2.2　風力發電機結構

水平軸式風力發電裝置主要由以下幾部分組成：風輪、停車制動器、傳動機構（增速箱）、發電機、機座、塔架、調速器或限速器、調向器等，如圖2-1所示。

2.2.1　風輪

風力機是一種流體渦輪機械，與別的流體渦輪機械（如燃氣輪機、汽輪機）的主要區別是風輪。高速風力機的風輪葉片特別少，一般由2～3個葉片和輪轂組成。風輪葉片的功能與燃氣輪機、汽輪機的葉片功能相同，是將風的動能轉換為機械能并帶動發電機發電。

風力機葉片都要裝在輪轂上，通過輪轂與主軸連接，并將葉片力傳到風力機驅動的對象（發電機、磨機或水車等）。同時輪轂也實現葉片槳距角控制，故需有足夠的強度。有些風力機采用定槳距角葉片結構，可以簡化結構、提高壽命和降低成本。

（1）輪轂

輪轂可用鑄鋼或鋼板焊接而成。鑄鋼的輪轂在加工前先要對鑄件進行探傷，絕不允許存在夾渣、縮孔、砂眼、裂紋等缺陷，否則要重新澆鑄。焊接的輪轂，焊縫必須經過超聲波檢查，并按槳葉可能承受的最大離心力載荷確定鋼板的厚度。此外，還要考慮交變應力引起的焊縫疲勞。

（2）槳葉與輪轂的連接

槳葉與輪轂的連接通常有剛性和柔性兩種。小、微型風力機一般都采用槳葉軸與風輪旋轉軸相垂直的剛性連接方式。下風向布置的中、大型風力機，為了增大葉尖與塔架之間的凈距，槳葉軸與主軸之間的角度往往小于90°，而使風輪在旋轉時形一個錐面。這種有“預錐角”的連接方式，不僅可以減少塔影效應的影響，而且在正常運行時，槳葉的彎曲應力還會明顯地減少，這是由于氣動推力所產生的彎矩與離心力的作用相互抵消的結果。只要錐角選擇得當（理想狀態tanγ=Fb-Fc，見圖2-2），其合成力矩可以為零，此時槳葉將只受拉應力的作用。假如槳葉與輪轂是鉸接的，亦即“預錐角”γ在旋轉中是可變的，其補償效果會更好一些。槳葉的“預錐角”一般取50°～90°。大型的風輪風力機槳葉與輪轂的連接有的還采用柔性的蹺蹺板式結構，這種結構使槳葉在其旋轉面前后5°范圍內可以自由地擺動，因而能有效地避開接近地面時風剪切的影響，其缺點是結構比較復雜。

實踐證明，槳葉與輪轂連接所用的螺栓，不僅材質要好，而且還要用雙耳止動墊圈將螺母鎖定才能有效地防止松動。

（3）槳葉軸的強度校核

作用于槳葉上的各種載荷中，槳葉軸所承受的應力是最大的，因此設計時必須進行強度校核。

在計算槳葉軸強度時，應考慮兩種負荷情況。

①槳葉位于水平方向　這時槳葉軸主要承受重量力矩Mg、氣動力矩Mb、工作力矩Mp以及離心拉力Fo的作用，如圖2-3所示。

危險斷面D處的重量力矩（N·m）為

Mg=Gb（Rg-l）　　（2-1）

式中　Gb——槳葉所受重力，N；

Rg——槳葉重心到風輪中心的距離，m；

l——槳葉軸危險斷面到風輪中心的距離，m。

槳葉的氣動力矩是氣動推力所產生的彎矩，可用下式進行估算（N·m）

式中　R——風輪半徑，m；

Fb——槳葉所受的氣動推力，N。

槳葉的工作力矩為（N·m）

式中　P——風力機的軸功率，kW；

n——風輪的轉速，r/min。

槳葉的離心力為（N）

Fc=mbRgΩ2　　（2-4）

式中　mb——槳葉的質量，kg；

Ω——風輪旋轉角速度，s-1。

槳葉軸在水平位置時危險斷面的應力為（N/cm2）

式中　Wb——槳葉軸危險斷面的抗彎截面模數，cm3；

Ab——槳葉軸危險斷面的面積，cm2。

②槳葉軸位于垂直方向　旋轉著的風力機，當風向突然改變時，它還將繞塔架中心回轉而自動迎風。此時風力機的主要部件除受到正常的載荷Mp、Mb、Gb和Fc作用外，還承受因回轉而產生的附加力矩-陀螺力矩的作用。槳葉軸的陀螺力矩為（N·m）

Md=2JbΩωsinΩt　　（2-6）

式中　Jb——槳葉的轉動慣量，kg·m2；

ω——風輪繞塔架中心的回轉角速度，s-1。

從式（2-6）不難看出：Md隨槳葉在空間的方位而變化（圖2-4）。當槳葉在水平位置時Md=0，在垂直方向時達到最大值，此時

Md=2JbΩω　　（2-7）

Md矢的方向垂直于自轉角速度矢和進動角速度矢所組成的平面，并力圖使自轉角速度矢沿最短的路徑與進動角速度矢重合，亦即垂直于Ω和ω所組成的平面，并力圖使Ω轉向ω。

2.2.2　調速器和限速裝置

用調速器和限速裝置實現風力機在不同風速時，轉速恒定和不超過某一最高轉速限值。當風速過高時，這些裝置還用來限制功率，并減小作用在葉片上的力。調速器和限速裝置有三類：偏航式，氣動阻力式和變槳距角式。

（1）偏航式

小型風力機的葉片一般固定在輪轂上，不能改變槳距角。為了避免在超過設計風速太多的強風時，風輪超速甚至吹毀葉片，常采用使整個風輪水平或垂直轉角的辦法，以便偏離風向，達到超速保護的目的。這種裝置的關鍵，是把風輪軸設計成偏離軸心一個水平或垂直的距離，從而產生一個偏心距。相對的一側安裝一副彈簧，一端系在與風輪成一體的偏轉體上，一端固定在機座底盤或尾桿上。預調彈簧力，使在設計風速內風輪偏轉力矩小于或等于彈簧力矩。當風速超過設計風速時，風輪偏轉力矩大于彈簧力矩，使風輪向偏心距一側水平或垂直旋轉，直到風輪受的力矩與彈簧力矩相平衡。在遇到強風時，可使風輪轉到與風向相平行，以達到風輪停轉。

（2）氣動阻力式

將減速板鉸接在葉片端部，與彈簧相連。在正常情況下，減速板保持在與風輪軸同心的位置；當風輪超速時，減速板因所受的離心力對鉸接軸的力矩，大于彈簧張力的力矩，從而繞軸轉動成為擾流器，增加風輪阻力起到減速作用。風速降低后，它們又回到原來位置。利用空氣動力制動的另一種結構，是將葉片端部（約為葉片總面積的1/10）設計成可繞徑向軸轉動的活動部件。正常運行時，葉尖與其他部分方向一致，正常做功。當風輪超速時，葉尖可繞控制軸轉60°或90°，從而產生空氣阻力，對風輪起制動作用。葉尖的旋轉可利用螺旋槽和彈簧機構來完成，也可由伺服電動機驅動。

（3）變槳距角式

采用變槳距角除可控制轉速外，還可減小轉子和驅動鏈中各部件的壓力，并允許風力機在很大的風速下還能運行，因而應用相當廣泛。在中、小型風力機中，采用離心調速方式比較普遍，利用槳葉或安裝在風輪上的配重所受的離心力來進行控制。風輪轉速增加時，旋轉配重或槳葉的離心力隨之增加并壓縮彈簧，使葉片的槳距角改變，從而使受到的風力減小，以降低轉速。當離心力等于彈簧張力時，即達到平衡位置。在大型風力機中，常采用電子控制的液壓機構來控制葉片的槳距。例如，美國MOD20型風力發電機利用兩個裝在輪轂上的液壓調節器來控制轉動主齒輪，帶動葉片根部的斜齒輪來進行槳距角調節；美國MOD21型風力發電機，則采用液壓調節器推動連接葉片根部的連桿來轉動葉片，這種葉片槳距角控制，還可改善風力機的啟動特性、發電機聯網前的速度調節（減少聯網時的沖擊電流）、按發電機額定功率來限制轉子氣動功率，以及在事故情況下（電網故障、轉子超速、振動等）使風力發電機組安全停車等。

2.2.3　調向裝置

風力機可設計成順風向和逆風向兩種形式，一般大多為逆風向式。順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（對大型的順風向風力機，為減輕結構上的振動，往往也有采用對風控制系統的）。逆風向風力機則必須采用調向裝置，常用的有以下幾種。

（1）尾舵調向

主要用于小型風力發電裝置，如圖2-5所示。它的優點是能自然地對準風向，不需要特殊控制。尾舵面積A’與風輪掃掠面積A之間應符合下列關系：

式中　e——為轉向軸與風輪旋轉平面間的距離；

l——為尾舵中心到轉向軸的距離。

尾舵調向裝置結構笨重，因此很少用于中型以上的風力機。

（2）側風輪調向

在機艙的側面安裝一個小風輪，其旋轉軸與風輪主軸垂直。如果主風輪沒有對準風向，則側風輪會被風吹動，產生偏向力，通過蝸輪蝸桿機構使主風輪轉到對準風向為止。

（3）風向跟蹤裝置調向

對大型風力發電機組，一般采用電動機驅動的風向跟蹤裝置來調向。整個偏航系統由電動機及減速機構、偏航調節系統和扭纜保護裝置等部分組成。偏航調節系統包括風向標和偏航系統調節軟件。風向標對應每一個風向，都有一個相應的脈沖輸出信號，通過偏航系統軟件確定其偏航方向和偏航角度，然后將偏航信號放大傳送給電動機，通過減速機構轉動風力機平臺，直到對準風向為止。如機艙在同一方向偏航超過3圈以上時，則扭纜保護裝置動作，執行解纜。當回到中心位置時解纜停止。

2.2.4　傳動機構

風力發電機的傳動機構一般包括低速軸、高速軸、增速齒輪箱、聯軸器和制動器等（圖2-6）。但不是每一種風力機都必須具備所有這些環節，有些風力機的輪轂直接連接到齒輪箱上，就不需要低速傳動軸。也有一些風力機（特別是小型風力機）設計成無齒輪箱的，風輪直接驅動發電機。

風力機所采用的齒輪箱一般都是增速的，大致可以分為兩類，即定軸線齒輪傳動和行星齒輪傳動。“定軸線齒輪傳動”結構簡單，維護容易，造價低廉。“行星齒輪傳動”具有傳動比大、體積小、重量輕、承載能力大、工作平穩和在某些情況下效率高等優點，缺點是結構相對較復雜，造價較高。

（1）主軸（低速軸）

①主軸與風輪的連接　風輪通過鍵把轉矩傳到主軸上。小、微型風力機一般采用單鍵，中、大型風力機可根據傳遞轉矩的大小選用單鍵或雙鍵。如采用雙鍵，兩個鍵的位置應錯開180°。實踐證明主軸與輪轂的連接部分最好要有1:10的錐度，亦即軸端最好呈圓錐形。這種結構不僅裝配牢固、拆卸方便，而且還避免了圓柱形軸端應力集中的影響。鎖定風輪用的軸端螺母，究竟采用右旋螺紋還是左旋螺紋，要視風輪的轉向而定。如果順風看風輪是順時針旋轉，則螺母要用左旋螺紋，反之要用右旋螺母，因為只有這樣才能保證風力機在旋轉中螺母越轉越緊而不致松脫。為安全起見，螺母上最好還應有止動墊圈。

主軸的材料，小、微型風力機多采用45鋼，而中、大型風力機可選用40Cr或其他高強度的合金鋼，這兩種材料都要經過調質處理。因為經調質處理后的鋼材能獲得強度、塑性、韌性三方面都較好的綜合力學性能，所以設計時，在主軸加工圖上必須注明這一技術要求。

主軸上的推力軸承應按風輪在運行中所承受的最大氣動推力來選取。

②主軸的強度校核　根據國內外的實踐經驗，低速軸的直徑通常取風輪直徑的1％，亦即d=0.01D。若按這一標準設計，其強度一般是有保證的。作用在主軸上的主要負載有工作轉矩Mp，風輪的陀螺力矩Mr，以及風輪所受的重力Gr。軸端所承受的合成應力為（N/cm2）

式中　Mr——風輪的陀螺力矩，N·m；

Gr——風輪所受重力，N；

Mr的大小與槳葉數B有關，當B=2時，

Wa——軸端抗彎截面模數，cm3；

Aa——軸端截面積，cm2。

Mr=2JrΩω　　（2-10）

當B≥3時，

Mr=JrΩω　　（2-11）

式中　Jr=BJb——風輪繞主軸的轉動慣量，kg·m2。

如用單鍵［圖2-7（a）］

若用雙鍵［圖2-7（b）］

式中　b——鍵槽寬度，cm；

t——鍵槽深度，cm。

倘若軸端呈圓錐形，其d為平均值。

（2）增速器

與風力機匹配的增速器，不僅要體積小、重量輕、效率高、噪聲小，而且還應載荷能力大，啟動力矩小。鑒于這些要求，所以風力機增速器的選擇至關重要。

實現增速的方法很多，最常用的有齒輪、皮帶輪和鏈輪傳動三種，現將其優缺點及使用范圍分述如下。

①齒輪傳動　齒輪傳動由于基本上能滿足增速器的上述要求，所以在風力機上獲得了最廣泛的應用。齒輪增速器通常有圖2-8～圖2-12所示的五種，比較分析如下。

a.二級圓柱齒輪增速器（圖2-8）和同軸式齒輪增速器（圖2-9），加工工藝和裝配結構均較簡便，維護也比較簡單。但體積大、結構笨重、效率也低，且二級圓柱增速器的載荷在齒寬上分布不均勻，輸入與輸出軸又不在一條直線上，安裝、使用不很方便。同軸式中間軸承的潤滑較困難，高速軸齒輪的能力未得到充分的發揮。作為風力發電用的增速器，尤其是功率較大時，這兩種增速器顯然有其不足之處。

b.少齒差行星齒輪增速器（圖2-12），結構緊湊，體積小，重量輕，且由于它采用內嚙合傳動，綜合曲率半徑大，接觸強度高，運轉平穩，噪聲也小。若采用短齒制，其彎曲強度較高，效率也較高。但少齒差傳動結構和計算均較復雜，且行星架軸承受力大，壽命也短，輸出機構的精度要求也比較高。此外，對風力發電機組而言，少齒差傳動參數選擇的范圍較窄，不易找到較為理想的合理參數的結構。

c.NW型（圖2-10）與NGW型（圖2-11）行星齒輪增速器，同樣具有少齒差傳動的優點。與前幾種增速器相比，NW型與NGW型可以增加浮動機構，從而使輪齒受載均勻。

綜上所述，NW型與NGW型行星齒輪增速器用在風力發電上是較為合適的。

齒輪增速器的傳動比可根據風輪與發電機的轉速之比確定，而功率則要按風力機輸出功率的1.2～1.5倍數考慮。

最后還應指出：選用齒輪增速器時，要注意其輸入軸與輸出軸的方向是一致還是相反，否則將造成被動，甚至不能使用。此外，如要求的傳動比與標準值相差太大，最好委托齒輪專業廠制造，而不要擅自請一般工廠加工，因為非專業工廠生產的齒輪，往往達不到精度要求，而且熱處理質量也不一定有保證，這一點需引起注意。

②皮帶輪傳動　皮帶輪傳動通常有三角皮帶和同步齒形皮帶兩種。前者的主要優點是價格便宜，所以多用于傳動比不很大的微型風力機上。它的致命缺點是長度會隨氣溫的高低而伸縮，使用中要經常進行調整，否則不是打滑就是過緊。后者實質上是帶齒的平皮帶，它是以鋼絲繩或合成纖維為強力層，以聚氨酯或氯丁膠為基體的皮帶。同步齒形皮帶的優點是傳動準確、不會打滑，且可以在低速下傳遞動力。此外，它還具耐油、耐磨以及抗老化等性能。主要缺點是齒形加工復雜、安裝要求嚴格，且成本較高。上海膠帶廠目前已有8種模數（1.5、2、2.5、3、4、5、7、10）的產品出售。權衡同步齒形皮帶的優缺點，把它作為小型風力機的傳動裝置還是可以的。

③鏈輪傳動　鏈輪傳動的優點是滑動少、效率高，且能在低速下使用，若用高速場合，通常會有振動與噪聲。此外，還要解決鏈條的潤滑、密封以及拉緊等問題，因而實用的價值不是很大，目前在風力機增速傳動上已不多見了。

總之，風力機的增速機構究竟采用哪一種形式，要視具體情況而定。比如齒輪傳動盡管優點很多，但其價格較高，所以直徑2m以下的微型風力機最好盡量不要采用，否則將使塔架上方的重量增加，整機造價提高。此外，設計時還要牢牢記住：盡可能選用市場上能買到的標準產品，這樣不僅價格要比非標準的便宜，而且一旦發生故障或超過使用年限需要更換部件時，由于備品容易采購，故檢修期可以縮短，因而停機帶來的損失相對也就小一些。

（3）聯軸器

傳動裝置中的聯軸器最好選用尼龍柱銷式。它不僅具備結構簡單，制造容易，經久耐用和維護方便等優點，而且還有緩沖減振的功能，因此用在風力機上十分合適。尼龍柱銷聯軸器的設計業已標準化，可選用HL系列，柱銷的材料應為尼龍6，其力學性能要符合規定。

2.2.5　塔架

風力機的塔架除了要支撐風力機的重量外，還要承受吹向風力機和塔架的風壓，以及風力機運行中的動載荷。它的剛度和風力機的振動特性有密切關系，特別對大、中型風力機的影響更大。塔架和基礎是風力發電機組的主要承載部件。其重要性隨著風力發電機組的容量增加，高度增加，愈來愈明顯。在風力發電機組中塔架的重量占風力發電機組總重的1/2左右，其成本占風力發電機組制造成本的15％左右，由此可見塔架在風力發電機組設計與制造中的重要性。

由于近年來風力發電機組容量已達到5MW，風輪直徑達126m，塔架高度達100m。在德國，風力發電機組塔架設計必須經過建筑部門的批準和安全證明。

2.2.6　附屬設備

為了使風力機能正常地運轉，塔架上方除風輪、傳動裝置、對風裝置以及調速機構外，還應配備一些必不可少的附屬部件，如機艙、機座、回轉體以及制動裝置等。本節將逐一進行討論。

（1）機艙

風力機長年累月在野外運轉，不但要經受狂風暴雨的襲擊，還時刻面臨塵砂磨損和鹽霧侵蝕的威脅。為了使塔架上方的主要設備及附屬部件（槳葉及尾舵或舵輪除外）免受風砂、雨雪、冰雹以及鹽霧的直接侵害，往往用罩殼把它們密封起來，這罩殼就是“機艙”。

機艙要設計得輕巧、美觀并盡量帶有流線型，下風向布置的風力發電機組尤其需要這樣，最好采用重量輕、強度高而又耐腐蝕的玻璃鋼制作；也可直接在金屬機艙的面板上相間數以玻璃布與環氧樹脂以形成“土”的玻璃鋼保護層。小型風力機的機艙尚可用角鋼作骨架，用鍍鋅鋼板或塑料復合薄鋼板作面板。倘若用普通薄鋼板作面板，則要先經過除銹處理后，再刷上耐腐蝕的冷固型環氧樹脂漆，并要定期進行維護保養。

小型風力機的機艙，上半中間部分應有能拉開或掀起的活動艙蓋，以便停機時可對機艙內有關設備進行檢查或向增速器加油。對中、大型風力機，在下機艙的后半部最好要有吊孔，大小至少要保證發電機轉子和增速器的大齒輪能由此進出，否則將給機艙內大部件的檢修造成困難，這一點在機艙設計時務必注意，并設法盡量做到。

（2）機座

機座用來支撐塔架上方風力機的所有設備及附屬部件，它牢固與否將直接關系到整機的安危和使用壽命。

機座的設計要與整體布置統一考慮，在滿足強度和剛度要求的前提下，應力求耐用、緊湊、輕巧。小、微型風力機由于塔架上方設備少、重量輕、機座實質上就是由底板再焊以適當的加強肋構成。中、大型風力機的機座相對來講要復雜一些，它通常由縱梁、橫梁為主，再輔以臺板、腹板、肋板等焊接而成。焊接時必須嚴格根據焊接工藝施焊，并采取必要的技術措施以減少變形。主要焊縫需經探傷檢查，決不允許有未熔合、未焊透，更不得有裂紋、夾渣、氣孔等缺陷。焊好后還要進行校正、找平等工作。臺板面應統一刨平，而后由熟練的鉗工劃線鉆地腳螺栓孔。如要在機座上焊以吊架，則要預先設計好并在臺板面刨之前焊好。臺板面一經刨平，絕不允許再對機座進行焊接作業，機座制作完畢，除臺板面外，其余部分均要刷上防銹漆。

傳動裝置與發電機等主要設備在機座上安裝就位并找好中心后，應再餃孔并打上定位銷。

（3）回轉體

回轉體實際上就是機座與塔架之間的連接件。通常由固定套、回轉圈以及位于它們之間的軸承組成。固定套鎖定在塔架上部，而回轉圈則與機座相連。這樣通過它們之間的軸承作用，風力機在風向變化時，就能繞其回轉而自動迎風。

作用到回轉體上的不僅有塔架上方所有設備與附屬部件的重量，而且還有作用于風輪及回轉體本身上的氣動推力，因此回轉體選用的軸承，應該既能承受軸向力又能承受徑向力。中、大型風力機的回轉設備通常借用塔式吊車上的回轉機構，這種機構所采用的交叉軸承可以同時承受軸向和徑向的聯合載荷，所以用到風力機上完全可以滿足要求。小型風力機的回轉體通常是在上下各設一個軸承，這兩個軸承都可以選用圓錐滾子軸承（圖2-13），也可以上面用向心球軸承以承受徑向載荷，而下面用推力軸承來支撐塔架上方的全部重量。微型風力機由于塔架上方設備的重量往往不足100kg，如回轉體也采用滾動軸承，則會造成風力機對風向的變化過于敏感，致使風輪頻繁地回轉，這樣不但不能充分地捕捉風能，而且還會使部件的壽命縮短。所以，微型風力機的回轉體不宜采用滾動軸承，而要用青銅加工的軸套。

（4）制動裝置

制動裝置或稱剎車機構，是風力機極為重要的附屬部件，它保證風力機在維修或大風期間風輪處于制動狀態，而不致盲目旋轉。

剎車機構可以裝在低速軸上，也可以設在高速軸上。低速軸上的制動力矩比高速軸大i倍（i為增速比），因此它的剎車機構大一些。低速軸一經“抱閘”，風輪、傳動裝置以及發電機等都轉動不起來，人們可以放心地在機艙里進行增速器、發電機以及其他部件的檢查或維修。如剎車機構設置在高速軸上，雖然制動力矩比低速軸小許多，但增速器一旦解體檢查，對低速軸還要施以臨時制動，這就不怎么方便了。因此，剎車機構究竟安放在哪里？在設計時要經過認真比較后再作決定。

小、微型風力機的剎車機構一般都安放在低速軸上，而且往往都采用帶式制動器，經過一套滑輪組把剎車繩從回轉體中間引下來。開機前先松開制動，停機后再施以抱閘的操作，均可在地面上通過剎車繩得以實現。為了使小、微型風力機的尾舵具有對風與折尾兩種功能，尾桿與機座的連接要采用鉸接，而不是剛性連接的方式。這種系統的剎車與折尾可以做成聯動的，拉緊剎車繩后，既可實現折尾，又能達到抱閘制動之目的。反之，放松剎車繩，可同時實現松閘刃與對風。

滑輪的材料盡量不用鋼，最好用耐磨的尼龍6車制，因鋼制滑輪與銷軸一旦銹蝕就會卡澀，而轉動不起來。

中、大型風力機的剎車機構可選用YWZ型液壓式或YDWZ型液壓電動式制動器，從地面進行遙控。倘若機組采用液壓變距調節，則最好配備以嵌盤式液壓制動器，因為兩者可共用一個液壓泵，使系統更加簡單、緊湊。