3.2 機械結構

3.2.1 風輪

風輪是風電機組的核心部件，由葉片、輪轂、風輪軸及變槳機構等組成。風輪是風能轉換為機械能的關鍵部件，決定了整個風電機組的性能。風輪上葉片的氣動特性決定了風電機組的風能利用率，也決定了風電機組機械部件的主要荷載。

3.2.1.1 葉片

風輪葉片主要實現風能的吸收，因此其形狀主要取決于空氣動力學特性，設計目標是最大可能吸收風能。從安全性角度考慮，葉片必須具有可靠的結構強度，具備足夠的承受極限荷載和疲勞荷載能力；合理的葉片剛度，避免葉片與塔架碰撞；良好的結構動力學特性和氣動穩定性，避免發生共振和顫振現象，振動和噪聲小。從經濟性角度，使葉片重量盡可能減輕，降低制造成本。

1．葉片幾何形狀及翼型

大型風電機組的風輪直徑很大，因此葉片長度較長，在旋轉過程中，不同部位的圓周線速度相差很大，導致來風的攻角相差很大，因此風電機組葉片沿展向各段處的幾何尺寸及剖面翼型都發生變化，其中葉片具有以下特征：

（1）平面幾何形狀一般為梯形，沿展向方向上，各剖面的弦長不斷變化。

（2）葉片翼型沿展向上不斷變化，各剖面的前緣和后緣形狀也不同。

（3）葉片扭角也沿展向不斷變化，葉尖部位的扭角比根部小。這里的葉片扭角指在葉片尖部槳矩角為零的情況下，各剖面的翼弦與風輪旋轉平面之間的夾角。

高性能的翼型是確保風電機組氣動性能的關鍵，翼型確定是風電機組葉片研發的關鍵核心技術之一。風能的轉換效率與空氣流過葉片翼型產生的升力有關，因此葉片的翼型性能直接影響風能轉換效率。葉片的剖面翼型應根據相應的外部條件并結合荷載分析進行選擇和設計。傳統的葉片翼型多沿用航空領域的翼型設計，隨著風電技術的發展，國內外一些研究機構開發了多種風電專用的翼型系列，應用較多的有NACA、SERI、NREL、RISΦ-A和FFA-W等翼型系列。

2．葉片結構

風電機組葉片既要求機械性能好、能夠承受各種極端荷載，又要求重量輕、制造和維護成本低，因此均采用輕型材料和結構。葉片剖面結構均為中空結構，由蒙皮和主梁組成，中間有硬質泡沫夾層作為增強材料。圖3-6示出了兩種典型的葉片剖面和主梁結構型式（上下兩片梁帽加以中間腹板連接，或者是梁帽和腹板做成一體，稱為盒式大梁，再通過結構膠與葉殼黏結）。

葉片主梁結構主要承載葉片的大部分彎曲荷載。葉片主梁材料一般需采用單向強度較高的玻纖織物增強，以提高主梁的強度及剛度。根據主梁結構型式，需要進行相應的剖面幾何與力學特性計算，如質心、慣性矩和扭轉剛度分析等。

葉片蒙皮主要由膠衣、表面氈和雙向復合材料鋪層構成，其功能是提供葉片氣動外形，同時承擔部分彎曲荷載和剪切荷載。一些葉片后緣部分的蒙皮采用夾層結構，以提高后緣空腹結構的抗屈曲失穩能力。

葉片蒙皮的鋪層型式主要取決于葉片所受的外荷載，根據外荷載的大小和方向，確定葉片鋪層數量以及鋪層增強纖維的方向。由于葉片所受彎矩、扭矩和離心力都是從葉尖向葉根逐漸遞增，因此鋪層結構的厚度一般從葉尖向葉根逐漸遞增。

3．氣動制動系統

由于風輪在旋轉過程中轉動慣量較大，所以當風速超過切出風速時，變槳調節的風電機組通過對槳距角調整，將槳距角從工作角度調整到順槳狀態，實現緊急制動。

對于失速控制的風電機組，由于葉片與輪轂固定連接，通常采用可旋轉的葉尖實現氣動制動。在風輪運行時，通過液壓缸的驅動拉緊旋轉葉尖，以平衡風輪旋轉產生的離心力；當需要對風輪制動時，液壓缸不再提供對葉尖的拉力，在離心力和彈簧復位機構的作用下，葉尖快速沿葉片展向移動，同時通過螺旋機構的導向，使葉尖繞葉片軸線沿順槳方向旋轉，實現制動功能。

4．葉根連接

葉片所受的各項荷載，無論是拉力還是彎矩、扭矩、剪力都在葉根端達到最大，把整個葉片上所承受的荷載傳遞到輪轂上去。因此，葉根端必須具有足夠的剪切強度、擠壓強度，與金屬的膠結強度也要足夠高，才能承受葉片傳來的巨大荷載。葉根與輪轂的連接主要有法蘭連接和預埋金屬根端連接方式，具體如下：

（1）法蘭連接方式的葉根像一個法蘭翻邊。在此法蘭上，除了有玻璃鋼外，還與金屬盤對拼，在金屬盤上的附件與輪轂相連，如圖3-7（a）所示。

（2）預埋金屬根端連接。在根端設計中，預埋上一個金屬根端，此結構一端可與輪轂連接，另一端牢固預埋在玻璃鋼葉片內，如圖3-7（b）所示。這種根端設計，主要用于新研制的玻璃鋼葉片。這種結構型式避免了對玻璃鋼結構層的加工損傷，經試驗機構試驗證明是可靠的，唯一缺點就是每個螺紋件的定位必須準確。此連接方式的優點：①不需要大重量的法蘭盤，而且法蘭不需要膠結；②在批量生產中只有一個力傳遞元件；③由于采用預緊螺栓，提高了疲勞強度和可靠性。

5．葉片失效及其影響

葉片是風電機組實現將風能轉換成機械能的主要部件，由于長期暴露在高溫、凝凍、風、雨、雷擊、鹽霧、沙塵等條件下，很容易出現故障。常見的葉片故障類型包括表面腐蝕、雷擊、覆冰、裂紋以及極端風造成的葉片斷裂等，如圖3-8所示。

德國Deutsche WindGuardDynamicsGmbH公司對在德國已安裝的2萬臺風電機組葉片故障的統計結果，如圖3-9所示。其中：氣動部件故障率約為40%；導致風輪不平衡問題（氣動不平衡、質量不平衡、不平衡超限）的故障率約為40%；風輪其他故障率略低于20%。

葉片故障主要對葉片的氣動性能、主軸不平衡以及振動和噪聲狀態產生影響。葉片的各類故障都將造成風輪旋轉質量不平衡，對葉片、變槳驅動電機、主軸、齒輪箱、發電機產生磨損，對沒有可靠固定在控制柜的電子器件、偏航驅動、偏航剎車以及塔架和地基產生裂縫等。

3.2.1.2 輪轂

輪轂用于連接葉片和主軸，承受來自葉片的荷載并將其傳遞到主軸上。對于變槳距風電機組，輪轂內的空腔部分還用于安裝變槳距調節機構。輪轂型式主要取決于風輪葉片數量，單葉片和雙葉片風輪的輪轂常采用鉸鏈式輪轂，也稱為柔性輪轂或蹺蹺板式輪轂，葉片和輪轂柔性連接，使葉片在揮舞、擺動和扭轉方向上都具有自由度，以減少葉片荷載的影響。

三葉片風輪的輪轂多采用剛性輪轂型式，葉片與輪轂剛性連接，結構簡單，制造和維護成本低，承載能力大。三葉片風輪具有三角形輪轂和三通式輪轂兩種主要結構型式，如圖3-10所示。其中：三角形輪轂內部空腔小，體積小，制造成本低，適用于定槳距機組；三通式輪轂主要用于變槳距風電機組，其形狀如球形，內部空腔大，可以安裝變槳距調節機構。

3.2.1.3 變槳距機構

現代大型并網風電機組多數采用變槳距機構，其主要特征是葉片可以相對輪轂轉動，實現槳距角的調節。其主要作用有以下方面：

（1）在正常運行狀態下，當風速超過額定風速時，通過改變葉片槳距角，改變葉片的升力與阻力比，實現功率控制。

（2）當風速超過切出風速時，或者風電機組在運行過程出現故障狀態時，迅速將槳距角從工作角度調整到順槳狀態，實現緊急制動。

葉片的變槳距操作通過變槳距系統實現。變槳距系統按照驅動方式可以分為液壓變槳距系統和電動變槳距系統，按照變槳距操作方式可以分為同步變槳距系統和獨立變槳距系統。同步變槳距系統中，風輪各葉片的變槳距動作同步進行，而獨立變槳距系統中，每個葉片具有獨立的變槳距機構，變槳距動作獨立進行。

變槳距風電機組的變槳角度范圍為0°～90°。正常工作時，葉片槳距角在0°附近，進行功率控制時，槳距角調節范圍為0°～25°，調節速度一般為1°/s左右。制動過程，槳距角從0°迅速調整到90°左右，稱為順槳位置，一般要求調節速度較高，可達15°/s左右。風電機組啟動過程中，葉片槳距角從90°快速調節到0°，然后實現并網。

1．變槳距機構組成

葉片變槳距機構主要由葉片與輪轂間的變槳軸承、變槳驅動機構、執行機構、備用供電機構和控制系統組成。變槳距機構的硬件安裝在輪轂內部，變槳距機構的基本結構如圖3-11所示。由電動機和減速器構成驅動機構和執行機構，葉片變槳旋轉動作通過軸承由內嚙合齒輪副實現。

2．變槳距軸承

變槳距軸承是變槳裝置的關鍵部件，除保證葉片相對輪轂的可靠運動外，同時提供了葉片與輪轂的連接，并將葉片的荷載傳遞給輪轂。

3．變槳距驅動部件

變槳距驅動部件可采用電動或液壓驅動，早期的變槳距機組以液壓驅動方式為主，但是液壓系統存在漏油問題。隨著伺服電動機技術的發展，近年來電動變槳驅動已被多數機組采用。

電動變槳距機組一般均為獨立變槳距機組。每個葉片都有一套驅動裝置，全部安裝在輪轂內。變槳驅動裝置主要由電動機、大速比減速機和開式齒輪傳動副組成，以適應變槳操作的速度要求。

變槳距驅動的電動機一般采用含有位置反饋的直流伺服電動機。在驅動裝置的功率輸出軸端，安裝與變槳軸承齒輪傳動部分嚙合的小齒輪，與變槳軸承的大齒輪組成開式齒輪傳動副。該齒輪副的嚙合間隙需要通過調整驅動裝置與輪轂的相對安裝位置實現。

3.2.2 傳動系統

傳動系統用來連接風輪與發電機，將風輪產生的機械轉矩傳遞給發電機，同時實現轉速的變換。目前風電機組較多采用的齒輪箱傳動系統結構，如圖3-12所示，包括風輪、低速軸（主軸）、增速齒輪箱、高速軸（齒輪箱輸出軸）、發電機、機架及機械制動裝置等部件。整個傳動系統和發電機安裝在主機架上。作用在風輪上的各種氣動荷載和重力荷載通過主機架及偏航系統傳遞給塔架。

3.2.2.1 風輪主軸

風輪主軸一端連接風輪輪轂，另一端連接增速齒輪箱。其支撐結構型式與增速齒輪箱的型式密切相關。

1．主軸支撐結構型式

風輪主軸用滾動軸承支撐在主機架上，如圖3-13所示。按照支撐方式不同，主軸可以分為以下結構型式。

（1）獨立軸承支撐結構，如圖3-13（a）所示。主軸由前后兩個獨立安裝在主機架上的軸承支撐，共同承受懸臂風輪的重力荷載，軸向推力荷載由前軸承（靠近風輪）承受，只有風輪轉矩通過主軸傳遞給齒輪箱。由于前軸承為主要承載部件，通常為減小懸臂風輪重力產生的彎矩，前軸承支撐盡可能靠近輪轂，并通過增加前后軸承的間距調整軸承的荷載。因而此種主軸結構相對較長，制作成本較高。但由于齒輪箱與主軸相對獨立，便于采用標準齒輪箱和主軸支撐構件。這種支撐結構主要用于中小型風電機組，在大型風電機組中很少采用。

（2）主軸前軸承獨立安裝在機架上，后軸承與齒輪箱內軸承做成一體，如圖3-13（b）所示。前軸承和齒輪箱兩側的扭轉臂形成對主軸的三點支撐，故也稱為三點支撐式主軸。這種主軸支撐結構型式在現代大型風電機組中較多采用，其優點是：主軸支撐的結構趨于緊湊，可以增加主軸前后支撐軸承的距離，有利于降低后支撐的荷載；齒輪箱在傳遞轉矩的同時承受葉片作用的彎矩。

（3）主軸軸承與齒輪箱集成型式，如圖3-13（c）所示。主軸的前后支撐軸承與齒輪箱做成整體。其主要優點是：風輪通過輪轂法蘭直接與齒輪箱連接，可以減小風輪的懸臂尺寸，從而降低了主軸荷載；主軸裝配容易，軸承潤滑合理。其主要問題是：由于難于直接選用標準齒輪箱，維修齒輪箱必須同時拆除主軸；輸入大軸與齒輪箱連成一體，齒輪箱傳遞轉矩的同時承受著葉片作用的重力及彎矩。

從齒輪箱維修角度看，輸入大軸單獨支撐，既便于與齒輪箱分離，又能減輕齒輪箱的承載，大大降低維修費用，較為合理。

制造主軸的材料一般選擇碳素合金鋼，毛坯通常采用鍛造工藝。由于合金鋼對應力集中的敏感性較高，軸結構設計中注意減小應力集中，并對表面質量提出要求。各種熱處理、化學處理及表面強化處理，可顯著提高主軸的機械性能。

2．主軸軸承

主軸的前軸承需要承受風輪產生的彎矩和推力，通常采用雙列滾動軸承作為徑向與軸向支撐，典型結構如圖3-14所示。

3．主軸與齒輪箱連接

主軸與齒輪箱輸入軸的連接主要有法蘭、花鍵、脹緊套等方式。隨著風電技術向大功率方向發展，采用脹緊套連接最為常見，如圖3-15所示。脹緊套連接方式的優點為傳遞轉矩大、承載能力強、互換性好、使用壽命長、結構緊湊且具有超載保護功能等。但實際應用中也會出現主軸與齒輪箱輸入軸咬死、分離困難等問題。設計時，在提高材質性能、接合面硬度及表面粗糙度同時，在齒輪箱輸入軸加高壓油孔及油槽是較為有效的解決辦法。

3.2.2.2 增速齒輪箱

1．特點

相對于其他工業齒輪箱，風電機組齒輪箱的設計條件更為苛刻，其基本設計有以下特點：

（1）傳動條件。風電機組齒輪箱屬于大傳動比、大功率的增速傳動裝置，且需要承受多變的風荷載作用及其他沖擊荷載；由于維護不便，對其運行可靠性和使用壽命的要求較高，通常要求設計壽命不少于20年；設計過程往往難以確定準確的設計荷載，而結構設計與荷載譜的匹配問題在很大程度上也是導致其故障的重要誘因。

（2）運行條件與環境。風電機組齒輪箱常年運行于酷暑、嚴寒等極端自然環境條件，且安裝在高空，維修困難。因此，除常規狀態機械性能外，對構件材料還需要求低溫狀態下抗冷脆性等特性。由于風電機組長期處于自動控制的運行狀態，需考慮對齒輪傳動裝置的充分潤滑條件及其監測，并具備適宜的加熱與冷卻措施，以保證潤滑系統的正常工作。

（3）設計與安裝條件。有鑒于齒輪箱的體積和重量對風電機組其他部件的荷載、成本等的影響，減小其設計結構和減輕重量顯得尤為重要。但結構尺寸與可靠性方面存在矛盾，使風電機組齒輪箱設計陷入困境。同時，隨著單機功率的不斷增大，對齒輪箱設計形成更大的壓力。

（4）其他。一般需要在齒輪箱的輸入端（或輸出端）設置機械制動裝置，配合風輪的氣動制動實現對風電機組的制動功能。但制動產生的荷載對傳動系統會產生不良影響，應考慮防止沖擊和振動措施，設置合理的傳動軸系和齒輪箱體支撐。其中，齒輪箱與主機架間一般不采用剛性連接，以降低齒輪箱產生的振動和噪聲。

總之，風電機組齒輪箱的總體設計目標為：在滿足傳動效率、可靠性和工作壽命的前提下，以最小的體積和重量獲得更優化的傳動方案。齒輪箱的結構設計過程，應以傳遞功率和空間限制為前提，盡量選擇簡單、可靠、維修方便的結構方案，同時正確處理剛性與結構緊湊性等方面的問題。

2．風電機組齒輪箱的構成及型式

齒輪箱是風電機組傳動系統中的主要部件，需要承受來自風輪的荷載，同時要承受齒輪傳動過程產生的各種荷載，典型的齒輪箱外形如圖3-16所示。其需要根據風電機組的設計要求，為風輪主軸、齒輪傳動機構和傳動系統中的其他構件提供可靠的支撐與連接，同時將荷載平穩傳遞到主機架。

（1）結構型式。由于風電機組的增速要求很大，所以齒輪箱通常需要多級齒輪傳動。大型風電機組的增速齒輪箱的典型設計，多采用行星齒輪與定軸齒輪組成混合輪系的傳動方案。圖3-17示出一種一級行星加兩級定軸齒輪傳動的齒輪箱結構，低速軸為行星齒輪傳動，可使功率分流，同時合理應用了內嚙合。后二級為平行軸圓柱齒輪傳動，可合理分配速比，提高傳動效率。

有些齒輪箱采用多級行星輪系的傳動型式，常用的是三級行星輪加一級平行軸齒輪的傳動結構，如圖3-18所示。采用多級行星輪結構以獲得更加緊湊的結構，但也使齒輪箱的設計、制造與維護難度和成本增加。因此，齒輪箱的設計和選型過程，應綜合考慮設計要求、齒輪箱總體結構、制造能力，以及與風電機組總體成本平衡等因素間的關系，盡可能選擇相對合理的傳動型式。

（2）齒輪材料與連接方式。由于傳動構件的運轉環境和荷載情況復雜，要求所設計采用的材料除滿足常規機械性能條件外，還應具有極端溫差條件下的材料特性，如抗低溫冷脆性、極端溫差影響下的尺寸穩定性等。齒輪、軸類構件材料一般采用低碳合金鋼，毛坯多采用鍛造工藝，以保證良好的材料組織纖維和力學特征。其中：外嚙合齒輪材料推薦20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA等；內嚙合的齒圈和軸類零件材料推薦42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等。

根據傳動要求，設計過程要考慮可靠的構件連接問題。齒輪與軸的連接可采用鍵連接或過盈配合連接等方式，在傳遞較大轉矩場合，一般采用花鍵連接。過盈配合連接可使被連接構件具有良好的對中性并能夠承受沖擊荷載，在風電機組齒輪箱的傳動構件連接中得到了較多的應用。

（3）齒輪箱的箱體結構。箱體是齒輪箱的重要基礎部件，要承受風輪的作用力和齒輪傳動過程產生的各種荷載，必須具有足夠的強度和剛度，以保證傳動的質量。

箱體的設計一般應依據主傳動鏈的布局需要，并考慮加工、裝配和安裝條件，同時要便于檢修和維護。批量生產的箱體一般采用鑄造成型，常用材料有球墨鑄鐵或其他高強度鑄鐵。用鋁合金或其他輕合金制造的箱體，可使其重量較鑄鐵降低20%～30%。但當輕合金鑄件材料的強度性能指標較低時，需要增加鑄造箱體的結構尺寸，可能使其降低重量的效果并不顯著。為保證箱體的質量，鑄造或焊接結構的箱體均應在加工過程安排必要的去應力熱處理環節。

齒輪箱在機架—安裝時一般需考慮彈性減振裝置，最簡單的彈性減振器是用高強度橡膠和鋼結構制成的彈性支座塊，如圖3-19所示。

在箱體上應設有觀察窗，以便于裝配和傳動情況的檢查。箱蓋上還應設有透氣罩、油標或油位指示器。采用強制潤滑和冷卻的齒輪箱，在箱體的合適部位需設置進出油口和相關的液壓元件的安裝位置。

（4）傳動效率與噪聲。齒輪傳動的效率一般比較高，齒輪傳動效率與傳動比、齒輪類型與潤滑油黏度等諸多因素相關。根據經驗，對于定軸傳動齒輪，每級約有2%的損失，而行星輪每級約有1%的損失。在很多情況下，造成齒輪箱傳動功率損失的主要原因，是齒側的摩擦和潤滑過程中以熱或噪聲形式產生的能量消耗。因此，有效的散熱可以提高風電齒輪箱的傳動效率。采用緊湊結構設計型齒輪箱，除了考慮表面冷卻裝置外，一般還應該配備相應的潤滑冷卻系統。除此之外，齒輪箱的傳動效率還與額定功率以及實際傳遞功率有關。風電機組傳動荷載較小時，潤滑、摩擦等空載損失的比重相對增大，導致傳動效率相應下降。

3．齒輪箱及軸承故障

齒輪在運行過程中，齒面承受交變壓應力、交變摩擦力以及沖擊荷載的作用，將會產生各種類型的損傷，導致運行故障甚至失效。齒輪失效的主要形式包括斷齒、齒面變形和損傷，如圖3-20所示。根據故障發生原因可分為交變應力導致點蝕、過載、維護不當等。風電場齒輪箱軸承的承載壓力非常大，疲勞運行、超載、潤滑不足、裝配不當等情況發生時，會產生疲勞損傷乃至失效。

（1）交變荷載引起的疲勞損傷。齒輪嚙合過程中，齒面和齒根部均受周期交變荷載作用，在材料內部形成交變應力，當應力超過材料疲勞極限時，將在表面產生疲勞裂紋，隨著裂紋不斷擴展，最終導致疲勞損傷。這類損傷通常由小到大，由某個或幾個輪齒的局部到整個齒面逐漸擴展，最終導致齒輪失效，失效過程通常會持續一定的時間。疲勞失效主要表現為齒根斷裂和齒面點蝕，具體如下：

1）齒根斷裂。齒根主要承受交變彎曲應力，產生彎曲疲勞裂紋并不斷擴展，最終使齒根剩余部分無法承受外荷載，造成斷齒。

2）齒面點蝕。齒面在接觸點既有相對滾動，又有相對滑動。滾動過程隨著接觸點沿齒面不斷變化，在表面產生交變接觸壓應力，而相對滑動摩擦力在節點兩側方向相反，產生交變脈動剪應力。兩種交變應力的共同作用使齒面產生疲勞裂紋，當裂紋擴展到一定程度時，將造成局部齒面金屬剝落，形成小坑，稱為“點蝕”故障。隨著齒輪工作時間加長，點蝕故障逐漸擴大，各點蝕部位連成一片，將導致齒面整片金屬剝落，齒厚減薄，造成輪齒從中間部位斷裂。

（2）過載引起的損傷。如果設計荷載過大，或齒輪在工作過程中承受嚴重的瞬時沖擊、偏載，使接觸部位局部應力超過材料的設計許用應力，導致輪齒產生突然損傷，輕則造成局部裂紋、塑性變形或膠合現象，重則造成輪齒斷裂。

對于風電機組，由于瞬時陣風、變槳操作、制動、機組啟停以及電網故障等作用，經常會發生傳動系統荷載突然增加，超過設計荷載的現象。過載斷齒主要表現形式為脆性斷裂，通常斷面粗糙，有金屬光澤。

（3）維護不當引起的故障齒面磨損。具體包括：①由于潤滑不足或潤滑油不清潔，將造成齒面嚴重的磨粒磨損，使齒廓逐漸減薄，間隙加大，最終可能導致斷齒；②對于重載和高速齒輪，齒面溫度較高，如果潤滑條件不好，兩個嚙合齒可能發生熔焊現象，在齒面形成劃痕，稱為膠合；③由于電蝕、腐蝕等造成的其他故障。

（4）軸承故障。軸承故障誘因主要包括疲勞損壞、超載、潤滑不足、裝配不當等。由于受交變載荷作用，滾動軸承不可避免會產生疲勞損壞，繼而失效，達到所謂的軸承“壽命”。軸承疲勞損壞的主要形式是在軸承內、外圈或滾動體上發生“點蝕”，其機理與齒輪點蝕故障機理相同。超載造成軸承局部塑性變形、壓痕；潤滑不足造成軸承燒傷、膠合；潤滑油不清潔造成軸承磨損；裝配不當造成軸承卡死、內圈脹破、結構破碎等。軸承損傷使軸承工作狀態變壞，摩擦阻力增大，轉動靈活性喪失，旋轉精度降低，軸承溫度升高，振動噪聲加劇。

4．齒輪箱的潤滑與冷卻

齒輪箱的失效形式與設計和運行工況有關，但良好的潤滑是保證齒輪箱可靠運行的必備條件。為此必須高度重視齒輪箱的潤滑問題，配備可靠的潤滑油和潤滑系統。可靠的潤滑系統是齒輪箱的重要配置，風電機組齒輪箱通常采用強制潤滑系統，可以實現傳動構件的良好潤滑。同時，為確保極端環境溫度條件的潤滑油性能，一般需要考慮設置相應的加熱和冷卻裝置。

齒輪箱還應設置對潤滑油、高速端軸承等溫度進行實時監測的傳感器，防止外部雜質進入空氣過濾器以及雷電保護裝置等附件。潤滑油的品質是潤滑決定性因素之一，對潤滑油的基本要求是考慮其對齒輪和軸承的保護作用。

潤滑油的品質是重要指標。選用時必須嚴格考慮包括減少摩擦、具有較高的承載與防止膠合的能力以及能夠降低振動沖擊、防止疲勞點蝕和冷卻防腐蝕等性能參數。

由于風電齒輪箱屬于閉式硬齒面齒輪傳動，齒面會產生高溫和較大接觸應力，在滑動與滾動摩擦的綜合作用下，若潤滑不良，很容易產生齒面膠合與點蝕失效。因此，硬齒面齒輪傳動潤滑油的選擇，應重點保證足夠的油膜厚度和邊界膜強度。還應注意，常用潤滑油使用一段時間后的性能將會降低，而高品質潤滑油在其整個預期壽命內都可保持良好的抗磨損與抗膠合性能。

黏度是潤滑油的另一個最重要的指標，為提高齒輪的承載能力和抗沖擊能力，根據環境和操作條件，往往需要適當地選擇一些添加劑構成合成潤滑油。但添加劑有一些副作用，應注意所選擇的合成潤滑油要能夠保證在極低溫度狀況下具有較好的流動性，而在高溫時的化學穩定性好并可抑制黏度降低。

為解決低溫下啟動時普通礦物油凍結問題，高寒地區安裝的風電機組需要設置油加熱裝置，一般安裝在油箱底部。在冬季低溫狀況下，可將油液加熱至一定溫度再啟動風電機組，避免因油流動性降低造成的潤滑失效。

5．軸承

風電機組齒輪箱中較多采用圓柱滾子軸承、調心滾子軸承或深溝球軸承。國內外有關標準對風電機組齒輪箱軸承的一般規定為：行星架應采用深溝球軸承或圓柱滾子軸承；速度較低的中間軸可選用深溝球軸承、球面滾子推力軸承或圓柱滾子軸承；高速的中間軸則應選擇四點接觸球軸承或圓柱滾子軸承；高速輸出軸和行星輪采用圓柱滾子軸承等。

風電機組齒輪箱軸承的承載壓力很大，如有些推力球軸承的球與滾道間最大接觸壓力可達1.66GPa。此外，軸承旋轉時承載區域將承受周期性變化的荷載，滾道表面將受循環應力作用，易導致軸承由于滾動表面的疲勞而失效。

在通用的軸承設計標準，如《滾動軸承額定動荷載和額定壽命》（DINISO281—2010）中對軸承額定壽命計算有很多的條件假設。但對于對風電機組使用的大型軸承而言，設計中需要考慮標準的適用條件。例如，滾動表面粗糙部分的接觸可能導致該處的接觸壓力值顯著增加。特別是在潤滑不足、油膜不夠的情況下，高載和低載產生的粗糙接觸所導致塑性變形是軸承的失效原因之一。

對于在低速重載工況運行的軸承，若油膜厚度很小，容易導致很高的應力值，使軸承產生疲勞失效。此外，金屬顆粒的污染物也容易引起軸承失效，金屬顆粒引起的壓痕導致了局部高接觸應力，損傷的軸承滾道由于壓力分布以及變形后的幾何形狀將導致該處成為失效點。高速運行工況的軸承，可能出現速度不勻和滑動現象。雖然軸承滾動體的滑動在潤滑良好的時候不一定導致軸承損傷，但在潤滑不足時一定會導致軸承接觸表面的損傷或黏著磨損，并進一步轉化為灰色斑和擦傷。

3.2.2.3 軸的連接與制動

1．高速軸聯軸器

為實現風電機組傳動鏈部件間的扭矩傳遞，傳動鏈的軸系還需要設置必要的連接構件（如聯軸器等）。某風電機組高速軸與發電機軸間的聯軸器結構，如圖3-21所示。齒輪箱高速軸與發電機軸的連接構件一般采用柔性聯軸器，以彌補風電機組運行過程軸系的安裝誤差，解決主傳動鏈軸系的不對中問題。同時，柔性聯軸器還可以增加傳動鏈的系統阻尼，減少振動的傳遞。

齒輪箱與發電機之間的聯軸器設計，需要同時考慮對機組的安全保護功能。由于風電機組運行時可能產生異常情況下的傳動鏈過載，如發電機短路導致的轉矩可以達到額定轉矩的6倍，但為了降低設計成本，一般不將轉矩作為傳動系統的設計參數，所以在高速軸上安裝防止過載的柔性安全聯軸器，不僅可以保護重要部件的安全，也可以降低齒輪箱的設計與制造成本。

聯軸器設計還需要考慮完備的絕緣措施，以防止發電系統寄生電流，對齒輪箱產生不良影響。

2．制動機構

當遇有破壞性大風、風電機組運轉出現異常或者需要進行保養維修時，采用制動機構使風輪停下來。大型風電機組的制動機構均由氣動制動和機械制動兩個部分組成，在實際制動操作過程中，先執行氣動制動，使風輪轉速降到一定程度后，再執行機械制動。只有在緊急制動情況下，同時執行氣動制動和機械制動。

（1）氣動制動機構。定槳距機組通過葉尖制動機構實現氣動制動；變槳距機組則通過將葉片槳距角調整到順槳位置實現氣動制動。

（2）機械制動機構。一般采用盤式結構，如圖3-22所示，制動盤安裝在齒輪箱輸出軸與發電機軸的彈性聯軸器前端，機械制動時，液壓制動器抱緊制動盤，通過摩擦力實現制動動作。機械制動機構需要一套液壓系統提供動力。對于采用液壓變槳系統的風電機組，為了使系統簡單、緊湊，可以使變槳距機構和機械制動機構共用一個液壓系統。

3.2.3 機艙、主機架與偏航系統

風電機組在野外運轉，工作條件惡劣，為了保護傳動系統、發電機以及控制裝置等部件，將它們用輕質外罩封閉起來，稱為機艙。主機架用于安裝風電機組的傳動系統及發電機，并與塔架頂端連接，將風輪和傳動系統產生的所有荷載傳遞到塔架上，具體如圖3-23和圖3-24所示。

偏航系統主要用于調整風輪的對風方向。偏航系統是水平軸風電機組的重要組成部分。根據風向的變化，偏航操作裝置按系統控制單元發出指令，使風輪處于迎風狀態，同時還應提供必要的鎖緊力矩，以保證機組的安全運行和停機狀態的需要。下風向風力機的風輪能自然地對準風向，因此一般不需要進行調向控制（對大型的下風向風力機，為減輕結構上的振動，往往也采用對風控制系統）。上風向風力機則必須采用偏航系統進行調向。

大型風電機組主要采用電動機驅動的偏航系統。該系統的風向信號來自裝在機艙上面的風向標。通過控制系統實現風輪方向的調整。

1．偏航系統的基本構成

偏航系統主要由偏航軸承，傳動、驅動與制動等功能部件或機構組成。一種采用滑動軸承支撐的主動偏航裝置結構如圖3-25所示。

偏航操作裝置安裝于塔架與主機架之間，通過固定齒圈與主機架運動部位的配合，采用滑動軸承實現主機架軸向和徑向的定位與支撐（即偏航軸承）。在主機架上安裝主傳動鏈部件和偏航驅動裝置，通過偏航滑動軸承實現與大齒圈的連接和偏航傳動。用四組偏航電機主軸軸承與齒輪箱集成型式的風電機組主機架與塔架固定連接的大齒圈，實現偏航的操作。

當需要隨風向改變風輪位置時，通過安裝在驅動部件上的小齒輪與大齒圈嚙合，帶動主機架和機艙旋轉使風輪對準風向。

2．偏航驅動機構

偏航驅動機構一般由偏航驅動電機、大速比減速機和開式齒輪傳動副組成，通過法蘭連接安裝在主機架上。偏航驅動機構如圖3-26所示。

偏航驅動電機一般選用轉速較高的電機，盡可能減小體積。但由于偏航驅動所要求的輸出轉速很低，必須采用緊湊型的大速比減速機，以滿足偏航動作要求。偏航減速器可選擇立式或其他方式安裝，采用多級行星輪系傳動，以實現大速比、緊湊型傳動的要求。

偏航減速器多采用硬齒面嚙合設計，減速器中主要傳動構件，可采用低碳合金鋼材料，如17CrNiMo6、42CrMoA等制造，齒面熱處理一般采用滲碳淬硬（硬度一般大于HRC58）。根據傳動比要求，偏航減速器通常需要采用3～4級行星輪傳動方案，而大速比行星齒輪的功率分流和均載是其結構設計的關鍵。同時，若考慮立式安裝條件，設計也需要特別關注輪系構件的重力對均載問題的影響。為此，除一級傳動的太陽輪軸外，此種行星齒輪傳動裝置的前三級行星輪的系桿構件以及其他太陽輪軸需要采用浮動連接設計方案。為解決各級行星傳動輪系構件的干涉與裝配問題，各傳動級間的構件多采用漸開線花鍵連接。

為最大限度地減小摩擦磨損，需要特別注意對輪系構件的軸向限位。部分減速機采用復合材料制作的球面接觸結構。偏航減速器箱體等結合面間需要設計良好的密封，并嚴格要求結合面間形位與配合精度，以防止潤滑油滲漏。

3．偏航軸承

偏航軸承是保證機艙相對塔架可靠運動的關鍵構件，如圖3-27所示。滾動體支撐的偏航軸承與變槳軸承相似。相對普通軸承而言，偏航軸承的顯著結構特征在于，具有可實現外嚙合或內嚙合的齒輪輪齒。

風電機組偏航運動的速度很低，一般軸承的轉速n≤10r/min。但要求軸承部件有較高的承載能力和可靠性，可同時承受風電機組的幾乎所有運動部件產生的軸向、徑向力和傾翻力矩等荷載。考慮到風電機組的運行特性，此類軸承需要承受荷載的變動幅度較大，因此對動荷載條件下滾動體的接觸和疲勞強度設計要求較高。

偏航軸承的齒輪為開式傳動，輪齒的損傷是導致偏航和變槳軸承失效的重要因素。由于設計荷載難以準確掌握，軸承質量基本取決于傳動部分的結構強度。同時，由于開式齒輪傳動副需要由與之嚙合的小齒輪現場安裝形成，其嚙合間隙和潤滑條件均難以保證，給齒輪設計帶來一定困難。

4．偏航制動機構

為保證風電機組運行的穩定性，偏航制動機構一般需要設置制動器，多采用液壓鉗盤式制動器，其中：鉗盤式制動器的環狀制動盤通常裝于塔架（或塔架與主機架的適配環節）；制動盤的材質應具有足夠的強度和韌性，一般設計要求風電機組壽命期內制動盤主體不出現疲勞等形式的失效損壞；制動鉗一般由制動鉗體和制動襯塊組成，鉗體通過高強度螺栓連接于主機架上，制動襯塊應由專用的耐磨材料制成。偏航制動機構如圖3-28所示。

對偏航制動機構的基本設計要求是保證機組額定負載下的制動力矩穩定，所提供的阻尼力矩平穩（與設計值的偏差小于5%），且制動過程沒有異常噪聲。偏航制動機構在額定負載下閉合時，制動襯墊和制動盤的貼合面積應不小于設計面積的50%；制動襯墊周邊與制動鉗體的配合間隙應不大于0.5mm。同時，偏航制動機構應設有自動補償機構，以便在制動襯塊磨損時進行間隙的自動補償，保證制動力矩和偏航阻尼力矩的要求。偏航制動機構可采用常閉和常開兩種結構型式。其中：常閉式制動器是指在有驅動力作用條件下制動器處于松開狀態；常開式制動器則是在驅動力作用時處于鎖緊狀態。考慮制動器的失效保護，偏航制動機構多采用常閉式制動結構型式。

3.2.4 塔架

塔架是風電機組的支撐部件，承受機組的重量、風荷載以及運行中產生的各種動荷載，并將這些荷載傳遞到基礎。塔架重量約占整個風電機組重量的1/2，成本約占風電機組制造成本的15%～20%。由于風電機組的主要部件全部安裝在塔架頂端，因此塔架一旦發生傾倒垮塌，往往造成整個機組報廢，因此塔架和基礎對整個風電機組的安全性和經濟性具有重要影響。對塔架和基礎的設計要求是，保證風電機組在所有可能出現的荷載條件下保持穩定狀態，不能出現傾倒、失穩或其他問題。

3.2.4.1 結構類型

風電機組塔架結構型式主要有鋼筋混凝土結構、桁架結構和鋼筒結構三種。

（1）鋼筋混凝土塔架。其主要特點是剛度大，一階彎曲固有頻率遠高于機組工作頻率，因而可以有效避免塔架發生共振。早期的小容量風電機組中曾使用過這種結構。但是隨著單機容量增加、塔架高度升高，鋼混結構塔架的制造難度和成本均相應增大，因此在大型風電機組中很少使用。

（2）桁架塔架。其結構與高壓線塔相似：桁架的耗材少，便于運輸；但需要連接的零部件多，現場施工周期較長；運行中還需要對連接部位進行定期檢查。在早期小型風電機組中，較多采用這種類型塔架結構。隨著高度的增大，這種塔架逐漸被鋼筒塔架結構取代。但是，在一些高度超過100m的大型風電機組塔架中，桁架結構又重新受到重視。因為在相同的高度和剛度條件下，桁架結構比鋼筒結構的材料用量少，而且桁架的構件尺寸小，便于運輸。對于下風向布置型式的風電機組，為了減小塔架尾流的影響，也多采用桁架結構的塔架。

（3）鋼筒塔架。它是目前大型風電機組主要采用的結構型式，從設計與制造、安裝和維護等方面看，這種型式的塔架指標相對比較均衡。

3.2.4.2 塔架結構特征

風電機組的額定功率取決于風輪直徑和塔架高度，隨著風電機組不斷向大功率方向發展，風輪直徑越來越大，塔架也相應地越來越高。但是為了降低造價，塔架的重量受到限制，塔架的結構剛度相對較低。因此細長、輕質塔架體現了風電機組塔架的主要結構特征，也對塔架結構的設計、制造提出了更高的要求。

1．塔架高度

塔架高度是塔架設計的主要因素，塔架高度決定了塔架的類型、荷載大小、結構尺寸以及剛度和穩定性等。塔架越高，需要材料越多，造價高，同時運輸、安裝和維護問題也越大。因此在進行塔架設計時，首先應對塔架高度進行優化；然后在此基礎上，完成塔架的結構設計和校核。

確定塔架高度時，應考慮風電機組附近的地形地貌特征。對于同樣容量的風電機組，在陸地和海上的塔架高度不同，其中：陸地地表粗糙，風速隨高度變化快，因此較高的塔架可獲得更高的收益；海平面相對光滑，風速隨高度變化緩慢，因此塔架高度可相對較小。

2．塔架剛度

剛度是結構抵抗變形的能力。鋼筒塔架是質量均布的細長結構，約占風電機組1/2重量的風輪和機艙安裝于塔頂端，質量相對集中，剛度較低。塔架結構的固有頻率取決于塔架的剛度和質量，剛度越低，固有頻率越低。機組運行時，塔架承受風輪旋轉產生的周期性荷載，如果荷載的頻率接近甚至等于塔架的固有頻率，將會產生共振現象，使塔架產生很大的振動。因此對于剛度較低的塔架結構，振動問題是塔架設計考慮的主要因素之一。為保證作用在塔架上的周期性荷載的頻率（如風輪旋轉頻率、葉片通過頻率及其諧頻等）避開塔架結構彎曲振動的固有頻率，要求塔架具有合適的剛度。

按照整體剛度不同，塔架結構型式可以分為以下類型：

（1）剛性塔架。剛度較高，塔架的一階彎曲振動固有頻率高于葉片通過頻率，例如鋼筋混凝土塔架結構。其優點是可以有效避免共振，缺點是用材料多，成本高，現代大型風電機組很少采用這類剛性塔架結構。

（2）柔性塔架。整體剛度較低，塔架的一階彎曲振動固有頻率低于葉片通過頻率。通常把一階彎曲振動固有頻率介于風輪旋轉頻率和葉片通過頻率之間的塔架稱為柔性塔架，而把一階彎曲振動固有頻率低于風輪旋轉頻率的塔架稱為超柔性塔架。鋼筒塔架通常均為柔性塔架，其優點是塔架重量小，耗材少，成本低；缺點是由于塔架固有頻率與風輪旋轉頻率以及葉片通過頻率處于同一數量級，如果結構設計不當，可能使得在風輪的工作轉速范圍內，風輪旋轉頻率或葉片通過頻率與塔架固有頻率發生重疊，產生嚴重的共振現象。因此，設計要求對塔架動態特性進行精確的分析計算和調整，使塔架一階彎曲振動固有頻率避開風輪旋轉頻率和葉片通過頻率，避免運行中由于結構共振造成的荷載放大。

3.2.4.3 鋼筒塔架制造、運輸及安裝

隨著風電機組容量逐漸加大，塔架的高度、重量和直徑相應增大。一些大型兆瓦機組塔架高度超過100m，重量超過100t。如果塔筒重量太大、直徑超標，都將給運輸和安裝帶來新的問題。

對于高度超過30m的錐形鋼筒塔，通常分成幾段進行加工制造，然后運輸到現場進行安裝，用螺栓將各段塔筒連接成整體。塔筒的分段加工主要考慮制造成本、運輸能力、生產批量和條件等因素，每段長度一般不超過30m。

塔筒通常采用寬2m、厚10～40mm的鋼板，經過卷板機卷成筒狀，然后焊接而成。塔筒材料的選擇依據環境條件而定，可以選用碳素結構鋼Q235B、Q235C、Q235D，或高強度結構鋼Q345B、Q345C、Q345D。連接法蘭一般選用高強度鋼。

塔筒通常采用自動焊，焊接應嚴格按照焊接工藝規程，焊縫要求嚴格。焊接加工后，應進行消除應力處理，并對焊縫做超聲波或X射線探傷，檢查是否存在焊接缺陷。每段塔筒加工完成后，表面涂防銹漆和裝飾漆。

每段塔筒兩端焊有連接法蘭，現場安裝時，用螺栓將各節塔筒連成一體，形成最終的整體塔筒。法蘭與鋼筒的焊接要求很高，不能出現焊接變形。要求兩節塔筒連接后，在連接法蘭處不能出現間隙。連接法蘭在塔筒內部，便于安裝螺栓和檢修。此外，在塔筒內部每隔一定距離（例如3m）增加內部加強環以增加剛度。

塔架頂部與機艙通過水平偏航軸承法蘭連接。塔筒一側通常是偏航軸承的靜止部分，通常采用高強度鑄鋼。塔筒底部開門處采取折邊和加強筋，避免局部失穩。

各段塔筒加工完后，在存放、運輸和安裝現場水平放置，末端用木頭墊起，并用地毯等軟材料保護。塔筒安裝時基礎法蘭的水平度不超過0.3mm，并且沒有嚴重劃痕。塔筒安裝所用到的連接螺栓和螺母應由同一廠家提供，成套使用。

在進行塔筒吊裝前，將通信電纜放入塔筒內固定好，塔筒內安裝照明燈。安裝前2h內，在法蘭表面距外緣10mm處涂上薄層密封膠；檢查塔筒表面損傷、法蘭表面損傷及法蘭表面形狀。

塔筒吊裝之前，先將控制柜放在基礎底座上。在塔筒頂法蘭上均勻固定4個起吊裝置，使螺栓保持水平后均勻上緊螺栓。

吊裝完成后，緊固所有基礎螺栓，并按規定檢查螺栓連接狀態。安裝塔筒的螺栓和螺母均不可加潤滑劑。

3.2.5 其他部件

風電機組設備中，除了以上介紹的各個部件和系統以外，還包括發電機、控制系統等主要部件。發電機是將風能最終轉變為電能的設備。控制系統是風電機組核心系統，對機組在整個啟動停機、并網運行、變頻調速、變槳偏航、安全保護、緊急制動等各個環節進行監控，保證機組安全高效運行。

由于風輪、傳動機構、偏航機構等屬于風電機組中的機械部件，而發電機和控制系統具有特殊性，因此互相對風電機組產生的安全影響不同。