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湘潭大學本科畢業(yè)設計說明書 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文 題 目：風力發(fā)電機傳動鏈設計 專 業(yè)：機械設計制造及其自動 學 號：2010962910 姓 名：賀勃 指導教師：彭銳濤 完成日期：2014年5月26日 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設計）任務書 論文（設計）題目：風力發(fā)電機傳動鏈設計 學號：2010962910 姓名：賀勃 專業(yè)：機械設計制造及其自動 指導教師： 彭銳濤 系主任： 一、主要內容及基本要求 現(xiàn)代風力發(fā)電機組正在向輕型、高效、高可靠性及大型化方向發(fā)展，減小機組故障率，可靠、安全、穩(wěn)定是所有風機廠商追求的目標之一，這就要求風機的主傳動鏈具有可靠的性能，風機主傳動鏈包括主軸、齒輪箱（增速箱）、機械剎車以及相關組件。針對這一需求，本設計以大中型風力發(fā)電機主傳動鏈的設計、動力學分析和運動仿真為主要內容。 主要的研究內容為： 主軸結構設計，參數(shù)計算與校核，齒輪箱傳動結構形式的確定，要求采用行星齒輪傳動，總傳動比的分配，各級齒輪參數(shù)的優(yōu)選，校核單個齒輪的彎曲安全系數(shù)和接觸強度安全系數(shù)，剎車方案與結構設計，基于Solid Works的力學分析與運動仿真等。 基本要求： 字數(shù)8000字以上；圖紙在兩張A0以上。 二、重點研究的問題 風機主傳動鏈包括主軸、齒輪箱（增速箱）、機械剎車以及相關組件的結構設計，力學分析，參數(shù)計算，三維建模，仿真。其中齒輪箱的設計之中的行星輪系傳動設計，齒輪、軸、軸承的計算與校核，三維建模師最主要的研究內容。主軸和剎車的結構設計與仿真于是重點內容。 三、進度安排 序號 各階段完成的內容 完成時間 1 資料收集 3.11 2 畢業(yè)設計開題 3.11~3.17 3 方案確定 3.22 4 設計計算 4.15 5 畢業(yè)設計中期檢查 4.15~4.21 6 三維建模及運動力學仿真 5.5 7 完善設計、翻譯及論文撰寫 5.25 8 畢業(yè)答辯 5.25~6.2 四、應收集的資料及主要參考文獻 [1].陳乃士主編。減速器和變速器設計與選用手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007 . [2].廖念釗, 古瑩蓭，莫雨送等主編.互換性與技術測量[M].北京：中國計量出版社，2007 [3].濮良貴，紀名剛主編。機械設計（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2006 [4].徐灝主編.機械設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006 . [5].成大生主編.機械設計手冊單行本[M].化學工業(yè)出版社，2004. [6].全國滾軸標委員會主編.中國機工標準匯編（滾動軸承卷）[M].北京:中國標準出本社2004. [7].宮靖遠主編.風電工程技術手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社.2007 [8].Erich Hau 編著.Wind Turbines.Spring [M].2005. [9].陳超祥主編.SolidWorks Motion 運動仿真教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012. [10].陳超祥主編.SolidWorks Simulation 基礎教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012. [11]. CAD\CAM\CAE技術聯(lián)盟主編。SolidWorks2012中文版從入門到精通[M].北京：清華大學出版社.2012. [12].姚興佳主編.風力發(fā)電機技術講座[M].沈陽工業(yè)大學風能技術研究所.2006. [13]韓德海.風力發(fā)電機主軸系統(tǒng)的結構分析研究[D].重慶大學碩士論文，2009. 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設計）評閱表 學號 2010962910 姓名 賀勃 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計）題目：風力發(fā)電機傳動鏈設計 評價項目 評 價 內 容 選題 1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的； 2.難度、份量是否適當； 3.是否與生產、科研、社會等實際相結合。 能力 1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力； 2.是否有綜合運用知識的能力； 3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力； 4.是否具備一定的外文與計算機應用能力； 5.工科是否有經濟分析能力。 論文 （設計）質量 1.立論是否正確，論述是否充分，結構是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范； 2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何； 3.有無理論價值或實際應用價值，有無創(chuàng)新之處。 綜 合 評 價 論文選題符合培養(yǎng)目標要求，能體現(xiàn)學科專業(yè)特點，達到了綜合訓練的目的。該生具有較強的文獻查閱、資料綜合歸納整理的能力，能在設計中熟練運用所學知識，設計方案可行，工作量飽滿，論文質量符合本科生畢業(yè)設計要求。 同意參加答辯 評閱人： 2014年5月30 日 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設計）鑒定意見 學號： 2010962910 姓名： 賀勃 專業(yè)：機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計說明書） 51 頁 圖 表 6 張 論文（設計）題目：風力發(fā)電機傳動鏈設計 內容提要： 風力發(fā)電機傳動鏈設計主要內容為設計1500KW風力發(fā)電機的傳動鏈，主要設計 包括風力發(fā)電機傳動鏈的主軸設計，主軸設計中包含主軸的方案選擇以及主軸應力的 核算等。增速器設計主要包括，增速器的行星齒輪設計，行星齒輪架設計等。制動器 設計，制動器設計方案的選擇，以及制動器的基本計算。 本設計中不僅包含基本的風力發(fā)電機的設計，還有風力發(fā)電機發(fā)展前景以及國內 外風力發(fā)電機現(xiàn)狀的基本介紹，現(xiàn)有的風力發(fā)電機技術的介紹等。目前風力發(fā)電機的 發(fā)展趨勢為大型化、簡單化，設計重點集中在可靠性。目前風力發(fā)電機的主要難點也 集中在這些方面，中國的風力資源占有率處在世界前列，風力發(fā)電的發(fā)展還有很大的 發(fā)展空間，特別是在大功率風力發(fā)電機上。 風能是一種清潔并且可再生的能源，利用風能發(fā)電能夠大量減少其它發(fā)電方式對環(huán) 境的污染。風力發(fā)電機的原理是：一定速度前進的風吹在靜止的風力機葉片上做功并驅 動發(fā)電機發(fā)電，先通過葉輪將風能轉變成機械能，在由發(fā)電機將機械能轉變成電能。 本文設計了一臺功率為1500千瓦的風力發(fā)電機，其為水平軸風力發(fā)電機，由風輪、 發(fā)電機、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成。對其葉片，行星齒輪增速器，塔架等 進行了詳細的方案選擇及設計計算。 指導教師評語 賀勃同學在畢業(yè)設計期間閱讀了一些國內外相關參考文獻，基本了解相關領域的研究現(xiàn)狀。在畢業(yè)設計期間，對結構方案進行了設計，并對相關零部件進行了校核計算設計，設計較為合理，但是圖紙尚存在較多問題，畢業(yè)設計期間表現(xiàn)一般。 同意參加答辯。建議評定成績?yōu)椤凹案瘛薄? 指導教師： 2014年 5 月30 日 答辯簡要情況及評語 答辯小組組長： 2014年 5 月30 日 答辯委員會意見 答辯委員會主任： 2014年5月30日 目錄 1. 緒論 3 1.1 風力發(fā)電發(fā)展概況 3 1.2 風力發(fā)電的背景 4 1.2.1 能源危機 4 1.2.2 環(huán)境危機 4 1.2.3 可再生能源開發(fā)利用 5 1.2.4 風能開發(fā)利用 5 1.3 風力發(fā)電國內外發(fā)展現(xiàn)狀 6 1.3.1 國外風電發(fā)展現(xiàn)狀 6 1.3.2 國內風電發(fā)展現(xiàn)狀 7 1.4 國內外風電機技術發(fā)展趨勢 7 1.4.1 產業(yè)集中是總的趁勢 8 1.4.2 水平軸風電機組技術成為主流 8 1.4.3 風電機組單機容量持續(xù)增大 8 2. 發(fā)電機的工作原理及基本結構 9 2.1 風電機的功能單元的劃分 9 2.2 風電機組的工作原理 10 2.3 風力發(fā)電機傳動鏈的基本結構及三維建模 12 2.3.1 主軸 12 2.3.2 齒輪箱 12 3. 風電發(fā)電機傳動鏈主要零件的設計計算 13 3.1 確定設計目標 13 3.1.1 風力發(fā)電機總體設計方案 13 3.2 風力發(fā)電機傳動鏈零件設計方案 15 4. 風力發(fā)電機增速器的設計計算 16 4.1 傳動方案的確定 17 4.2 增速器基本設計要求及設計步驟 18 4.3 傳動原理圖 18 4.4 增速器各傳動部件的材料及力學性能 19 4.5 第一級行星輪系傳動設計 20 4.6 第二級行星輪系傳動設計 21 4.7 第三級平行軸圓柱直齒輪設計 22 4.8 行星齒輪具體結構的確定 22 5主軸制動系統(tǒng)的研究 23 5.1 制動器的結構形式選擇 23 5.1.1 鼓式制動器的結構形式 24 5.1.2 盤式制動器的結構形式 26 5.1.3 制動器結構的最終選擇 31 5.2 盤式制動器的結構 31 5.2.1 制動器主要部件的結構 31 5.2.2 制動器的工作原理及安裝位置 35 5.3 制動器靜載荷接觸分析 35 5.3.1 制動任務 35 5.3.2 計算最大制動力矩和卡鉗夾緊力 36 6傳動軸的設計 39 6.1高速軸的設計 39 6.2低速軸的設計 39 6.3中間軸的設計 40 總結 41 致謝 41 參考文獻 42 摘 要 風能作為一種可再生能源越來越受到世界各國政府的重視。與此同時，對風力發(fā)電技術和裝備的研究開發(fā)也日益成為科技領域和企業(yè)界關注的熱點課題項目之一。 風能是一種清潔并且可再生的能源，利用風能發(fā)電能夠大量減少其它發(fā)電方式對環(huán)境的污染。風力發(fā)電機的原理是：一定速度前進的風吹在靜止的風力機葉片上做功并驅動發(fā)電機發(fā)電，先通過葉輪將風能轉變成機械能，在由發(fā)電機將機械能轉變成電能。 本文設計了一臺功率為1500千瓦的風力發(fā)電機，其為水平軸風力發(fā)電機，由風輪、發(fā)電機、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成。對其葉片，行星齒輪增速器，塔架等進行了詳細的方案選擇及設計計算。 關鍵詞：風力發(fā)電；水平軸風力機；葉片；增速器。 Abstract Wind energy, as a kind of renewable energy, is paid attention to by governments all around the world. The wind power technology and its equipment research become a hot spot topic for technical circles and enterprise. Wind energy is a clean and renewable energy sources, The use of wind energy to power can reduce a large number of environmental pollution compare with other ways. The principle of wind turbine is: A certain wind speed blowing to the stationary blades of wind turbine-driven generators work and driving generator to power, through the impeller into the wind mechanical energy, then to electrical energy by the generator. In this paper, a power of 1500 KW wind turbine is designed and its horizontal axis wind turbine, Composed by the impeller, generator, yaw devices, control systems, towers and other components. Carry out a detailed design calculations of its leaves, the planetary gear speed increaser, tower, etc. Keyword: wind power; horizontal axis wind turbine; leaves;speed increaser. 顯示對應的拉丁字符的拼音 字典 朗讀 顯示對應的拉丁字符的拼音 字典 1. 緒論 1．1 風力發(fā)電發(fā)展概況 風能是一種開發(fā)成本較低、清潔、安全、可再生的能源。因此，風能的開發(fā)利用越來越受到重視。根據(jù)貝茲理論，風力機從風中吸收的能量不到空氣動能的59.3%，同時由于受到機械結構等限制，實際值更小。因此，如何提高風能轉化率，獲取更多風能，實現(xiàn)風能規(guī)?；茫恢睘閷W者及業(yè)界所關注。近年來，大型風電機組通過采用變速變槳距控制及最大功率跟蹤MPPT等技術，旨在提高響應速度，獲得最大能量（低風速是捕獲最大功率，高風速時捕獲額定功率）。但是，由于一些不確定因素的存在，風能轉換系統(tǒng)表現(xiàn)出強非線性特征，風力機產生的能量隨著風速和風向的連續(xù)波動是快速變化的。傳統(tǒng)線性定常控制器因存在較大超調和損失，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，不適合用來控制大型變速變槳距風電機組。根據(jù)風速大小，風力發(fā)電系統(tǒng)由4個動態(tài)過程構成，即啟動、變速運行、變槳距運行和剎車。其中，啟動、剎車過程使系統(tǒng)能在最短時間內有較快的響應速度；變速運行調節(jié)風能，減少或消除風能產生過程中的急劇波動，捕獲最大能量，減弱暫態(tài)負荷的影響；變槳距控制通過調節(jié)槳距角維持風電機組輸出額定功率不變。 風車按照風輪軸的不同，可以分為水平軸風車和垂直軸風車。能量驅動鏈（即風輪、主軸、變速箱、發(fā)電機）呈水平方向的，稱為水平軸風車（水平軸風力發(fā)電機，圖1-1能量驅動鏈呈垂直方向的，稱為垂直軸風車（垂直軸風力發(fā)電機，圖2）。 圖1-1 水平軸風車 圖1-2 垂直軸風車 我國已成為繼歐洲、美國和印度之后風力發(fā)電應用的主要市場之一，風能資源豐富，可開發(fā)量為1400GW。其中，陸上開發(fā)量為600GW；海上開發(fā)量為800GW。我國在20世紀50年代末，使用各種木結構的布篷式風車。20世紀70年代中期以后，風能開發(fā)利用列入“六五”國家計劃。20世紀70年代末到80年代初，自主研制、批量生產了10kW以下的小型風力發(fā)電機，解決了居住分散的農牧民和島嶼居民的生產、生活用電，風力發(fā)電停留在蒙古包單家獨戶使用或實驗室研究階段。1983年，山東引進3臺丹麥Vestas 55kW風力發(fā)電機，開始了并網(wǎng)發(fā)電技術的試驗和示范；1986年5月，山東榮成建成我國第一個并網(wǎng)風電場，其次是達坂城風電場。1986～1993年，全國共建12個風電場，裝機容量為13.3MW；1994～1999年，全國共建有21個風電場，裝機容量達到249.05MW。其中，1992～1996年的主力機型為200～300kW機組，1997～2002年的主力機型則為600kW機組。2008年，我國累計裝機容量達到12.21GW，其中并網(wǎng)發(fā)電的裝機容量為8.94kW。截止到2009年年底，我國風電并網(wǎng)總量累計達到16.13GW，累計裝機容量為25805.3MW。 1．2 風力發(fā)電的背景 1.2.1 能源危機 能源是人類賴以生存的物質基礎。自從工業(yè)革命以來，全球的能源消耗飛速增長，推動了工業(yè)化的進程，提高了社會發(fā)展水平和人類生活質量。全球經濟的急劇增長對能源的需求越來越大，能源危機制約了人類進一步發(fā)展。自20世紀50年代以后，由于石油危機的爆發(fā)，對世界經濟造成巨大影響，國際輿論開始關注世界能源危機問題。全球能源危機的主要表現(xiàn)在于，全球能源儲量與開采時間有限?？梢灾涞幕Y源的極限大約為1180~1510億噸，自1995年世界石油的開采量33.2億噸計算，石油儲量大約在2050年左右即將枯竭；天然氣儲量估計131800~152900m3，年開采量維持在2300 m3，將在57~65年內枯竭；煤的儲量約為5600億噸，1995年煤開采量為33億噸，可以供應169年；鈾的年開采量目前為每年6萬噸，據(jù)1993年世界能源委員會的估計可維持到21世紀30年代中期。 綜上所述，煤炭、石油、天然氣等不可再生化石能源的總量有限，待開發(fā)新的可再生能源。 1.2.2 環(huán)境危機 在能源消耗急劇增長，能源危機凸顯的同時，環(huán)境危機也出現(xiàn)了?，F(xiàn)代社會對能源的巨大需求，導致大量的化石能源被燃燒。燃燒不斷產生CO2和其他溫室氣體，使得原來沉積在地下的碳元素，被大量釋放到空氣中。據(jù)估計，按照目前的趨勢，到2030年，由各種溫室氣體增加所引起的氣候變化，將相當于把大氣中CO2濃度提高到工業(yè)化社會以前CO2濃度的兩倍。到2100年，溫室效應強度將相當于把大氣中CO2濃度提高到工業(yè)化社會以前CO2濃度的3倍，達到5000萬年前的CO2濃度水平。能源消費在迅速擴大，已經達到了阻礙地球生態(tài)系統(tǒng)自律功能正常運轉的程度。研究表明：地球變暖不是地球本身自然循環(huán)的變化，而是人類活動排放的CO2等溫室氣體效應造成的。其過程與人類大量消耗化石能源資源，尤其是燃燒化石燃料發(fā)電大量排放的CO2密切相關。到2015年，世界溫室氣體的排放量將達到最高，全球變暖帶來的影響不僅僅是更多的汗?jié)碁暮?，還有海平面的上升。全球氣候的變化對農業(yè)和生態(tài)造成了嚴重的影響，時刻威脅著人類的生命和財產安全。 1.2.3 可再生能源開發(fā)利用 目前，如何解決能源危機及其引起的環(huán)境危機成為全球經濟可持續(xù)發(fā)展所面臨的待解決的重大課題?？朔茉次C的出路在于大力發(fā)展新能源，用可再生能源替代化石能源。電能具有轉換和傳輸方便的優(yōu)點，已成為現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展不可替代的二次能源。為緩解或從根本上消除能源危機帶來的環(huán)境破壞，綠色電力的生產為世界各國所關注。綠色電力來源于風能、小水電、太陽能、地熱、生物質和其他可再生能源。因為它們在生產的過程中不消耗煤、石油、天然氣等燃料，所以不會產生對環(huán)境有害的排放物。相對于常規(guī)火力發(fā)電，更有利于環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展。因此，開發(fā)綠色電力意義重大。 全球市場對于這樣的零排放技術有著巨大且持續(xù)增長的需求。為了避免發(fā)生不可逆轉的氣候變化后果，全球的溫室氣體排放必須在2020年前后達到峰值且開始下降，而風電是目前唯一實現(xiàn)這一目標的發(fā)電技術。 1.2.4 風能開發(fā)利用 太陽的輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不均，同時，地球發(fā)生自轉，使空氣沿水平方向運動，空氣流動所形成的動能稱為風能。據(jù)估計到達地球的太陽能只有大約2%轉化為風能，理論上僅1%的風能就能滿足人類能源的需求。全球的風能總量約為2.74×106GW，其中可利用的風能總量為2.74×104GW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。根據(jù)我國900多個氣象站陸地上離地10m高度資料進行估算，全國平均風功率密度為100W/m2，風能資源總儲量為3226GW，可開發(fā)和利用的陸地上風能儲量為600GW，海上可開發(fā)和利用的風能儲量為800GW，共計約1400GW。50m或更高處可開發(fā)利用的風能儲量為2000GW。 人類利用風能的歷史可以追溯到公元前。在蒸汽機發(fā)明以前，風能曾經作為重要的動力，用于船舶航行、提水飲用和灌溉、排水造田、磨面和鋸木等。埃及被認為可能是最先利用風能的國家。12世紀，風車從中東傳入歐洲。16世紀，荷蘭人利用風車排水。隨著煤、石油、天然氣的大規(guī)模開采和廉價電力的獲得，由于成本高、效率低、使用不方便等，風力發(fā)電機械無法與蒸汽機、內燃機和電動機等競爭而逐漸被淘汰。在20世紀70年代中期以后，我國將風能開發(fā)利用列入“六五”國家重點項目，得到迅速發(fā)展。我國風力發(fā)電從20世紀80年代開始真正起步。20世紀70年代末80年代初，我國自主開發(fā)研制并批量生產了額定容量10 kW以下的小型風電機組，解決了居住分散的農牧民和島嶼居民的生產生活用電。1986年5月，山東榮成建成了我國第一個并網(wǎng)風電場。20世紀80年代中期以后，我國先后從丹麥、比利時、瑞典、美國、德國引進一批中、大型風電機組，在、內蒙古的風口及山東、浙江、福建、廣東的島嶼建立了8座示范性風電場。 1．3 風力發(fā)電國內外發(fā)展現(xiàn)狀 1.3.1 國外風電發(fā)展現(xiàn)狀 風電成本 不考慮常規(guī)電力環(huán)境成本，根據(jù)目前的風電技術水平，風電成本仍高于常規(guī)電力成本，因此許多國家采取了諸如價格、市場配額、稅收等各種激勵政策，從不同的方面引導和支持風力發(fā)電的發(fā)展。經過30年的努力，隨著市場不斷擴大，風電成本大幅度下降，每千瓦時風電成本由20世紀80年代初的20美分下降到2007年的4~6美分。在風能資源較好的地方，風電價格完全可以和煤電競爭，低于燃氣電價。 裝機容量高速增長 根據(jù)全球風能協(xié)會公布的2003~2007年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球風電平均增長率為24.7%。到2007年年底，全球總裝機容量累計達到近94GW，新增風電裝機容量20GW，分別在全球70多個國家和地區(qū)。2007年全球大約生產了2000億度風電電力，約占全球電力供應的1%。按照累計風電裝機容量數(shù)據(jù)排名，2007年全球前十名的國家依次是德國、美國、西班牙、印度、中國、丹麥、意大利、法國、英國和葡萄牙。2008年全球新裝機容量超過27GW，同比增長42%，風電裝機增長率為29%，高于過去5年的平均增長速度。2008年年底，總裝機容量達到了120.8GW，美國超過德國，躍居全球風電裝機容量首位，同時也成為第二個風電裝機容量超過20GW的風電大國。中國超過印度，成為亞洲第一、世界第四的風電大國。到2008年年底，在世界風電累計裝機容量中，已有包括美國、中國、德國、西班牙、印度等在內的16個國家超過1GW。在歐盟2007年新增發(fā)電裝機容量中，風電開始超過天然氣發(fā)電成為第一大新增電源，占新增容量的46%。歐洲2008年風電新增裝機容量為88GW，累計裝機容量達到了66GW。美國2007年新增的風電裝機也僅次于天然氣發(fā)電，位居第二。2008年內美國竣工的風電項目容量更是占當年度美國所有新增電力裝機的42%，新增裝機容量達到8.34GW，同比增長157%，累計增長49.6%，完成新增投資170億美元。風電在歐美發(fā)達國家已經逐步成為重要的替代能源。 發(fā)展規(guī)劃 20世紀90年代初，歐盟提出了大力發(fā)展風電，到2010年風電裝機容量到40GW的目標，并要求其成員國根據(jù)總體發(fā)展規(guī)劃制訂本國的發(fā)展目標與實施計劃。2007年年初，根據(jù)技術發(fā)展和能源需求的需要，歐盟又進一步修訂了發(fā)展計劃，希望2010年風電裝機容量達到80GW；到2020年風電裝機容量達到180GW，發(fā)電量達到3600億kW·h；2030年風電裝機容量達到300GW，發(fā)電量達到6000×108kW·h，分別占屆時歐盟風電裝機容量和發(fā)電量的35%和20%。2006年，美國可再生能源理事會提出了將可再生能源的比例由目前的4%左右，提高到2025年的25%的發(fā)展目標。美國風能協(xié)會也提出了未來依靠風電滿足國內20%電力需求的宏偉目標。英國、法國、加拿大、澳大利亞、日本和東歐的波蘭等國也開始加速發(fā)展風電。 1.3.2 國內風電發(fā)展現(xiàn)狀 裝機容量 2004年年底，全國的風力發(fā)電裝機容量約為764MW。2005年2月《可再生能源法》頒布之后，當年風力發(fā)電新增裝機容量超過60%，總容量達到了1260GW。2006年新增裝機容量超過100%，累計裝機容量超過2.6GW。2007年又新增裝機容量3.3GW，累計裝機容量達到5.9GW，超過丹麥，成為世界第5風電大國。當年裝機容量僅次于美國和西班牙，超過德國和印度，成為世界上最主要的風電市場之一。風電累計裝機容量從2003年年末的567MW增加到了2008年年末的12.21GW，增加了205倍。2008年新增裝機容量超過印度，成為亞洲第一、世界第四、風電裝機容量超千萬千瓦的風電大國。2009年新增裝機容量13.85GW，累計裝機容量為26GW，總裝機容量躍居世界第2位。 風電設備制造能力 風電設備制造業(yè)發(fā)展迅猛。2005年之前，我國只有少數(shù)幾家風電設備制造商，它們規(guī)模小、技術落后，風電場建設主要依賴進口風電整機。《開再生能源法》頒布后，風電整機制造企業(yè)已超過40家。除金風科技和浙江運達加大投入、迅速擴張之外，東方汽輪機、華銳風電、中國船舶、通用電氣、湖南湘電、上海電氣、廣東明陽、維斯塔斯、歌美颯、蘇司蘭、西門子等一批國內外大型制造業(yè)和投資商紛紛進入我國風電設備制造業(yè)市場。 風電技術研發(fā) “九五”和“十五”期間，我國政府組織實施“乘風計劃”和“國家科技攻關計劃”，以及國債項目和風電特許權項目，支持建立了首批6家風電整機企業(yè)，進行風電技術的引進和消化吸收，部分企業(yè)掌握了單機容量600kW和750 kW定槳距風電機組的總裝技術和關鍵部件設計制造技術，實現(xiàn)了規(guī)?；a，邁出了產業(yè)化發(fā)展的第一步?！笆濉逼陂g，還開展了1000 kW、1500 kW變速恒頻風電機組，以及1200 kW永磁直驅風電機組的研發(fā)與聯(lián)合攻關，取得階段性成果。經過“十五”期間的自主研究和技術引進，我國已基本掌握了以雙饋發(fā)電機為代表的變速恒頻風電機組的控制技術，研制成功兆瓦級風電機組樣機。我國風電技術與國外風電技術的差距正在不斷縮小。 1．4 國內外風電機技術發(fā)展趨勢 縱觀世界風電技術現(xiàn)實和前沿技術的發(fā)展，目前全球風電技術發(fā)展主要呈現(xiàn)如下特點： 1.4.1 產業(yè)集中是總的趁勢 2009年，世界排名前十位的風電機組制造企業(yè)占據(jù)了全球78.7％的市場份額，世界排名前十五位的風電機組制造企業(yè)占據(jù)了全球88.1％的市場份額，丹麥VESTAS、美國GE WIND、中國華銳、德國ENERCON、中國金風這前5家企業(yè)，就占據(jù)了國內外49.8％市場份領。可以看出：世界風電機組制造企業(yè)形成了由十多家大型風電機組制造企業(yè)控制或壟斷的局面。 近幾年，風電設備制造企業(yè)之間的兼并、重組、收購愈演愈烈。法國阿?，m集團收購-Multibrid；丹麥的Vestas公司兼并NEG。Micon公司；美國GE公司收購了德國安然風電公司；Siemes公司收購了丹麥AN/Bonus和德國winergy AG公司；印度Suzlon公司控股了Repower公司；金風科技收購了德國Vensys公司；湘電股份1000萬歐元收購荷蘭達爾文公司；中復連眾收購了德國NOI公司；中航惠騰2009年收購了荷蘭CTC葉片公司；美國GE公司與哈電集團合資成立了通用哈電風能（沈陽）公司和哈電通用風能（江蘇）公司。此外，各大公司在主要市場集中地都建立了生產基地，一個大公司相當于多個公司的集成。 1.4.2 水平軸風電機組技術成為主流 水平軸風電機組技術，因其具有風能轉換效率高、轉軸較短，在大型風電機組上更顯出經濟性等優(yōu)點，使水平軸風電機組成為世界風電發(fā)展的主流機型，并占到95％以上的市場份額。同期發(fā)展的垂直軸風電機組因轉軸過長、風能轉換效率不高，啟動、停機和變槳困難等問題，目前市場份額很小、應用數(shù)量有限，但由于其全風向對風、變速裝置及發(fā)電機可以置于風輪下方或地面等優(yōu)點，近年來，國際上相關研究和開發(fā)也在不斷進行并取得一定進展。 1.4.3 風電機組單機容量持續(xù)增大 近年來，世界風電市場中風電機組的單機容量持續(xù)增大，隨著單機容量不斷增大和利用效率提高，世界上主流機型已經從2000年的500-1000kW增加到2009年的2-31VM。我國主流機型已經從2005年的600-1000kW增加到2009年的850-2000kW， 2009年我國陸地風電場安裝的最大風電機組為2MW。 近年來，海上風電場的開發(fā)進一步加快了大容量風電機組的發(fā)展，2008年底世界上已運行的最大風電機組單機容量已達到6MW，風輪直徑達到127m。目前，已經開始8-10MW風電機組的設計和制造。我國華銳風電的3MW海上風電機組已經在上海東海大橋海上風電場成功投入運行， 5MW海上風電機組已在2010年10月底下線。目前，華銳、金風、東汽、國電聯(lián)合、湖南湘電、重慶海裝等公司都在研制5MW或6MW的大容量風電機組。 2. 發(fā)電機的工作原理及基本結構 2．1 風電機的功能單元的劃分 控制與安全系統(tǒng) 一次能源轉換單元 機械能傳遞單元 發(fā)電單元 風力發(fā)電機是一種復雜的機電一體化設備。從能量轉換角度看，此類設備大致包括2-1所示的幾個功能單元。其中，一次能源轉換單元的主要功能是將風能轉換為旋轉機械能；機械能傳遞單元的主要作用是傳動與制動；發(fā)電單元將旋轉機械能轉換為電能，同時提供必要的并網(wǎng)發(fā)電功能；控制與安全系統(tǒng)實現(xiàn)對風電機起、停機和發(fā)電等運行過程的控制，并保證風電機在任何狀態(tài)下的安全性。 圖2-1 風力發(fā)電系統(tǒng)的基本功能構成 （1）一次能源轉換單元 風能是風力發(fā)電的一次能源，相應的能量轉換單元是風電機組的核心部分，包括風輪、功率控制（調速）等部件。風輪是風電機組能量轉換單元的關鍵部件，一般由良好的空氣動力外形的葉片、輪轂和相應的功率控制機構組成。一次能源轉換單元的主要功能是將風能轉換為旋轉機械能（轉矩），再通過風輪軸驅動與之連接的機械能傳遞單元和發(fā)電單元。 （2）機械能傳遞單元 機械能傳遞單元也可簡稱為風電機組的傳動鏈，連接風電機組的一次能源轉換單元與發(fā)電單元，使之組成發(fā)電系統(tǒng)。該單元一般包括與風輪輪轂相連接的主軸、傳動和制動機構等。一般大型風電機組的風輪設計轉速較低，需要根據(jù)發(fā)電單元的要求，通過傳動鏈按一定的速比傳遞風輪產生的扭矩，使輸入發(fā)電機的轉速滿足并網(wǎng)風電機組發(fā)電單元的需要。同時，機械能傳遞單元還要設置可靠的制動機構，以保證風電機組的安全運行。 （3）發(fā)電單元 發(fā)電單元一般由發(fā)電機和必要的電功率轉換系統(tǒng)構成。并網(wǎng)風電機組發(fā)電單元可采用異步發(fā)電機或同步發(fā)電機，將風輪產生的旋轉機械能轉換為電能。發(fā)電單元配置的電功率轉換系統(tǒng)，應能夠滿足并網(wǎng)或其他形式發(fā)電的需求。 （4）控制與安全系統(tǒng) 該系統(tǒng)主要功能可分為風電機組運行控制和狀態(tài)監(jiān)測兩部分：大型風電機組需要自動控制，既能夠在無人值守的條件下，保證風電機組的正常和安全運行；同時又要保證風電機組在非正常情況發(fā)生時能可靠的停機，以預防或減輕損失。 此外，風電機組還需要有上述功能部件或子系統(tǒng)的支撐結構，如機艙、塔架等；多數(shù)風電機組需要設置對風（也稱偏航）裝置，以保證風輪能夠更好的獲取風能。 2．2 風電機組的工作原理 在風力發(fā)電機組中，存在著兩種物質流。一種是能量流，另一種是信息流。兩者的相互作用，使機組完成發(fā)電功能。風力發(fā)電機組的工作原理如圖2-2所示。 控制系統(tǒng) 偏航系統(tǒng) 主傳動系統(tǒng) 制動裝置 發(fā)電系統(tǒng) 測風系統(tǒng) 變槳距系統(tǒng) 電網(wǎng) 變壓器 風 M1 ?1 M2 ?2 P3 轉速測量 風力發(fā)電機 調速 風速、風向 功率測量 圖2-2 風電機的工作原理 1． 能量流 當風以一定的速度吹向風力發(fā)電機時，在風輪上產生的力矩驅動風輪轉動。將風的動能變成風輪旋轉的動能，兩者都屬于機械能。風輪的輸出功率為 （2-1） 式中 P1——風輪的輸出功率，單位為W； M1——風輪的輸出轉矩，單位為N·m； ?1——風輪的角速度，單位為1/s. 風輪的輸出功率通過主傳動系統(tǒng)傳遞。主傳動系統(tǒng)可能使轉矩和轉速發(fā)生變化，于是有 （2-2） 式中 P2——主傳動系統(tǒng)的輸出功率，單位為W； M2——主傳動系統(tǒng)的輸出轉矩，單位為N·m； ?2——主傳動系統(tǒng)的角速度，單位為1/s； ——主傳動系統(tǒng)的總效率。 主傳動系統(tǒng)將動力傳遞給發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機把機械能變?yōu)殡娔堋０l(fā)電機的輸出功率為 （2-3） 式中 P3——發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，單位是W； UN——定子三相繞組上的線電壓，單位是V； IN——流過定子繞組線電流，單位是A； cos——功率因數(shù)； 2——發(fā)電系統(tǒng)的總效率。 2． 信息流 信息流的傳遞是圍繞控制系統(tǒng)進行的?？刂葡到y(tǒng)的功能是過程控制和安全保護。過程控制包括起動、運行、暫停、停止等。在出現(xiàn)惡劣的外部環(huán)境和機組零部件突然失效時應該緊急停機。 風速、風向、風力發(fā)電機的轉速、發(fā)電功率等物理量通過傳感器變成電信號傳給控制系統(tǒng)，它們是控制系統(tǒng)的輸入信息?？刂葡到y(tǒng)隨時對輸入信息進行加工和比較，及時的發(fā)出控制指令，這些指令是控制系統(tǒng)的輸出信息。 對于變槳距風向，當風速大于額定風速時，控制系統(tǒng)發(fā)出變槳距指令，通過變槳距系統(tǒng)改變風輪葉片的槳距角，從而控制風電機組輸出功率。在起動和停止的過程中，也需要改變葉片的槳距角。 對于變速型風機，當風速小于額定風速時，控制系統(tǒng)可以根據(jù)風的大小發(fā)出改變發(fā)電機轉速的指令，以便使風力發(fā)電機最大限度的捕獲風能。 當風輪的軸向和風向偏離時，控制系統(tǒng)發(fā)出偏航指令，通過偏航系統(tǒng)校正風輪軸的指向，使風輪始終對準來風方向。 當需要停機時，控制系統(tǒng)發(fā)出停機指令，除了借助變槳距制動外，還可以通過安裝在傳動軸上的制動裝置實現(xiàn)制動。 實際上，在風電機組中，能量流和信息流組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時，變槳距系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)等也組成了若干閉環(huán)的子系統(tǒng)，實現(xiàn)相應的控制功能。 2.3 風力發(fā)電機傳動鏈的基本結構及三維建模 2.3.1 主軸 主軸也稱低速軸。大中型風力電機組由于其葉片長、重量大，所以為了使槳葉的離心力與葉尖的線速度不至于太大，其轉速一般小于50r/min，因此，主軸承受的扭矩較大。大中型風力發(fā)電機組主軸材料可選用40Cr或其他高強度的合金鋼，必須經過調質處理，保證鋼材在強度、塑性、韌性3個方面都有較好的綜合機械性能，在設計加工圖時，必須注明這一技術要求。主軸如圖2-5所示 圖2-3主軸示意圖 2.3.2 齒輪箱 齒輪箱是風力發(fā)電機組中關鍵零部件。齒輪箱由齒輪副、箱體和軸承、密封裝置、潤滑油凈化和溫控系統(tǒng)等組成，由于風力機工作在低轉速下，而發(fā)電機工作在高轉速下，為了實現(xiàn)風力機與發(fā)電機匹配，采用增速齒輪箱。在風力發(fā)電機組中，對齒輪箱的要求非常嚴格，不僅體積小、重量輕、效率高，而且要承載能力大、起動力矩小、壽命長。齒輪箱分為兩類，即定軸線齒輪傳動和行星齒輪傳動。定軸線齒輪結構簡單，維護容易，造價低廉。行星齒輪傳動具有傳動比大、體積小、質量小、承載能力大、工作平穩(wěn)和在某些情況下效率高等優(yōu)點，缺點是結構相對較復雜，造價高。 如圖2-6所示。 圖2-4 齒輪箱整體圖 3. 風電發(fā)電機傳動鏈主要零件的設計計算 風電機組設計所涉及的學科領域和專業(yè)知識較多，而系統(tǒng)的工程設計技術積累和豐富的設計實踐經驗是保證大型風電機組設計質量的必備條件。 3．1 確定設計目標 與所有大型裝備的設計相似，首先需要明確所設計風電機組的設計目標。比如，并網(wǎng)大功率機組與偏僻地區(qū)的小型單機設計需求明顯不同。因此，針對設計需求，應考慮合理的機組功能構成、電機類型、控制方式、運輸和安裝方式等影響機組性能指標的主要因素。例如 ， 陸上風電場所需的大型機組通常額定功率范圍為 500-2MW ，便于運輸、安裝、運行和維修。近海風力發(fā)電機組的運行環(huán)境（如風況、波浪和鹽霧等 ） 、安裝條件等與陸上有很大差別，基礎和運輸方式需要重點考慮。此外，檢修、維護不便，對可靠性有更高的要求。 3.1.1 風力發(fā)電機總體設計方案 風電機組是比較復雜的機電裝備,且要求較好的性價比。總體設計是平衡這些關系的重要設計過程 ， 在某種意義上來說 ，總體設計可以決定整個設計過程的成敗 。由于風電機組由多個功能子系統(tǒng)組成 ，機組總體設計與各部件或子系統(tǒng)的功能設計密切相關 ，以針對風輪部件的總體設計為例 ，就包括了葉片參數(shù)、氣動性能、結構強度、制造工藝與成本等多方面的設計內容，而這些設計目標很難同時達到，需要權衡各方的比重，選擇優(yōu)化的方案。有鑒于低成本與高可靠性是現(xiàn)代風電機組發(fā)展的主要動力和研究熱點 ，如何根據(jù)設計目標并結合工程經驗，在這些復雜因素之間取得平衡關系，滿足盡可能高的設備性價比要求，是風電機組總體設計的關鍵所在。 以下簡要介紹風電機組總體設計的主要任務與大致步驟: （1）風電機總體設計方案 1 ）總體氣動布局方案設計 隨著風電機單機功率的增大，系統(tǒng)氣動布局設計逐漸成為風電機組設計重要方面。此階段的任務主要包括對風場的風況分析，有針對性地對各類可行的功能構成形式和氣動布局方案進行比較和選擇，并結合機組性能和氣動特性的分析和仿真技術，初步確定整機的和各主要部件（子系統(tǒng)）的基本形式，并提交有關的分析計算報告。 2 ）風電機總體參數(shù)設計 風電機組氣動設計前須首先確定總體參數(shù)，如風輪運行參數(shù)、葉片參數(shù)、設計風速、尖速比、翼型分布及其氣動性能等，總體參數(shù)設計的基本要求是發(fā)電成本最低、機組載荷最小，發(fā)電量多且滿足電源品質要求。 3 ）風電機的總體結構布局設計 此階段是需要從風電機的總體功能角度出發(fā)，分析各部件、子系統(tǒng)、附件和設備的布置形式與技術要求，開展對各部件和子系統(tǒng)的技術組成、原理分析、結構形式和功能參數(shù)選擇等工作。同時需要對整機的結構承力構件布置、承載形式和傳力路線進行分析，選擇合理的設計分離面和接口形式，以便明確劃分各部件設計界面，保證總體設計的質量。 4）載荷分析與風電機組基本性能的預評估 在設計初期，必須對載荷作預評估，以準確確定風電機組的結構設計依據(jù)。風電機組應能夠承受正常運行中的任何載荷，同時也具備一定的承受極端載荷的能力。最重要的載荷產生于風輪及其葉片，且風輪上的任何載荷都會對其他子系統(tǒng)產生影響。該階段要注意查閱并依據(jù)相關設計標準，結合具體的風電機組運行工況要求，對所有載荷都應予以仔細分析評估。 5）各部件和子系統(tǒng)的設計方案 根據(jù)整機總體結構方案，開展包括對各部件和系統(tǒng)的要求、組成、原理分析、結構形式、參數(shù)及附件的選擇等設計工作。設計有關部件的結構方案模型圖和有關系統(tǒng)的原理圖，并編寫有關的報告和技術說明。 6）配套附件 選擇和確定整機配套附件和備件等設備，對新研制的部件要確定技術要求和協(xié)作關系。提交協(xié)作及采購清單等有關文件。 總體設計階段將解決全局性的重大問題，必須精心和慎重的進行，要盡可能充分利用已有的經驗，以求總體設計階段中的重大決策建立在可靠的理論分析和試驗基礎上，避免以后出現(xiàn)不應有的重大反復，導致設計的失誤和延期。 上述總體設計的各階段屬于靜態(tài)設計，設計結果是：風電機組總體設計方案圖、總體布置圖和設計計算報告、風電機性能分析與載荷初步分析報告、各部件和子系統(tǒng)的初步技術要求與設計示意圖、系統(tǒng)原理圖。 （2）風電機結構動力學分析 在初步完成風電機組總體設計的基礎上，需要進一步對風電機組動特性進行詳細的分析。動特性分析屬于風電機組結構動力學研究范疇，主要涉及動載荷分析、振動及結構動特性分析等方面的內容。 1）動載荷問題 作用于風輪葉片上的周期性氣動和機械載荷會引起葉片等構件的動態(tài)響應，而此響應反饋于外部氣動負荷。因此，這實質上是一種流固耦合響應問題，對風輪等零部件的疲勞會產生影響。同時，葉片等構件的動負載將合成為風輪的動負載，也是風電機振動的主要振源。 2）振動 風電機組的運行過程中，始終存在持續(xù)的周期性的振動，風輪、發(fā)電機、傳動系統(tǒng)及其支撐結構等零部件的設計都必須考慮振動問題。振動會引起結構的損傷或破壞，影響設備的可靠性和可用性。 3）穩(wěn)定性 風電機組載荷存在復雜的耦合關系，可能會導致各種動力穩(wěn)定性問題的產生。在風電機組發(fā)展史上，運行中風輪與其他機體耦合的結構不穩(wěn)定性問題造成了許多嚴重的后果。風輪的動力不穩(wěn)定性，包括變距/揮舞不穩(wěn)定性（經典顫振）、變距/擺振不穩(wěn)定性及揮舞/擺振不穩(wěn)定性等。 （3）風電機組的可靠性設計 風電機組可靠性量化指標，通常以其可利用率來度量。此種量化指標屬于廣義可靠性范疇，因其同時包括了風電機組可靠性和可維修性等方面的內容。因此，可利用率實際上是一種反應風電機組固有可靠性和運行管理可靠性的綜合度量指標。 3.2 風力發(fā)電機傳動鏈零