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湘潭大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文
題 目：風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪增速器設(shè)計
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動
學(xué) 號：2010962910
姓 名：
指導(dǎo)教師：
完成日期：2014年5月26日
目錄
1. 緒論 3
1.1 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況 3
1.2 風(fēng)力發(fā)電的背景 4
1.2.1 能源危機(jī) 4
1.2.2 環(huán)境危機(jī) 4
1.2.3 可再生能源開發(fā)利用 5
1.2.4 風(fēng)能開發(fā)利用 5
1.3 風(fēng)力發(fā)電國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 6
1.3.1 國外風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀 6
1.3.2 國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀 7
1.4 國內(nèi)外風(fēng)電機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢 7
1.4.1 產(chǎn)業(yè)集中是總的趁勢 8
1.4.2 水平軸風(fēng)電機(jī)組技術(shù)成為主流 8
1.4.3 風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量持續(xù)增大 8
2. 發(fā)電機(jī)的工作原理及基本結(jié)構(gòu) 9
2.1 風(fēng)電機(jī)的功能單元的劃分 9
2.2 風(fēng)電機(jī)組的工作原理 10
2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動鏈的基本結(jié)構(gòu)及三維建模 12
2.3.1 主軸 12
2.3.2 齒輪箱 12
3. 風(fēng)電發(fā)電機(jī)傳動鏈主要零件的設(shè)計計算 13
3.1 確定設(shè)計目標(biāo) 13
3.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體設(shè)計方案 13
3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動鏈零件設(shè)計方案 15
4. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器的設(shè)計計算 16
4.1 傳動方案的確定 17
4.2 增速器基本設(shè)計要求及設(shè)計步驟 18
4.3 傳動原理圖 18
4.4 增速器各傳動部件的材料及力學(xué)性能 19
4.5 第一級行星輪系傳動設(shè)計 20
4.6 第二級行星輪系傳動設(shè)計 21
4.7 第三級平行軸圓柱直齒輪設(shè)計 22
4.8 行星齒輪具體結(jié)構(gòu)的確定 22
5主軸制動系統(tǒng)的研究 23
5.1 制動器的結(jié)構(gòu)形式選擇 23
5.1.1 鼓式制動器的結(jié)構(gòu)形式 24
5.1.2 盤式制動器的結(jié)構(gòu)形式 26
5.1.3 制動器結(jié)構(gòu)的最終選擇 31
5.2 盤式制動器的結(jié)構(gòu) 31
5.2.1 制動器主要部件的結(jié)構(gòu) 31
5.2.2 制動器的工作原理及安裝位置 35
5.3 制動器靜載荷接觸分析 35
5.3.1 制動任務(wù) 35
5.3.2 計算最大制動力矩和卡鉗夾緊力 36
6傳動軸的設(shè)計 39
6.1高速軸的設(shè)計 39
6.2低速軸的設(shè)計 39
6.3中間軸的設(shè)計 40
總結(jié) 41
致謝 41
參考文獻(xiàn) 42
摘 要
風(fēng)能作為一種可再生能源越來越受到世界各國政府的重視。與此同時，對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和裝備的研究開發(fā)也日益成為科技領(lǐng)域和企業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)課題項目之一。
風(fēng)能是一種清潔并且可再生的能源，利用風(fēng)能發(fā)電能夠大量減少其它發(fā)電方式對環(huán)境的污染。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理是：一定速度前進(jìn)的風(fēng)吹在靜止的風(fēng)力機(jī)葉片上做功并驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，先通過葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，在由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。
本文設(shè)計了一臺功率為1500千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成。對其葉片，行星齒輪增速器，塔架等進(jìn)行了詳細(xì)的方案選擇及設(shè)計計算。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；水平軸風(fēng)力機(jī)；葉片；增速器。
Abstract
Wind energy, as a kind of renewable energy, is paid attention to by governments all around the world. The wind power technology and its equipment research become a hot spot topic for technical circles and enterprise.
Wind energy is a clean and renewable energy sources, The use of wind energy to power can reduce a large number of environmental pollution compare with other ways. The principle of wind turbine is: A certain wind speed blowing to the stationary blades of wind turbine-driven generators work and driving generator to power, through the impeller into the wind mechanical energy, then to electrical energy by the generator.
In this paper, a power of 1500 KW wind turbine is designed and its horizontal axis wind turbine, Composed by the impeller, generator, yaw devices, control systems, towers and other components. Carry out a detailed design calculations of its leaves, the planetary gear speed increaser, tower, etc.
Keyword: wind power; horizontal axis wind turbine; leaves;speed increaser.
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1. 緒論
1．1 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況
風(fēng)能是一種開發(fā)成本較低、清潔、安全、可再生的能源。因此，風(fēng)能的開發(fā)利用越來越受到重視。根據(jù)貝茲理論，風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中吸收的能量不到空氣動能的59.3%，同時由于受到機(jī)械結(jié)構(gòu)等限制，實(shí)際值更小。因此，如何提高風(fēng)能轉(zhuǎn)化率，獲取更多風(fēng)能，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能規(guī)?；?，一直為學(xué)者及業(yè)界所關(guān)注。近年來，大型風(fēng)電機(jī)組通過采用變速變槳距控制及最大功率跟蹤MPPT等技術(shù)，旨在提高響應(yīng)速度，獲得最大能量（低風(fēng)速是捕獲最大功率，高風(fēng)速時捕獲額定功率）。但是，由于一些不確定因素的存在，風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)表現(xiàn)出強(qiáng)非線性特征，風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的能量隨著風(fēng)速和風(fēng)向的連續(xù)波動是快速變化的。傳統(tǒng)線性定常控制器因存在較大超調(diào)和損失，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，不適合用來控制大型變速變槳距風(fēng)電機(jī)組。根據(jù)風(fēng)速大小，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由4個動態(tài)過程構(gòu)成，即啟動、變速運(yùn)行、變槳距運(yùn)行和剎車。其中，啟動、剎車過程使系統(tǒng)能在最短時間內(nèi)有較快的響應(yīng)速度；變速運(yùn)行調(diào)節(jié)風(fēng)能，減少或消除風(fēng)能產(chǎn)生過程中的急劇波動，捕獲最大能量，減弱暫態(tài)負(fù)荷的影響；變槳距控制通過調(diào)節(jié)槳距角維持風(fēng)電機(jī)組輸出額定功率不變。
風(fēng)車按照風(fēng)輪軸的不同，可以分為水平軸風(fēng)車和垂直軸風(fēng)車。能量驅(qū)動鏈（即風(fēng)輪、主軸、變速箱、發(fā)電機(jī)）呈水平方向的，稱為水平軸風(fēng)車（水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，圖1-1能量驅(qū)動鏈呈垂直方向的，稱為垂直軸風(fēng)車（垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，圖2）。
圖1-1 水平軸風(fēng)車 圖1-2 垂直軸風(fēng)車
我國已成為繼歐洲、美國和印度之后風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用的主要市場之一，風(fēng)能資源豐富，可開發(fā)量為1400GW。其中，陸上開發(fā)量為600GW；海上開發(fā)量為800GW。我國在20世紀(jì)50年代末，使用各種木結(jié)構(gòu)的布篷式風(fēng)車。20世紀(jì)70年代中期以后，風(fēng)能開發(fā)利用列入“六五”國家計劃。20世紀(jì)70年代末到80年代初，自主研制、批量生產(chǎn)了10kW以下的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，解決了居住分散的農(nóng)牧民和島嶼居民的生產(chǎn)、生活用電，風(fēng)力發(fā)電停留在蒙古包單家獨(dú)戶使用或?qū)嶒炇已芯侩A段。1983年，山東引進(jìn)3臺丹麥Vestas 55kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，開始了并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的試驗和示范；1986年5月，山東榮成建成我國第一個并網(wǎng)風(fēng)電場，其次是達(dá)坂城風(fēng)電場。1986～1993年，全國共建12個風(fēng)電場，裝機(jī)容量為13.3MW；1994～1999年，全國共建有21個風(fēng)電場，裝機(jī)容量達(dá)到249.05MW。其中，1992～1996年的主力機(jī)型為200～300kW機(jī)組，1997～2002年的主力機(jī)型則為600kW機(jī)組。2008年，我國累計裝機(jī)容量達(dá)到12.21GW，其中并網(wǎng)發(fā)電的裝機(jī)容量為8.94kW。截止到2009年年底，我國風(fēng)電并網(wǎng)總量累計達(dá)到16.13GW，累計裝機(jī)容量為25805.3MW。
1．2 風(fēng)力發(fā)電的背景
1.2.1 能源危機(jī)
能源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。自從工業(yè)革命以來，全球的能源消耗飛速增長，推動了工業(yè)化的進(jìn)程，提高了社會發(fā)展水平和人類生活質(zhì)量。全球經(jīng)濟(jì)的急劇增長對能源的需求越來越大，能源危機(jī)制約了人類進(jìn)一步發(fā)展。自20世紀(jì)50年代以后，由于石油危機(jī)的爆發(fā)，對世界經(jīng)濟(jì)造成巨大影響，國際輿論開始關(guān)注世界能源危機(jī)問題。全球能源危機(jī)的主要表現(xiàn)在于，全球能源儲量與開采時間有限?？梢灾涞幕Y源的極限大約為1180~1510億噸，自1995年世界石油的開采量33.2億噸計算，石油儲量大約在2050年左右即將枯竭；天然氣儲量估計131800~152900m3，年開采量維持在2300 m3，將在57~65年內(nèi)枯竭；煤的儲量約為5600億噸，1995年煤開采量為33億噸，可以供應(yīng)169年；鈾的年開采量目前為每年6萬噸，據(jù)1993年世界能源委員會的估計可維持到21世紀(jì)30年代中期。
綜上所述，煤炭、石油、天然氣等不可再生化石能源的總量有限，待開發(fā)新的可再生能源。
1.2.2 環(huán)境危機(jī)
在能源消耗急劇增長，能源危機(jī)凸顯的同時，環(huán)境危機(jī)也出現(xiàn)了?，F(xiàn)代社會對能源的巨大需求，導(dǎo)致大量的化石能源被燃燒。燃燒不斷產(chǎn)生CO2和其他溫室氣體，使得原來沉積在地下的碳元素，被大量釋放到空氣中。據(jù)估計，按照目前的趨勢，到2030年，由各種溫室氣體增加所引起的氣候變化，將相當(dāng)于把大氣中CO2濃度提高到工業(yè)化社會以前CO2濃度的兩倍。到2100年，溫室效應(yīng)強(qiáng)度將相當(dāng)于把大氣中CO2濃度提高到工業(yè)化社會以前CO2濃度的3倍，達(dá)到5000萬年前的CO2濃度水平。能源消費(fèi)在迅速擴(kuò)大，已經(jīng)達(dá)到了阻礙地球生態(tài)系統(tǒng)自律功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的程度。研究表明：地球變暖不是地球本身自然循環(huán)的變化，而是人類活動排放的CO2等溫室氣體效應(yīng)造成的。其過程與人類大量消耗化石能源資源，尤其是燃燒化石燃料發(fā)電大量排放的CO2密切相關(guān)。到2015年，世界溫室氣體的排放量將達(dá)到最高，全球變暖帶來的影響不僅僅是更多的汗?jié)碁?zāi)害，還有海平面的上升。全球氣候的變化對農(nóng)業(yè)和生態(tài)造成了嚴(yán)重的影響，時刻威脅著人類的生命和財產(chǎn)安全。
1.2.3 可再生能源開發(fā)利用
目前，如何解決能源危機(jī)及其引起的環(huán)境危機(jī)成為全球經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展所面臨的待解決的重大課題?？朔茉次C(jī)的出路在于大力發(fā)展新能源，用可再生能源替代化石能源。電能具有轉(zhuǎn)換和傳輸方便的優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展不可替代的二次能源。為緩解或從根本上消除能源危機(jī)帶來的環(huán)境破壞，綠色電力的生產(chǎn)為世界各國所關(guān)注。綠色電力來源于風(fēng)能、小水電、太陽能、地?zé)?、生物質(zhì)和其他可再生能源。因為它們在生產(chǎn)的過程中不消耗煤、石油、天然氣等燃料，所以不會產(chǎn)生對環(huán)境有害的排放物。相對于常規(guī)火力發(fā)電，更有利于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。因此，開發(fā)綠色電力意義重大。
全球市場對于這樣的零排放技術(shù)有著巨大且持續(xù)增長的需求。為了避免發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的氣候變化后果，全球的溫室氣體排放必須在2020年前后達(dá)到峰值且開始下降，而風(fēng)電是目前唯一實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的發(fā)電技術(shù)。
1.2.4 風(fēng)能開發(fā)利用
太陽的輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不均，同時，地球發(fā)生自轉(zhuǎn)，使空氣沿水平方向運(yùn)動，空氣流動所形成的動能稱為風(fēng)能。據(jù)估計到達(dá)地球的太陽能只有大約2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，理論上僅1%的風(fēng)能就能滿足人類能源的需求。全球的風(fēng)能總量約為2.74×106GW，其中可利用的風(fēng)能總量為2.74×104GW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。根據(jù)我國900多個氣象站陸地上離地10m高度資料進(jìn)行估算，全國平均風(fēng)功率密度為100W/m2，風(fēng)能資源總儲量為3226GW，可開發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲量為600GW，海上可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲量為800GW，共計約1400GW。50m或更高處可開發(fā)利用的風(fēng)能儲量為2000GW。
人類利用風(fēng)能的歷史可以追溯到公元前。在蒸汽機(jī)發(fā)明以前，風(fēng)能曾經(jīng)作為重要的動力，用于船舶航行、提水飲用和灌溉、排水造田、磨面和鋸木等。埃及被認(rèn)為可能是最先利用風(fēng)能的國家。12世紀(jì)，風(fēng)車從中東傳入歐洲。16世紀(jì)，荷蘭人利用風(fēng)車排水。隨著煤、石油、天然氣的大規(guī)模開采和廉價電力的獲得，由于成本高、效率低、使用不方便等，風(fēng)力發(fā)電機(jī)械無法與蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)等競爭而逐漸被淘汰。在20世紀(jì)70年代中期以后，我國將風(fēng)能開發(fā)利用列入“六五”國家重點(diǎn)項目，得到迅速發(fā)展。我國風(fēng)力發(fā)電從20世紀(jì)80年代開始真正起步。20世紀(jì)70年代末80年代初，我國自主開發(fā)研制并批量生產(chǎn)了額定容量10 kW以下的小型風(fēng)電機(jī)組，解決了居住分散的農(nóng)牧民和島嶼居民的生產(chǎn)生活用電。1986年5月，山東榮成建成了我國第一個并網(wǎng)風(fēng)電場。20世紀(jì)80年代中期以后，我國先后從丹麥、比利時、瑞典、美國、德國引進(jìn)一批中、大型風(fēng)電機(jī)組，在、內(nèi)蒙古的風(fēng)口及山東、浙江、福建、廣東的島嶼建立了8座示范性風(fēng)電場。
1．3 風(fēng)力發(fā)電國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
1.3.1 國外風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀
風(fēng)電成本
不考慮常規(guī)電力環(huán)境成本，根據(jù)目前的風(fēng)電技術(shù)水平，風(fēng)電成本仍高于常規(guī)電力成本，因此許多國家采取了諸如價格、市場配額、稅收等各種激勵政策，從不同的方面引導(dǎo)和支持風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。經(jīng)過30年的努力，隨著市場不斷擴(kuò)大，風(fēng)電成本大幅度下降，每千瓦時風(fēng)電成本由20世紀(jì)80年代初的20美分下降到2007年的4~6美分。在風(fēng)能資源較好的地方，風(fēng)電價格完全可以和煤電競爭，低于燃?xì)怆妰r。
裝機(jī)容量高速增長
根據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會公布的2003~2007年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球風(fēng)電平均增長率為24.7%。到2007年年底，全球總裝機(jī)容量累計達(dá)到近94GW，新增風(fēng)電裝機(jī)容量20GW，分別在全球70多個國家和地區(qū)。2007年全球大約生產(chǎn)了2000億度風(fēng)電電力，約占全球電力供應(yīng)的1%。按照累計風(fēng)電裝機(jī)容量數(shù)據(jù)排名，2007年全球前十名的國家依次是德國、美國、西班牙、印度、中國、丹麥、意大利、法國、英國和葡萄牙。2008年全球新裝機(jī)容量超過27GW，同比增長42%，風(fēng)電裝機(jī)增長率為29%，高于過去5年的平均增長速度。2008年年底，總裝機(jī)容量達(dá)到了120.8GW，美國超過德國，躍居全球風(fēng)電裝機(jī)容量首位，同時也成為第二個風(fēng)電裝機(jī)容量超過20GW的風(fēng)電大國。中國超過印度，成為亞洲第一、世界第四的風(fēng)電大國。到2008年年底，在世界風(fēng)電累計裝機(jī)容量中，已有包括美國、中國、德國、西班牙、印度等在內(nèi)的16個國家超過1GW。在歐盟2007年新增發(fā)電裝機(jī)容量中，風(fēng)電開始超過天然氣發(fā)電成為第一大新增電源，占新增容量的46%。歐洲2008年風(fēng)電新增裝機(jī)容量為88GW，累計裝機(jī)容量達(dá)到了66GW。美國2007年新增的風(fēng)電裝機(jī)也僅次于天然氣發(fā)電，位居第二。2008年內(nèi)美國竣工的風(fēng)電項目容量更是占當(dāng)年度美國所有新增電力裝機(jī)的42%，新增裝機(jī)容量達(dá)到8.34GW，同比增長157%，累計增長49.6%，完成新增投資170億美元。風(fēng)電在歐美發(fā)達(dá)國家已經(jīng)逐步成為重要的替代能源。
發(fā)展規(guī)劃
20世紀(jì)90年代初，歐盟提出了大力發(fā)展風(fēng)電，到2010年風(fēng)電裝機(jī)容量到40GW的目標(biāo)，并要求其成員國根據(jù)總體發(fā)展規(guī)劃制訂本國的發(fā)展目標(biāo)與實(shí)施計劃。2007年年初，根據(jù)技術(shù)發(fā)展和能源需求的需要，歐盟又進(jìn)一步修訂了發(fā)展計劃，希望2010年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到80GW；到2020年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到180GW，發(fā)電量達(dá)到3600億kW·h；2030年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到300GW，發(fā)電量達(dá)到6000×108kW·h，分別占屆時歐盟風(fēng)電裝機(jī)容量和發(fā)電量的35%和20%。2006年，美國可再生能源理事會提出了將可再生能源的比例由目前的4%左右，提高到2025年的25%的發(fā)展目標(biāo)。美國風(fēng)能協(xié)會也提出了未來依靠風(fēng)電滿足國內(nèi)20%電力需求的宏偉目標(biāo)。英國、法國、加拿大、澳大利亞、日本和東歐的波蘭等國也開始加速發(fā)展風(fēng)電。
1.3.2 國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀
裝機(jī)容量
2004年年底，全國的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量約為764MW。2005年2月《可再生能源法》頒布之后，當(dāng)年風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)容量超過60%，總?cè)萘窟_(dá)到了1260GW。2006年新增裝機(jī)容量超過100%，累計裝機(jī)容量超過2.6GW。2007年又新增裝機(jī)容量3.3GW，累計裝機(jī)容量達(dá)到5.9GW，超過丹麥，成為世界第5風(fēng)電大國。當(dāng)年裝機(jī)容量僅次于美國和西班牙，超過德國和印度，成為世界上最主要的風(fēng)電市場之一。風(fēng)電累計裝機(jī)容量從2003年年末的567MW增加到了2008年年末的12.21GW，增加了205倍。2008年新增裝機(jī)容量超過印度，成為亞洲第一、世界第四、風(fēng)電裝機(jī)容量超千萬千瓦的風(fēng)電大國。2009年新增裝機(jī)容量13.85GW，累計裝機(jī)容量為26GW，總裝機(jī)容量躍居世界第2位。
風(fēng)電設(shè)備制造能力
風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)發(fā)展迅猛。2005年之前，我國只有少數(shù)幾家風(fēng)電設(shè)備制造商，它們規(guī)模小、技術(shù)落后，風(fēng)電場建設(shè)主要依賴進(jìn)口風(fēng)電整機(jī)?！堕_再生能源法》頒布后，風(fēng)電整機(jī)制造企業(yè)已超過40家。除金風(fēng)科技和浙江運(yùn)達(dá)加大投入、迅速擴(kuò)張之外，東方汽輪機(jī)、華銳風(fēng)電、中國船舶、通用電氣、湖南湘電、上海電氣、廣東明陽、維斯塔斯、歌美颯、蘇司蘭、西門子等一批國內(nèi)外大型制造業(yè)和投資商紛紛進(jìn)入我國風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)市場。
風(fēng)電技術(shù)研發(fā)
“九五”和“十五”期間，我國政府組織實(shí)施“乘風(fēng)計劃”和“國家科技攻關(guān)計劃”，以及國債項目和風(fēng)電特許權(quán)項目，支持建立了首批6家風(fēng)電整機(jī)企業(yè)，進(jìn)行風(fēng)電技術(shù)的引進(jìn)和消化吸收，部分企業(yè)掌握了單機(jī)容量600kW和750 kW定槳距風(fēng)電機(jī)組的總裝技術(shù)和關(guān)鍵部件設(shè)計制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，邁出了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的第一步?！笆濉逼陂g，還開展了1000 kW、1500 kW變速恒頻風(fēng)電機(jī)組，以及1200 kW永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)與聯(lián)合攻關(guān)，取得階段性成果。經(jīng)過“十五”期間的自主研究和技術(shù)引進(jìn)，我國已基本掌握了以雙饋發(fā)電機(jī)為代表的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的控制技術(shù)，研制成功兆瓦級風(fēng)電機(jī)組樣機(jī)。我國風(fēng)電技術(shù)與國外風(fēng)電技術(shù)的差距正在不斷縮小。
1．4 國內(nèi)外風(fēng)電機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢
縱觀世界風(fēng)電技術(shù)現(xiàn)實(shí)和前沿技術(shù)的發(fā)展，目前全球風(fēng)電技術(shù)發(fā)展主要呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：
1.4.1 產(chǎn)業(yè)集中是總的趁勢
2009年，世界排名前十位的風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)占據(jù)了全球78.7％的市場份額，世界排名前十五位的風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)占據(jù)了全球88.1％的市場份額，丹麥VESTAS、美國GE WIND、中國華銳、德國ENERCON、中國金風(fēng)這前5家企業(yè)，就占據(jù)了國內(nèi)外49.8％市場份領(lǐng)?？梢钥闯觯菏澜顼L(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)形成了由十多家大型風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)控制或壟斷的局面。
近幾年，風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)之間的兼并、重組、收購愈演愈烈。法國阿?，m集團(tuán)收購-Multibrid；丹麥的Vestas公司兼并NEG。Micon公司；美國GE公司收購了德國安然風(fēng)電公司；Siemes公司收購了丹麥AN/Bonus和德國winergy AG公司；印度Suzlon公司控股了Repower公司；金風(fēng)科技收購了德國Vensys公司；湘電股份1000萬歐元收購荷蘭達(dá)爾文公司；中復(fù)連眾收購了德國NOI公司；中航惠騰2009年收購了荷蘭CTC葉片公司；美國GE公司與哈電集團(tuán)合資成立了通用哈電風(fēng)能（沈陽）公司和哈電通用風(fēng)能（江蘇）公司。此外，各大公司在主要市場集中地都建立了生產(chǎn)基地，一個大公司相當(dāng)于多個公司的集成。
1.4.2 水平軸風(fēng)電機(jī)組技術(shù)成為主流
水平軸風(fēng)電機(jī)組技術(shù)，因其具有風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高、轉(zhuǎn)軸較短，在大型風(fēng)電機(jī)組上更顯出經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，使水平軸風(fēng)電機(jī)組成為世界風(fēng)電發(fā)展的主流機(jī)型，并占到95％以上的市場份額。同期發(fā)展的垂直軸風(fēng)電機(jī)組因轉(zhuǎn)軸過長、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率不高，啟動、停機(jī)和變槳困難等問題，目前市場份額很小、應(yīng)用數(shù)量有限，但由于其全風(fēng)向?qū)︼L(fēng)、變速裝置及發(fā)電機(jī)可以置于風(fēng)輪下方或地面等優(yōu)點(diǎn)，近年來，國際上相關(guān)研究和開發(fā)也在不斷進(jìn)行并取得一定進(jìn)展。
1.4.3 風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量持續(xù)增大
近年來，世界風(fēng)電市場中風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量持續(xù)增大，隨著單機(jī)容量不斷增大和利用效率提高，世界上主流機(jī)型已經(jīng)從2000年的500-1000kW增加到2009年的2-31VM。我國主流機(jī)型已經(jīng)從2005年的600-1000kW增加到2009年的850-2000kW， 2009年我國陸地風(fēng)電場安裝的最大風(fēng)電機(jī)組為2MW。
近年來，海上風(fēng)電場的開發(fā)進(jìn)一步加快了大容量風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展，2008年底世界上已運(yùn)行的最大風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量已達(dá)到6MW，風(fēng)輪直徑達(dá)到127m。目前，已經(jīng)開始8-10MW風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計和制造。我國華銳風(fēng)電的3MW海上風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)在上海東海大橋海上風(fēng)電場成功投入運(yùn)行， 5MW海上風(fēng)電機(jī)組已在2010年10月底下線。目前，華銳、金風(fēng)、東汽、國電聯(lián)合、湖南湘電、重慶海裝等公司都在研制5MW或6MW的大容量風(fēng)電機(jī)組。
2. 發(fā)電機(jī)的工作原理及基本結(jié)構(gòu)
2．1 風(fēng)電機(jī)的功能單元的劃分
控制與安全系統(tǒng)
一次能源轉(zhuǎn)換單元
機(jī)械能傳遞單元
發(fā)電單元
風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種復(fù)雜的機(jī)電一體化設(shè)備。從能量轉(zhuǎn)換角度看，此類設(shè)備大致包括2-1所示的幾個功能單元。其中，一次能源轉(zhuǎn)換單元的主要功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能；機(jī)械能傳遞單元的主要作用是傳動與制動；發(fā)電單元將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，同時提供必要的并網(wǎng)發(fā)電功能；控制與安全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電機(jī)起、停機(jī)和發(fā)電等運(yùn)行過程的控制，并保證風(fēng)電機(jī)在任何狀態(tài)下的安全性。
圖2-1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本功能構(gòu)成
（1）一次能源轉(zhuǎn)換單元
風(fēng)能是風(fēng)力發(fā)電的一次能源，相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換單元是風(fēng)電機(jī)組的核心部分，包括風(fēng)輪、功率控制（調(diào)速）等部件。風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換單元的關(guān)鍵部件，一般由良好的空氣動力外形的葉片、輪轂和相應(yīng)的功率控制機(jī)構(gòu)組成。一次能源轉(zhuǎn)換單元的主要功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能（轉(zhuǎn)矩），再通過風(fēng)輪軸驅(qū)動與之連接的機(jī)械能傳遞單元和發(fā)電單元。
（2）機(jī)械能傳遞單元
機(jī)械能傳遞單元也可簡稱為風(fēng)電機(jī)組的傳動鏈，連接風(fēng)電機(jī)組的一次能源轉(zhuǎn)換單元與發(fā)電單元，使之組成發(fā)電系統(tǒng)。該單元一般包括與風(fēng)輪輪轂相連接的主軸、傳動和制動機(jī)構(gòu)等。一般大型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪設(shè)計轉(zhuǎn)速較低，需要根據(jù)發(fā)電單元的要求，通過傳動鏈按一定的速比傳遞風(fēng)輪產(chǎn)生的扭矩，使輸入發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電單元的需要。同時，機(jī)械能傳遞單元還要設(shè)置可靠的制動機(jī)構(gòu)，以保證風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。
（3）發(fā)電單元
發(fā)電單元一般由發(fā)電機(jī)和必要的電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)成。并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電單元可采用異步發(fā)電機(jī)或同步發(fā)電機(jī)，將風(fēng)輪產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)電單元配置的電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，應(yīng)能夠滿足并網(wǎng)或其他形式發(fā)電的需求。
（4）控制與安全系統(tǒng)
該系統(tǒng)主要功能可分為風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制和狀態(tài)監(jiān)測兩部分：大型風(fēng)電機(jī)組需要自動控制，既能夠在無人值守的條件下，保證風(fēng)電機(jī)組的正常和安全運(yùn)行；同時又要保證風(fēng)電機(jī)組在非正常情況發(fā)生時能可靠的停機(jī)，以預(yù)防或減輕損失。
此外，風(fēng)電機(jī)組還需要有上述功能部件或子系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，如機(jī)艙、塔架等；多數(shù)風(fēng)電機(jī)組需要設(shè)置對風(fēng)（也稱偏航）裝置，以保證風(fēng)輪能夠更好的獲取風(fēng)能。
2．2 風(fēng)電機(jī)組的工作原理
在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，存在著兩種物質(zhì)流。一種是能量流，另一種是信息流。兩者的相互作用，使機(jī)組完成發(fā)電功能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理如圖2-2所示。
控制系統(tǒng)
偏航系統(tǒng)
主傳動系統(tǒng)
制動裝置
發(fā)電系統(tǒng)
測風(fēng)系統(tǒng)
變槳距系統(tǒng)
電網(wǎng)
變壓器
風(fēng) M1 ?1 M2 ?2 P3
轉(zhuǎn)速測量
風(fēng)力發(fā)電機(jī) 調(diào)速
風(fēng)速、風(fēng)向 功率測量
圖2-2 風(fēng)電機(jī)的工作原理
1． 能量流
當(dāng)風(fēng)以一定的速度吹向風(fēng)力發(fā)電機(jī)時，在風(fēng)輪上產(chǎn)生的力矩驅(qū)動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動。將風(fēng)的動能變成風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的動能，兩者都屬于機(jī)械能。風(fēng)輪的輸出功率為
（2-1）
式中 P1——風(fēng)輪的輸出功率，單位為W；
M1——風(fēng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；
?1——風(fēng)輪的角速度，單位為1/s.
風(fēng)輪的輸出功率通過主傳動系統(tǒng)傳遞。主傳動系統(tǒng)可能使轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，于是有
（2-2）
式中 P2——主傳動系統(tǒng)的輸出功率，單位為W；
M2——主傳動系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；
?2——主傳動系統(tǒng)的角速度，單位為1/s；
——主傳動系統(tǒng)的總效率。
主傳動系統(tǒng)將動力傳遞給發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)把機(jī)械能變?yōu)殡娔堋０l(fā)電機(jī)的輸出功率為
（2-3）
式中 P3——發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，單位是W；
UN——定子三相繞組上的線電壓，單位是V；
IN——流過定子繞組線電流，單位是A；
cos——功率因數(shù)；
2——發(fā)電系統(tǒng)的總效率。
2． 信息流
信息流的傳遞是圍繞控制系統(tǒng)進(jìn)行的。控制系統(tǒng)的功能是過程控制和安全保護(hù)。過程控制包括起動、運(yùn)行、暫停、停止等。在出現(xiàn)惡劣的外部環(huán)境和機(jī)組零部件突然失效時應(yīng)該緊急停機(jī)。
風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、發(fā)電功率等物理量通過傳感器變成電信號傳給控制系統(tǒng)，它們是控制系統(tǒng)的輸入信息?？刂葡到y(tǒng)隨時對輸入信息進(jìn)行加工和比較，及時的發(fā)出控制指令，這些指令是控制系統(tǒng)的輸出信息。
對于變槳距風(fēng)向，當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，控制系統(tǒng)發(fā)出變槳距指令，通過變槳距系統(tǒng)改變風(fēng)輪葉片的槳距角，從而控制風(fēng)電機(jī)組輸出功率。在起動和停止的過程中，也需要改變?nèi)~片的槳距角。
對于變速型風(fēng)機(jī)，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，控制系統(tǒng)可以根據(jù)風(fēng)的大小發(fā)出改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的指令，以便使風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大限度的捕獲風(fēng)能。
當(dāng)風(fēng)輪的軸向和風(fēng)向偏離時，控制系統(tǒng)發(fā)出偏航指令，通過偏航系統(tǒng)校正風(fēng)輪軸的指向，使風(fēng)輪始終對準(zhǔn)來風(fēng)方向。
當(dāng)需要停機(jī)時，控制系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)指令，除了借助變槳距制動外，還可以通過安裝在傳動軸上的制動裝置實(shí)現(xiàn)制動。
實(shí)際上，在風(fēng)電機(jī)組中，能量流和信息流組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時，變槳距系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)等也組成了若干閉環(huán)的子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。
2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動鏈的基本結(jié)構(gòu)及三維建模
2.3.1 主軸
主軸也稱低速軸。大中型風(fēng)力電機(jī)組由于其葉片長、重量大，所以為了使槳葉的離心力與葉尖的線速度不至于太大，其轉(zhuǎn)速一般小于50r/min，因此，主軸承受的扭矩較大。大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸材料可選用40Cr或其他高強(qiáng)度的合金鋼，必須經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，保證鋼材在強(qiáng)度、塑性、韌性3個方面都有較好的綜合機(jī)械性能，在設(shè)計加工圖時，必須注明這一技術(shù)要求。主軸如圖2-5所示
圖2-3主軸示意圖
2.3.2 齒輪箱
齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中關(guān)鍵零部件。齒輪箱由齒輪副、箱體和軸承、密封裝置、潤滑油凈化和溫控系統(tǒng)等組成，由于風(fēng)力機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機(jī)工作在高轉(zhuǎn)速下，為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)匹配，采用增速齒輪箱。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，對齒輪箱的要求非常嚴(yán)格，不僅體積小、重量輕、效率高，而且要承載能力大、起動力矩小、壽命長。齒輪箱分為兩類，即定軸線齒輪傳動和行星齒輪傳動。定軸線齒輪結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)容易，造價低廉。行星齒輪傳動具有傳動比大、體積小、質(zhì)量小、承載能力大、工作平穩(wěn)和在某些情況下效率高等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜，造價高。 如圖2-6所示。
圖2-4 齒輪箱整體圖
3. 風(fēng)電發(fā)電機(jī)傳動鏈主要零件的設(shè)計計算
風(fēng)電機(jī)組設(shè)計所涉及的學(xué)科領(lǐng)域和專業(yè)知識較多，而系統(tǒng)的工程設(shè)計技術(shù)積累和豐富的設(shè)計實(shí)踐經(jīng)驗是保證大型風(fēng)電機(jī)組設(shè)計質(zhì)量的必備條件。
3．1 確定設(shè)計目標(biāo)
與所有大型裝備的設(shè)計相似，首先需要明確所設(shè)計風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計目標(biāo)。比如，并網(wǎng)大功率機(jī)組與偏僻地區(qū)的小型單機(jī)設(shè)計需求明顯不同。因此，針對設(shè)計需求，應(yīng)考慮合理的機(jī)組功能構(gòu)成、電機(jī)類型、控制方式、運(yùn)輸和安裝方式等影響機(jī)組性能指標(biāo)的主要因素。例如 ， 陸上風(fēng)電場所需的大型機(jī)組通常額定功率范圍為 500-2MW ，便于運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行和維修。近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境（如風(fēng)況、波浪和鹽霧等 ） 、安裝條件等與陸上有很大差別，基礎(chǔ)和運(yùn)輸方式需要重點(diǎn)考慮。此外，檢修、維護(hù)不便，對可靠性有更高的要求。
3.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體設(shè)計方案
風(fēng)電機(jī)組是比較復(fù)雜的機(jī)電裝備,且要求較好的性價比。總體設(shè)計是平衡這些關(guān)系的重要設(shè)計過程 ， 在某種意義上來說 ，總體設(shè)計可以決定整個設(shè)計過程的成敗 。由于風(fēng)電機(jī)組由多個功能子系統(tǒng)組成 ，機(jī)組總體設(shè)計與各部件或子系統(tǒng)的功能設(shè)計密切相關(guān) ，以針對風(fēng)輪部件的總體設(shè)計為例 ，就包括了葉片參數(shù)、氣動性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、制造工藝與成本等多方面的設(shè)計內(nèi)容，而這些設(shè)計目標(biāo)很難同時達(dá)到，需要權(quán)衡各方的比重，選擇優(yōu)化的方案。有鑒于低成本與高可靠性是現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組發(fā)展的主要動力和研究熱點(diǎn) ，如何根據(jù)設(shè)計目標(biāo)并結(jié)合工程經(jīng)驗，在這些復(fù)雜因素之間取得平衡關(guān)系，滿足盡可能高的設(shè)備性價比要求，是風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計的關(guān)鍵所在。
以下簡要介紹風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計的主要任務(wù)與大致步驟:
（1）風(fēng)電機(jī)總體設(shè)計方案
1 ）總體氣動布局方案設(shè)計
隨著風(fēng)電機(jī)單機(jī)功率的增大，系統(tǒng)氣動布局設(shè)計逐漸成為風(fēng)電機(jī)組設(shè)計重要方面。此階段的任務(wù)主要包括對風(fēng)場的風(fēng)況分析，有針對性地對各類可行的功能構(gòu)成形式和氣動布局方案進(jìn)行比較和選擇，并結(jié)合機(jī)組性能和氣動特性的分析和仿真技術(shù)，初步確定整機(jī)的和各主要部件（子系統(tǒng)）的基本形式，并提交有關(guān)的分析計算報告。
2 ）風(fēng)電機(jī)總體參數(shù)設(shè)計
風(fēng)電機(jī)組氣動設(shè)計前須首先確定總體參數(shù)，如風(fēng)輪運(yùn)行參數(shù)、葉片參數(shù)、設(shè)計風(fēng)速、尖速比、翼型分布及其氣動性能等，總體參數(shù)設(shè)計的基本要求是發(fā)電成本最低、機(jī)組載荷最小，發(fā)電量多且滿足電源品質(zhì)要求。
3 ）風(fēng)電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計
此階段是需要從風(fēng)電機(jī)的總體功能角度出發(fā)，分析各部件、子系統(tǒng)、附件和設(shè)備的布置形式與技術(shù)要求，開展對各部件和子系統(tǒng)的技術(shù)組成、原理分析、結(jié)構(gòu)形式和功能參數(shù)選擇等工作。同時需要對整機(jī)的結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件布置、承載形式和傳力路線進(jìn)行分析，選擇合理的設(shè)計分離面和接口形式，以便明確劃分各部件設(shè)計界面，保證總體設(shè)計的質(zhì)量。
4）載荷分析與風(fēng)電機(jī)組基本性能的預(yù)評估
在設(shè)計初期，必須對載荷作預(yù)評估，以準(zhǔn)確確定風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)。風(fēng)電機(jī)組應(yīng)能夠承受正常運(yùn)行中的任何載荷，同時也具備一定的承受極端載荷的能力。最重要的載荷產(chǎn)生于風(fēng)輪及其葉片，且風(fēng)輪上的任何載荷都會對其他子系統(tǒng)產(chǎn)生影響。該階段要注意查閱并依據(jù)相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合具體的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況要求，對所有載荷都應(yīng)予以仔細(xì)分析評估。
5）各部件和子系統(tǒng)的設(shè)計方案
根據(jù)整機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案，開展包括對各部件和系統(tǒng)的要求、組成、原理分析、結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)及附件的選擇等設(shè)計工作。設(shè)計有關(guān)部件的結(jié)構(gòu)方案模型圖和有關(guān)系統(tǒng)的原理圖，并編寫有關(guān)的報告和技術(shù)說明。
6）配套附件
選擇和確定整機(jī)配套附件和備件等設(shè)備，對新研制的部件要確定技術(shù)要求和協(xié)作關(guān)系。提交協(xié)作及采購清單等有關(guān)文件。
總體設(shè)計階段將解決全局性的重大問題，必須精心和慎重的進(jìn)行，要盡可能充分利用已有的經(jīng)驗，以求總體設(shè)計階段中的重大決策建立在可靠的理論分析和試驗基礎(chǔ)上，避免以后出現(xiàn)不應(yīng)有的重大反復(fù)，導(dǎo)致設(shè)計的失誤和延期。
上述總體設(shè)計的各階段屬于靜態(tài)設(shè)計，設(shè)計結(jié)果是：風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計方案圖、總體布置圖和設(shè)計計算報告、風(fēng)電機(jī)性能分析與載荷初步分析報告、各部件和子系統(tǒng)的初步技術(shù)要求與設(shè)計示意圖、系統(tǒng)原理圖。
（2）風(fēng)電機(jī)結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析
在初步完成風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步對風(fēng)電機(jī)組動特性進(jìn)行詳細(xì)的分析。動特性分析屬于風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究范疇，主要涉及動載荷分析、振動及結(jié)構(gòu)動特性分析等方面的內(nèi)容。
1）動載荷問題
作用于風(fēng)輪葉片上的周期性氣動和機(jī)械載荷會引起葉片等構(gòu)件的動態(tài)響應(yīng)，而此響應(yīng)反饋于外部氣動負(fù)荷。因此，這實(shí)質(zhì)上是一種流固耦合響應(yīng)問題，對風(fēng)輪等零部件的疲勞會產(chǎn)生影響。同時，葉片等構(gòu)件的動負(fù)載將合成為風(fēng)輪的動負(fù)載，也是風(fēng)電機(jī)振動的主要振源。
2）振動
風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行過程中，始終存在持續(xù)的周期性的振動，風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、傳動系統(tǒng)及其支撐結(jié)構(gòu)等零部件的設(shè)計都必須考慮振動問題。振動會引起結(jié)構(gòu)的損傷或破壞，影響設(shè)備的可靠性和可用性。
3）穩(wěn)定性
風(fēng)電機(jī)組載荷存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，可能會導(dǎo)致各種動力穩(wěn)定性問題的產(chǎn)生。在風(fēng)電機(jī)組發(fā)展史上，運(yùn)行中風(fēng)輪與其他機(jī)體耦合的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性問題造成了許多嚴(yán)重的后果。風(fēng)輪的動力不穩(wěn)定性，包括變距/揮舞不穩(wěn)定性（經(jīng)典顫振）、變距/擺振不穩(wěn)定性及揮舞/擺振不穩(wěn)定性等。
（3）風(fēng)電機(jī)組的可靠性設(shè)計
風(fēng)電機(jī)組可靠性量化指標(biāo)，通常以其可利用率來度量。此種量化指標(biāo)屬于廣義可靠性范疇，因其同時包括了風(fēng)電機(jī)組可靠性和可維修性等方面的內(nèi)容。因此，可利用率實(shí)際上是一種反應(yīng)風(fēng)電機(jī)組固有可靠性和運(yùn)行管理可靠性的綜合度量指標(biāo)。
3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動鏈零件設(shè)計方案
（1）風(fēng)電機(jī)組傳動鏈部件結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
根據(jù)確定的總體傳動布局、總體技術(shù)參數(shù)、設(shè)計載荷以及風(fēng)電機(jī)傳動鏈組的初步結(jié)構(gòu)方案，開展子系統(tǒng)和部件具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
這些子系統(tǒng)或主要的部件有：包括主軸、聯(lián)軸器、齒輪箱、制動裝置
（2）設(shè)計準(zhǔn)則
風(fēng)電機(jī)組的零部件很多，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)具體的設(shè)計要求，參照合理的設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計與校核。其中，有些部件（或構(gòu)件）應(yīng)采用剛度設(shè)計、強(qiáng)度校核的準(zhǔn)則；有些則應(yīng)首先考慮強(qiáng)度要求，并進(jìn)行必要的剛度分析。
（3）零部件強(qiáng)度與剛度分析
1）結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度設(shè)計
極限強(qiáng)度設(shè)計的基本準(zhǔn)則是在極端載荷作用下，保證構(gòu)件的應(yīng)力不超過材料許用應(yīng)力，避免發(fā)生靜載破壞。對于載荷的波動情況，一般需要通過增加許用安全系數(shù)加以解決。
2）構(gòu)件剛度分析
構(gòu)件剛度一般是指其抵抗變形的能力，包括在動載荷和靜載荷作用的剛度。實(shí)際上，構(gòu)件的剛度分析與強(qiáng)度設(shè)計有密切聯(lián)系，應(yīng)根據(jù)主要構(gòu)件的具體工況條件和設(shè)計要求，考慮合理的剛度指標(biāo)，并結(jié)合強(qiáng)度分析使設(shè)計達(dá)到優(yōu)化。
3）結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度設(shè)計
疲勞破壞是影響承受交變載荷構(gòu)件的設(shè)計壽命的主要失效形式之一。有鑒于風(fēng)電機(jī)組的循環(huán)和隨機(jī)載荷作用條件，許多構(gòu)件容易發(fā)生疲勞失效。因此，需要詳細(xì)分析主要零部件在風(fēng)電機(jī)組壽命期內(nèi)的循環(huán)應(yīng)力值和循環(huán)次數(shù)。
4）零部件的工程詳圖設(shè)計
根據(jù)風(fēng)電機(jī)組總體與部件結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，可以開展風(fēng)電機(jī)組的工程詳圖設(shè)計根據(jù)主要構(gòu)件的具體工作。設(shè)計中需要解決設(shè)備總體和零部件的裝配、加工等具體技術(shù)問題，提供詳細(xì)的設(shè)計技術(shù)文件，形成設(shè)備制造工程的基礎(chǔ)。
4.風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器的設(shè)計計算
傳動裝置是大多數(shù)機(jī)器的主要組成部分。傳動件及傳動裝置設(shè)計是否合理、 制造和裝配質(zhì)量是否符合要求，將成為決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。傳動可以分為機(jī)械傳動、流體傳動和電傳動三類。而機(jī)械傳動按其工作原理分為嚙合傳動與摩擦傳動，具體分為鏈傳動、帶傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動四類。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動特點(diǎn)和工作環(huán)境要求，一般均選擇齒輪傳動。
齒輪傳動是機(jī)械傳動中最重要、應(yīng)用最廣泛的一種傳動形式。其主要優(yōu)點(diǎn)是：具有瞬時傳動比恒定、可靠性高、壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊。齒輪傳動分為開式、半開式和閉式三種傳動方式。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作環(huán)境惡劣，一般采用閉式傳動以滿足潤滑要求。
增速器是指安裝在原動機(jī)與工作機(jī)之問獨(dú)立的閉式傳動裝置，用于增加轉(zhuǎn)速應(yīng)相應(yīng)減小轉(zhuǎn)矩。增速器是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，它承擔(dān)了調(diào)速、改變運(yùn)動形式、動力和運(yùn)動的傳遞和分配等功能?？紤]到風(fēng)力發(fā)電機(jī)要求傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高等特點(diǎn)，本文采用兩級行星齒輪傳動加一級平行軸斜齒輪傳動的結(jié)構(gòu)形式。
4.1傳動方案的確定
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的種類很多，按照傳統(tǒng)類型可分為圓柱齒輪箱、行星齒輪箱以及它們互相組合起來的齒輪箱；按照傳動的級數(shù)可分為單級和多級齒輪箱；按照傳動的布置形式又可分為展開式、分流式和同軸式以及混合式等。常用齒輪箱形式及其特點(diǎn)和應(yīng)用見表3-7。
表4-1 常用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速箱的形式和應(yīng)用
傳遞形式
傳動簡圖
推薦傳動比
特點(diǎn)及應(yīng)用
兩
級
圓
柱
齒
輪
傳
動
展開式
結(jié)構(gòu)簡單，但齒輪箱對于軸承的位置不對稱，因此要求軸有較大剛度。高速級齒輪布置在原理轉(zhuǎn)矩輸入端，這樣，軸在轉(zhuǎn)矩作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形可部分抵消，以減緩沿齒寬載荷分布不均現(xiàn)象，用于載荷比較平緩場合。高速級一般做成斜齒，低速級可做成直齒
分流式
結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但由于齒輪箱對于軸承對稱布置，與展開式相比載荷沿齒寬分布均勻、軸承受載較均勻，中間軸危險截面上的轉(zhuǎn)矩只相當(dāng)于軸所傳遞轉(zhuǎn)矩的一半，適用于變載荷的場合。高速級一般用斜齒，低速級可用直齒或人字齒
同軸式
減速器橫向尺寸較小，兩對齒輪浸入油中深度大致相同，但軸向尺寸和重量較大，且中間軸較長、剛度差，使沿齒寬載荷分布不均勻，高速軸的承載能力難于充分利用
同軸分流式
每對嚙合齒輪僅傳遞全部載荷的一半，輸入軸和輸出軸只承受轉(zhuǎn)矩，中間軸只受全部載荷的一半，故與傳遞同樣功率的其他減速器相比，軸頸尺寸可以縮小
1500kw風(fēng)電增速箱由于功率大，大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，通常采用功率分流的行星傳動。常見結(jié)構(gòu)有：兩級平行軸加一級行星和一級平行軸加兩級級行星傳動兩種形式。本文采用的是平行軸與行星輪系混合式齒輪箱。
4.2增速器基本設(shè)計要求及設(shè)計步驟
增速器齒輪箱的主要設(shè)計要求如表4-2所示。
額定功率
1500kW
增速比
52-72
輸出轉(zhuǎn)速
1400-1600r/min
輸入轉(zhuǎn)速
24-35r/min
分度圓壓力角
20°
模數(shù)
5-15
表4-2 原始設(shè)計要求
增速器設(shè)計步驟：
(1)根據(jù)傳動裝置的使用要求及工作特點(diǎn)確定傳動形式為行星齒輪傳動。
(2)確定行星傳動的結(jié)構(gòu)形式和選擇傳動方案。
(3)根據(jù)選定的電機(jī)的輸入速度和經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)減速后的輸出速度，確定出這個減速機(jī)構(gòu)的傳動比范圍。
輸入轉(zhuǎn)度：27.854rpm
增速機(jī)構(gòu)增速后的輸出速度：1544.1rpm
根據(jù)減速裝置的用途和工作特點(diǎn)，傳動形式定位兩級定軸傳動+單級行星傳動，行星傳動的結(jié)構(gòu)形式確定為：單級2K-H（NWG）型行星傳動機(jī)構(gòu)。確保其穩(wěn)定性，行星輪數(shù)目為3，其傳動比范圍為：。由此，初定傳動比分配情況如下：
第一級行星傳動：=2.9545
第二級行星傳動：=3.6315
第三級定軸傳動：=5.1667
4.3傳動原理圖
目前，國內(nèi)生產(chǎn)的增速箱主要采用2K—H(KGW)型行星傳動，行星架為輸入端，太陽輪為輸入端。其具有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)行星架采用焊接結(jié)構(gòu)，工藝簡單，重量較輕。
(2)動力由行星輪系系桿輸入，剛性好，符合風(fēng)力發(fā)電機(jī)受力大、轉(zhuǎn)矩大的特點(diǎn)。
(3)高速級和低速級分別采用行星架浮動和太陽輪浮動，簡化了結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)更加的緊湊，均載效果好。
考慮到1500kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)大功率，結(jié)構(gòu)緊湊、高可靠性等特點(diǎn)，本文采用的傳動形式如圖4-1
圖4-1 1500kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速箱傳動簡圖
增速器傳動結(jié)構(gòu)分為三級，第一級為行星輪系，第一級行星架為輸入端，由第一級太陽輪傳遞至第二級行星齒輪平行軸輪系傳動；第三級采直齒輪傳動，直接與電機(jī)相聯(lián)。此傳動方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)低速級為行星傳動，效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，傳遞功率范圍大，成功實(shí)現(xiàn)了功率分流，軸向尺寸小，采用行星輪浮動，均載效果好，實(shí)現(xiàn)了大傳動比；
(2)高速級為平行軸圓柱直齒輪傳動，合理分配了傳動比，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)輸出，降低了振動。
4.4增速器各傳動部件的材料及力學(xué)性能
由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有工作環(huán)境惡劣、受力情況復(fù)雜等特點(diǎn)。因此，與一般傳動機(jī)構(gòu)相比，除了要滿足機(jī)械強(qiáng)度條件外，還應(yīng)滿足極端溫差條件下的一些機(jī)械特性，如低溫抗脆性、低膨脹收縮率等。對于傳動部件而言，一般情況下不采用分體式結(jié)構(gòu)或者焊接結(jié)構(gòu)，齒輪毛坯盡可能采用輪輻輪緣整體鍛件形式以提高承載能力。齒輪采用優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛造制取毛坯己獲得良好的力學(xué)特性。表3-9列出本文所設(shè)計的增速器各傳動部件的材料及力學(xué)性能。
表4-3 各傳動部件材料及力學(xué)性能
傳動件
材料
熱處理
接觸強(qiáng)度
（MPa）
彎曲強(qiáng)度
（MPa）
加工精度
太陽輪
20CrMnTi
滲碳淬火，齒面硬度56≥60HRC
1500
480
磨齒5級
行星輪
內(nèi)齒圈
42CrMn
調(diào)質(zhì)，齒面硬度HBS≥260
720
320
插齒6級
直齒輪
20CrMnTi
滲碳淬火，齒面硬度56≥60HRC
1500
480
磨齒5級
4.5第一級行星輪系傳動設(shè)計
計算齒輪基本參數(shù)
根據(jù)初定條件
即
盡可能取質(zhì)數(shù)， 則
計算：
計算并初選：
初選
預(yù)計嚙合角
校驗行星輪齒裝配條件：
同心條件
為了保證中心輪和行星架軸線重合，各對嚙合齒輪間的中心距必須相等。而對于角度變位傳動，應(yīng)為
裝配條件
由于各行星輪必須均布于中心齒輪之間。為此，各齒輪齒數(shù)與行星輪個數(shù)必須滿足裝配條件，否則，會出現(xiàn)行星齒輪無法裝配的情況。
單排2K-H行星傳動的裝配條件為：兩中心輪的齒數(shù)之和應(yīng)為行星輪數(shù)目的整數(shù)倍。
即 （整數(shù)）
鄰接條件
保證相鄰兩行星輪的齒頂不相碰
即
根據(jù)以上條件，初選模數(shù)為10mm，按照技術(shù)要求查閱相關(guān)手冊，確定第一級行星輪系具體參數(shù)如表3-10。
表4-4 第一級行星輪系參數(shù)
齒數(shù)
模數(shù)
變位系數(shù)
齒頂圓
齒根圓
分度圓
螺旋角
第一級
中心輪
24
10
0
260
215
240
0°
行星輪
38
10
0
400
355
380
0°
內(nèi)齒圈
100
10
0
980
1025
1000
0°
4.6 第二級行星輪系傳動設(shè)計
裝配條件與第一級行星輪系相同。
按照技術(shù)要求查閱相關(guān)手冊，確定第二級行星輪系的參數(shù)，具體參數(shù)如表3-11所示。
表4-5 第二級行星輪系傳動設(shè)計
齒數(shù)
模數(shù)
變位系數(shù)
齒頂圓
齒根圓
分度圓
螺旋角
第二級
中心輪
24
10
0
360
315
240
0°
行星輪
36
10
0
500
455
380
0°
內(nèi)齒圈
120
10
0
1080
1225
1000
0°
4.7第三級平行軸圓柱直齒輪設(shè)計
齒數(shù)分配如下：
=70 =33
具體參數(shù)如表3-12。
表4-6 第三級平行軸直齒輪參數(shù)
齒數(shù)
模數(shù)
變位系數(shù)
齒頂圓
齒根圓
分度圓
螺旋角
第三級
直齒輪一
65
6
0
302
285
290
0°
直齒輪二
22
6
0
144
117
132
0°
標(biāo)準(zhǔn)中心距a=422mm
4.8行星齒輪具體結(jié)構(gòu)的確定
太陽輪的結(jié)構(gòu)
為便于軸與齒輪之間的連接，本文將太陽輪制成齒輪軸的形式，并利用鼓形漸開線花鍵實(shí)現(xiàn)與上一級行星架的連接，可使中心輪在一定范圍內(nèi)輕微擺動，實(shí)現(xiàn)均載。
圖4-2 太陽輪機(jī)構(gòu)
太陽輪的結(jié)構(gòu)如圖3-5所示
行星輪的結(jié)構(gòu)
由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動比較大，故本文中采取軸承安裝在行星齒輪軸孔內(nèi)的方式，以減小傳動的軸向尺寸，并使裝配結(jié)構(gòu)簡化。當(dāng)一般壁厚度3m（m為模數(shù)）時，為改善軸承受力情況，應(yīng)使行星輪孔內(nèi)兩個軸承之間的距離最大，這樣的裝配形式也可使載荷沿齒寬方向分布均勻。在行星輪孔內(nèi)裝一個雙列調(diào)心滾子軸承也可以減小載荷沿齒寬分布的不均勻性。由于行星輪載荷較大，本文中采用了安裝兩個雙列調(diào)心滾子軸承的方式，行星輪結(jié)構(gòu)如圖3-6。
圖4-3 行星輪結(jié)構(gòu)
行星架的結(jié)構(gòu)
行星架是行星傳動中結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的一個重要零件。常用行星架有雙臂整體式、雙臂分離式和單臂式三種。毛坯一般采用鑄造、鍛造和焊接等方法。本設(shè)計中采用了雙臂整體式，毛坯選用鑄鋼材料ZG340—640，這種結(jié)構(gòu)具有良好剛性。
5主軸制動系統(tǒng)的研究
5.1 制動器的結(jié)構(gòu)形式選擇
機(jī)械制動在工作中是一種減慢旋轉(zhuǎn)負(fù)載的制動裝置。通常使用的機(jī)械制動器的分類如下。根據(jù)作用方式可以將機(jī)械制動分為氣功、液壓、電液、電磁和手動等形式。按工作狀態(tài)制動器又可分為常閉式和常開式。常開式制動器只有在施加外力時 才能改變其松閘狀態(tài)，使其緊閘。與此相反，常閉式制動器靠彈簧力的作用經(jīng)常處于緊閘狀態(tài)，運(yùn)行時，需要再施加外力使制動器松閘。為保證安全制動，風(fēng)機(jī)機(jī)組一般選常閉式制動器。
摩擦式制動器按其摩擦副的幾何形狀可分為鼓式、盤式和帶式，以鼓式、盤式制動器應(yīng)用最廣泛。鼓式、盤式制動器的分類如下所示。
5.1.1 鼓式制動器的結(jié)構(gòu)形式
鼓式制動器是最早形式的汽車制動器，當(dāng)盤式制動器還沒有出現(xiàn)前，它已經(jīng)廣泛用干各類汽車上與風(fēng)力發(fā)電組的主軸上制動。鼓式制動器又分為內(nèi)張型鼓式制動器和外束型鼓式制動器兩種結(jié)構(gòu)型式。內(nèi)張型鼓式制動器的摩擦元件是一對帶有圓弧形摩擦蹄片的制動蹄，后者則安裝在制動底板上，而制動底板則緊固在前橋的前梁或后橋橋殼半袖套管的凸緣上，其旋轉(zhuǎn)的摩擦元件為制動鼓。車輪制動器的制動鼓均固定在輪鼓上。制動時，利用制動鼓的圓柱內(nèi)表面與制動蹄摩擦路片的外表面作為一對摩擦表面在制動鼓上產(chǎn)生摩擦力矩，故又稱為蹄式制動器。外束型鼓式制動器的固定摩擦元件是帶有摩擦片且剛度較小的制