2.2　风力发电机结构

水平轴式风力发电装置主要由以下几部分组成：风轮、停车制动器、传动机构（增速箱）、发电机、机座、塔架、调速器或限速器、调向器等，如图2-1所示。

2.2.1　风轮

风力机是一种流体涡轮机械，与别的流体涡轮机械（如燃气轮机、汽轮机）的主要区别是风轮。高速风力机的风轮叶片特别少，一般由2～3个叶片和轮毂组成。风轮叶片的功能与燃气轮机、汽轮机的叶片功能相同，是将风的动能转换为机械能并带动发电机发电。

风力机叶片都要装在轮毂上，通过轮毂与主轴连接，并将叶片力传到风力机驱动的对象（发电机、磨机或水车等）。同时轮毂也实现叶片桨距角控制，故需有足够的强度。有些风力机采用定桨距角叶片结构，可以简化结构、提高寿命和降低成本。

（1）轮毂

轮毂可用铸钢或钢板焊接而成。铸钢的轮毂在加工前先要对铸件进行探伤，绝不允许存在夹渣、缩孔、砂眼、裂纹等缺陷，否则要重新浇铸。焊接的轮毂，焊缝必须经过超声波检查，并按桨叶可能承受的最大离心力载荷确定钢板的厚度。此外，还要考虑交变应力引起的焊缝疲劳。

（2）桨叶与轮毂的连接

桨叶与轮毂的连接通常有刚性和柔性两种。小、微型风力机一般都采用桨叶轴与风轮旋转轴相垂直的刚性连接方式。下风向布置的中、大型风力机，为了增大叶尖与塔架之间的净距，桨叶轴与主轴之间的角度往往小于90°，而使风轮在旋转时形一个锥面。这种有“预锥角”的连接方式，不仅可以减少塔影效应的影响，而且在正常运行时，桨叶的弯曲应力还会明显地减少，这是由于气动推力所产生的弯矩与离心力的作用相互抵消的结果。只要锥角选择得当（理想状态tanγ=Fb-Fc，见图2-2），其合成力矩可以为零，此时桨叶将只受拉应力的作用。假如桨叶与轮毂是铰接的，亦即“预锥角”γ在旋转中是可变的，其补偿效果会更好一些。桨叶的“预锥角”一般取50°～90°。大型的风轮风力机桨叶与轮毂的连接有的还采用柔性的跷跷板式结构，这种结构使桨叶在其旋转面前后5°范围内可以自由地摆动，因而能有效地避开接近地面时风剪切的影响，其缺点是结构比较复杂。

实践证明，桨叶与轮毂连接所用的螺栓，不仅材质要好，而且还要用双耳止动垫圈将螺母锁定才能有效地防止松动。

（3）桨叶轴的强度校核

作用于桨叶上的各种载荷中，桨叶轴所承受的应力是最大的，因此设计时必须进行强度校核。

在计算桨叶轴强度时，应考虑两种负荷情况。

①桨叶位于水平方向　这时桨叶轴主要承受重量力矩Mg、气动力矩Mb、工作力矩Mp以及离心拉力Fo的作用，如图2-3所示。

危险断面D处的重量力矩（N·m）为

Mg=Gb（Rg-l）　　（2-1）

式中　Gb——桨叶所受重力，N；

Rg——桨叶重心到风轮中心的距离，m；

l——桨叶轴危险断面到风轮中心的距离，m。

桨叶的气动力矩是气动推力所产生的弯矩，可用下式进行估算（N·m）

式中　R——风轮半径，m；

Fb——桨叶所受的气动推力，N。

桨叶的工作力矩为（N·m）

式中　P——风力机的轴功率，kW；

n——风轮的转速，r/min。

桨叶的离心力为（N）

Fc=mbRgΩ2　　（2-4）

式中　mb——桨叶的质量，kg；

Ω——风轮旋转角速度，s-1。

桨叶轴在水平位置时危险断面的应力为（N/cm2）

式中　Wb——桨叶轴危险断面的抗弯截面模数，cm3；

Ab——桨叶轴危险断面的面积，cm2。

②桨叶轴位于垂直方向　旋转着的风力机，当风向突然改变时，它还将绕塔架中心回转而自动迎风。此时风力机的主要部件除受到正常的载荷Mp、Mb、Gb和Fc作用外，还承受因回转而产生的附加力矩-陀螺力矩的作用。桨叶轴的陀螺力矩为（N·m）

Md=2JbΩωsinΩt　　（2-6）

式中　Jb——桨叶的转动惯量，kg·m2；

ω——风轮绕塔架中心的回转角速度，s-1。

从式（2-6）不难看出：Md随桨叶在空间的方位而变化（图2-4）。当桨叶在水平位置时Md=0，在垂直方向时达到最大值，此时

Md=2JbΩω　　（2-7）

Md矢的方向垂直于自转角速度矢和进动角速度矢所组成的平面，并力图使自转角速度矢沿最短的路径与进动角速度矢重合，亦即垂直于Ω和ω所组成的平面，并力图使Ω转向ω。

2.2.2　调速器和限速装置

用调速器和限速装置实现风力机在不同风速时，转速恒定和不超过某一最高转速限值。当风速过高时，这些装置还用来限制功率，并减小作用在叶片上的力。调速器和限速装置有三类：偏航式，气动阻力式和变桨距角式。

（1）偏航式

小型风力机的叶片一般固定在轮毂上，不能改变桨距角。为了避免在超过设计风速太多的强风时，风轮超速甚至吹毁叶片，常采用使整个风轮水平或垂直转角的办法，以便偏离风向，达到超速保护的目的。这种装置的关键，是把风轮轴设计成偏离轴心一个水平或垂直的距离，从而产生一个偏心距。相对的一侧安装一副弹簧，一端系在与风轮成一体的偏转体上，一端固定在机座底盘或尾杆上。预调弹簧力，使在设计风速内风轮偏转力矩小于或等于弹簧力矩。当风速超过设计风速时，风轮偏转力矩大于弹簧力矩，使风轮向偏心距一侧水平或垂直旋转，直到风轮受的力矩与弹簧力矩相平衡。在遇到强风时，可使风轮转到与风向相平行，以达到风轮停转。

（2）气动阻力式

将减速板铰接在叶片端部，与弹簧相连。在正常情况下，减速板保持在与风轮轴同心的位置；当风轮超速时，减速板因所受的离心力对铰接轴的力矩，大于弹簧张力的力矩，从而绕轴转动成为扰流器，增加风轮阻力起到减速作用。风速降低后，它们又回到原来位置。利用空气动力制动的另一种结构，是将叶片端部（约为叶片总面积的1/10）设计成可绕径向轴转动的活动部件。正常运行时，叶尖与其他部分方向一致，正常做功。当风轮超速时，叶尖可绕控制轴转60°或90°，从而产生空气阻力，对风轮起制动作用。叶尖的旋转可利用螺旋槽和弹簧机构来完成，也可由伺服电动机驱动。

（3）变桨距角式

采用变桨距角除可控制转速外，还可减小转子和驱动链中各部件的压力，并允许风力机在很大的风速下还能运行，因而应用相当广泛。在中、小型风力机中，采用离心调速方式比较普遍，利用桨叶或安装在风轮上的配重所受的离心力来进行控制。风轮转速增加时，旋转配重或桨叶的离心力随之增加并压缩弹簧，使叶片的桨距角改变，从而使受到的风力减小，以降低转速。当离心力等于弹簧张力时，即达到平衡位置。在大型风力机中，常采用电子控制的液压机构来控制叶片的桨距。例如，美国MOD20型风力发电机利用两个装在轮毂上的液压调节器来控制转动主齿轮，带动叶片根部的斜齿轮来进行桨距角调节；美国MOD21型风力发电机，则采用液压调节器推动连接叶片根部的连杆来转动叶片，这种叶片桨距角控制，还可改善风力机的启动特性、发电机联网前的速度调节（减少联网时的冲击电流）、按发电机额定功率来限制转子气动功率，以及在事故情况下（电网故障、转子超速、振动等）使风力发电机组安全停车等。

2.2.3　调向装置

风力机可设计成顺风向和逆风向两种形式，一般大多为逆风向式。顺风向风力机的风轮能自然地对准风向，因此一般不需要进行调向控制（对大型的顺风向风力机，为减轻结构上的振动，往往也有采用对风控制系统的）。逆风向风力机则必须采用调向装置，常用的有以下几种。

（1）尾舵调向

主要用于小型风力发电装置，如图2-5所示。它的优点是能自然地对准风向，不需要特殊控制。尾舵面积A’与风轮扫掠面积A之间应符合下列关系：

式中　e——为转向轴与风轮旋转平面间的距离；

l——为尾舵中心到转向轴的距离。

尾舵调向装置结构笨重，因此很少用于中型以上的风力机。

（2）侧风轮调向

在机舱的侧面安装一个小风轮，其旋转轴与风轮主轴垂直。如果主风轮没有对准风向，则侧风轮会被风吹动，产生偏向力，通过蜗轮蜗杆机构使主风轮转到对准风向为止。

（3）风向跟踪装置调向

对大型风力发电机组，一般采用电动机驱动的风向跟踪装置来调向。整个偏航系统由电动机及减速机构、偏航调节系统和扭缆保护装置等部分组成。偏航调节系统包括风向标和偏航系统调节软件。风向标对应每一个风向，都有一个相应的脉冲输出信号，通过偏航系统软件确定其偏航方向和偏航角度，然后将偏航信号放大传送给电动机，通过减速机构转动风力机平台，直到对准风向为止。如机舱在同一方向偏航超过3圈以上时，则扭缆保护装置动作，执行解缆。当回到中心位置时解缆停止。

2.2.4　传动机构

风力发电机的传动机构一般包括低速轴、高速轴、增速齿轮箱、联轴器和制动器等（图2-6）。但不是每一种风力机都必须具备所有这些环节，有些风力机的轮毂直接连接到齿轮箱上，就不需要低速传动轴。也有一些风力机（特别是小型风力机）设计成无齿轮箱的，风轮直接驱动发电机。

风力机所采用的齿轮箱一般都是增速的，大致可以分为两类，即定轴线齿轮传动和行星齿轮传动。“定轴线齿轮传动”结构简单，维护容易，造价低廉。“行星齿轮传动”具有传动比大、体积小、重量轻、承载能力大、工作平稳和在某些情况下效率高等优点，缺点是结构相对较复杂，造价较高。

（1）主轴（低速轴）

①主轴与风轮的连接　风轮通过键把转矩传到主轴上。小、微型风力机一般采用单键，中、大型风力机可根据传递转矩的大小选用单键或双键。如采用双键，两个键的位置应错开180°。实践证明主轴与轮毂的连接部分最好要有1:10的锥度，亦即轴端最好呈圆锥形。这种结构不仅装配牢固、拆卸方便，而且还避免了圆柱形轴端应力集中的影响。锁定风轮用的轴端螺母，究竟采用右旋螺纹还是左旋螺纹，要视风轮的转向而定。如果顺风看风轮是顺时针旋转，则螺母要用左旋螺纹，反之要用右旋螺母，因为只有这样才能保证风力机在旋转中螺母越转越紧而不致松脱。为安全起见，螺母上最好还应有止动垫圈。

主轴的材料，小、微型风力机多采用45钢，而中、大型风力机可选用40Cr或其他高强度的合金钢，这两种材料都要经过调质处理。因为经调质处理后的钢材能获得强度、塑性、韧性三方面都较好的综合力学性能，所以设计时，在主轴加工图上必须注明这一技术要求。

主轴上的推力轴承应按风轮在运行中所承受的最大气动推力来选取。

②主轴的强度校核　根据国内外的实践经验，低速轴的直径通常取风轮直径的1％，亦即d=0.01D。若按这一标准设计，其强度一般是有保证的。作用在主轴上的主要负载有工作转矩Mp，风轮的陀螺力矩Mr，以及风轮所受的重力Gr。轴端所承受的合成应力为（N/cm2）

式中　Mr——风轮的陀螺力矩，N·m；

Gr——风轮所受重力，N；

Mr的大小与桨叶数B有关，当B=2时，

Wa——轴端抗弯截面模数，cm3；

Aa——轴端截面积，cm2。

Mr=2JrΩω　　（2-10）

当B≥3时，

Mr=JrΩω　　（2-11）

式中　Jr=BJb——风轮绕主轴的转动惯量，kg·m2。

如用单键［图2-7（a）］

若用双键［图2-7（b）］

式中　b——键槽宽度，cm；

t——键槽深度，cm。

倘若轴端呈圆锥形，其d为平均值。

（2）增速器

与风力机匹配的增速器，不仅要体积小、重量轻、效率高、噪声小，而且还应载荷能力大，启动力矩小。鉴于这些要求，所以风力机增速器的选择至关重要。

实现增速的方法很多，最常用的有齿轮、皮带轮和链轮传动三种，现将其优缺点及使用范围分述如下。

①齿轮传动　齿轮传动由于基本上能满足增速器的上述要求，所以在风力机上获得了最广泛的应用。齿轮增速器通常有图2-8～图2-12所示的五种，比较分析如下。

a.二级圆柱齿轮增速器（图2-8）和同轴式齿轮增速器（图2-9），加工工艺和装配结构均较简便，维护也比较简单。但体积大、结构笨重、效率也低，且二级圆柱增速器的载荷在齿宽上分布不均匀，输入与输出轴又不在一条直线上，安装、使用不很方便。同轴式中间轴承的润滑较困难，高速轴齿轮的能力未得到充分的发挥。作为风力发电用的增速器，尤其是功率较大时，这两种增速器显然有其不足之处。

b.少齿差行星齿轮增速器（图2-12），结构紧凑，体积小，重量轻，且由于它采用内啮合传动，综合曲率半径大，接触强度高，运转平稳，噪声也小。若采用短齿制，其弯曲强度较高，效率也较高。但少齿差传动结构和计算均较复杂，且行星架轴承受力大，寿命也短，输出机构的精度要求也比较高。此外，对风力发电机组而言，少齿差传动参数选择的范围较窄，不易找到较为理想的合理参数的结构。

c.NW型（图2-10）与NGW型（图2-11）行星齿轮增速器，同样具有少齿差传动的优点。与前几种增速器相比，NW型与NGW型可以增加浮动机构，从而使轮齿受载均匀。

综上所述，NW型与NGW型行星齿轮增速器用在风力发电上是较为合适的。

齿轮增速器的传动比可根据风轮与发电机的转速之比确定，而功率则要按风力机输出功率的1.2～1.5倍数考虑。

最后还应指出：选用齿轮增速器时，要注意其输入轴与输出轴的方向是一致还是相反，否则将造成被动，甚至不能使用。此外，如要求的传动比与标准值相差太大，最好委托齿轮专业厂制造，而不要擅自请一般工厂加工，因为非专业工厂生产的齿轮，往往达不到精度要求，而且热处理质量也不一定有保证，这一点需引起注意。

②皮带轮传动　皮带轮传动通常有三角皮带和同步齿形皮带两种。前者的主要优点是价格便宜，所以多用于传动比不很大的微型风力机上。它的致命缺点是长度会随气温的高低而伸缩，使用中要经常进行调整，否则不是打滑就是过紧。后者实质上是带齿的平皮带，它是以钢丝绳或合成纤维为强力层，以聚氨酯或氯丁胶为基体的皮带。同步齿形皮带的优点是传动准确、不会打滑，且可以在低速下传递动力。此外，它还具耐油、耐磨以及抗老化等性能。主要缺点是齿形加工复杂、安装要求严格，且成本较高。上海胶带厂目前已有8种模数（1.5、2、2.5、3、4、5、7、10）的产品出售。权衡同步齿形皮带的优缺点，把它作为小型风力机的传动装置还是可以的。

③链轮传动　链轮传动的优点是滑动少、效率高，且能在低速下使用，若用高速场合，通常会有振动与噪声。此外，还要解决链条的润滑、密封以及拉紧等问题，因而实用的价值不是很大，目前在风力机增速传动上已不多见了。

总之，风力机的增速机构究竟采用哪一种形式，要视具体情况而定。比如齿轮传动尽管优点很多，但其价格较高，所以直径2m以下的微型风力机最好尽量不要采用，否则将使塔架上方的重量增加，整机造价提高。此外，设计时还要牢牢记住：尽可能选用市场上能买到的标准产品，这样不仅价格要比非标准的便宜，而且一旦发生故障或超过使用年限需要更换部件时，由于备品容易采购，故检修期可以缩短，因而停机带来的损失相对也就小一些。

（3）联轴器

传动装置中的联轴器最好选用尼龙柱销式。它不仅具备结构简单，制造容易，经久耐用和维护方便等优点，而且还有缓冲减振的功能，因此用在风力机上十分合适。尼龙柱销联轴器的设计业已标准化，可选用HL系列，柱销的材料应为尼龙6，其力学性能要符合规定。

2.2.5　塔架

风力机的塔架除了要支撑风力机的重量外，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特性有密切关系，特别对大、中型风力机的影响更大。塔架和基础是风力发电机组的主要承载部件。其重要性随着风力发电机组的容量增加，高度增加，愈来愈明显。在风力发电机组中塔架的重量占风力发电机组总重的1/2左右，其成本占风力发电机组制造成本的15％左右，由此可见塔架在风力发电机组设计与制造中的重要性。

由于近年来风力发电机组容量已达到5MW，风轮直径达126m，塔架高度达100m。在德国，风力发电机组塔架设计必须经过建筑部门的批准和安全证明。

2.2.6　附属设备

为了使风力机能正常地运转，塔架上方除风轮、传动装置、对风装置以及调速机构外，还应配备一些必不可少的附属部件，如机舱、机座、回转体以及制动装置等。本节将逐一进行讨论。

（1）机舱

风力机长年累月在野外运转，不但要经受狂风暴雨的袭击，还时刻面临尘砂磨损和盐雾侵蚀的威胁。为了使塔架上方的主要设备及附属部件（桨叶及尾舵或舵轮除外）免受风砂、雨雪、冰雹以及盐雾的直接侵害，往往用罩壳把它们密封起来，这罩壳就是“机舱”。

机舱要设计得轻巧、美观并尽量带有流线型，下风向布置的风力发电机组尤其需要这样，最好采用重量轻、强度高而又耐腐蚀的玻璃钢制作；也可直接在金属机舱的面板上相间数以玻璃布与环氧树脂以形成“土”的玻璃钢保护层。小型风力机的机舱尚可用角钢作骨架，用镀锌钢板或塑料复合薄钢板作面板。倘若用普通薄钢板作面板，则要先经过除锈处理后，再刷上耐腐蚀的冷固型环氧树脂漆，并要定期进行维护保养。

小型风力机的机舱，上半中间部分应有能拉开或掀起的活动舱盖，以便停机时可对机舱内有关设备进行检查或向增速器加油。对中、大型风力机，在下机舱的后半部最好要有吊孔，大小至少要保证发电机转子和增速器的大齿轮能由此进出，否则将给机舱内大部件的检修造成困难，这一点在机舱设计时务必注意，并设法尽量做到。

（2）机座

机座用来支撑塔架上方风力机的所有设备及附属部件，它牢固与否将直接关系到整机的安危和使用寿命。

机座的设计要与整体布置统一考虑，在满足强度和刚度要求的前提下，应力求耐用、紧凑、轻巧。小、微型风力机由于塔架上方设备少、重量轻、机座实质上就是由底板再焊以适当的加强肋构成。中、大型风力机的机座相对来讲要复杂一些，它通常由纵梁、横梁为主，再辅以台板、腹板、肋板等焊接而成。焊接时必须严格根据焊接工艺施焊，并采取必要的技术措施以减少变形。主要焊缝需经探伤检查，决不允许有未熔合、未焊透，更不得有裂纹、夹渣、气孔等缺陷。焊好后还要进行校正、找平等工作。台板面应统一刨平，而后由熟练的钳工划线钻地脚螺栓孔。如要在机座上焊以吊架，则要预先设计好并在台板面刨之前焊好。台板面一经刨平，绝不允许再对机座进行焊接作业，机座制作完毕，除台板面外，其余部分均要刷上防锈漆。

传动装置与发电机等主要设备在机座上安装就位并找好中心后，应再饺孔并打上定位销。

（3）回转体

回转体实际上就是机座与塔架之间的连接件。通常由固定套、回转圈以及位于它们之间的轴承组成。固定套锁定在塔架上部，而回转圈则与机座相连。这样通过它们之间的轴承作用，风力机在风向变化时，就能绕其回转而自动迎风。

作用到回转体上的不仅有塔架上方所有设备与附属部件的重量，而且还有作用于风轮及回转体本身上的气动推力，因此回转体选用的轴承，应该既能承受轴向力又能承受径向力。中、大型风力机的回转设备通常借用塔式吊车上的回转机构，这种机构所采用的交叉轴承可以同时承受轴向和径向的联合载荷，所以用到风力机上完全可以满足要求。小型风力机的回转体通常是在上下各设一个轴承，这两个轴承都可以选用圆锥滚子轴承（图2-13），也可以上面用向心球轴承以承受径向载荷，而下面用推力轴承来支撑塔架上方的全部重量。微型风力机由于塔架上方设备的重量往往不足100kg，如回转体也采用滚动轴承，则会造成风力机对风向的变化过于敏感，致使风轮频繁地回转，这样不但不能充分地捕捉风能，而且还会使部件的寿命缩短。所以，微型风力机的回转体不宜采用滚动轴承，而要用青铜加工的轴套。

（4）制动装置

制动装置或称刹车机构，是风力机极为重要的附属部件，它保证风力机在维修或大风期间风轮处于制动状态，而不致盲目旋转。

刹车机构可以装在低速轴上，也可以设在高速轴上。低速轴上的制动力矩比高速轴大i倍（i为增速比），因此它的刹车机构大一些。低速轴一经“抱闸”，风轮、传动装置以及发电机等都转动不起来，人们可以放心地在机舱里进行增速器、发电机以及其他部件的检查或维修。如刹车机构设置在高速轴上，虽然制动力矩比低速轴小许多，但增速器一旦解体检查，对低速轴还要施以临时制动，这就不怎么方便了。因此，刹车机构究竟安放在哪里？在设计时要经过认真比较后再作决定。

小、微型风力机的刹车机构一般都安放在低速轴上，而且往往都采用带式制动器，经过一套滑轮组把刹车绳从回转体中间引下来。开机前先松开制动，停机后再施以抱闸的操作，均可在地面上通过刹车绳得以实现。为了使小、微型风力机的尾舵具有对风与折尾两种功能，尾杆与机座的连接要采用铰接，而不是刚性连接的方式。这种系统的刹车与折尾可以做成联动的，拉紧刹车绳后，既可实现折尾，又能达到抱闸制动之目的。反之，放松刹车绳，可同时实现松闸刃与对风。

滑轮的材料尽量不用钢，最好用耐磨的尼龙6车制，因钢制滑轮与销轴一旦锈蚀就会卡涩，而转动不起来。

中、大型风力机的刹车机构可选用YWZ型液压式或YDWZ型液压电动式制动器，从地面进行遥控。倘若机组采用液压变距调节，则最好配备以嵌盘式液压制动器，因为两者可共用一个液压泵，使系统更加简单、紧凑。