风力发电原理――2012第三章

第三章风力发电机组结构2内容1.主要机组类型2.基本性能和主要参数3.机组的基本结构31.主要机组类型1）根据风轮与塔架的相对位置，可分为上风向和下风向机组41.主要机组类型2）根据功率调节方式，可分为失速机组和变桨机组失速机组主要利用叶片的气动失速特性，即当入流风速超过一定值时，在叶片后端将形成湍流状态，使升力系数下降，而阻力系数增加，从而限制了机组功率的进一步增加。变桨距机组的叶片和轮毂不是固定连接，叶片桨距角可调。在超过额定风速范围时，通过增大叶片桨距角，使攻角减小，以改变叶片升力FL与阻力FD的比例，达到限制风轮功率的目的，使机组能够在额定功率附近输出电能。51.主要机组类型a)带增速齿轮箱风电机组b)直驱风电机组3）根据主轴传动方式，可分为带齿轮箱机组和直驱机组61.主要机组类型a)陆上风机b)海上风机4）根据安装地理位置，可分为陆上机组和海上机组7海上风机特殊性1）海上风电场一般处于深度小于30米的中浅深海域，海面平坦无障碍物，风况条件优于陆地。但是风场与海浪、潮汐具有较强的耦合作用，使得海上风电机组运行在随机海浪干扰下载荷条件比较复杂。2）海上风场遭遇极端气象条件的可能性大，强阵风、台风和巨浪等极端恶劣天气条件都会造成严重破坏，对于机组安全可靠性要求更高。8海上风机特殊性3）海上机组的基础比陆地机组复杂，必须根据海域的情况，选择不同的基础形式。中浅海域常用的基础结构形式包括重力基础、单桩基础、吸力式桶形基础、三足（四足）桩基础或三足（四足）吸力式桶形基础，而当水深大于50米时，多则选择悬浮式基础。用于基础的建设费用占据较大比例。（a）重力式结构（b）筒式结构（c）桩基固定式（单立柱、单立柱三桩、四腿导管架）9海上风机特殊性4）海上风电机安装、运行、操作和维护等方面都比陆地风场困难。10我国海上风机发展趋势——滩涂风电场目前，我国已建或在建的滩涂风电场主要集中在潮上带及围垦区。潮间带由于淤泥地质，风电设备运输安装都是难题。但是相比于近海风电，业内专家认为潮间带风电场还具有一定成本优势。国内首个海上潮间带风力发电项目——龙源江苏如东海上潮间带试验风场于09年10月并网发电成功，首批两台1.5兆瓦风力发电机组正式并网运行。112.基本性能和主要参数1）功率曲线（切入、额定、切出风速）2）风轮直径和轮毂高度3）叶片数4）风轮转速、叶尖速比5）风轮锥角和风轮仰角12表3-1某型号1.5MW机组的主要技术规格额定功率/kW1500转子直径/m77塔架高度/m65切入风速/m/s3额定风速/m/s12切出风速/m/s20转子上风向、顺时针转动叶片数3偏角/°4标准转速/rpm20齿轮箱结构形式一级行星轮＋两级平行轴斜齿圆柱齿轮变桨控制方式独立电动变桨控制制动刹车方式独立叶片变桨控制+盘刹车偏航控制系统四个电动齿轮电机发电机类型感应式带滑环发电机发电机极对数4额定功率/kW1500功率因数cos0.9-1-0.9电网连接通过变流器塔架锥形钢筒塔架132.基本性能和主要参数1）功率曲线（切入、额定、切出风速）变速风力发电机组的功率曲线142.基本性能和主要参数2）风轮直径和轮毂高度风电机组功率和直径的发展152.基本性能和主要参数3）叶片数带有单叶片风轮、双叶片风轮和三叶片风轮的三种水平轴风电机组形式163）叶片数（续）采用不同的叶片数，对风电机组的气动性能和结构设计都将产生不同的影响。风轮的风能转换效率取决于风轮的功率系数。不同叶片数的风轮的功率系数随叶尖速比的变化曲线在相同风速条件下，叶片数越少，风轮最佳转速越高.多叶片风轮由于功率系数很低.173）叶片数（续）因此用于衡量风轮转矩性能的另一个重要参数是转矩系数，它定义为功率系数除以叶尖速比。不同叶片数风轮的转矩系数曲线叶片数越多，最大转矩系数值也越大，对应的叶尖速比也越小，表明启动转矩越大182.基本性能和主要参数4）叶尖速比叶尖速比λ描述风电机组风轮特性的一个重要的无量刚量，定义为风轮叶片尖端线速度与风速之比，即RV192.基本性能和主要参数5）风轮锥角和风轮仰角风轮锥角是叶片与风轮主轴相垂直的旋转平面的夹角，风轮仰角是风轮主轴与水平面的夹角。20风电机组设计级别国际电工委员会在其颁布的风电机组相关设计标准中（IEC64000-1），根据风速和湍流状态参数将水平轴风电机组分成三个标准级别和一个特殊级别。21风电机组设计级别223.机组的基本结构1）总体结构2）叶片3）轮毂4）轴系5）发电机6）机舱7）偏航8）塔架与基础231）总体结构大型水平轴风电机组主要由风轮、机舱、塔架和基础组成。风电机组基本结构241）总体结构（续）双馈风电机组内部结构252）叶片风电机组叶片应满足以下要求：1）良好的空气动力外形，能够充分利用风电场的风资源条件，获得尽可能多的风能；2）可靠的结构强度，具备足够的承受极限载荷和疲劳载荷能力；合理的叶片刚度，叶尖变形位移，避免叶片与塔架碰撞；3）良好的结构动力学特性和气动稳定性，避免发生共振和颤振现象，振动和噪声小；4）耐腐蚀、防雷击性能好，方便维护；5）在满足上述目标的前提下，优化设计结构，尽可能减轻叶片重量、降低制造成本。262）叶片—几何形状及翼型a)风电机组叶片（E112型）长度与A340型客机比较b)叶片几何参数c)叶片翼型沿展向变化272）叶片—几何结构叶片剖面多采用蒙皮与主梁构造形式，中间有硬质泡沫夹层作为增强材料。叶片主梁材料一般需采用单向程度较高的玻纤织物，叶片蒙皮主要由胶衣、表面毡和双向复合材料铺层构成。叶片主梁叶片铺层282）叶片—加工制造叶片上下两半部分分别在固定形状的模具中完成铺层，然后在前后缘粘合在一起，形成整体叶片。叶片制造293031322）叶片—叶尖气动制动机构对于失速机组，叶片端部（叶尖）采用制动，超速保护。33342）叶片—叶根与轮毂连接形式a)法兰连接b)预埋金属根端连接叶片根端必须具有足够的剪切强度、挤压强度，与金属的连接强度也要足够高，这些强度均低于其拉弯强度。常用方式有法兰连接与预埋金属根端连接。352）叶片—叶片故障a）叶片表面覆冰b)表面腐蚀c)裂纹d)极端风破坏叶片故障统计362）叶片—叶片防雷闪电可以产生超过亿伏的平均电压，百万安培的平均电流。风电机组通常树立在比较空旷的地域，容易遭受雷击，叶片上必须安装防雷击装置。在叶尖部位安装一个金属（铝或铜）接受块，然后通过叶片内部金属导线连接到叶根部的柔性金属板上，经过塔架内的接地系统，将雷击电流接地。叶片防雷装置示意图372）叶片—叶片除冰系统a)电加热除冰系统概念b)热空气除冰系统概念针对一些地区容易造成叶片覆冰的环境条件，一些叶片制造企业也考虑了多种解决覆冰问题的方案，例如叶片表面采用特殊的防冰涂层、叶片中安装覆冰报警及除冰系统等。38a)运行状态下的轮毂b)风轮吊装轮毂用于连接叶片和主轴，承受来自叶片的载荷并将其传递到主轴上。对于变桨距风电机组，轮毂内的空腔部分还用于安装变桨距调节机构。3）轮毂393）轮毂—形状a)三角形轮毂b)三通式轮毂三角形轮毂，内部空腔小，体积小，制造成本低，适用于定桨距机组；三通式轮毂，主要用于变桨距机组，其形状如球形，内部空腔大，可以安装变桨距调节机构，承载能力大。403）轮毂—变桨机构现代大型并网风电机组多数采用变桨距机组，其主要特征是叶片可以相对轮毂转动，实现桨距角的调节。其主要作用有以下两点：1）在正常运行状态下，当风速超过额定风速时，通过改变叶片桨距角，改变叶片的升力与阻力比，实现功率控制。2）当风速超过切出风速时，或者风电机组在运行过程出现故障状态时，迅速将桨距角从工作角度调整到顺桨状态，实现紧急制动。413）轮毂—变桨机构变桨机构结构424）轴系轴系用来连接风轮与发电机，将风轮产生的机械转矩传递给发电机，同时实现转速的变换。带增速齿轮箱的风电机组传动系统示意图434）轴系—主轴主轴一端连接风轮轮毂，另一端连接增速齿轮箱的输入轴，用滚动轴承支撑在主机架上。风轮主轴的支撑结构形式与增速齿轮箱的形式密切相关。按照支撑方式不同，主轴可以分为三种结构形式，适用于不同机组。风轮主轴支撑形式444）轴系—齿轮箱a)齿轮箱于风轮侧外观视图b)于发电机侧外观视图风电齿轮箱的设计条件比较苛刻，同时也是机组的主要故障源之一，其基本设计特点表现在：1.传动比大，传递功率大2.运行条件恶劣c)多级行星轮系风电机组齿轮箱454）轴系—齿轮箱故障齿轮在运行过程中，齿面承受交变压应力、交变摩擦力以及冲击载荷的作用，将会产生各种类型的损伤，导致运行故障甚至失效。齿轮典型故障464）轴系—连接与制动为实现机组传动链部件间的扭矩传递，齿轮箱高速轴与发电机轴采用柔性联轴器，以弥补机组运行过程轴系的安装误差。机械刹车机构一般采用盘式结构，制动盘安装在齿轮箱输出轴与发电机轴的弹性联轴器前端。制动刹车时，液压制动器抱紧制动盘，通过摩擦力实现刹车动作。某机组的联轴器475）发电机大型风电机组一般采用双馈异步电机和永磁同步电机作为发电机。双馈风电机组永磁直驱风电机组48机舱装配现场6）机舱为了保护传动系统、发电机以及控制装置等部件，将它们用轻质外罩封闭起来，称为机舱。机舱通常采用重量轻、强度高、耐腐蚀的玻璃钢制作。497）偏航系统偏航系统主要用于调整风轮的对风方向。大型风电机组主要采用电动机驱动的偏航系统。该系统的风向感受信号来自装在机舱上面的风向标。通过控制系统实现风轮方向的调整。偏航系统结构示意图1主机架，2偏航驱动，3运输支架508）塔架与基础塔架是机组的支撑部件，承受机组重量、风载荷及各种动载荷，并将这些载荷传递到基础。塔架结构形式主要有钢筋混凝土结构、桁架结构和钢筒结构三种。a)钢筋混凝土结构塔架b)钢筒塔架和桁架塔架518）塔架与基础—塔筒加工塔筒通常采用宽度为2米、厚度为10至40毫米的钢板，经过卷板机卷成筒状，然后焊接而成。塔同加工528）塔架与基础—塔筒安装每段塔筒两端焊有连接法兰，在现场安装时，用螺栓将各节塔筒连成一体，形成最终的整体塔筒。a塔筒法兰连接b现场吊装c塔筒内部538）塔架与基础—基础基础主要提供塔筒底部的连接和固定，塔架基础应使机组在所有可能出现的载荷条件下保持稳定状态，不能出现倾倒、失稳或其它问题。塔架基础均为现浇钢筋混凝土独立基础，根据风电场场址工程地质条件和地基承载力以及基础荷载、结构等条件有较多设计形式。从结构的形式看，常见的有板状、桩式和桁架式等基础。548）塔架与基础—桩基础板状基础结构适用于岩床距离地表面比较近的场合。板式基础四种形式558）塔架与基础—板状基础当地表条件较差时，采用桩基础比板层基础可以更有效地利用材料。几种桩基础的设计形式568）塔架与基础—基础尺寸基础的结构尺寸取决于机组容量的大小。影响因素首先是极端风速条件下的载荷，另外机组运行状态下的最大载荷。影响基础的载荷主要是叶片产生的推力。下图给出一个风电机组基础尺寸实例。