【正文】 以下簡要介紹風(fēng)電機組總體設(shè)計的主要任務(wù)與大致步驟 : （ 1）風(fēng)電機組總體設(shè)計方案 1 ）總體氣動布局方案設(shè)計 隨著風(fēng)電機組單機功率的增大，系統(tǒng)氣動布局設(shè)計逐漸成為風(fēng)電機組設(shè)計重要方面。 2 ）風(fēng)電機組總體參數(shù)設(shè)計 風(fēng)電機組氣動設(shè)計前須首先確定總體參數(shù)，如風(fēng)輪運行參數(shù)、葉片參數(shù)、設(shè)計風(fēng)速、尖速比、翼型分布及其氣動性能等，總體參數(shù)設(shè)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(zhì)要求。同時需要對整機的結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件布置、承載形式和傳力路線進行分析，選擇合理的設(shè)計分離面和接口形式，以便明確劃分各部件設(shè)計界面，保證總體設(shè)計的質(zhì)量。 4）載荷分析與風(fēng)電機組基本性能的預(yù)評估 在設(shè)計初期，必須對載荷作預(yù)評估，以準(zhǔn)確確定風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)。最重要的載荷產(chǎn)生于風(fēng)輪及其葉片，且風(fēng)輪上的任何載荷都會對其他子系統(tǒng)產(chǎn)生影響。 5）發(fā)電成本估算 是影響風(fēng)電成本的關(guān)鍵因素。 6）各部件和子系統(tǒng)的設(shè)計方案 根據(jù)整機總體結(jié)構(gòu)方案，開展包括對各部件和系統(tǒng)的要求、組成、原理分析、結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)及附件的選擇等設(shè)計工作。 7）配套附件 選擇和確定整機配套附件和備件等設(shè)備，對新研制的部件要確定技術(shù)要求和協(xié)作關(guān)系。 總體設(shè)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(jīng)驗，以求總體設(shè)計階段中的重大決策建立在可靠的理論分析和試驗基礎(chǔ)上，避免以后出現(xiàn)不應(yīng)有的重大反復(fù)，導(dǎo)致設(shè)計的失誤和延期。 （ 2）風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析 在初步完成風(fēng)電機組總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，需要進一步對風(fēng)電機組動特性進行詳細的分析。 共 32 頁 19 1）動載荷問題 作用于風(fēng)輪葉片上的周期性氣動和機械載荷會引起葉片等構(gòu)件的動態(tài)響應(yīng)，而此響應(yīng)反饋于外部氣動 負荷。同時，葉片等構(gòu)件的動負載將合成為風(fēng)輪的動負載，也是風(fēng)電機組振動的主要振源。實際上，風(fēng)輪、發(fā)電機、傳動系統(tǒng)及其支撐結(jié)構(gòu)等零部件的設(shè)計都必須考慮振動問題。 3）穩(wěn)定性 風(fēng)電機組載荷存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，可能會導(dǎo)致各種動力穩(wěn)定性問題的產(chǎn)生。風(fēng)輪的動力不穩(wěn)定性，包括變距 /揮舞不穩(wěn)定性（經(jīng)典顫振）、變距 /擺振不穩(wěn)定性及揮舞 /擺振不穩(wěn)定性等。此種量化指標(biāo)屬于廣義可靠性范疇，因其同時包括了風(fēng)電機組可靠性和可維修性等方面的內(nèi)容。 為保證風(fēng)電機組有較高的可利用率，在總體設(shè)計階段，對重要零部件和系統(tǒng)應(yīng)規(guī)定可靠性量化指標(biāo)的要求，可以采用串聯(lián)模型法，確定有關(guān)零部件的可靠性 定量要求。對重要承載零部件，總體設(shè)計中還應(yīng)規(guī)定合理的使用壽命等技術(shù)指標(biāo)。 3． 3 風(fēng)電機組零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 （ 1）風(fēng)電機組部件結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 根據(jù)確定的總體氣動布局、總體技術(shù)參數(shù)、設(shè)計載荷以及風(fēng)電機組的初步結(jié)構(gòu)方案， 共 32 頁 20 開展子系統(tǒng)和部件具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。 （ 2）設(shè)計準(zhǔn)則 風(fēng)電機組的零部件很多，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)具體的設(shè)計要求，參照合理的設(shè)計準(zhǔn)則進行詳細的設(shè)計與校核。 （ 3）零部件強度與剛度分析 1）結(jié)構(gòu)的極限強度設(shè)計 極限強度設(shè)計的基本準(zhǔn)則是在極端載荷作用下，保證構(gòu)件的應(yīng)力不超過材料許用應(yīng)力，避免發(fā)生靜載破壞。 2）構(gòu)件剛度分析 構(gòu)件剛度一般是指其抵抗變形的能力，包括在動載荷和靜載荷作用的剛度。 3）結(jié)構(gòu)疲勞強度設(shè)計 疲勞破壞是影響承受交變載荷構(gòu)件的設(shè)計壽命的主要失效形式之一。因此，需要詳細分析主要零部件在風(fēng)電機組壽命期內(nèi)的循環(huán)應(yīng)力值和循環(huán)次數(shù)。設(shè)計中需要解決設(shè)備總體和零部件的裝配、加工等具體技術(shù)問題，提供詳細的設(shè)計技術(shù)文件，形成設(shè)備制造工程的基礎(chǔ)。 研制的樣機通常需要一段時間的實際運行，參照有關(guān)的產(chǎn)品認證標(biāo)準(zhǔn)進行必要的測 試。 基于樣機的試驗測試 數(shù)據(jù)，應(yīng)進一步完善和修改原設(shè)計，形成批量生產(chǎn)的工程竣工設(shè)計。 小結(jié) 風(fēng)電機組的設(shè)計在不同條件下對它的設(shè)計要求是不同的，本章詳細的介紹了在設(shè)計風(fēng)電機組時可能遇到的情況以及如何設(shè)計。隨著社會對能源的急劇需求，我國風(fēng)力發(fā)電的單機容量已發(fā)展到兆瓦級機組，控制方式從基本的定槳距失速型控制轉(zhuǎn)向變槳距控制，但與國際水平還有一定差距。 隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷成熟，變距控制型風(fēng)電機組以其優(yōu)越的性能越來越受到人們的青睞。從今后的發(fā)展趨勢來看，在大型風(fēng)力發(fā)電機 組中將會普遍采用變槳距技術(shù)。液壓執(zhí)行機構(gòu)以其響應(yīng)頻率快、轉(zhuǎn)矩大、便于集中布置等優(yōu)點占有主要的地位，總的來說其技術(shù)已較成熟，但由于其液壓驅(qū)動本身存在油泄露問題，且受溫度變化影響大，所以精度受到限制。我們基于一種新型的變距驅(qū)動一電作動筒變槳的傳動機構(gòu)，進行了分析與設(shè)計 。所有機艙的信號，如電源線、 Canopen 總線、安全鏈信號等，都從機艙經(jīng)過滑環(huán)進入輪轂內(nèi)的變槳控制柜內(nèi)，實現(xiàn)機艙與輪轂動力和信號的傳輸。備用電源是在電網(wǎng)或滑環(huán)故障，外部電源無法直接為變槳距系統(tǒng)供電時，通過電源切換電路，將備用電源接入 到變槳控制柜，使其能夠為變槳距系統(tǒng)提供動力和控制用電，保證葉片能夠安全、快速的回到順槳位。 共 32 頁 23 1ta n vvI ur ?? ? ?? sinv I? ? 其中， I 為傾角， ? 為攻角， ? 為槳距角， ? 為相對風(fēng)速， ? 為葉尖速比。為了提高風(fēng)功率的吸收率，需要變槳距調(diào)節(jié)。電作動筒工作行程： (625~645)mm；作動筒作用力 (持續(xù)載荷 )： (69950~79720)N；作動筒重量 (包括電機 )不大于 50kg，有專用的控制柜，重復(fù)定位精度：小于 ? ；作動筒活塞桿位移從 共 32 頁 25 (0~180)mm，響應(yīng)時間： 。 圖 44 動變槳距機構(gòu)設(shè)計圖 變槳距三維實體模型的構(gòu)建 參數(shù)化設(shè)計是 CAD 中最為重要的研究技術(shù)之一，參數(shù)化技術(shù)使得設(shè)計者可以通過設(shè)計參數(shù)來驅(qū)動產(chǎn)品零件的幾何模型。整體裝配后的三維實體模型如圖 45 所示，單一槳葉變距傳動的造型示意如圖 46 所示，傳動部分局部放大如圖 47 所示。其中，推力軸承內(nèi)圈相連接的桿件 (2 個導(dǎo)向桿和 1 個推桿 )與空心軸上對應(yīng)的導(dǎo)向孔相配合，導(dǎo)向桿主要起固定軸承內(nèi)圈的作用。為了驗證所設(shè)計變槳機構(gòu)的運動狀態(tài)和運動的準(zhǔn)確性，給電作動筒伸縮桿施加一正弦的往復(fù)運動 (圖 49)，得出槳距角運動變化曲線如圖 410 所示。它的功能有兩個：一是要控制風(fēng)輪跟蹤變化穩(wěn)定的風(fēng)向；二是當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組由于偏航作用，機艙 內(nèi)引出的電纜發(fā)生纏繞時，自動解除纏繞。當(dāng)需要調(diào)整方向時，微處理器發(fā)出一定的信號給偏航驅(qū)動機 共 32 頁 28 構(gòu)，以調(diào)整機艙的方向，達到對準(zhǔn)風(fēng)向的目的。本章主要闡述偏航控制系統(tǒng)的功能、原 理、以及影響偏航系統(tǒng)工作的一些確定的和不確定 的因素。為減少偏航時的陀螺力矩，電機轉(zhuǎn)速將通過同軸聯(lián)接的減速器減速后，將偏航力矩作用在回轉(zhuǎn)體大齒輪上，帶動風(fēng)輪偏航對風(fēng)。 + 風(fēng)向信號 風(fēng)輪軸風(fēng)向 圖 411 偏航系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖 偏航控制系統(tǒng)的功能 偏航控制系統(tǒng)主要具備以下幾個功能： （ 1）風(fēng)向標(biāo)控制的自動偏航； （ 2）人工偏航，按其優(yōu)先級別由高到低依次為：頂部機艙控制偏航、面板控制偏航、遠程控制偏航； （ 3）風(fēng)向標(biāo)控制的 90176。根據(jù)風(fēng)向的變化，偏航操作裝置按系統(tǒng)控制單元發(fā)出的指令，使風(fēng)輪處于迎風(fēng)狀態(tài)，同 時還應(yīng)提供必要的鎖緊力矩，以保證風(fēng)電機組的安全運行和停機狀態(tài)的需要。偏航系統(tǒng)要求的運行速度較低，且機構(gòu)設(shè)計所允許的安裝空間、承受的載荷更大，因而有更多 的技術(shù)解決方案可供選擇。 偏航驅(qū)動機構(gòu) 共 32 頁 30 圖 417 變槳距風(fēng)力機控制系統(tǒng) 圖 417 顯示了一個變槳距風(fēng)力機控制系統(tǒng)中的各組成部分，偏航驅(qū)動機構(gòu)包括偏航軸承，偏航驅(qū)動裝 置和偏航制動器。 （ 1） 設(shè)計要求 若不考慮電動機的選型問題，驅(qū)動部件的設(shè)計任務(wù)主要與大速比減速器有關(guān)。但由于偏航驅(qū)動所要求的輸出轉(zhuǎn)速又很低，必須采用緊湊型的大速比減速器，以滿足偏航執(zhí)行機構(gòu)的要求。 表 1 某風(fēng)電機組偏航減速器技術(shù)指標(biāo) 額定輸入功率 使用壽命 20 年 額定輸入轉(zhuǎn)速 695r/min 噪聲（聲壓級） ?85dB 額定輸出轉(zhuǎn)速 （含殘余液壓制動轉(zhuǎn)矩） 10N 偏航減速器多采用硬齒面嚙合設(shè)計，齒輪傳動設(shè)計可參照附錄 A 的有關(guān)介紹并依據(jù)前面給出的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行。減速器中主要傳動構(gòu)件，可采用 低碳合金鋼材料，如 17CrNiMo 42CrMoA 等制造，齒面熱處理狀態(tài)一般為滲碳淬硬（一般硬度大于 HRC58）。 （ 2）偏航減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計中需注意的問題 共 32 頁 31 根據(jù)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(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。為此，此種行星齒輪傳動裝置的前三級行星輪的系桿構(gòu)件以及除 一級傳動的太陽輪軸意外都需要采用浮動連接方案。 為最大限度的減小摩擦磨損，對輪系構(gòu)件的軸向限位需要特別注意。 偏航減速器箱體等結(jié)合面間需要設(shè)計良好的密封，并嚴(yán)格要求結(jié)合面間形位與配合精度，以防止?jié)櫥偷臐B漏。滑動軸承常用工程塑料做軸瓦，這種材料即使在缺少潤滑的情況下也 能正常工作。從而將機艙受到的各種力和力矩通過這三種軸瓦傳遞到塔架（ Nordtank 和 Vestas 機組均采用這種偏航軸承）。這種軸承已成為標(biāo)準(zhǔn)件大批量生產(chǎn)。目前使用的大多數(shù)風(fēng)力機都采用這種偏航軸承。 結(jié)論 本文對風(fēng)力發(fā)電機組的變槳距與偏航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、功能以及工作原理進行了詳細的設(shè)計與分析，風(fēng)力發(fā)電機組控制技術(shù)涉及到眾多學(xué)科和領(lǐng)域，可以說綜合學(xué)科。通過設(shè)計能夠根據(jù)設(shè)計者的需要去確定變槳與偏航的各幾何特征的變化規(guī)律 , 提高了設(shè)計的靈活性 , 設(shè)計的三維模型為后續(xù)分析提供了有力的支持。導(dǎo)師在論文選題方面以及在論文各階段富有啟發(fā)性的指導(dǎo)是本文得以完成的重要保證。在此次畢業(yè)設(shè)計中，得到了 我的導(dǎo)師武福教授 的細心指導(dǎo)和關(guān)心 ，他以淵博的學(xué)識，嚴(yán)謹、認真、科學(xué)的治學(xué)態(tài)度，敏銳的學(xué)術(shù)洞察力，求實創(chuàng)新的科研作風(fēng)，誨人不倦的敬業(yè)品德，樂于助人的師表精神是我永遠學(xué)習(xí)的榜樣！在此，再次向 共 32 頁 33 武福教授表示最真誠的謝意！ 同時，我還想感謝我的父母，他們對 我的養(yǎng)育之恩永生難忘，他們含辛茹苦把我養(yǎng)大，又供我讀書，我真的很感激他們?yōu)槲易龅囊磺?。 最后再一次感謝所有在畢業(yè)設(shè)計中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)，以及在設(shè)計中被我引用或參考的論著的作者，感謝學(xué)校四年來對我的栽培！ 主要參考文獻 [1] 任清晨 .風(fēng)力發(fā)電機組安裝 ?運行 ?維護 .機械工業(yè)出版社 .2021,06 [2] 盧為平、 盧衛(wèi)萍 .風(fēng)力發(fā)電機組裝配與調(diào)試 .化學(xué)工業(yè)出版社 .2021,08 [3] 任清晨 .風(fēng)力發(fā)電機組工作原理和技術(shù)基礎(chǔ) .機械工業(yè)出版社 .2021,02 [4] 葉杭冶 .風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計、運行與維護 .電子工業(yè)出版社 .2021,01 [5] 霍志紅、鄭源、左潞、張德虎 .風(fēng)力發(fā)電機組控制技術(shù) .中國水利水電出版社 .2021,05 [6] 姚興佳、宋俊、等 .風(fēng)力發(fā)電機組原理與應(yīng)用 .機械工業(yè)出版社 .2021,08 [7] 葉杭冶 .風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù) .機械工業(yè)出版社 .2021,01 [8] 廖明夫、 、 .西北工業(yè)大學(xué)出版社