主传动链布局优化方案

主传动链是指风力发电机组中风轮至发电机的动力传输系统。主传动链的总体布局需要结合风电机组发电系统的设计，并考虑对风电机组成本构成和性能等方面的影响。

（1）总体布局。虽然水平轴风电机组的风轮需要安装在塔架上，但这并不意味着主传动链和发电机等部件都必须安装在塔架上。因此，研究主传动链、发电机等部件与风电机组总体布局的关系，合理平衡相关的性能、载荷和成本等方面的因素，对风电机组的装配和塔架等部件的设计具有一定的意义。

图4-60　主传动链总体布局

图4-60所示为风力机发展到现在的一些主传动链总体布局方案。基于风电装备设计方法研究的现状，同时考虑到风轮与发电机系统的设计和制造能力，美国国家可再生能源实验室（NREL）将目前主传动链布局型式大致划分为高速比增速传动链、直接由风力驱动发电机和采用低速比增速的传动链等几种。

（2）基本布局型式。传动链基本布局型式如图4-61所示，型式特征为主传动链与发电机等部件呈一字线形布置在机舱内；通过风轮主轴驱动大传动比的增速齿轮箱，将风轮产生的扭矩传递给发电机。迄今为止，多数水平轴风电机组采用了此种布局型式。其原因是其传动路径短，较容易实现关键部件的标准设计，如发电机、齿轮箱等，以便能够由基础工业部门提供这些部件，促进风电机组制造产业链的形成，进而降低整机的成本，同时，也可为日后风电机组的运行和维护提供便利。

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图4-61　一种传动链基本布局型式

主传动链的基本布局型式具有的特点：①有利于降低对风电机组发电机系统的设计要求，较易控制风电机组的总体成本；②允许风轮变速范围较宽，可以在发电机同步转速的30%范围内运行；③容易实现风电机组部件的标准化设计，设计风险较低；④目前尚无关键的技术障碍，有利于风电机组大型化的发展趋势。

（3）风轮直接驱动发电机的布局。经过多年发展，风轮直接驱动发电机被采用，如图4-62所示，该布局设计的风电机组逐渐增多，现在已经成为与基本布局主传动链并联的另一种典型设计型式。

图4-62所示为一种直接驱动式风电机组的概念设计，其基本结构由轮毂、发电机、机舱等构成。其技术特征一般采用永磁发电系统，作为关键部件的发电机由风轮直接驱动且允许较低速运行。此种无齿轮箱的主传动链布局具有的特点：①传动系统结构简单，有利于降低风电机组故障率；②允许风轮在较大范围变速运行，有利于提高风能利用率；③目前所需的多级低速永磁同步发电机体积和重量大，发电机的设计制造、运输和运行可靠性等问题有待解决；④发电机系统部件尚难以形成标准，且需要采用全功率逆变装置，成本较高；⑤采用低速比齿轮增速的混合驱动布局。

还有一种布局型式，其基本概念是通过低速比传动的齿轮箱增速，从而部分提高发电机的输入转速。此种概念的主要特点是结合了直驱式与高传动比机组的优点，与直驱式布局相比，可以有效减少发电机的重量、体积和设计难度。

图4-62　一种直接驱动式风电机组的概念设计