机舱设备与塔架－水平轴风力发电机

机舱设备与塔架

Nacelle Equipment and Tower

机舱是风力发电机核心所在，风轮旋转机械能在这里转换成电能。水平轴风力发电机机舱里主要设备有主传动轴、齿轮箱、发电机、刹车装置、机架、控制设备等。

1. 齿轮箱

由于发电机转速高，二极三相交流发电机转速约每分钟3000转，四极三相交流发电机转速约每分钟1500转，六极三相交流发电机转速约每分钟1000转，而风力机风轮转速低，小型风力机转速每分钟最多几百转，大中型风力机转速约每分钟几十转甚至十几转。这么大的转速差别，风轮只有通过齿轮箱增速才能使发电机以额定转速旋转，增速比一般为几十倍至一百多倍。

齿轮变速主要有两种形式，一种是圆柱齿轮变速，一种是行星齿轮变速，风力机的齿轮增速箱增速比较大，多采用二级行星齿轮增速或一级行星齿轮加一级圆柱齿轮增速，大增速比的采用二级行星齿轮增速加一级圆柱齿轮增速。圆柱齿轮增速箱的输入输出轴不在同一轴线上，行星齿轮增速箱的输入输出轴则在同一轴线上。行星齿轮增速箱变比大、体积较小，故行星齿轮增速在风力机中是用得最多的增速方式。图1是一级行星齿轮与一级圆柱齿轮结合的增速装置模型。

图1 一级行星齿轮加一级圆柱齿轮增速

图2是一个风力发电机组的齿轮箱外观图，齿轮箱低速轴端是连接风力机主轴（风轮轴），增速后由高速轴输出，联接到发电机。

图2 风力发电机齿轮箱与胀紧联接套

齿轮箱由2级行星齿轮传动加一级圆柱齿轮传动，低速轴是第一级的行星架的轴，风轮主轴将插入低速轴的内孔进行联结。圆柱齿轮的输出轴是齿轮箱的高速轴。多数风力机增速箱的低速轴是管状的，直通齿轮箱后部，轴中部通孔用于向轮毂传输变桨信号与动力的管线通过。扭力臂用来支撑齿轮箱，扭力臂穿有支撑轴，通过齿轮箱支撑座安装在风力机机架上。

由于风力机的工作环境恶劣，对制作齿轮箱的材料与工艺要求很高，同时对对齿轮箱的润滑系统要求也很高。关于齿轮传动原理与齿轮箱的内部结构参见《风力发电机的齿轮箱(1)》、《风力发电机的齿轮箱(2)》和《风力发电机的齿轮箱》课件。

图3是齿轮箱侧后面图，在高速轴上有制动盘（刹车盘），在齿轮箱机壳上有制动器（刹车钳），当制动器夹紧制动盘时，高速轴被制动，风力机停止转动。

齿轮箱运转时，由于摩擦会产生热量，高温会损坏齿轮。在齿轮箱内注上润滑油，润滑油可减小齿轮间的摩擦，提高齿轮箱运转效率，还可以对齿轮进行蒋温。齿轮箱配有润滑油站与热交换器，相互间有油管连接。润滑油站由油泵，过滤器，控制阀门组成。在油泵推动下，齿轮箱内的高温油经过滤器后到油热交换器散热，然后回到齿轮箱。齿轮箱的润滑系统参见《风力发电机的齿轮箱》课件。

图3 风力发电机齿轮箱后侧

多数风力机齿轮箱配有胀紧联结套（简称胀紧套），用来和风轮主轴联结。胀紧套由外环、内环与6个螺栓组成。见图4左图。

图4 胀紧联结套

内环与外环的接触表面为圆锥面，当拧紧螺栓时，内环向外环移动，由于内环是弹性体，受挤压内径会缩小。在实际使用时，把松开螺栓的胀紧套套在齿轮箱前端，把风轮主轴插入齿轮箱低速轴内孔，拧紧螺栓使内环缩小，在内环挤压下齿轮箱轴会紧抱风轮主轴，实现二轴的紧联结。见图4左图。

胀紧套的主要优点是在严重超载时，会失去紧固的联结作用，保护设备不受损害。另外胀紧套联接松卸方便，方便风力机的维修；胀紧套具有良好的互换性。胀紧联结套的结构有多种，这里介绍的仅是风力机用的胀紧联结套。

2. 发电机

大多数风力发电机采用三相交流发电机，因其有效率高体积小的优点，在微型、小型风力发电机中也有些采用爪极发电机。根据不同的运行模式，有用同步发电机的也有用感应发电机的。目前风力发电机组的主要运行模式有以下几种:

定浆变速 风轮叶片是固定的，发电机的转速随风速而变，只要能发出电即可，在小型离网运行（不并网）的风力发电机用得较多，多采用永磁同步发电机，多数情况下将发出的电整流后给蓄电池充电，或逆变成稳定的交流电供电器使用。

变浆定速 大中型风力发电机多工作在并网状态，要求发出的交流电频率稳定为50Hz，电压要也要与电网相同，由于风速变化频繁，采用变浆距角的方法控制风轮转速尽量稳定（只在较小的范围内波动），采用笼型感应发电机发电，在发电机转速变化不大时可输出稳定的50Hz交流电，达到直接并网目的。但变桨对风力发电机转速控制效果并不理想，定桨运行使风力机经常运行在效率不高的状态。

变速变浆 近些年来由于电力电子与电脑控制飞速发展，风力发电广泛采用变速恒频的工作方式，风轮不再限制在固定转速，可在较宽的转速范围内运行，由同步发电机发出的电经整流后再逆变成频率稳定的交流电输送到电网，这样可使风力发电机工作在最高效率，变浆主要是为了在超出额定风速时对电机功率进行调节，这就是变速恒频方式。目前流行的双馈风力发电机组与直驱风力发电机组是运行在变速恒频方式。

目前流行的双馈风力发电机组与直驱风力发电机组是运行在变速恒频方式。双馈风力发电机组采用绕线转子感应发电机，参见《双馈风力发电机的结构》。直驱风力发电机组采用多极永磁发电机，参见《外转子直驱式发电机》。

发电机的结构型式有多种，其内容超出本节范围，有关发电机的原理与结构知识请到《发电机原理与构造》栏目与《直驱式风力发电机》栏目观看。

3. 风力机主轴

3.1 主轴

风力机主轴就是风轮的轴，风力机的增速齿轮箱与发电机安装在机舱内，风轮通过风力机主轴与齿轮箱联接，主轴不但要传输风轮转动的力矩，还要抗拒风轮的摆动，由硬质不锈钢制作。风力机主轴前端有轮毂联接法兰，尾端联接齿轮箱。主轴轴心有通孔，是变桨机构控制电缆、油路或机械杆的通道，主轴主要有柱状主轴与锥状主轴2种，见图5。

图5 风力机主轴

为了风力机在安装与检修时锁定主轴不让转动。在在主轴轴承座或机座上安装有锁定装置，锁定装置有锁定销，把锁定销插入主轴锁定盘的锁定孔，就锁定了主轴。大型风力机的主轴前端都安装有风轮锁定盘，图6是有锁定盘主轴二个方向的视图。

图6 带锁定盘的风力机主轴

3.2 主轴轴承

主轴通过轴承安装在机舱底座上，图7是风力机轴承的外观图。

图07 风力发电机组主轴轴承

图7左边是风力发电机组主轴轴承外观图，主轴轴承由轴承座与安装在内部的调心滚子轴承组成。轴承座安装在机座上，主轴从轴承中穿过，主轴与滚子轴承內圈紧固联结。轴承与轴的安装见《水平轴风力发电机组传动链总成装配》课件。

前面介绍了有锁定盘主轴，锁定盘要用锁定销锁定，锁定销安装在主轴轴承座上或底座上，图7右边是带锁定销座的主轴轴承。

3.3 风力机主轴的安装布置

一般机组的主轴布置有三种形式，见图8。

图8 风力发电机组的主轴布置形式

（a) 主轴由两个轴承支承,一般称为两点式支撑，称为挑臂梁结构。

（b) 主轴使用一个轴承支承，后轴承置于齿轮箱内，为悬臂梁结构。

（c）图的齿轮箱轴直接轮毂，在半直驱风力发电机常用，小型风力发电机也用。

图5中的圆锥形主轴多属于悬吊支承主轴，是风力发电机用得最多布置方式。在超大型风力发电机组中采用两点式支承主轴。

4. 轮毂

轮毂是固定叶片的基座，叶片安装在轮毂上组成风轮，叶片通过轮毂与主轴固定，叶片的变桨机构安装在轮毂上。图5是球形轮毂，轮毂上的三个变桨轴承法兰可以安装3个变桨轴承与3个叶片，左图是球形轮毂外形图，右图是安装在主轴上的轮毂，变桨驱动机构安装在球形轮毂内。

图9 主轴与球形轮毂

图10是三圆柱形轮毂，也称三叉形轮毂，可以安装3个叶片，右图是三圆柱形轮毂外形图，左图是安装在主轴上的轮毂。叶片的变桨轴承固定在轴承法兰上，用来安装3个叶片。轮毂内安装变桨驱动机构。

图10 主轴与三圆柱形轮毂

在轮毂内安装变桨驱动系统参见《水平轴风力发电机组轮毂变桨总成装配》课件。

图9中的球形轮毂安装了3个叶片,构成3叶风轮。在轮毂外面将安装导流罩，见图11。

图11 3叶片风轮

5. 机舱主要设备组成

底座（底盘）由横梁与纵梁组成，是风轮、齿轮箱、发电机等主要设备的支撑基座，图12是模型风力机的底座图。

图12 风力机底座结构图

图13是模型风力机的底座底部图（底部向上图）。

图13 风力机底座图（底部向上）

下面介绍该风力机模型的基本组成，是具有代表性的风力发电机组组成。

风力机主轴通过主轴轴承安装在机架上，主轴轴承在机架前端，主轴轴承要承受来自风轮的巨大力量，主要是风轮的重量、推力、各种扭转力矩，主轴轴承采用球面滚子轴承，有良好的调心性能。靠轮毂的轴承称为前轴承，在主轴尾端的是后轴承，图14是一种常用的布置方式，没有后轴承，主轴尾端通过联轴装置（胀紧连接套等）直接与齿轮箱低速轴连接。

风轮主轴轴线向前仰起，与水平线有一个不大的夹角，目的是防止叶片碰到塔架，同时缩短风力机主轴的延伸长度。

图14 风力发电机组机舱传动链等设备布置图

齿轮箱后侧高速轴通过联轴器连接发电机。为了在大风、故障与检修时停止运转，在发电机轴上装有刹车盘，由刹车卡钳进行刹车。

风力机的主轴通孔与齿轮箱低速轴通孔相通，风力机变桨用的信号、动力（电或液压介质）从齿轮箱后部通过滑环（变桨信号转接装置）输送到轮毂变桨系统。或使用连杆直接操纵变桨。

为保证齿轮箱的润滑，在齿轮箱内装有润滑油，润滑油即可保证齿轮的润滑，又可以对齿轮降温。在机舱里有润滑油系统，主要有润滑油泵、过滤器、控制阀门、风冷散热器，连接管路组成。润滑油泵驱动润滑油循环，把齿轮箱中的油降温冷却，过滤，再送入齿轮箱。

风力机的高速轴制动装置，偏航制动装置等需要液压驱动，机舱设有液压站。采用液压变桨的风力机，需要大的液压站。

在机舱底盘下方有偏航系统，机舱顶部后方装有风向标与风速仪，输出信号传给控制柜，偏航装置按控制柜的信号推动风力机对风。控制柜还要根据风速变化来控制浆距角，以工作在最佳转速。图15是水平轴风力发电机机舱内主要设备布置图。

风力发电机组传动链装配参见《水平轴风力发电机组传动链总成装配》课件，风力发电机组整个机舱布置见《风力发电机组整机图》课件。

图15 风力发电机机舱结构图

对于直驱式风力发电机则没有齿轮箱，其组成与构造参见《直驱式水平轴风力发电机》”课件。

6. 塔架

叶轮要在一定的高度上才能获得较大较稳定的风力，在空中的风轮与机舱要靠塔架支撑，塔架的高度约为叶轮直径的1至1.5倍，小型微型风力机的塔架相对风轮会更高些。塔架需要高强度也要考虑造价，微型风力机是铁管加拉线，中小型风力机有采用桁架型的也有采用管柱型的，大型风力机基本采用管柱型的。桁架即用角铁等型材搭建而成，简单、造价低，但不美观，人员上下也不安全，见图16。

图16 塔架的基本形式

大型风力机的管柱型塔架主要采用钢筋混凝土结构或钢结构，但钢塔架运输困难。可现场制作的混凝土塔架用得越来越多。塔架内敷设有发电机的电力电缆、控制信号电缆等，塔底有塔门，塔架内分若干层，层间有直梯便于人员上下，见图17。

塔架内部结构示意图

图17 塔架内部结构示意图

图18是从网络上转载的塔架内部图片。

塔架内部照片

图18 塔架内部照片

超大型风力发电机组的塔架内安装有升降机，方便维护人员上下。

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