第三节
风力发电机组主要部件

风力发电机组由风轮、风力机组系统、机舱底盘、塔架和基础等几大部分组成。风轮是获取风中能量的关键部件，由叶片、轮毂、变桨系统组成。风力发电机组主要包括主传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机等都在机舱底盘上。机舱底盘的底部与塔架连接。基础和塔架起到支撑风力机的作用，将机组支撑安装到一定高度，以便风轮更好地吸收风能。

并网型风力发电机组由主传动系统、偏航系统、变桨系统、制动系统、液压系统、发电机、冷却润滑系统、控制系统等组成。典型机组的结构如图2-5所示。

一、风轮

风轮主要由叶片、轮毂、变桨系统组成。

1.叶片

叶片具有空气动力外形，在气流作用下产生转矩驱动风轮转动，并通过轮毂将扭矩输入到传动系统。

风轮按叶片数量可以分为单叶片、双叶片、三叶片和多叶片几种，其中三叶片风轮由于稳定性好，在并网型风力发电机组上得到广泛的应用。

（1）叶片的结构类型

1）实心木制叶片 采用优质木材加工而成，由于木材吸收水分容易变形，需在其表面再覆上一层玻璃钢。

2）金属材料叶片 由管梁、金属肋条和蒙皮组成。金属蒙皮做成气动外形，用钢钉和环氧树脂将蒙皮、肋条和管梁粘接在一起。

3）玻璃钢叶片 由梁和具有气动外形的玻璃钢蒙皮做成，玻璃钢蒙皮较厚，具有一定的强度。同时，可以在玻璃钢蒙皮内填充泡沫，以增加强度。

目前，并网型风力发电机组大多采用玻璃钢叶片。玻璃钢叶片具有重量轻、容易成形、耐腐蚀、疲劳强度好、易于修补等优点。

玻璃钢结构的梁作为叶片的主要承载部件，梁常有矩形、I形和C形等形式。常用的玻璃钢结构叶片如图2-6所示。

（2）叶根连接结构型式 叶片通过叶根用螺栓与轮毂连接，叶根的结构有螺纹件预埋式、钻孔组装式和法兰预埋式等结构。

1）螺纹件预埋式。在叶片成形过程中，直接将经过特殊表面处理的螺纹件预埋在玻璃钢中。这种结构形式连接最为可靠，避免了对玻璃钢结构层的加工损伤，唯一要求是每个螺纹件的定位必须准确。其结构型式如图2-7所示。

2）钻孔组装式。叶片成形后，用专用钻床和工装在叶根部位钻孔，将螺纹件装入，如图2-8所示。这种方式要在叶片根部的玻璃钢结构层上加工出几十个 φ 80mm以上的孔，损伤了玻璃钢的结构整体性，降低了叶片根部的结构强度。而且螺纹件的垂直度不易保证，容易给现场组装带来困难。

3）法兰预埋式。将预先加工并经过钻孔、攻螺纹的铝制或不锈钢制法兰预埋到玻璃钢结构层中，如图2-9所示。采用这种结构，由于法兰是预制的，易于保证安装螺栓孔的位置精度，但法兰与玻璃钢结构层的连接较困难。

（3）防雷击系统 叶片是风力机中最易遭受雷击的部件，最易遭受雷击的是叶片的叶尖部分。叶尖遭受雷击后，释放大量的能量，使叶尖结构内部温度急剧升高，制造玻璃钢的树脂等有机材料分解产生大量气体，叶片内气压上升，造成叶尖开裂。通过在叶尖预埋接闪器，用导线将接闪器连接到叶根，通过电刷将雷电流引向机舱，再经过机舱内的接地系统，将雷电流引向大地，可有效地避免叶片遭受雷击。接闪器的结构如图2-10所示。

2.轮毂

轮毂是连接叶片与主轴的部件，将叶片承受的各种力和力矩传递到传动系统。常用的轮毂形式有刚性轮毂和铰链式轮毂两种类型。

（1）刚性轮毂 具有制造成本低、维护少、没有磨损等特点。三叶片风轮大部分采用刚性轮毂，也是目前使用最广泛的一种形式。结构上有球形和三通形两种，其结构如图2-11所示。百千瓦级风力发电机组的轮毂多采用三通形；兆瓦级机组由于叶片连接法兰较大，轮毂受到制造和运输体积、重量等的限制，不可能做得很大，多采用球形轮毂。轮毂多采用球墨铸铁铸造成形。

（2）铰链式轮毂 常用于单叶片和两叶片风力机。轮毂的铰链轴和叶片轴及风轮旋转轴互相垂直，叶片在挥动方向、摆振方向和扭转方向上都可以自由活动，也可以称为柔性轮毂。由于铰链式轮毂具有活动部件，相对于刚性轮毂来说，制造成本高，可靠性相对较低，维护费用高；它与刚性轮毂相比，所受力和力矩较小。对于两叶片风轮，两个叶片之间是刚性连接的，可绕连接轴活动。当气流有变化或阵风时，叶片上的载荷可以使叶片离开原风轮旋转平面。

3.变桨系统

变桨系统有液压变桨系统和电动变桨系统两种类型。

（1）液压变桨 又可分为液压驱动机械变桨和三叶片独立液压变桨两种。

1）在百千瓦级的液压变桨系统中，多采用液压驱动机械变桨结构。安装在机舱后部的一个变桨液压缸，通过一根穿过主轴和齿轮箱的变桨杆驱动安装在轮毂内的曲柄滑块机构，带动3个叶片同步转动。叶片的角度由液压缸的位置决定。这种控制方式较为简单，但是变桨机构中任何一个叶片的传动机构或变桨轴承损坏卡死后，都将造成3个叶片都无法变桨。

2）兆瓦级机组多采用 叶片独立液压变桨机构，3个叶片由安装在轮毂内3个液压缸分别控制，通过控制系统控制3个叶片的同步变桨。其液压和变桨控制系统都很复杂，并安装在轮毂内。但任何一个叶片的变桨机构出故障后，其余两个叶片的变桨机构仍能正常工作，保障机组的安全。

液压变桨通过比例阀或伺服阀配合伺服液压缸或线性传感器组成的闭环控制系统对变桨速度和变桨角度分别进行闭环控制。

（2）电动变桨 通过伺服电动机经减速器减速后，通过开式齿轮传动带动变桨轴承变桨。电动变桨具有结构简单、没有漏油等特点。最早的变桨机构就是电动变桨，但由于当时伺服技术不够完善，经常出现故障或事故。随着现代伺服技术的发展，电动变桨有取代液压变桨的趋势。

二、风力发电机组主要系统

风力发电机组主要由主传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机等组成，均安装在机舱底盘上。

1.主传动系统

由主轴、增速齿轮箱、联轴器等组成。主传动系统将风轮的各种载荷传递到机舱，并将风轮的转速、转矩转化为与发电机相匹配的转速、转矩，传递给发电机。

（1）主传动系统的结构分类 按结构可以分为主轴双支承、主轴单支承、主轴及齿轮箱一体化结构。其结构布置如图2-12所示。

1）主轴采用双支承结构的传动系统。主轴将风轮的各种载荷，包括风轮的推力和弯矩等通过两个轴承传递到机舱，但仅将转矩传递到齿轮箱，且齿轮箱承受的载荷较小。齿轮箱低速轴以轴装的形式用收缩盘刚性连接在主轴末端，齿轮箱左右两端安装有弹性的转矩支承系统，以承受低速轴的反作用转矩。采用这种结构，齿轮箱承受的外部载荷小，并且可以在不拆卸风轮的情况下拆卸齿轮箱。

2）主轴采用单支承结构的传动系统。主轴末端与齿轮箱通过收缩盘刚性连接，通过主轴支承、齿轮箱左右安装端耳形成三支承结构，风轮的各种载荷由主轴和齿轮箱共同承受。

3）主轴及齿轮箱一体化结构的传动系统。主轴成为齿轮箱的一部分，承担风轮的全部载荷，同时齿轮箱箱体又成为机舱底盘的一部分，减少了机舱底盘的尺寸和重量。采用这种结构的传动系统结构紧凑，且轴向尺寸短，因主轴、齿轮箱为一体，同轴度好，并且主轴轴承与齿轮箱一起采用油润滑，润滑效果好，维护也很方便。

（2）联轴器 安装在齿轮箱和发电机之间，将齿轮箱的输出转矩传递到发电机。风力机中的联轴器常采用挠性联轴器，用于补偿齿轮箱输出轴与发电机轴的不同心。常用的联轴器有十字轴式双万向联轴器、橡胶弹性联轴器、膜片式联轴器等。

1）十字轴式双万向联轴器。利用十字轴之间的关节轴承补偿连接轴之间的不同心。采用这种联轴器需要定期润滑关节轴承，维护工作量大，并且关节轴承间为刚性连接，没有缓冲作用，耐冲击性能差。

2）橡胶弹性联轴器。采用橡胶弹性元件补偿连接轴之间的不同心，具有很好的补偿和缓冲作用，且无须维护。因橡胶有老化现象，需要定期检查并更换。

3）膜片式联轴器。采用复合材料做成的膜片作为弹性元件，由于复合材料强度高、弹性好，因此这种联轴器重量轻，并有很好的缓冲和补偿能力，目前被广泛使用。

2.偏航系统

偏航系统用于调整风力发电机组的方向，使风轮始终处于对准风的方向，以获取最大风能。偏航系统由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器或阻尼器等几部分组成。

（1）偏航轴承 常用的偏航轴承有滑动轴承和回转支承两种类型，如图2-13所示。

滑动轴承常用工程塑料做轴瓦，这种材料即使在缺少润滑的情况下也能正常工作。轴瓦分为轴向上推力瓦、径向推力瓦和轴向下推力瓦三种类型，分别用来承受机舱和叶片重量产生的平行于塔筒方向的轴向力、叶片传递给机舱的垂直于塔筒方向的径向力和机舱的倾覆力矩，从而将机舱受到的各种力和力矩通过这三种轴瓦传递到塔架。

回转支承是一种特殊结构的大型轴承，它除了能够承受径向力、轴向力外，还能承受倾覆力矩。这种轴承已成为系列化产品而大批量生产，可直接选用，目前大多数风力机都采用这种轴承。

（2）偏航驱动装置 通常采用开式齿轮传动。齿圈部分固定在塔架顶部静止不动，小齿轮由安装在机舱上的驱动器驱动带动机舱旋转。偏航驱动器常采用多台电动机驱动，并通过齿轮减速器得到合适的输出转速和转矩。为了保证偏航的稳定性，偏航速度一般控制在0.1r/min或更慢。

（3）偏航制动器或阻尼器 为了保证风力机在停止偏航时，不会因叶片受风载荷而被动偏离风向的情况，偏航系统上都装有偏航制动器或阻尼器。

偏航制动器主要有鼓式制动器和盘式制动器两种。因偏航制动力矩大，常采用多制动器结构，但它有结构复杂、成本高、维护工作量大等缺点。

采用滑动轴承的偏航系统，因轴瓦处于干摩擦和边界摩擦状态，且摩擦阻力较大，加上下推力瓦上弹簧的压力，起到了调节偏航阻尼的作用，并不会产生被动偏航的现象，无须再增加偏航制动器。

目前新出现了一种既采用回转支承，又使用偏航阻尼器的结构。采用这种结构综合了两者的优点，回转支承为标准产品，可直接选用，且故障率低，从而解决了使用偏航制动器结构复杂、需定期更换制动片的问题。

（4）偏航控制器 由风向传感器和控制器组成，通过风向传感器检测的风向信号，经过控制器处理后控制偏航驱动器进行对风。

（5）解缆装置 由于风力机总是选择从最近的方向偏航对风，有时由于风向的变化规律，风力机有可能长时间往一个方向偏航对风，这就造成了电缆的缠绕，如果缠绕圈数过多将损坏电缆。为了防止这种现象的发生，通常安装有解缆传感器。通过齿轮传动计数，控制凸轮推动微动开关发出信号控制解缆或通过电子编码器计数控制解缆。

3.液压系统

风力发电机液压系统分为定桨距风力机液压系统和变桨距风力机液压系统两大类。

（1）定桨距风力机的液压系统 用于驱动和控制各种制动器。液压系统的执行机构通常有叶尖挠流器、机械制动器和偏航制动器。采用一套液压站集中供油或各制动器都有独立的液压站供油。

采用集中供油的液压站使用不同的电磁阀控制各个制动器，液压站安装在机舱中，通过液压旋转接头给安装在轮毂内的驱动叶尖挠流器的液压缸供油，因旋转接头长期工作而磨损会造成漏油，需定期更换。定桨距风力发电机组液压系统原理如图2-14所示。

采用独立供油的液压系统，在机舱和轮毂上各安装一套液压站，分别驱动叶尖扰流器和机械制动器。由于液压站安装在轮毂上并随轮毂一起转动，为了防止油箱内的液压油在转动过程中漏油和泵的吸空作用，油箱使用全封闭的压力油箱。油箱内有一个充有一定压力的气囊，以补充泵送出的压力油。液压站通过电刷、集电环供电，并将信号传送到控制器。

（2）变桨距风力机的液压系统 采用液压变桨距的液压系统用于驱动变桨机构和机械制动器。变桨控制采用比例阀进行控制，在应急顺桨状态下，变桨控制电磁阀断电，旁路比例阀、变桨控制电磁阀直接控制变桨液压缸工作，压力油经减压阀减压后供机械制动器工作。变桨距风力发电机液压系统原理如图2-15所示。

4.制动系统

风力发电机组制动系统主要采用两套互相独立的制动器，即为空气制动器和机械制动器。

（1）空气制动器 也是风力机的主制动器。空气制动器具有对风力机传动系统无冲击、无机械磨损等优点。但空气制动器不能使风轮完全停止转动，在维修或需要风轮完全停止转动的情况下，还需要机械制动器配合使用。

定桨距风力机的空气制动器采用叶尖扰流器结构。叶片的叶尖部分做成可以在叶片主体上旋转的部分称为叶尖扰流器。安装在每根叶片根部的液压缸，通过连接在液压缸活塞杆和叶尖轴之间的钢丝绳驱动叶尖运动。正常运行时，液压缸驱动叶尖收回，使叶尖与叶片主体靠拢并成一整体工作。制动停机时，液压系统泄压，叶尖在离心力和弹簧力的作用下弹出。由于叶尖轴上螺旋导槽的作用，叶尖在弹出的同时绕叶尖轴旋转，与叶片主体成90°角，以起到制动作用。叶尖扰流器的结构如图2-16所示。

变桨距风力机通过变桨系统的全叶片应急顺桨来实现空气制动。

（2）机械制动器 这是风力机的辅助制动器，用于配合空气制动器进行制动停机或维修时需要机组完全停止时使用。

定桨距风力机的机械制动器用于配合风力机进行停机操作。正常停机时，叶尖扰流器先工作，当风轮转速下降到大约为额定转速的一半时，机械制动器工作制动停机。在紧急停机情况下和主制动器同时制动停机。即使在叶尖扰流器失效的情况下，也能起到主制动器的作用进行制动停机。定桨距风力机的机械制动器常安装在齿轮箱高速轴上。

风力机中的机械制动器一般采用液压制动器，液压制动器有常开和常闭两种类型。常开型制动器使用液压力进行制动，在电网停电的情况下，靠贮存在液压系统蓄能器中的压力油进行制动。常闭型制动器采用液压力进行松闸，靠制动器中的弹簧进行制动，具有更高的安全性和可靠性。

安装在齿轮箱高速轴上的机械制动器如图2-17所示。

5.发电机

发电机的作用是将风轮的机械能转换为电能，分为异步发电机和同步发电机两种。异步发电机又可分为笼型和绕线转子异步发电机两种。

（1）异步发电机

1）笼型异步发电机。工作在发电状态，由于风力机经常工作在额定功率以下，因此要求这种发电机在低负载情况下要有高的效率。为了提高低风速段的风能转化效率，这种发电机常做成双绕组双速发电机，通过切换绕组进行高低速切换。笼型异步发电机多用于定桨距风力机，通过晶闸管软并网系统直接与电网连接，其转差率大约为0.01，因此使用这种发电机的风力发电机组是恒速风力机。

2）绕线转子异步发电机，这是一种感应发电机，其转子做成绕线转子结构，通过外接电阻调整转子的转差，从而提高发电机的起动性能。由于转差可调，因此其转速可以在一定范围内调整。

3）双馈发电机 在绕线转子异步发电机的转子上通过变频器加上交流励磁，通过调整转子变频器的频率即可控制发电机的转速。这种发电机具有功率因数可调并可发无功的特点，并且在超同步状态下，转子可向电网输送有功功率。这种发电机使用在变桨、变速风力机上，目前广泛用于主流风力发电机组中。

（2）同步发电机

1）同步发电机的并网方式，一种是准同期直接并网，这种方法在早期的风力发电机组中常采用。另一种是交-直-交并网。近年来，由于大功率电子元器件的快速发展，变速恒频风力发电机组得到了迅速的发展。同步发电机也在风力发电机中得到广泛的应用。

2）直接驱动式同步发电机。直接驱动式风力发电机采用多级式同步发电机，这种发电机的直径很大、长度很短。为了减少发电机的维护，直接驱动式发电机多采用永磁式结构。由于发电机的级数不可能做得非常多，目前兆瓦级风力机的风轮转速只有10～20r/min，因此发电机发出的交流电频率不足50Hz，必须通过变频器接入电网。

风力发电机的电压等级多采用690V，通过风力机塔架附近的箱式变压器升压后再输送到附近的变电站二次升压后接入电网。随着机组容量的增大，为了减少输电损耗，常将变压器放在机舱中。

三、机舱底盘、塔架与基础

1.机舱底盘

机舱底盘是风力发电机组的底座，风力发电机组的主要系统和部件都安装在它上面。因此，要求机舱底盘有足够的机械强度和刚度，并且重量轻，有足够的抗振性能。机舱底盘常采用铸造或焊接结构。随着机组容量和体积的增大，为了改善其加工性能，机舱底盘多设计成分体结构拼接而成。

2.塔架

塔架可支撑机舱和风轮到一定的高度，以便更好地吸收风能。随着机组容量的增加，塔架高度和重量也相应增加。随着机组容量和塔架高度的增加，塔架重量占机组重量的比例越来越大。

塔架按照结构材料可分为钢结构塔架和钢筋混凝土塔架。

（1）钢筋混凝土塔架 在早期风力发电机组中，大量采用钢筋混凝土塔架，后来由于风力发电机组批量化生产，从批量生产的需要而被钢结构塔架所取代。近年来随着风力发电机组容量的增加，塔架的直径增大，使得塔架运输出现困难，又有以钢筋混凝土塔架取代钢结构塔架的苗头。

（2）钢结构塔架 按结构类型可分为桁架式和锥筒式两种。

1）桁架式塔架。在早期风力发电机组中大量使用，其主要优点是制造简单、成本低、运输方便，但其主要缺点是不美观、安全性差、不便于维护等。

2）锥筒式塔架。在当前风力发电机组中大量应用，其优点是美观大方，登塔时安全可靠，控制器等设备可直接安装在塔架内。塔架内设置有直梯和平台，以便于登塔。随着机组容量的增大和塔架的增高，塔架内常安装有登塔助力装置或电梯，以便于登塔。

3.基础

根据风电场建设场地不同，可分为陆地风力发电机组和海上风力发电机组的基础。

（1）陆地风力发电机组的基础 按照地质条件件可分为块状基础和桩基础。当天然地基的承载力足够时，多采用块状基础。块状基础结构简单、造价低、工期短。当地基浅层土质软弱时，使用桩基础，在土壤中打入20～30m的钢筋混凝土桩或钢桩，再在上面浇注混凝土平台。

基础由钢筋混凝土组成，通过预埋地脚螺栓或基础环与塔架连接。使用地脚螺栓结构的基础时，地脚螺栓需要预埋在基础内。由于对地脚螺栓安装位置度的要求较高，地脚螺栓需要使用模板安装。使用基础环结构的基础，施工效率高，但安装基础环需要使用起重机械，并对基础环安装法兰进行找平。目前，使用基础环结构的基础正在逐渐取代使用地脚螺栓结构的基础。

（2）海上风力发电机组的基础 目前主要有以下几种：

1）重力基础。先将海上风电机组基础在陆地上用混凝土制成，然后运到海里指定位置安放，用砾石和砂子堆在周围，靠重力固定风力发电机组。目前运用的新技术是用钢板制成圆筒型，并在底上焊接平钢板。其优点是重量轻，便于普通船运和与吊装风力发电机相同的设备在海里安放，然后填充密度很大的橄榄石。

2）单桩基础。将风力机的塔架延伸到水里，用钻孔或撞击的方式将塔架底部插入海床。目前东海示范海上风电场，采用的就是这种单桩基础。

3）三角架式基础。类似海上石油钻台的三角架式基础，用于较深的海上风电场。有关资料研究表明，采用钢结构的基础比混凝土的成本约低35%，尤其是水深超过10m时，钢结构更经济。可以采用阴极保护技术防止钢材的腐蚀。

目前，风力发电机组设计寿命是20年，在海上使用可达25年。基础的成本很高，如果所建基础可以使用50年，第一台机组拆除后用同一个基础再换一台新风电机组，接着使用25年，发电成本能减少25%～33%。 rkIrNjF8+BBGQfBuH+CZ1gtzjO9fvEc+1SkAH4FWiSLd5cNnu9EGnszkmX8151Ka