风力发电机组：风力机结构解析

风力发电机的样式虽然很多，但其原理基本相同，结构主要由叶片、轮毂、主轴、控制器、齿轮箱、刹车装置、发电机、冷却系统、风速仪、风向标、偏航系统等组成。如水平轴风力机的结构和组成示意图如图2-1所示。

图2-1　水平轴风力机的结构和组成示意图

1—桨叶；2—轮毂；3—主轴；4—控制器；5—齿轮箱；6—刹车装置；7—发电机；8—冷却系统；9—风速仪；10—风向标；11—偏航系统

1.叶片

捕获风能并将风力传送到转子轴心。叶片的翼型设计、结构形式，直接影响机组的性能和功率。叶片材料的强度和刚度是决定风力发电机性能优劣的关键。目前的叶片品种有：木制叶片及布蒙皮叶片、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金等弦长挤压成型叶片、玻璃钢复合叶片和碳纤维复合叶片等5种，叶片外形如图2-2所示。

在风机叶片的生产中，新型玻璃钢材料因为其质量轻、比强度高、可设计性强、价格比较便宜等因素，开始成为大中型风机叶片生产的首选。然而，随着风机叶片朝着超大型化和轻量化的方向发展，玻璃钢复合材料逐渐达到了其使用性能的极限，碳纤维复合材料逐渐应用到超大型风机叶片中。

图2-2　叶片外形图

2.轮毂

风力机叶片都要装在轮毂上。轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力，都通过轮毂传递到传动系统，再传到风力机驱动的对象。同时，轮毂也是控制叶片桨距（使叶片作俯仰转动）的主要部件，在设计中应保证足够的强度。轮毂的外形如图2-3所示。

图2-3　轮毂外形图

3.塔架

风电机塔载有机舱及转子。通常塔架越高越有优势，因为离地面越高，风速越大。塔架可以是管状的，也可以是格子状。管状的塔架对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。在塔筒的内部有带攀爬保护装置的爬梯、休息平台及电缆管夹等附件。塔筒各段之间、塔筒与基础之间以及塔筒与机舱之间通过预紧螺栓连接。在每个连接法兰下方设有休息平台。格状塔架的优点在于它比较便宜。管式塔架结构如图2-4所示。

风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系，塔架对小型风力机作用尚不明显，对大、中型风力机的影响不容忽视。

4.机舱

机舱主要放置着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机等。维护人员可以通过风机塔架进入机舱。

5.主轴

前端法兰与轮毂相连接，承担着支撑轮毂处传递过来的负载的作用，并将扭矩传递给增速齿轮箱，将轴向推力、气动弯矩传递给机舱、塔架。在主轴中心有一个轴心通孔，作为控制机构通过或电缆传输的通道。主轴、轴承、轴承座外形如图2-5所示。

图2-4　管式塔架结构示意图

1—爬梯；2—法兰；3—电缆；4—平台；5—地面控制设备

图2-5　主轴、轴承、轴承座外形图

6.齿轮箱

风机转子旋转产生的能量，通过主轴、齿轮箱及高速轴传送到发电机。齿轮箱是一个重要的机械部件，它的主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其达到相应的转速。通常，风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。齿轮箱外形如图2-6所示。

图2-6　齿轮箱外形图

根据机组的总体布置要求，齿轮箱的结构可以将与风轮轮毂直接相连的主轴与齿轮箱合为一体，也可以将主轴与齿轮箱分别布置，其间利用胀紧套装置或联轴节连接。为了增加机组的制动能力，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动（定桨距风轮）或变桨距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。同型式的风力发电机组也有不同的要求，齿轮箱的布置型式以及结构也因此而异。在风力发电领域中水平轴风力发电机组用固定平行轴齿轮传动和行星齿轮传动最为常见。风电机组齿轮箱内部结构如图2-7所示。

7.风速仪和风向标

图2-7　风电机组齿轮箱内部结构图

风速仪和风向标用于测量风速及风向。风力发电机组很多控制算法都要依靠风速和风向这两个输入量，风速测量仪器主要有风杯风速计、螺旋桨式风速计、热线风速计和声学风速表等，风杯风速计较常见。风杯风速计最早由英国鲁宾孙发明，当时是四杯，后来改用三杯。三个互成120°固定在架上的抛物形或半球形的空杯都顺一面，整个架子连同风杯装在一个可以自由转动的轴上。在风力的作用下风杯绕轴旋转，其转速正比于风速。转速可以用电触点、测速发电机或光电计数器等记录。风杯风速计外形如图2-8所示。(www.xing528.com)

风向标是各种测风仪器中用以指示风向的最主要的部件。分为头部、水平杆和尾翼等三部分。在风力的作用下，风向标绕铅直轴旋转，使风尾摆向下风方向，头部指向风的来向，外形如图2-9所示。

2-8　风杯风速仪外形图

图2-9　风向标外形图

8.发电机

通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风机上，最大电力输出通常为500～3000kW或者更大（海上风力发电机电力输出功率已达到5000kW）。

9.偏航装置

借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航系统如图2-10所示，偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感知风向。

图2-10　偏航系统示意图

10.控制器

包含一台不断监控风机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风机操作员。

11.液压系统

液压系统是以有压液体为介质，实现动力传输和运动控制的机械单元。液压系统在风力发电机组中的应用有：①变桨距控制；②偏航驱动与制动；③定桨距空气动力制动；④机械制动、风轮锁定；⑤开关机舱和驱动起重机；⑥齿轮箱油液冷却和过滤，发电机、变压器冷却；⑦变流器油液温度控制。

12.冷却系统

发电机在运转时需要冷却。一般有空冷和水冷两种冷却方式。空冷采用风扇进行。水冷发电机更加小巧，而且发电效率高，但这种方式需要在机舱内设置散热器，来消除液体冷却系统产生的热量。

13.机舱罩

为保护风机设备不受外部环境影响，减少噪声排放，机舱与轮毂均采用罩体密封。罩体材料是由聚酯树脂、胶衣、面层、玻璃纤维织物等材料复合而成的。罩体包括机舱罩和轮毂罩，机舱罩是由左下部机舱罩、右下部机舱罩、左机舱罩、右机舱罩、上部机舱罩、上背板、下背板七大主要部分通过螺栓联结组合而成的壳体。机舱罩设有紧急逃生孔，紧急情况下人员可以通过逃生孔从机舱外部逃离。机舱罩内壁分布着接地电缆，作为防雷击系统的一部分。轮毂罩是由轮毂罩体、导流帽、分割壁通过螺栓联结组合而成的壳体。

14.主机架

主机架为焊接件，是机舱中的承载部件，用于固定齿轮箱、发电机等零部件。主机架结构如图2-11所示。

图2-11　主机架结构图

1—壳体吊挂；2—梯子；3—增速机机架；4，11—机架悬臂；5，10—U型板；6—踏板；7—机舱梯子；8—背壁板；9—电缆管夹；12—电缆支架；13—水冷支架；14—弹性支架；15—控制柜支架；16—发电机底座；17—联轴器罩子；18—提升吊耳

15.联轴器

作为一个柔性轴，它补偿齿轮箱输出轴和发电机转子的平行性偏差和角度误差。为了减小传动系统的振动，联轴器需要有较好的阻尼减振特性。联轴器外形及拆分如图2-12、图2-13所示。

图2-12　联轴器外形图

图2-13　联轴器拆分图

不同厂家、不同容量、不同类型的风电机组组成部分会略有不同，1.5MW双馈式变速恒频风电机组的组成如图2-14所示。

图2-14　1.5 MW双馈式变速恒频风电机组的组成框图