頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 葉片的變槳距操作通過(guò)變槳距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。變槳距系統(tǒng)按照驅(qū)動(dòng)方式可以分為液壓變槳距系統(tǒng)和電動(dòng)變槳距系統(tǒng)，按照變槳距操作方式可以分為同步變槳距系統(tǒng)和獨(dú)立變槳距系統(tǒng)。同步變槳距系統(tǒng)中，風(fēng)輪各葉片的變槳距動(dòng)作同步進(jìn)行，而獨(dú)立變槳距系統(tǒng)中，每個(gè)葉片具有獨(dú)立的變槳距機(jī)構(gòu)，變槳距動(dòng)作獨(dú)立進(jìn)行。 變槳距機(jī)組的變槳角度范圍為0-90。正常工作時(shí)，葉片槳距角在0附近，進(jìn)行功率控制時(shí)，槳距角調(diào)節(jié)范圍約為0-25，調(diào)節(jié)速度一般為1/s左右。制動(dòng)過(guò)程，槳距角從0迅速調(diào)整到90左右，稱為

41、順槳位置，一般要求調(diào)節(jié)速度較高，可達(dá)15/s左右。機(jī)組起動(dòng)過(guò)程中，葉片槳距角從90快速調(diào)節(jié)到0 ，然后實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。 58第58頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 葉片變槳距系統(tǒng)主要由葉片與輪轂間的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變槳驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、備用供電機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成。變槳距系統(tǒng)的硬件安裝在輪轂內(nèi)部，圖為變槳機(jī)構(gòu)的基本構(gòu)成。由電動(dòng)機(jī)和減速器構(gòu)成驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，葉片變槳旋轉(zhuǎn)動(dòng)作通過(guò)內(nèi)嚙合齒輪副實(shí)現(xiàn)。 59第59頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 機(jī)艙 機(jī)艙內(nèi)，布置有剎車制動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（齒輪箱）、發(fā)電機(jī)、機(jī)座、調(diào)速器或限速器、調(diào)向裝置等重要設(shè)備。機(jī)艙通常

42、采用重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕的玻璃鋼制作。 60第60頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四61第61頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 機(jī)艙裝配時(shí)需要注意，從風(fēng)輪到負(fù)載各部件之間的聯(lián)軸器要精確對(duì)中。由于所有的力、力矩、振動(dòng)通過(guò)風(fēng)輪傳動(dòng)裝置作用在機(jī)艙結(jié)構(gòu)上，反過(guò)來(lái)機(jī)艙結(jié)構(gòu)的彈性變形又作為相應(yīng)的耦合增載施加在主軸、軸承、機(jī)殼上。為減少這些載荷，建議使用彈性聯(lián)軸器。 所有的聯(lián)軸器既要承受風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行時(shí)所傳遞的力矩，也要承受機(jī)械剎車的剎車力矩。為了避免聯(lián)軸器被損壞和失效，應(yīng)在設(shè)計(jì)中對(duì)聯(lián)軸器的載荷和失效進(jìn)行認(rèn)真研究。 62第62頁(yè)，共133頁(yè)，2022年

43、，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 傳動(dòng)系統(tǒng)用來(lái)連接風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)，將風(fēng)輪產(chǎn)生的機(jī)械轉(zhuǎn)矩傳遞給發(fā)電機(jī)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的變換。圖為一種目前風(fēng)電機(jī)組較多采用的帶齒輪箱風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。包括風(fēng)輪主軸（低速軸）、增速齒輪箱、高速軸（齒輪箱輸出軸）及機(jī)械剎車制動(dòng)裝置等部件。整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)安裝在主機(jī)架上。作用在風(fēng)輪上的各種氣動(dòng)載荷和重力載荷通過(guò)主機(jī)架及偏航系統(tǒng)傳遞給塔架。 風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng) 63第63頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四64第64頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 風(fēng)輪主軸一端連接風(fēng)輪輪轂，另一端連接增速齒輪箱的輸入軸，用滾動(dòng)

44、軸承支撐在主機(jī)架上。風(fēng)輪主軸的支撐結(jié)構(gòu)形式與增速齒輪箱的形式密切相關(guān)。按照支撐方式不同，主軸可以分為三種結(jié)構(gòu)形式。 風(fēng)輪主軸 主軸支撐結(jié)構(gòu)形式 65第65頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 獨(dú)立軸承支撐結(jié)構(gòu)。主軸由前后兩個(gè)獨(dú)立安裝在主機(jī)架上的軸承支撐，共同承受懸臂風(fēng)輪的重力載荷，軸向推力載荷由前軸承（靠近風(fēng)輪）承受，只有風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩通過(guò)主軸傳遞給齒輪箱。由于前軸承為主要承載部件，通常為減小懸臂風(fēng)輪重力產(chǎn)生的彎矩，前軸承支撐盡可能靠近輪轂，并通過(guò)增加前后軸承的間距調(diào)整軸承的載荷。因而此種主軸結(jié)構(gòu)相對(duì)較長(zhǎng)，制作成本較高。但由于齒輪箱與主軸相對(duì)獨(dú)立，便于采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪箱和主軸支撐

45、構(gòu)件。 66第66頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 主軸前軸承獨(dú)立安裝在機(jī)架上，后軸承與齒輪箱內(nèi)軸承做成一體，前軸承和齒輪箱兩側(cè)的扭轉(zhuǎn)臂形成對(duì)主軸的三點(diǎn)支撐，故也稱為三點(diǎn)支撐式主軸。這種主軸支撐結(jié)構(gòu)形式在現(xiàn)代大型風(fēng)電機(jī)組中較多采用，其優(yōu)點(diǎn)是，主軸支撐的結(jié)構(gòu)趨于緊湊，可以增加主軸前后支撐軸承的距離，有利于降低后支撐的載荷，齒輪箱在傳遞轉(zhuǎn)矩的同時(shí)承受葉片作用的彎矩。 67第67頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 主軸軸承與齒輪箱集成形式。主軸的前后支撐軸承與齒輪箱做成整體，其主要優(yōu)點(diǎn)是，風(fēng)輪通過(guò)輪轂法蘭直接與齒輪箱連接，可以減小風(fēng)輪的懸臂尺寸，

46、從而降低了主軸載荷。此外主軸裝配容易、軸承潤(rùn)滑合理。主要問(wèn)題是，難于直接選用標(biāo)準(zhǔn)齒輪箱，維修齒輪箱必須同時(shí)拆除主軸。 68第68頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 從齒輪箱維修角度看，主軸單獨(dú)支撐，既便于與齒輪箱分離，又能減輕齒輪箱的承載，大大降低維修費(fèi)用，較為合理。 制造主軸的材料一般選擇碳素合金鋼，毛坯通常采用鍛造工藝。由于合金鋼對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較高，軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注意減小應(yīng)力集中，并對(duì)表面質(zhì)量提出要求。各種熱處理、化學(xué)處理及表面強(qiáng)化處理，可顯著提高主軸的機(jī)械性能。 69第69頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 主要功能是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，

47、用以降低設(shè)備在傳動(dòng)過(guò)程中的機(jī)械載荷摩擦系數(shù)。主軸的前軸承需要承受風(fēng)輪產(chǎn)生的彎矩和推力，通常采用雙列滾動(dòng)軸承作為徑向與軸向支撐。 主軸軸承 70第70頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 相對(duì)于其他工業(yè)齒輪箱，風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計(jì)條件比較苛刻，同時(shí)也是機(jī)組的主要故障源之一。傳動(dòng)條件 風(fēng)電齒輪箱屬于大傳動(dòng)比、大功率的增速傳動(dòng)裝置，且需要承受多變的風(fēng)載荷作用及其他沖擊載荷；由于維護(hù)不便，對(duì)其運(yùn)行可靠性和使用壽命的要求較高，通常要求設(shè)計(jì)壽命不少于20年；設(shè)計(jì)過(guò)程往往難以確定準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)載荷，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與載荷譜的匹配問(wèn)題也是導(dǎo)致其故障的重要誘因。運(yùn)行條件與環(huán)境 風(fēng)電齒輪箱常年運(yùn)行于酷暑

48、、嚴(yán)寒等極端自然環(huán)境條件，且安裝在高空，維修困難。因此，除常規(guī)狀態(tài)機(jī)械性能外，對(duì)構(gòu)件材料還要求低溫狀態(tài)下抗冷脆性等特性。由于風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期處于自動(dòng)控制的運(yùn)行狀態(tài)，需考慮對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置的充分潤(rùn)滑條件及其監(jiān)測(cè)，并具備適宜的加熱與冷卻措施，以保證潤(rùn)滑系統(tǒng)的正常工作。 特點(diǎn) 增速齒輪箱 71第71頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四設(shè)計(jì)與安裝條件 齒輪箱的體積和重量對(duì)風(fēng)電機(jī)組其他部件的載荷、成本具有影響，減小其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和減輕重量顯得尤為重要。但結(jié)構(gòu)尺寸與可靠性方面的矛盾，往往使風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)陷入兩難境地。 其他 一般需要在齒輪箱的輸入端（或輸出端）設(shè)置機(jī)械制動(dòng)裝置，配合風(fēng)輪的氣動(dòng)

49、制動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的制動(dòng)功能。但制動(dòng)產(chǎn)生的載荷對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生不良影響，應(yīng)考慮防止沖擊和振動(dòng)措施，設(shè)置合理的傳動(dòng)軸系和齒輪箱體支撐。其中，齒輪箱與主機(jī)架間一般不采用剛性連接，以降低齒輪箱產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲。72第72頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 風(fēng)電齒輪箱的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)很明確，即在滿足傳動(dòng)效率、可靠性和工作壽命要求的前提下，以最小體積和重量為目標(biāo)，獲得優(yōu)化的傳動(dòng)方案。齒輪箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，應(yīng)以傳遞功率和空間限制為前提，盡量選擇簡(jiǎn)單、可靠、維修方便的結(jié)構(gòu)方案。 73第73頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 齒輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)比恒定、結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞

50、功率大、傳動(dòng)效率高、零部件使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是制造和安裝的成本高、吸振性差等。 齒輪傳動(dòng)概述 通過(guò)主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪的嚙合，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩的傳遞。主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速比稱為齒輪的傳動(dòng)比，取決于從動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪的節(jié)圓半徑之比，或從動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪的齒數(shù)比，即 n、r、z分別表示轉(zhuǎn)速、齒輪節(jié)圓半徑和齒數(shù)，下標(biāo)1、2分別表示主、從動(dòng)齒輪。 74第74頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 齒輪傳動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)矩與輸入軸轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為 對(duì)于增速齒輪，n2n1，則有M2M1。即齒輪箱實(shí)現(xiàn)增速的同時(shí)，也降低了輸出轉(zhuǎn)矩。對(duì)于風(fēng)電機(jī)組而言，傳動(dòng)系統(tǒng)中帶增速齒輪箱，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩下

51、降，增速比越大，轉(zhuǎn)矩降低越多，這樣發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑可以減小，此外將機(jī)械制動(dòng)盤(pán)安裝在齒輪箱輸出軸上，制動(dòng)力矩也比較小。 75第75頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 由于受結(jié)構(gòu)和加工條件限制，單級(jí)齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比不能太大，而每個(gè)齒輪的齒數(shù)也不能太少。因此，在需要大傳動(dòng)比的場(chǎng)合，采用多級(jí)齒輪構(gòu)成的輪系實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，輪系傳動(dòng)分為定軸輪系傳動(dòng)和周轉(zhuǎn)輪系傳動(dòng)。 定軸輪系中，所有齒輪的軸線位置不變，如果各軸線相互平行，則稱為平面定軸輪系，或平行軸輪系。圖為三級(jí)平行軸齒輪傳動(dòng)實(shí)例。 76第76頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 周轉(zhuǎn)輪系中，至少有一個(gè)齒輪的軸線可

52、以繞其他齒輪軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。其中只有一個(gè)齒輪軸可以繞其他齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)的輪系稱為行星輪系。 圖為一種行星輪系的基本結(jié)構(gòu)示意圖，其中軸線可動(dòng)的齒輪稱為行星輪，位于中間的齒輪稱為太陽(yáng)輪，行星輪與太陽(yáng)輪及外部的內(nèi)齒圈嚙合，太陽(yáng)輪和內(nèi)齒圈的軸線不變，其中內(nèi)齒圈固定不動(dòng)，行星輪即繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)其軸線還繞太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。行星輪系具有結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比高等優(yōu)點(diǎn)，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和維護(hù)困難。77第77頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四圖為一種用于風(fēng)電機(jī)組齒輪箱第一級(jí)傳動(dòng)的行星輪系結(jié)構(gòu)。 在實(shí)際應(yīng)用中，往往同時(shí)應(yīng)用定軸輪系和行星輪系，構(gòu)成組合輪系。這樣可以在獲得較高傳動(dòng)比的同時(shí)，使齒輪箱結(jié)構(gòu)

53、比較緊湊。在風(fēng)電機(jī)組增速齒輪箱中，多數(shù)采用行星輪系和定軸輪系結(jié)合的組合輪系結(jié)構(gòu)。 78第78頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)中的主要部件，需要承受來(lái)自風(fēng)輪的載荷，同時(shí)要承受齒輪傳動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的各種載荷。需要根據(jù)機(jī)組總體布局設(shè)計(jì)要求，為風(fēng)輪主軸、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)中的其他構(gòu)件提供可靠的支撐與連接，同時(shí)將載荷平穩(wěn)傳遞到主機(jī)架。 風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的構(gòu)成及形式 結(jié)構(gòu)形式 由于要求的增速比往往很大，風(fēng)電齒輪箱通常需要多級(jí)齒輪傳動(dòng)。大型風(fēng)電機(jī)組的增速齒輪箱的典型設(shè)計(jì)，多采用行星齒輪與定軸齒輪組成混合輪系的傳動(dòng)方案。79第79頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，

54、5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 圖為一種一級(jí)行星+兩級(jí)定軸齒輪傳動(dòng)的齒輪箱結(jié)構(gòu)，低速軸為行星齒輪傳動(dòng)，可使功率分流，同時(shí)合理應(yīng)用了內(nèi)嚙合。后兩級(jí)為平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)，可合理分配傳動(dòng)比，提高傳動(dòng)效率。 80第80頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 有些齒輪箱采用多級(jí)行星輪系的傳動(dòng)形式，如圖三級(jí)行星輪加一級(jí)平行軸齒輪的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。多級(jí)行星輪結(jié)構(gòu)殼可以獲得更加緊湊的結(jié)構(gòu)，但也使齒輪箱的設(shè)計(jì)、制造與維護(hù)難度和成本大大增加。因此，齒輪箱的設(shè)計(jì)和選型過(guò)程，應(yīng)綜合考慮設(shè)計(jì)要求、齒輪箱總體結(jié)構(gòu)、制造能力，以及與機(jī)組總體成本平衡等因素間的關(guān)系，盡可能選擇相對(duì)合理的傳動(dòng)形式。 81第81

55、頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 由子傳動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境和載荷情況復(fù)雜，要求所設(shè)計(jì)采用的材料除滿足常規(guī)機(jī)械性能條件外，還應(yīng)具有極端溫差條件下的材料特性，如抗低溫冷脆性、極端溫差影響下的尺寸穩(wěn)定性等。 齒輪、軸類構(gòu)件材料一般采用低碳合金鋼，毛坯的制備多采用鍛造工藝獲得，以保證良好的材料組織纖維和力學(xué)特征。 外嚙合齒輪推薦采用20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiM06、17Cr2Ni2MoA等材料；內(nèi)嚙合的齒圈和軸類零件推薦采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料。 齒輪材料 82第82頁(yè)，共133頁(yè)，2022

56、年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四箱體要承受風(fēng)輪的作用力和齒輪傳動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的各種載荷，必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證傳動(dòng)的質(zhì)量。箱體的設(shè)計(jì)一般應(yīng)依據(jù)主傳動(dòng)鏈的布局需要，并考慮加工、裝配和安裝條件，同時(shí)要便于檢修和維護(hù)。批量生產(chǎn)的箱體一般采用鑄造成型，常用材料有球墨鑄鐵或其他高強(qiáng)度鑄鐵。用鋁合金或其他輕合金制造的箱體，可使其重量較鑄鐵降低20%-30%。但當(dāng)輕合金鑄件材料的強(qiáng)度性能指標(biāo)較低時(shí)，需要增加鑄造箱體的結(jié)構(gòu)尺寸，可能使其降低重量的效果并不顯著。單件小批量生產(chǎn)時(shí)，常采用焊接箱體結(jié)構(gòu)。為保證箱體的質(zhì)量，鑄造或焊接結(jié)構(gòu)的箱體均需在加工過(guò)程安排必要的去應(yīng)力熱處理環(huán)節(jié)。齒輪箱的箱體結(jié)構(gòu) 83第

57、83頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四齒輪箱在機(jī)架上的安裝一般需考慮彈性減振裝置，最簡(jiǎn)單的彈性減振器是用高強(qiáng)度橡膠和鋼結(jié)構(gòu)制成的彈性支座塊。在箱體上應(yīng)設(shè)有觀察窗，以便于裝配和傳動(dòng)情況的檢查。箱蓋上還應(yīng)設(shè)有透氣罩、油標(biāo)或油位指示器。采用強(qiáng)制潤(rùn)滑和冷卻的齒輪箱，在箱體的合適部位需設(shè)置進(jìn)出油口和相關(guān)的液壓元件的安裝位置。84第84頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 齒輪傳動(dòng)的效率一般比較高，與傳動(dòng)比、齒輪類型及潤(rùn)滑油粘度等因素有關(guān)。 對(duì)于定軸傳動(dòng)齒輪，每級(jí)約有2%的損失，而行星輪每級(jí)約有1%的損失。在很多情況下，造成齒輪箱傳動(dòng)功率損失的主要原因，是

58、齒側(cè)的摩擦和潤(rùn)滑過(guò)程中以熱或噪聲形式的能量消耗，因此，有效的散熱可以提高風(fēng)電齒輪箱的傳動(dòng)效率。 采用緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)型齒輪箱需要考慮的主要問(wèn)題，除了表面冷卻裝置外，一般還應(yīng)該配備相應(yīng)的潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)。除此之外，齒輪箱的傳動(dòng)效率還與額定功率以及實(shí)際傳遞功率有關(guān)。機(jī)組傳動(dòng)載荷較小時(shí)，效率會(huì)有明顯的下降，其原因是此種條件下的潤(rùn)滑、摩擦等空載損失的比重相對(duì)增大，會(huì)使傳動(dòng)效率相應(yīng)地下降。 傳動(dòng)效率與噪聲 85第85頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)齒輪箱的傳動(dòng)噪聲也有相應(yīng)要求，而噪聲與齒輪箱傳動(dòng)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量密切相關(guān)。齒輪箱設(shè)計(jì)通常應(yīng)提供傳動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)別，根據(jù)DI

59、N(德國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)化主管機(jī)關(guān))標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試條件，1m距離測(cè)得的聲壓值，通常希望控制在表所示的范圍內(nèi)。 86第86頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 齒輪在運(yùn)行過(guò)程中，齒面承受交變壓應(yīng)力、交變摩擦力以及沖擊載荷的作用，將會(huì)產(chǎn)各種類型的損傷，導(dǎo)致運(yùn)行故障甚至失效。齒輪失效的主要形式包括斷齒、齒面變形等。根據(jù)制造、安裝、操作、維護(hù)、潤(rùn)滑、承載大小等方面的條件不同，故障發(fā)生的時(shí)間程度有很大差異。 齒輪箱及軸承故障 87第87頁(yè)，共133頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)37分，星期四 齒輪嚙合過(guò)程中，齒面和齒根部均受周期交變作用，在材料內(nèi)部形成交變應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料疲勞極限時(shí)，將

60、在表面產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞損傷。這類損傷通常由小到大，由某個(gè)（幾個(gè)）輪齒局部到整個(gè)齒面逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致齒輪失效，失效過(guò)程通常會(huì)持續(xù)一定的時(shí)間。疲勞失效主要表現(xiàn)為齒根斷裂和齒面點(diǎn)蝕。 疲勞斷齒：齒根主要承受交變彎曲應(yīng)力，產(chǎn)生彎曲疲勞裂紋并不斷擴(kuò)展，最終使齒根剩余部分無(wú)法承受外載荷，造成斷齒。 點(diǎn)蝕：齒面在接觸點(diǎn)既有相對(duì)滾動(dòng)，又有相對(duì)滑動(dòng)。滾動(dòng)過(guò)程由于表面產(chǎn)生交變接觸壓應(yīng)力，和交變脈動(dòng)剪應(yīng)力，使齒面產(chǎn)生疲勞裂紋，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，將造成局部齒面金屬剝落，形成小坑，稱為“點(diǎn)蝕”故障。隨著齒輪工作時(shí)間加長(zhǎng)，點(diǎn)蝕故障逐漸擴(kuò)大，各點(diǎn)蝕部位連成一片，將導(dǎo)致齒面整片金屬剝落，齒厚