方案设计2

幻灯片 1 幻灯片 2 2、风力发电机组方案设计（2） 内容2.1. 叶轮直径2.2. 额定风速2.3. 叶轮转速2.4. 叶片数2.5. 功率控制2.6. 制动系统2.7. 定速与变速运行2.8. 发电机类型2.9. 传动系2.10. 塔架的刚度2.11. 人身安全与通道 幻灯片 3 幻灯片 4 2.7. 定速与变速运行定速运行：控制简单，但不能最大限度获得风能。主要问题：z定桨距机组在低风速运行时的效率较低—由于转速恒定，而风速变化（如运行风速范围为3~25m/s）；—如果设计低风速时效率过高，叶片会过早失速。z发电机本身在低负荷时的效率问题—当P>30%的额定功率时，效率>90%；—但P<25%的额定功率时，效率将急剧下降。解决办法：两速运行和变速运行。 定速与变速运行1）双速运行将发电机分别设计成4极和6极。一般6极发电机的额定功率设计成4极发电机的1/4到1/5。如600Kw机组：6极——150Kw 4极——600Kw 1.3MW机组：6极——250Kw 4极——1300Kw特点：——叶轮和发电机在低风速段的效率提高；——与变桨距机组在额定功率前的功率曲线差别缩小。 幻灯片 5 定速与变速运行 幻灯片 6 双速发电机的功率曲线：功率大发电机功率曲线小发电机切换到大发电机小发电机功率曲线风速大发电机切换到小发电机发电机切换回差 2）变速运行优点：z在的风速段，改变叶轮转速保持最佳尖速比；z叶轮的低速运行降低了噪声；z叶轮像飞轮一样，调节气动扭矩的波动，使之平稳传给传动系；z通过变流器与电网相连，电能闪烁降低，品质提高。两种变速方式：z宽幅变速：叶轮转速从0到额定转速，发电机静子通过变流器与电网连接。z窄幅变速：叶轮转速从30～50％电机同步转速到额定转速。发电机静子直接连接电网，转子通过滑环和变流器与电网连接。 幻灯片 7 变速运行失速调节桨距调节 幻灯片 8 主动失速变速恒频z其它变速运行方式1.变滑差运行2.变速齿轮箱3.自动变速箱 2.8. 发电机类型z风力发电机中使用的发电机通常有两种：——同步电机：定速机组较少采用——感应电机：定速机组较多采用z从动力学的角度看，——同步电机可以看作一个扭转弹簧：弹性扭矩正比于转子磁场和静子磁场的角度差。——异步电机可看作一个扭转阻尼器：阻尼扭矩正比于转子磁场和静子磁场的转速差。z在周期性的气动扭矩的作用，传动系要求较大的阻尼。因此定速风力发电机更多地使用异步发电机而不是同步发电机。 幻灯片 9 发电机类型•叶轮输出的周期性气动扭矩 幻灯片 10 发电机类型•同步发电机和异步发电机的简化模型叶轮发电机同步电机传动连接电网发电机电网叶轮异步电机传动连接 幻灯片 11 发电机类型zzzzz定速机组使用同步电机，它是一个两弹簧两质量系统。在叶轮的周期性扭矩作用下，由于传动系没有阻尼而易发生扭转振动。定速机组使用异步电机，电机相当于一个扭转阻尼。可以抑制传动系可能发生的扭振。叶轮的周期性扭矩将出现在叶片的通过频率，该频率常常和连接电网的小型同步机的固有振动频率非常接近。变速机组的电机不是直接连接电网，因此可以使用同步电机。对同步电机的使用，人们曾经做过许多尝试。 幻灯片 12 发电机类型——直接驱动式机组zzzz对于旋转电机的功率输出可表示为：P＝KD2Ln如果降低转速n，则需增加长度L或直径D。显然增加直径更经济。因此直驱式机组通常采用大直径而较短的长度。感应电机要求很小的气隙，以保证适当的气隙磁通密度。而同步电机的转子上带励磁系统，可以在大气隙时运行。由于机械和热力学的原因，小气隙的大电机是难以制造的。因此，直驱式机组使用同步电机，永磁激励或励磁绕组激励。使用同步电机，在电机接入电网前，需要增加一个频率固定的逆变器，因此可以变速运行。 幻灯片 13 2.9. 传动系支撑的方案1）低速轴的支撑z前后轴承结构 幻灯片 14 传动系支撑的方案z主轴－齿轮箱一体式结构 幻灯片 15 传动系支撑的方案z后轴承置于齿轮箱内的结构 幻灯片 16 传动系支撑的方案z直驱式机组的低速轴——连接叶轮轮毂和发电机转子——中空结构，被机舱底板的伸出部分悬臂支撑。 幻灯片 17 传动系支撑的方案2）高速轴及发电机支撑——发电机通常安置在齿轮箱后部、机舱底板的延伸段上，通过高速轴及弹性联轴器与齿轮箱输出轴相连。——发电机轴线通常偏离低速轴轴线。——为解决电缆缠绕问题，有垂直安置电机的方案。 幻灯片 18 传动系支撑的方案机舱内传动系 幻灯片 19 2.10. 塔架的刚度z风力发电机的稳定性是最主要的特性之一。因此设计中的关键问题之一是避免由于叶轮气动推力的周期性作用导致塔架共振。悬臂式塔架比拉索式塔架的变桨和扭转刚度高。但抵抗相同的弯矩需用的材料较多。在相同刚度时，栅格式塔架所用材料约为圆筒式塔架的一半。栅格式塔架由于大量铰接点的存在，具有比圆筒式塔架更高的结构阻尼。如果叶片的通过频率与塔架的自然频率一致时，塔架可能发生过大的应力和变形。叶片的转动频率可以忽略，因为只有当叶片之间的气动外形有偏差时，才会引起周期性载荷。zzzz 幻灯片 20 塔架的刚度z塔架的分类：——叶轮转动频率：1P，叶片通过频率：3P——刚塔和柔塔：设塔架一阶弯曲固有频率为f，则刚塔：f > 3P柔塔：1P < f < 3P （另称为刚塔）高柔塔f < 1P（另称为柔塔）。zz如果塔架满足强度要求，则它的刚度基本取决于塔架高度和直径的比值。比值越大，塔架越柔。刚塔的优势在于，运行时不会发生共振，噪声很小。但需用的材料太多，超过强度的需要。因此，通常多用柔塔。 幻灯片 21 塔架的刚度例1 某1.3MW风力发电机组选用柔性塔架，风轮转速为19rpm时风轮的转动频率和叶片的通过频率分别为：fr= 19rpm/60s=0.317Hzfb= 0.951Hz因此，塔架的固有频率f0应满足：0.317Hz＜f0＜0.951Hz实际设计的塔架频率f0为0.56Hz，满足要求。 幻灯片 22 塔架的刚度例2 某变速风力发电机组选用柔性塔架，叶轮转速为11rpm和22rpm时叶轮的转动频率和叶片的通过频率分别为：fr1=11rpm/60s=0.183Hzfr2=22rpm/60s=0.366Hzfb1 =0.549Hzfb2 =1.098Hz因此，塔架的固有频率f0应满足：0.366Hz＜f0＜0.549Hz实际设计的塔架频率f0为0.4Hz左右，满足要求。 幻灯片 23 塔架的刚度Campbell图543210.37Hz～0.53Hz00 11 20 30rpm 幻灯片 24 2.11. 人身安全和通道为了保证运行和维护人员的安全，至少需要：①塔架内设置爬梯直通塔顶机舱，并设置跌落保护装置；②每隔20米左右设置一层休息、安全平台；③考虑维护的安全性，设置叶轮和偏航锁定装置；④在偏航、叶轮、机舱等处设置安全带卡头的固定装置；⑤塔架较高时，塔架爬梯设置助力装置。⑥设计初期要考虑在各种天气下进入机舱的可能。⑦工具和备件的运送通道。本章完 幻灯片 25 3、机组零部件设计 幻灯片 26 内容3.1.轮毂3.2.变桨距系统3.3. 主轴与支承3.4.齿轮箱3.5.机械刹车3.6.偏航系统3.7.底板与机舱盖3.8.发电机3.9.塔架设计 幻灯片 27 3.1.轮毂zzz功能：——连接叶片和主轴，最终连接到传动系的其余部件。——必须传递并承受所有来自叶片的载荷。材料：——通常用钢材，焊接或铸造制成。——由于结构一般较复杂，多用球墨铸铁铸造。结构形式：结构形式取决于方案设计，两叶片或三叶片，定桨距或变桨距。水平轴风力发电机采用三种基本形式：——刚性轮毂；——跷跷板式叶片轮毂；——铰接叶片轮毂。 幻灯片 28 轮毂结构形式z刚性轮毂：——轮毂的主要部分相对主轴是固定的。使用最普遍，几乎为三叶片或多叶片机组通用。——三叶片机组的轮毂有两种外形：三叉形和球形。三叉形球形 幻灯片 29 轮毂结构形式z跷跷板式轮毂：连接叶片的部件和连接主轴的部件可以现对运动。通常用于两叶片或单叶片机组。z铰接式轮毂：允许叶片相对旋转平面单独挥舞运动。较少使用。刚性轮毂铰接式轮毂跷跷板式轮毂 幻灯片 30 刚性轮毂zzzz刚性轮毂可用于定桨距叶片和变桨距叶片。如果叶片相对主轴有锥度，可在轮毂上预留接合面。要有足够的强度承受叶片上的气动载荷和其它动态载荷。用于变桨距机组的轮毂，必须提供：——叶根轴承；——可靠的定位措施；——变桨距机构。 幻灯片 31 刚性轮毂刚性轮毂承受的三种载荷情况：1.2.3.对称叶轮推力：所产生的叶根弯矩在轮毂的前端生成双向拉力，在后端生成双向压力。推力本身在轮毂的连接低速轴的法兰附近产生挥舞弯曲应力。在单个叶片上的推力：在轮毂的后端生成挥舞方向的弯曲应力；在轮毂上从变桨轴承的上风侧到连接低速轴的法兰的一段曲线附近生成摆振方向的拉伸应力。叶片重力弯矩：在三叉轮毂中，相等和相反的叶片重力弯矩经过圆柱筒传到轮毂的前端和后端附近，并互相抵消。 幻灯片 32 刚性轮毂情况1:情况2: 幻灯片 33 刚性轮毂zz实际中，是在每个叶根设置一个坐标系来分析6中载荷情况（3个力矩和3个力）。轮毂应力的时间历程可以通过加载时变的叶片载荷来获得。 幻灯片 34 刚性轮毂轮毂与主轴的连接：•小型机可用键联接；•大型机组可用：——收缩盘；——轴端法兰盘（一体或分体）。 幻灯片 35 跷跷板轮毂一般的跷跷板轮毂 幻灯片 36 跷跷板轮毂带δ3角的跷跷板轮毂变桨距的跷跷板轮毂