风力发电机组检修

风力发电机组检修（共7篇）

风力发电机组检修 篇1

按照公司制定的检修规程的计划要求，某某风电场风机检修班于2015年9月28日-10月18日进行某某风电场风2015一期风机半年检修工作。这是某某风电场风风机检修班第四年独立检修一期S48/750风机。检修班组在检修之前，首先将安全作业做为头等大事来抓，坚持“安全第一，预防为主”的原则，深入开展安全教育学习，保障人身和设备的绝对安全。并认真学习检修方案中的安全组织技术措施，实行小组分工，将各项工作落实到人，实行责任制，建立分工明细表，细化检修的各项环节。还根据本年及往年的风机运行状态和检修实际情况，对风力机组进行综合评估，确定检修的增加项目，检修前夕检修班组密集召开会议，商讨检修最优方案，根据风机现阶段存在的缺陷，着重解决风力发电机组最实际问题，消除隐患，预防设备事故发生。在公司各级领导和风电场关怀及风机检修班成员共同的努力和运行班组的支持下，本着保证质量完成既定任务，消除设备缺陷、使风机能够安全高效运行为目的，顺利的完成了一期66台风机20155半检修工作。检修工作中，检修班检修登高432余人次，处理故障登高20余人次，检修66台风机，未发生一起安全事故，并且保质保量的完成了检修计划。机组在例行检修后运行正常，机组故障率显著下降，风机一直处于高利用率水平。风机经检修后运行良好，故障明显下降，有效的提高了风机的可利用率，现将本次工作情况做以下总结。

一、风机半年检的主要工作

在半年检修工作中，严格按照贝力克风电场S48/750风机安全规程及风机检修规程执行，参考金风科技有限公司风机技术部门提供的半年检修清单的要求，根据现场风机实际情况作出部分调整，得出

符合我风电场风机检修清单的要求，半年检修主要工作是对风机进行保养润滑，检查风机的缺陷并进行修正、消缺，并对风机进行预防性的检查。按规定对每台风机分别对主轴、发电机、偏航轴承、偏航齿轮加注油脂；高速闸片磨损检查，发现闸片磨损超差的进行更换；对偏航电缆检查，解缆调整；检查防雷接地装置，更换碳刷、卡簧；出机舱检查轮毂、叶片，并补漆；检查液压系统，渗漏情况，并根据班组要求对部分风机做了对中工作；齿轮箱外观检查渗漏情况；机舱清洁；塔筒内的电缆夹板检查紧固；爬梯安全装置检查紧固；加装一二平台插座；检查风向标S极是否正对机头。风速仪风向标有无松动；偏航系统检查、偏航电机有异常声响进行调整，偏航刹车盘清理；偏航刹车片挡块固定螺栓有无松动，电容柜检查等工作。通过这次半年检修，风机的故障明显下降，提高了风机的可利用率。

在这次检修中也发现了一些以前从未遇见到的问题，大家能够积极的思考，想办法进行处理和修复。例如：313风机的偏航计数器故障，大家通过参阅维护手册学习和以往典型故障的分析，现场拍照记录接线方式等方法第一次自行完成了32芯线的备用线倒换工作；在对514风机的偏航系统检查中发现了偏航小齿轮断齿的故障，大家集思共想共同确定拆卸、更换安装方案，使用自制的工装，克服了在狭小空间内更换大体积、大重量零件的困难，安全顺利把偏航小齿轮进行了更换，恢复了风机正常运行。

二、风机检修班组人员得到锻炼

全体检修人员能吃苦耐劳，不怕脏、不怕累，服从安排，做好本职工作，员工们能够起到积极的带头作用，每位员工都有对工作的积极态度如许育同志在参加风电场组织的篮球比赛时把脚扭伤了，他只休息4天就主动提出继续参加检修工作，班组领导能够主动克服一些自身的困难，执行工作安排放弃休假，带领班组员工努力把工作做好。每位小组成员都能够积极主动的工作、学习，及时对每台风机的缺陷

和消耗的物资进行记录。特别是一些脏活、累活都抢着干。检修人员每天在做半年检的同时，对风机出现的故障及时地进行处理，有时连续工作十余小时，在近21天内每人每天平均攀爬风机3到4次，付出相当大的体力，做了大量的工作，完成了机组的检修任务，同时在半年检修过程中也提高了发现故障和处理故障的能力，整个团队都得到了锻炼和提高。

总结：风机检修班连续四年独立完成风机检修工作，通过历次检修积累的经验和不足，虽然检修班整体技术力量同去年相比已经有了不小提高，目前班组仍处于学习型的班组，班组计划性的开展学习工作，通过组织学习提高班组整体技术力量，培养班组成员善于发现问题并能解决的能力。检修工作中还有一些暂时不能完成的工作，为此检修班会查阅资料，咨询风机厂家得出具体的行之有效的解决方案，风机检修工作虽然很辛苦，时有挑战恶劣的气候和个人的意志，检修班成员会克服困难保证机组正常运行，时时待命，力争每一度电，并为下一年的检修工作时刻准备。

某某风电场风机检修班

风力发电机组检修 篇2

近年来,随着能源危机和环境问题的日益突出,世界各国都在大力发展风力发电等可再生能源事业,其相关技术发展得很快。从失速型到变速恒频风电系统,从有齿轮箱到直驱型风电系统,我国风电的装机容量也在近几年内获得了快速增长,总装机容量已跃至世界第一。伴随着装机容量的增加,对机组的检修变得日益重要。风力发电机组长期工作在野外,处于暴晒和雷雨等恶劣的环境中,其损坏率相对比较高,而且风力发电机组的叶轮是整个机组中结构和功能最为复杂的部件,并在工作过程中时刻受外界风力影响且处于运动状态。机组在实际运行过程中,大部分的故障都出自于叶轮。所以,对机组叶轮的日常检修,将直接影响整台风机的可利用率。在风电场,日常检修越来越受到人们的重视。

本文将介绍直驱永磁风力发电机组叶轮的主要结构,并根据叶轮结构特点对几个重要部位的日常检修进行详细叙述

2 叶轮组成部分和轮毂结构示意图

叶轮是吸收风能的单元,用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能,叶轮转动是由风作用在叶片上产生的升力导致的。叶轮总成由三组叶片和一个球形轮毂组成。轮毂是一个紧凑的球墨铸铁结构,从变桨系统的角度来看,轮毂就是支撑整个变桨系统的元件。轮毂总成主要由轮毂体、整流罩、轮毂控制柜、滑环系统、变桨电机、齿轮箱、变桨轴承、油脂润滑系统、电池柜、避雷装置等组成(如图1所示)。每个叶片有一套独立的变桨机构，主动对叶片进行调节。

3 直驱永磁发电机组叶轮日常检修的主要项目

3.1 叶片维护

叶片主材为玻璃纤维增强环氧树脂或者玻璃纤维增强聚酯制成的多格的梁/壳体结构。每个叶片内均有防雷电系统(如图2所示),其包括一个位于叶尖的金属接闪器,一根铜电缆沿着前缘侧筋板根部向法兰区铺设且连接到轮毂内的避雷线上。靠近叶片根部叶片内有雷击记录卡。

叶片的日常检修事项主要有以下几项。

3.1.1 检查叶片连接螺栓力矩和避雷线

检查叶片连接螺栓力矩和避雷线连接是否符合设计要求。

3.1.2 检查叶片外观清洁度

检查叶片外观是否清洁,一般的污染物可在雨季来临时被雨水清除。若发现叶片上有较大污染物,而此时也是非雨季时,可以考虑用洗衣粉水或肥皂水去除污染。

3.1.3 叶片表面涂层检查

叶片表面涂层的检查维护工作每3个月进行一次,如发现涂层脱落或前缘表面上有砂眼甚至彻底穿透涂层时,需记录机组编号、叶片编号和破损位置,且还要进行拍照记录,并联系叶片制造商,请专业人员维护,落实涂层的修复工作。

3.1.4 检查叶片有无裂纹、断层

检查叶片是否有裂纹和断层,正常情况下,此项维护工作3个月进行一次。检查人员可站在机舱天窗爬梯延展平台上或地面塔筒外,用专用望远镜沿着叶片的边缘进行观察,查找是否存在裂纹,表面发现裂纹的需详细记录机组编号、叶片编号和裂纹位置、长度。如果可能的话,最好做出标记,同时需停机并及时通知叶片制造商。

3.1.5 检查避雷系统

检查避雷系统,目测碳刷是否因磨损达到碳刷最大刻线处,如果有,则立即更换。检查外侧绝缘衬套和内侧绝缘衬套是否出现大裂纹而导致导电杆无法正常紧固,如果有,则立即更换。虽然机组装配了防雷电系统,但为安全起见,需定期检查叶片是否被雷电损坏。雷电损坏的标志如下:①叶片表面有灼烧的黑色痕迹,从远处看起来像油脂或油污点;②出现暴露的边缘或尖角;③叶片壳体出现纵向裂纹甚至表层撕裂;④雷电接闪器被击穿、灼烧,出现黑色痕迹;⑤叶片黏结处开裂,壳体出现断层;⑥叶片后缘、叶尖爆裂;⑦当叶轮缓慢旋转时,叶片内部异常噪声很大。叶片被雷电损坏后必须停机,并联系叶片制造商。

3.1.6 检查异常噪声

检查异常噪声,此项维护工作应在机组的运行中进行日常检查,发现异常噪声,立刻进行进一步的检查和修复。叶片发出异常噪声的可能原因有以下几种:①叶片表面出现严重磨损,前缘出现大的砂眼;②叶片内部黏结部位,胶黏剂掉落在叶片内部未清除;③叶片遭雷击造成壳体结构受损;④其余故障

3.2 变桨控制系统维护

变桨控制系统包括三个主要部件,即变桨电机、齿轮箱和变桨轴承。通过变桨控制柜控制系统将叶片以精细的角度进行变浆,实现风机的功率控制。变桨控制系统的日常维护主要包括以下几个部分。

3.2.1 变桨电机维护

3.2.1. 1 旋转方向检查

操作风机控制软件进行手动变桨,测试变浆方向是否与屏幕操作一致,保证变桨电机准确变桨

3.2.1. 2 对地电阻检查

如果电机长期不工作,则必须要检查绕组线圈的电阻。在测量电阻前,断开所有的连接。电阻的测量通常用500 V摇表进行测量,测量时绕组应该保持清洁。电机的对地阻值应大于等于2MΩ。如果测试值小于2MΩ,一般是由受潮引起的,必须要通过热空气烘干。

3.2.1. 3 换向器的维护

在正常的运行条件下,换向器并不需要特别的维护。如果其运行表面变得粗糙,可以用一个中等硬度的轻石或磨料橡胶石在电机运行中进行清理(小心避免意外)。在理想的条件下,换向器应该是明亮、黑色抛光(铜绿色)的。出现以下情况时,需要对换向器进行维护:①换向器由于电弧而造成轻微损伤;②换向器的接触面形成非常薄的碳层时;③由于换向器被弄脏,在旋转方向上形成条纹时。

3.2.1. 4 碳刷维护

碳刷需要经常进行检查。如果其长度小于10 mm时,需要更换碳刷,而且必须使用和原来相同规格的碳刷。

3.2.1. 5 轴承维护

运行超过20 000 h时,轴承必须进行更换。

3.2.1. 6 编码器维护

进行编码器维护时,需检查编码器的支脚是否松动或者开裂,检查电机运行中编码器的振动情况。如果编码器连接安全,则要检查编码器电缆是否连接好。

3.2.1. 7 清洁变桨电机

变桨电机必须经常进行彻底检查,确保清洁。操作时,使用空气压缩机和干燥刷子清理积累的灰尘。清理的地方包括定子、电枢绕组和接线盒。

3.2.1. 8 制动器维护

经检查,如果制动器气隙超过说明书允许范围,则可以通过三个调节螺母进行调节。调节完制动器之后,务必确保编码器支架与电机轴对准。经检查,如果制动片厚度超出说明书允许范围,刹车片总厚度小于7.5 mm (铝基体加黑色摩擦片原厚度为10 mm),制动片就必须进行更换。在更换制动片之前,必须要拆卸编码器和编码器支架。重新安装后,必须要重新仔细检查编码器和编码器支架的安装,如果编码器支架未能对准电机轴承,可能会造成编码器和轴承的过度磨损。

3.2.2 齿轮箱的维护

检查内容包括表面污渍和防腐情况。还要查看齿轮箱运转时是否有异常噪声,齿轮箱的密封性是否良好,齿轮箱油位是否正常。一般3～5年更换1次齿轮油,每2年采集一两台风机齿轮油到油品厂家进行化验。

3.2.3 变桨轴承的维护

检查内容有:齿面是否有非正常的磨损、点蚀、断齿、裂纹或腐蚀,齿面是否有润滑脂,轴承密封件是否损坏,运转时是否有异常噪声。检查变桨小齿轮与轴承内齿圈的啮合侧隙,当侧隙大于0.95 mm时,需进行调整。

3.3 滑环维护

滑环主要用于机舱到轮毂的供电与通讯信号的连接。滑环安装于轮毂中,滑环外壳连接到固定部分。在滑环的运行过程中,需要进行有效的维护,以保证滑环的稳定性和可靠性。其日常维护事项有以下几项。

3.3.1 滑环碳刷的维护

戴上口罩和防护眼镜,每隔1年检查1次。这里要注意的是,把防护盖上的炭粉用塑料袋装起来,以免污染环境。另外,还要检查滑环本体固定是否牢固,检查电缆有无磨损现象,检查接地线连接是否可靠,检查滑环供电回路的碳刷有没有明显的损坏或侧磨,检查碳刷长度:如果供电回路碳刷的长度≥15 mm,则无需更换;如果碳刷的长度<15mm,则需更换供电回路的碳刷。检查滑环信号回路的碳刷是否有明显的损坏:如果信号回路的碳刷长度≥5mm,则无需更换;如果碳刷的长度<5 mm,则需更换信号回路的碳刷。

3.3.2 滑环编码器的维护

每隔2年检查紧固滑环里的编码器。如果编码器损坏,建议返厂维修,并更换编码器,修理完成后,按滑环出厂试验要求完成所有测试并提供试验报告。

3.3.3 轮毂油脂系统和其他日常维护

轮毂油脂系统和其他的日常维护工作主要包括:①检查油脂泵有无破损,是否能正常工作。②检查油脂泵油位,如果油位过低,则用注油装置连接到润滑泵底部的注油孔,给泵注油,直至达到“最大”标志处。③检查油脂分配器功能是否完好,管路有无破损和漏油脂现象。④目测轮毂铸件是否有裂纹;检查铸件表面涂层是否完好,如有剥落,应按涂敷要求及时补上。⑤检查轮毂内有无异物掉落,如存在异响,应及时检查异响来自何处,并仔细检查轮毂内部。⑥检查轮毂超速传感器与滑环齿面间隙是否大于0.5mm,信号是否正常。⑦检查限位开关是否有松动,其灵敏度、可靠性和安全性是否满足要求。⑧检查控制柜、电池柜和轮毂电气,目测观察或用手触摸整个柜体,查看是否有松动现象,其内部元器件的固定是否牢靠,接线是否有松动;目测检查柜内是否干净或有无遗留碎片,如有,则清理干净,保证柜体的清洁度,特别是过滤网。⑨用万用表检查电池组单元电压是否大于288V,如果不满足,则更换电池。⑩检查所有连接电缆和辅件是否破损或松动,如有,则拧紧和更换。

4 结束语

本文根据直驱永磁风力发电机组叶轮的结构特点和在风电场的实际运行经验,重点从叶片、滑环、变桨系统等几个主要的故障频发部件介绍了日常维护的事项。在风电场实际的管理过程中,可以合理地安排检修计划,从而减少直驱永磁风力发电机组的故障率,提高机组的发电量。

摘要：直驱永磁风力发电机因结构简单、可靠性高、发电效益高、电网接入性能优异等特点越来越受到市场的青睐。根据直驱永磁风力发电机组的故障特点,从叶轮的主要部件,例如叶片、滑环、变桨系统等几个方面讲述叶轮日常的检修项目。

关键词：直驱永磁风力发电机组,叶轮,叶片,滑环,变桨系统

参考文献

[1]任清晨.风力发电机组安装运行与维护[M].北京:机械工业出版社,2010.

风力发电机组检修 篇3

【摘要】本文主要对丘陵地区风力发电场施工及检修道路设计思路进行分析，阐述了丘陵地区风力发电场的选址需要考虑的因素，然后详细论述了风力发电场的施工及检修道路选择和设计思路，其主要内容有：选择进场道路、规划施工道路、纸上选线、现场选线。

【关键词】丘陵地区；风力发电场；检修道路

风力发电场的建设重点在于如何最大能力的利用风能资源，即如何合理的确定风机位置，所以道路设计不是风电场设计中最重要的一点。现对丘陵地区风力发电场施工及检修道路设计思路进行阐述，并总结如下。

一、丘陵地区风力发电场选址考虑的因素

现以某丘陵地区的风力发电场施工为例，其平面示意图如图1所示。其中A村一B村一C村的道路为乡间道路，并与省道连接，所以该道路经过A村和B村，但是从图中可以看出，A村周围的圆曲线半径比较大，在B村周围为直线段，这条道路可以当作施工和检修的重要道路，所有的风机都要连接到这条道路上来[1]。风机设备进场，主要考虑的圆曲线的半径，还要分析道路周围的设施能否满足风机的要求，例如在乡间进行施工，要考虑承载，并进行核算。

二、风力发电场的施工及检修道路选择

在丘陵地区进行风力发电场施工，选取道路是非常重要的环节。道路主要是为设备进场提供方便，相关人员应综合考虑当地的地形和实际情况，这个过程中，要尽量控制人为因素，防止其对风电场施工造成影响。设备进场要避开村庄等设施，如果因为某些原因，设备必须经过村庄，因为村庄内的道路圆曲线的半径比较小，所以应尽量走直道，防止对风机叶片造成不良影响[2]。设备进场不能拐弯，所以要在设备进场前，明确其道路是否符合要求。风机进场的次数比较少，每台风机只需要进场一次，所以在道路选择时，要考虑其可行性，为了减少费用，可以使用原有道路运输。

（一）确定搅拌站的位置。在风力发电场施工和检修道路的设计中，相关人员应明确搅拌站的具体位置，然后利用风电场混凝土浇筑、混凝土搅拌站，确定风机的机位。在这个过程中，要考虑到风机的基础为大体积的混凝土，所以要不断进行浇筑，尽量将混凝土搅拌站设置在风场的中心位置。从而方便运输，确保施工不会收到影响，如果一个搅拌站无法满足施工需求，那么可以设置多个搅拌站，并注意搅拌站的连续性。搅拌站的连续性在，在实际工程中，与风机的位置有一定联系。例如在图1中，B村的北侧，能够在作为搅拌站的最佳位置，在该点上，向各个风机点的运输比较方便。所以确定了搅拌站的位置。在设计中，相关人员也应结合工程的实际情况，在部分情况下，搅拌站的选取并不重要。例如在施工中，如果搅拌站和风场内的道路相连，那么这种情况下，能够提高施工效率。

（二）选择进场道路。如果施工确定了搅拌站的位置，那么可以定位风机的位置，然后规划进场道路。目前，我国使用的1500kW/h的风机叶片，长约40m。所以在进场中，要分析该道路周围的圆曲线半径，如果选取单车道，那么要保证该半径不能小于50m，从而避免出现不良事故。如果选取的道路为双车道，那么需要圆曲线的半径大于35m。在一些特殊情况，可以适当减少圆曲线的半径，这种情况一般与周围的环境有关，例如地形的平整度、空旷程度等条件。比如，如果地形比较平坦，那么可以加大转弯处的圆曲线半径，然后设备运输后再恢复原状。在设备进场中，相关人员还要考虑到当地地形和附近的实际情况的一些影响，避免施工中的人为因素，影响设备进场。一般情况下，相关人员应需选取远离村庄的道路进行进场，并尽量满足风机的运输要求，确保施工能够顺利进行。施工中，各种车辆在道路上频繁行驶，应考虑到道路的质量，在丘陵地区，道路较少，其质量水平不一。因为车辆装载的施工情况，质量较大，如何不采取有效的措施，很容易损害道路，在必要的情况下，应对道路进行养护，从而保证施工后，该道路能够正常使用。通过这项内容，维护施工的顺利进行，增加风力场施工的效率。

（三）规划施工道路。设备顺利进场之后，应对施工道路进行进一步规划。从一般情况下来讲，施工道路和检修道路使用的是同一条道路，所以风电场施工过程中，使用施工道路之后，要选取一条永久的检修道路，这个过程应保证不造成资源浪费。施工道路不会要求圆曲线的半径，但是要满足施工机械的要求，该公路能够保证混凝土罐车通行，所以施工选用的机械会影响道路的宽度[3]。风电场的土建工程在风电场整体的建设施工中，占有的比重比较小，对风电场施工和检修道路的要求也不是很高，所以相关人员在进行道路规划中，应充分考虑道路的工程量，然后尽量减少资金投资。

三、风电场施工及检修道路的设计思路

设计人员应熟悉风电场内的地形、周边环境，坚守合理、节约的道路规划原则。

（一）纸上选线。设计人员在选定微观选址前，要通过专业人员对风电场的位置进行分析，然后确定道路的最后走向。此时风机的位置并不确定，风机的位置可能在微观选址中出现变化，部分点位可能被取消，也可能被转移，所以这些情况都会影响道路设计的方向。相关人员应提升做足准备，除了对道路布局进行总体规划之外，还应熟悉风电场周围的地理环境、水文条件，保证其不会影响道路的使用。

（二）现场选线。根据丘陵地区风电场的特殊性，其道路设计中还需考虑到道路坡度、道路转弯半径、丘陵地形复杂等多方面的因素。本文结合以往在丘陵地区风电场设计经验，总结了以下一些经验可供参考。首先，道路踏勘时需多注意现场的地形地物，如坟冢、池塘、通讯塔、标志物等，在施工图设计时需注意避让。其次，在现场踏勘时如有条件可使用手持GPS来记录踏勘路径，同时在合适路径做好相应记录点，可以在施工图设计时取得事半功倍的效果。在路线选择时还需尽量利用原有乡间小路，这样既可以减少施工难度，还可以减少征地面积，节约工程造价。再次，结合风机厂家提出的运输要求，合理选取道路路面宽度和转弯半径，在转弯处相应增加道路宽度可防止风机叶片运输时发生摩擦以及无法通行等问题。最后，在道路路面做法时，尽量根据当地现有材料进行设计，以便节省工程造价。

结束语

通过上文对丘陵地区风力发电场施工及检修道路设计思路的分析，道路设计工作需要考虑多方面的因素，例如风电场的自然环境、施工条件、使用设备等等。设计人员要分析道路的圆曲线半径和走向，确保设备进场不会受到影响。纵坡坡度会影响道路主线和风机机位的连接，所以相关人员要处理好这些道路之间的关系，设计出适合丘陵地区风力发电场施工的道路。

参考文献

[1]李琦.丘陵地区风力发电场施工及检修道路设计思路[J].山西建筑，2012（03）：125-126.

作者簡介

于静（1986.02—），女，汉族，籍贯：山东省烟台，学历：本科，职称：助理工程师，工作单位：国华（栖霞）风力发电有限公司，主要研究方向：土木工程。

风力发电机组检测与控制 篇4

课程编号:

课程名称：«风力发电机组检测与控制»英文名称：《monitoring and control of wind turbine generator system 》总 学 时：48

总 学 分：

3适用对象: 风能与动力工程专业本科学生

先修课程：«自动控制原理、风力发电原理»

一、课程性质、目的和任务

该课程为风能与动力工程本科专业学生必修课，目的使学生了解风力发电机组检测与控制系统的组成与结构原理；掌握与风力发电机组相关信号、过程参数的检测方法；控制系统构成与控制方法分析。为今后从事风力发电机组设计、运行与维护工作打下基础。

二、教学要求和内容

«基本要求»：学习并掌握不同风力发电机组对检测与控制系统的要求，学习掌握机组主要测量参数的测量原理，控制对象与控制系统结构与工作原理。

«基本内容»：风力发电机组检测与控制系统的组成，机组运行过程电气、风力、机组状态参数检测，机组启动、运行、故障等过程控制。

三、教学安排及方式

采取以课堂讲授为主，课堂讨论和实验为辅的教学手段，结合控制系统实验台使学生有直观形象的知识掌握。

五、推荐教材和教学参考书

教材：自编

参考书：《风力发电机组的控制技术》叶杭冶编著 机械工业出版社

六、补充说明

风力发电机组的设计理念 篇5

1.系统效率问题

风力发电机的风轮转子的风能利用效率对风力发电机组的系统效率起着决定性作用。由风力发电机系统效率公式η系=η转·η控·η逆·η电·η蓄可知，系统效率除与风轮转子的气动效率有关外，还与发电机效率、控制器效率、逆变器效率、蓄电池的充电效益有关。要大幅度提高后者的效率值，不但技术难度大，而且经济上不可取。水平式风力发电机最大风能利用系数理论值为0.593。市场上现有的微小型风力发电机CP值为0.25~0.35，与最大值0.593还有很大差距,仍有很大的潜力可挖。利用最新的二维机翼在大功角时风洞试验的研究成果，借鉴大、中型风力发电机现有技术成果。根据风力机既具有外流机翼特性，又具有内流叶轮的工作特点。采用先进的设计手段、设计方法和优化技术以及采用新材料、新技术、新工艺等综合手段来提高风轮转子风能利用系数，使之达到中型风力发电机的CP值为0.42的水平。从而降低单位每百瓦发电量的材料消耗量，同时减少了重量和体积，为新材料、新技术、新工艺的应用打下了良好的基础。

2.安装，维护问题

一般使用离网型独立运行的微小型风力发电机组的用户往往地处交通不便，无常规能源输送的边远地区、深山、草原牧区、边防哨所、微波站以及沿海海岛、航标灯站等等。受材料采购困难，配件供应不畅和维护技术等因素的限制。我们的设计目标：使风力发电机成为一种安装方便、免维护、保护功能完善的傻瓜型产品。

3.成本问题

据统计，到目前为止，我国尚有7656万无电人口、16个无电县、828个无电乡和29783无电乡村，它们地处交通不便，无常规能源供应的边远地区、深山、沿海岛屿。那里经济、文化较为落后，收入较低，但当地的风能、太阳能资源往往较为丰富。如果能提供一种物美价廉、可靠性高的风力发电机产品，对解决他们的日常生活用电，丰富他们的文化生活无疑是一大福音。另外，沿海近海的滩涂养殖场、内陆湖泊渔民、沿海地区居民等，虽然该地区经济较为发达，且有常规能源供应，如果能提供一种性价比高、投资回收期短、外观美的风力发电机产品，则能为风力发电机的推广普及创造良好条件。这样，就能减轻日趋紧张的城市电网的供电压力。用风能替代一部分使用石化燃料发电的电能，既符合我国能源的可持续发展战略，又减少了对地球不可再生资源的开采和对大气环境的污染。我们的设计目标：使风力发电机成为人人用得起，个个用得好的优秀产品。

4.振动和噪音问题

微小型风力机往往安装在住宅的附近、楼顶、花园、停车场、高速公路灯上，要求振动小、噪音低。如果风力发电机噪音大，会严重干扰居民的日常正常生活；如果风力发电机振动大，易造成紧固件脱松和材料的疲劳损坏，对的人身、财产安全构成极大的危害。我们的设计目标：使风力发电机在正常运行时达到近乎无振动、无噪音状态，使风力发电真正成为绿色环保的清洁能源。

5.寿命、可靠性问题

风力发电机组由风轮转子、三相永磁交流发电机、控制器、逆变器、蓄电池组等部件组成。风轮转子的功能：接受风能，并将风能转变为机械能；三相永磁交流发电机的功能：将机械能转变为电能；控制器的功能：将三相交流电整流、稳压为电压恒定的直流电；逆变器的功能：将直流电逆变为三相200V50HZ的正弦交流电；蓄电池的功能：储存电能以供用户在所需时使用。设计制造风力发电机涉及的学科较广，有材料力学、空气动力学、电机学、微电子学、电化学等学科，兼之使用者所处的地区，经济欠发达，文化相对落后，交通运输不便，无常规能源供应，缺乏必要维修能力。我们的设计目标：使风力发电机具有结构简单、寿命长、可靠性高的特点。

综合以上五点所述，新设计的风力发电机组应具有风能利用系数高、体积小、重量轻、外观美、噪音低、振动低、安装方便、免维护、寿命长、可靠性高、性能价格比高、保护功能齐全的特点。做到人人用得起，个个用得好，为用户和社会创造良好的经济利益和社会利益。在“敢于开拓，敢于创新；创一流企业，争天下第一”的云攀精神激励下，凭借着“保护人类唯一的赖以生存的地球”信念的支持下，云攀人以顾客为关注的焦点；以市场为导向；以保护地球，匹夫有责为己任；时刻牢记“光明使者”的重任，通过对现有市场上的微小型风力发电机产品的技术状态、使用状况和顾客呼声、愿望、抱怨、投诉进行充分的市场调查，并对收集的资料进行科学的汇总、分类、统计分析，找出其优点和存在缺陷。针对传统小型风力发电机组存在的问题，我们第一步设想：利用大、中型风力机桨叶失速控制技术移植到微小型风力机中，同时利用发电机的饱和特性来替代微小型风力机的偏侧调速机构，以达到限制转速、限制功率的目的。从而将原有的三个转动部件（对风装置，发电装置，偏侧调速限功装置）减少为二个。第二步：采用组合叶素理论和动量理论，利用二维机翼在大功角下的风洞试验研究结果，修正大攻角失速后的空气动力学数据，考虑了轴向和切向诱导速度沿轴向的变化，计及了叶尖损失、风切变、尾流等影响风力机效率的因素来设计失速叶片的气动外形和结构，在制造过程中选用高强度工程塑料，采用精密注射工艺成型。在确保叶片强度、刚度、疲劳寿命前提下解决成本与性能问题。同时利用“锥角效应”解决叶片振动、噪音问题。第三步，将电动机的碳刷、滑环机构移植到微小型风力机中，解决电缆缠绕问题。第四步，制造一个集整流、稳压、报警、指示、蓄电池保护功能于一身的控制器，解决蓄电池欠压、过充问题，从而延长蓄电池的寿命。第五步，制造一个智能型正弦波逆变器，并具有过载、短路自动保护功能，解决常规逆变器的带感性负载时易产生运转噪音、效率低、寿命短和可靠性差的问题。第六步，借鉴电器接插件结构形式设计电连接器解决发电机与控制器连接的隐患问题；利用密封胶解决电机密封问题；利用多种防松方法，如防松胶、转向与螺纹旋向相反自紧的原理、非金属嵌件锁紧螺母等多种形式解决紧固件松动问题。为实现我们制订的目标，云攀人经过不懈努力、屡败屡战、精益求精，皇天不负有心人，终于变美梦成真。集微电子技术、永磁电机技术、计算机技术、电力电子技术、空气动力学技术于一身的具有高

科技含量、最新一代的风力发电机组横空出世。

控制器特点

1.采用铝合金挤压成型的外壳，外形美观，兼起散热器自散热作用，减少了利用轴流风扇进行强迫冷却而引起附加电能消耗。2.利用可控硅半控桥式整流，移相稳压控制技术（或二极管桥式整流，PWN直流斩波控制技术）制成的整流、稳压电路，其稳压精度高、效率高、电源质量好、可靠性高。3.具有风轮转子发电指示；三相永磁交流发电机的充电指示；蓄电池欠压、过充状态指示功能以及蓄电池的欠压、过充自动保护功能。4.配备光伏电池组输入端子。方便用户将风力发电系统扩充为风—光互补型风电系统。5.引入切入风速控制系统。其工作原理为风轮转子起动并连续旋转后，由于风轮转子维持风速低于起动风速，在发电机电压未达到蓄电池充电电压时，使风轮转子空转。一旦达到充电电压时，即转换为正常充电工作状态。这样使风轮转子能更有效吸地收风能。6.根据三相交流发电机绕组自身特点配以先进吸收电路设计的制动装置。一方面确保风力发电机安装时人员的人身安全，另一方面在台风来临时保护机组免受损坏。

风轮转子的特点

１、选用玻璃纤维增强型工程塑料，经精密注射工艺成型的风轮叶片，表面喷涂耐侯性能极佳的专用面漆，在确保叶片满足强度、刚度要求的前提下，减轻了叶片重量。在确保叶片满足复杂气动外形尺寸精度的前提下，提高了生产效率，降低了生产成本．

２、根据风力发电机叶轮转子既具有外流机翼类似的特性，又具有开式旋转机械的特点，采用组合叶素理论和动量理论，考虑了轴向和切向诱导速度沿轴向的变化，计及了叶尖损失、尾流损失、风切变、尾流与塔架位势干扰等影响风力机效率的因素，利用二维机翼在大功角下风洞试验成果来修正大攻角失速后气动数据以及空气动力学的最新研究成果来设计风轮转子叶片的气动外形和结构，并根据叶片最佳外形尺寸要求进行优化设计，兼顾起动性能和工作性能两者之间的关系，既使风轮转子具有重量轻、转动惯量小、对风速的变化响应速度快的特点；同时又使风轮转子具有转换效率高、Ｃp-l曲线形状好即曲线平顶范围较宽。从而降低了起动风速，增加了年发电量。

３、利用“锥角效率”优化设计风轮参数，使风轮转子在正常运转时近乎无振动、无噪音。４、利用失速叶片的失速特性来限速、限功，简化了结构，减少了零部件的数量。永磁交流发电机的特点

１、采用专利技术的径向式永磁磁路转子结构，使转子单位每百瓦稀土永磁材料消耗量低、效率高、比功率大、重量轻、体积小，由于风轮转子直接套在发电机的转轴上，使风轮转子对风速变化的响应速度快。其转子工作转速最高可达１００００转/分。

２、采用ＣＡＤ技术、有限元分析技术对电机定子进行优化设计，重点是如何降低发电机的阻转矩，如定子铁心采用斜槽结构、定子绕组采用分数槽绕组、槽楔采用磁性槽楔、合理选择定、转子的槽数和极数配合。

３、根据风轮转子的功率——风速曲线、转速——风速曲线来设计发电机功率——转速曲线。使两者具有良好的匹配特性即在一定风速、一定风轮转子转速的前提下风轮转子的机械功率应略大于发电机的输入功率。过大，会出现大马拉小车现象，白白浪费风能并造成机组年发

电量的下降；过小，会造成风轮转子转速突然下降并产生冲击现象，使风轮转子在偏离最佳叶尖速比状态下运行，同样降低了机组的年发电量。

４、发电机的电流——转速曲线形状好，即能兼顾低、中、高速时发电机输出特性。

５、采用ＩＰ５４全密封防护等级，前、后端盖止口与机座止口、支承座止口接合处，采用密封胶密封。前端盖与叶片连接法兰接合外，采用新型防水结构，避免风沙、雨水、雪水入侵。

６、采用宽系列橡胶双密封非接触式进口轴承，使发电机在-30C°~+50C°工作环境下可靠使用。

７、连接件、紧固件全部采用不锈钢材料，并采用厌氧胶进行防松处理。

突破传统界限，创造一个新时代

综合利用电机技术、电力电子技术、微机技术、空气动力学技术等综合技术创造出一个近乎完美的小型风力发电机组。

特点：

1.体积小、重量轻、外形美观；

2.起动风速低、系统效率高、设备利用率高；

3.正常运行接近无振动、无噪音，真正的绿色环保、清洁能源；

4.无电缆 缠绕的烦恼；

5.结构简单、安装维护方便；

6.寿命长，可靠性高；

7.智能型正弦波逆变器，具有过载、短路自动保护功能；欠压、过充保护功能；

风力发电机组检修 篇6

关键词：风能,风力发电机组,风电系统

0 引言

众所周知,可再生能源有水能、风能、太阳能、生物质能、潮汐能、地热能六大形式。其中,风能源于太阳辐射使地球表面受热不均、导致大气层中压力分布不均而使空气沿水平方向运动所获得的动能。据估计,地球上可开发利用的风能约为2×107MW,是水能的10倍,只要利用1%的风能即可满足全球能源的需求[1]。在石油、天然气等不可再生能源日益短缺及大量化石能源燃烧导致大气污染、“酸雨”和“温室效应”加剧的现实面前,风力发电作为当今世界清洁可再生能源开发利用中技术最成熟、发展最迅速、商业化前景最广阔的发电方式之一已受到广泛重视。文中阐述了风力发电机组及恒速恒频、变速恒频风力发电系统的基本结构和工作原理,综述了国内外风力发电技术的发展现状和发展趋势。

1 风力发电机组的基本结构和工作原理

典型的风力发电机组主要由风轮(包括叶片、轮毂)、(增速)齿轮箱、发电机、对风装置(偏航系统)、塔架等构成(图1)。其工作原理为:风以一定的速度和攻角流过桨叶,使风轮获得旋转力矩而转动,风轮通过主轴联接齿轮箱,经齿轮箱增速后带动发电机发电。

由于风力发电机组频繁起停,风轮转动惯量又很大(大型风力发电机组的单个叶片重达数吨),故风轮的转速设计值较低,通常为20～30r/min(机组容量越大,转速越低)[2];另一方面,为了限制发电机的体积和重量,其极对数较少,故在风轮与发电机间通常设置增速齿轮箱,将风轮输入的较低转速增速到1000～1500r/min[1]以满足发电机所需。

风力机按风轮主轴的方向分为水平轴、垂直轴两大类;对水平轴风力机,需要风轮保持迎风状态,根据风轮是在塔架前还是在塔架后迎风旋转分为上风向和下风向两类。现代风力发电机组大多数采用上风向(风轮在塔架前面迎着风向旋转)、水平轴式(风轮的旋转平面与风向垂直、旋转轴与地面平行)、3叶片,且在大型机组中采用变桨距风轮,即桨叶与轮毂不象传统的定桨距失速型那样采用刚性联接,而是通过可转动的推力轴承或回转支撑联接,以使叶片攻角可随风速变化进行调整从而对风轮进行调速(限速)。

偏航系统是上风向水平轴式风力机风轮始终保持迎风状态及提供安全运行所需锁紧力矩的特有伺服系统,其通过驱动机舱围绕塔架的垂直轴转动以使风轮主轴保持与稳定的风向一致;另外,当因偏航动作导致机舱内引出电缆扭绞时,偏航系统应能自动解除扭绞。

风力发电机组中的发电机一般为异步发电机(包括笼型、绕线型)或同步发电机(包括永磁、电励磁),采用何种形式的发电机主要取决于风力发电系统的形式。

根据风力机的基础理论,风力机从自然风中捕获风能所获得的机械功率为[2]

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式中:Pm ——机械功率,W;

v1 ——距离风机一定距离的上游风速,m/s;

ρ ——空气密度,kg/m3;

S ——风轮的扫风面积,m2;

Cp ——风能利用系数。德国的空气动力学家贝兹(Albert Betz)1926年提出的“贝兹极限”[2,4,5]表明:风力机的实际风能利用系数Cp<0.593。

风能利用系数Cp是体现风轮气动特性优劣的主要参数,其是叶尖速比λ和桨叶桨距角β的非线性函数,而叶尖速比λ为风轮叶片叶尖的线速度与风速v1之比,即

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式中:n ——风轮的转速,r/min;

ω ——风轮的角速度,rad/s;

R ——风轮的半径,m;

v1 ——上游风速,m/s。

图2和图3分别为基于某定桨距风力机四参数模型、某变桨距风力机七参数模型的Cp-λ曲线[6]。

图2表明,当桨距角保持不变时,风能利用系数Cp只在对应最佳叶尖速比λopt点处获得最大值Cpmax。

显然,在不同的风速下,若通过调节风轮的转速使其叶尖速比λ=λopt,则可维持风力机在最大风能利用率下运行,这正是变速风力发电机组转速控制的基本目标。

图3表明,同一叶尖速比下,不同的桨距角对应不同的风能利用系数,因此,通过改变桨距角可控制风力发电机组的功率。事实上,与功率输出完全依靠桨叶气动性能的定桨距风电机组相比,桨距角可控制的变桨距风电机组具有如下优势[2]:在额定功率点以上输出功率平稳;在额定点风能利用系数较高;可保证在高风速段输出额定功率;优良的起动、制动性能。

2 风力发电系统的基本结构和工作原理

风力发电系统从形式上有离网型、并网型。离网型的单机容量小(约为0.1～5kW,一般不超过10kW),主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行;并网型的单机容量大(可达MW级),且由多台风电机组构成风力发电机群(风电场)集中向电网输送电能。另外,中型风力发电机组(几十kW到几百kW)可并网运行,也可与其它能源发电方式相结合(如风电-水电互补、风电-柴油机组发电联合)形成微电网。并网型风力发电的频率应保持恒等于电网频率,按其发电机运行方式可分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统两大类。

2.1 恒速恒频风力发电系统

恒速恒频风力发电系统中主要采用三相同步发电机(运行于由电机极对数和频率所决定的同步转速n0)、鼠笼式异步发电机(SCIG)。且在定桨距并网型风电机组中,一般采用SCIG,通过定桨距失速控制的风轮使其在略高于同步转速n0的转速(一般在(1～1.05)n0之间)稳定发电运行。图4为采用SCIG的恒速恒频风力发电系统结构示意图,由于SCIG在向电网输出有功功率的同时,需从电网吸收滞后的无功功率以建立转速为n0的旋转磁场,这加重了电网无功功率的负担、导致电网功率因数下降,为此在SCIG机组与电网之间设置合适容量的并联电容器组以补偿无功。在整个运行风速范围内(3m/s

恒速恒频风力发电系统具有电机结构简单、成本低、可靠性高等优点,其主要缺点为:运行范围窄;不能充分利用风能(其风能利用系数不可能保持在最大值);风速跃升时会导致主轴、齿轮箱和发电机等部件承受很大的机械应力。

2.2 变速恒频风力发电系统

为了克服恒速恒频风力发电系统的缺点,20世纪90年代中期,基于变桨距技术的各种变速恒频风力发电系统开始进入市场,其主要特点为:低于额定风速时,调节发电机转矩使转速跟随风速变化,使风轮的叶尖速比保持在最佳值,维持风电机组在最大风能利用率下运行;高于额定风速时,调节桨距以限制风力机吸收的功率不超过最大值;恒频电能的获得是通过发电机与电力电子变换装置相结合实现的。目前,变速恒频风电机组主要采用绕线转子双馈异步发电机,低速同步发电机直驱型风力发电系统亦受到广泛重视。

a) 基于绕线转子双馈异步发电机的变速恒频风力发电系统

绕线转子双馈异步发电机(DFIG)的转子侧通过集电环和电刷加入交流励磁,既可输入电能也可输出电能。图5为基于绕线转子双馈异步发电机的变速恒频风力发电系统结构示意图,其中,DFIG的转子绕组通过可逆变换器与电网相连,通过控制转子励磁电流的频率实现宽范围变速恒频发电运行,其工作原理为:转子通入三相低频励磁电流形成低速旋转磁场,该磁场的旋转速度n2与转子机械转速nr相叠加,等于定子的同步转速n0,即

nr±n2=n0 (3)

从而在DFIG定子绕组中感应出相应于同步转速n0的工频电压。当发电机转速nr随风速变化而变化时(一般的变化范围为n0的30%,可双向调节),调节转子励磁电流的频率即可调节n2,以补偿nr的变化,保持输出电能频率恒定。

图5所示变速恒频方案由于是在转子电路中实现的,而流过转子电路的功率是由DFIG转速运行范围所决定的转差功率,一般只为额定功率的1/4～1/3,故显著降低了变换器的容量、成本。此外,调节转子励磁电流的有功、无功分量,可独立调节发电机的有功、无功功率,以调节电网的功率因数、补偿电网的无功需求。事实上,由于DFIG转子采用了可调节频率、幅值、相位的交流励磁,发电机和电力系统构成了“柔性连接”[7]。徳国DeWind公司生产的D6型机组(其额定功率为1250kW,起动、额定、切出风速分别为2.5m/s,13m/s,28m/s)是采用这种变速恒频方案的典型产品[2]。

b) 基于低速同步发电机的直驱型风力发电系统

直驱型风力发电系统中,风轮与永磁式(或电励磁式)同步发电机直接连接,省去了常用的升速齿轮箱。图6为永磁直驱型变速恒频风力发电系统结构示意图,风能通过风机和永磁同步发电机(PMSG)转换为PMSG定子绕组中频率、幅值变化的交流电,输入到全功率变换器中(其通常采用可控PWM整流或不控整流后接DC/AC变换),先经整流为直流,然后经三相逆变器变换为三相工频交流电输出。该系统通过定子侧的全功率变换器对系统的有功、无功功率进行控制,并控制发电机的电磁转矩以调节风轮转速,实现最大功率跟踪。与基于DFIG的风力发电系统相比,该系统可在较宽的转速范围内并网,但其全功率变换器的容量较大。与带齿轮箱的风力发电系统相比,该系统提高了效率与可靠性、降低了运行噪声,但发电机转速低,为获得一定的功率,发电机应具备较大的电磁转矩,故其体积大、成本高。

3 风力发电技术的发展现状及发展趋势[1,2,5,6,7,9,10,11,12,13]

丹麦的Poul la Cour教授是风力发电研究的先驱者,1891年他在丹麦的Askov 成立了风力发电研究所并安装了试验用的4叶片风力发电机。到1910年,丹麦已建成100座5～25kW的风力发电站。但从19世纪末到20世纪初期实现的风力发电均为小容量直流发电。

1931年,在前苏联的Balaclave建成世界上第一座中型风力发电机,其容量为100kW。1957年,丹麦成功制造了风轮直径24m,额定功率200kW的Gedser(盖瑟)风力发电机组,其为三叶片、上风向、采用定桨距风轮失速调节限制机组的功率、带有电动机械偏航、采用异步发电机。1983年,美国波音公司研制的MOD-5b型风力发电机组(额定功率3.2MW、风轮直径98m)投入运行。到1990年末,世界上已有多个生产兆瓦级风力发电机组的制造商。

起源于丹麦的定桨距失速控制方式因结构简单、性能可靠,曾在相当长的时间内占据主导地位,但随着风力发电机组趋向大型化和兆瓦级机组的商业化,全桨叶变距控制成为发展趋势。

进入21世纪,陆地风力发电机组的主力机型单机容量为2MW,风轮直径为60～80m,近海风力发电机组的主力机型单机容量多为3MW以上;大型变速恒频风力发电技术已成为主要发展方向。其中,双馈型变速恒频风力机组是目前国际风力发电市场的主流机型,直驱型风力发电机组以其固有的优势正日益受到关注(ENERCON公司2006年生产的直驱型风力发电机组在德国市场销售量第一)。事实上,从定桨距恒速恒频机组发展到变桨距变速恒频机组,可谓基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想地向电网提供电力的最终目标。

2001年以来,全球每年风电装机容量增长速度为20%～30%,风力发电已成为世界上增长速度最快的清洁能源。到2008年底,全球风电装机容量已达1.20亿kW,前3位的国家分别是美国、德国、西班牙。

我国的风电发展主要集中在2003年以后。近年来,显示出前所未有的发展势头。到2008年底,风电机组总装机容量达1215.3万kW,位列全球第4。随着我国风电装备制造业的快速发展,我国的华锐风电、金风科技两家企业进入2008年全球大型风电机组制造商前10名[11]。目前,国内风电制造技术发展呈现的主要特点为:兆瓦级风电机组已成为主流机型;变桨距、变速恒频技术得到广泛采用;双馈异步发电技术仍占主流;直驱型风电机组发展迅速。

综观世界风力发电近几年迅猛发展的轨迹,呈现出如下发展趋势及发展动态:

风力发电机组检修 篇7

关键词：风力发电机；齿轮箱；疲劳寿命；有限元分析

中图分类号：TH132.41 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2015）04-0027-03

风电增速齿轮箱是风力发电机组的关键部件，它位于叶轮和发电机之间，将叶轮受风力作用旋转而产生的动力传递给发电机发电，同时将叶轮输入的较低转速转变为满足发电机所需的转速。因此，风电增速齿轮箱是一种受无规律变向载荷的风力作用及强阵风冲击的变载荷条件下工作的低速、重载、增速齿轮传动装置。太阳轮轴承接着周转轮系与定轴轮系的载荷变化，易发生疲劳破坏，从而影响整个齿轮箱的疲劳寿命。利用有限元法对太阳轮轴进行疲劳寿命分析，以预测太阳轮轴的疲劳寿命。

1 太阳轮轴载荷特点及三维建模

风力发电机工作时，由于与行星轮组成了周转轮系，所以太阳轮受到随时间周期性变化的交变载荷，从而在结构部位产生了交变应力，引起太阳轮轴的局部位置产生疲劳裂纹并扩展，最后引起太阳轮上的某个齿突然断裂。在传统的扭力轴疲劳寿命分析中，往往只考虑单个轴，不考虑与其相配合的其他零件上的受力的影响，导致结果并不十分准确。本文针对太阳轮与低速轴通过花键相互连接的特点，考虑太阳轮与花键轴相配合时作用力对双方疲劳破坏的影响，使得结果更加准确。

通过UG软件建立太阳轮轴的三维有限元模型（如图1所示），将X_T格式文件导入到ANSYS-workbench（AWB）中，进行网格划分。整个模型有

15 448个单元，28 166个节点，太阳轮和花键轴都采用合金钢制造。

2 额定工况下太阳轮轴静力学分析

2.1 太阳轴上受力及约束

太阳轮上所受的扭矩分别由与行星轮啮合的3个轮齿传入，根据风力机的额定功率为750 kW，可推算出3个轮齿上的受力分别为131 105 N；将其作用在太阳轮的3个轮齿上，方向为顺时针，低速轴右端轴肩作用逆时针方向扭矩，大小为46 200 N·m，加载重力。太阳轮与花键轴之间设置成bonded（绑定接触），太阳轮内壁和花键轴配合轴承的轴肩设为Cyliderical Support（圆柱面约束），只允许切向转动。太阳轮轴上的力及约束加载情况如图2所示。

2.2 太阳轴上静力学分析

利用有限元软件进行静力学分析计算可知，太阳轮上的最大应力（Von-Mises）为165 MPa，发生在太阳轮与轴肩的过渡圆角处，以及花键轴与轴肩的过渡圆角处，符合应力学规律。太阳轮与花键轴的应力及应变云图如图3—5所示。

根据太阳轮轴的应力云图分析可知，最大应力发生在齿轮与轴肩、花键齿与轴肩的过渡圆角处。所以通过相关的疲劳理论知识，根据静力学分析，可以进一步对太阳轮轴的疲劳寿命进行分析计算。

3 太阳轮轴的疲劳寿命分析

3.1 疲劳寿命分析相关理论

影响机械零件疲劳强度的因素很多，其中主要的有结构的尺寸与形状、表面状况、平均应力、环境介质及温度等。对于风力机中的零部件来说，影响其疲劳寿命的因素主要是载荷特性、零件状态及零件所采用材料的特性。

根据疲劳寿命理论，且考虑风力发电机的各种工况条件，计算出设计寿命为242 500英里。

3.2 太阳轮轴疲劳寿命分析

1） 通过Ansysworkbench软件进行太阳轮的疲劳分析，得出太阳轮轴的二轴应力指示（Biaxiality Indication）。单轴应力区域为0，双轴应力区域为1，纯剪切-1，最大应力发生在齿轮与轴肩的过渡圆角处。本文主要研究随机剪切载荷作用下的扭转疲劳寿命。太阳轮轴的双轴应力指示如图7所示。

2） 通过有限元软件自动进行雨流计算分析，输入相关参数，得到太阳轮轴的寿命、疲劳破坏、等效交变应力、安全系数的相关云图。本文中S—N曲线的最大寿命为1E6，无限寿命为1E6，零件最大和最先寿命均为1E6，认为在该疲劳寿命下不会发生疲劳破坏（如图8所示）。

Damage云图表示设计寿命与可用寿命的比值。当D>1时，说明零件发生疲劳破坏（如图9所示）。计算方法为：设计寿命242 500除以1E6得0.242 5。

安全系数（Safety Factor）表示零件或构件所用材料的失效应力与设计应力的比值（如图10所示）。由机械手册可知：轴类零件的安全系数应大于1.10，安全系数最小为0.52，发生在太阳轮轴肩段，所以这段应采用特殊的热处理，以满足安全系数的最低要求。初步分析是受到随机交变剪切载荷，以及尺寸效应、缺口效应、表面加工方法等影响。

4 结论

本文通过有限元软件，对风力发电机的关键部位零件——太阳轮轴进行疲劳寿命的分析计算，找到一种三维软件UG与Ansys联合分析的方法，预测了太阳轮轴的疲劳破坏，并提出改进方法，今后可对风力发电机整机的疲劳分析及故障预测进行深入研究。

参考文献

[1] 陆俊华，李斌，朱如鹏.行星齿轮传动静力学均载分析[J].机械科学与技术，2005（6）：702-704.

[2] 靳艳丽，刘凯，马朝锋.风力发电机增速行星传动系统均载分析[J].重型机械，2007（5）：42-44.

[3] 朱孝录.齿轮承载能力分析[M].北京：高等教育出版社，2000.

[4] 赵少汴.抗疲劳设计——方法与数据[M].北京：机械工业出版社，1997.

[5] 尚德广，王德俊.疲劳裂纹萌生尺寸的定义及其确定方法[J].机械强度，1996（2）：59-62.

Abstract： Sun gear is easy to get fatigue destroy in wind turbine generator， and influences the fatigue life of the whole gearbox. The article presents the establishment of 3D finite element model of sun axle by using UG software， and expounds the analysis of statics and structural fatigue by ANSYS-workbench software. It provides a method for the design of fatigue life in order to predict the fatigue life of sun axle.

Key words： wind generator； gearbox； fatigue life； finite element analysis