1.2　风力机

风力机机组通过其各组成部件协调运转，将风能安全、可靠地转换为机械能，再将机械能转换为电能。本节对两种主要的风力机机型，即大型三叶片、上风向水平轴和达里厄（Darrieus）垂直轴风力机各组成部件作简要介绍。

1.2.1　水平轴风力机

大型水平轴风力机的基本结构组成包括风轮、机舱及其部件、塔架和基础。

1.2.1.1　风轮

风轮是风力机最主要的部件，它是风力机区别于其他动力机械的主要标志，它的作用是捕捉和吸收风能，并将风能转变成机械能。风轮包括叶片、轮毂和传动主轴。

1.叶片

叶片是风力机的关键部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能保证了机组正常稳定运行。

从风力机诞生之日起，叶片先后经历了木制材料叶片、布蒙皮叶片、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金叶片和复合材料叶片。目前碳纤维复合材料在风力机叶片上的应用不断扩大，但是碳纤维的价格因素又制约其用量。图1-7为某风力机整机各零部件成本所占比例图，由图可见叶片成本相对于整机其他各零部件所占比例最高。

2.轮毂

轮毂是叶片的根部与主轴的连接件，是风轮的枢纽。所有从叶片上传来的载荷都通过轮毂传递至机舱内的传动系统，再传至发电机转子。同时，轮毂也是控制叶片桨距的关键所在。图1-8为水平轴风力机轮毂透视图，内含叶片变桨距装置。

轮毂通常是由铸钢或钢板焊接而成。铸钢在加工之前需要对其进行探伤，决不允许有夹渣、缩孔、砂眼、裂纹等缺陷。对焊接的轮毂，其焊缝必须经过超声波检测，并且按照风力机叶片可能承受的最大离心载荷确定钢板的厚度。此外，还需要严格控制交变疲劳应力引起的焊缝损伤变化。

3.传动主轴

传动主轴，也被称为低速转轴，被安装在风轮和齿轮箱之间。前端通过螺栓与轮毂刚性连接，后端通过齿轮与齿轮箱进行啮合。传动主轴作为风力机的关键零部件，在整个系统中承担着支撑轮毂处传递过来的各种负载的作用，将扭矩传递给增速齿轮箱，并将轴向推力、气动弯矩传递给机舱和塔架。

风力机组常年位于野外或海上，运行工况比较恶劣，温度、湿度和风载荷变化很大，因此，要求主轴具有良好的耐冲击、耐腐蚀和长寿命等性能。

1.2.1.2　机舱及其部件

机舱由机舱底座和机舱罩组成。

机舱底座支撑塔架上方所有装置及附属部件，它的牢固与否将直接关系到风力机的安危与寿命。微小型风力机塔架上方的设备较轻，其机舱底座一般是由钢板直接焊接而成，可根据设计要求在底板上焊接加强肋。对于中大型风力机而言，机舱底座必须进行精密设计，通常由以纵、横梁为主，再辅以台板、腹板、肋板等焊接而成。焊接质量要求高，台板面需刨平，安装孔的位置要求精确。

机舱内部通常布置有偏航系统、传动系统、制动系统、发电机和控制系统。图1-9为某兆瓦级水平轴风力机机舱部件布置示意图。

1.齿轮箱

通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。因此，在齿轮箱的作用下，风轮转子上的较低转速、较高转矩被转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。

2.发电机

发电机是将由风轮轴传来的机械能转变成电能的设备。设置在机舱内的发电机通常分为直流发电机、永磁发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。

根据电网的需要，风力机可直接或非直接地将发电机连接在电网上。直接连接指的是发电机直接连接在交流电网上；非直接电网连接是指风力机产生的电流通过一系列的电力设备，经调节与电网进行匹配。采用异步交流发电机时，调节过程可自动完成。

3.风向标传感器

作为感应元件，对应每一个风向都有一个相应的脉冲输出信号，通过偏航系统软件确定其偏航方向和偏航角度，风向标将风向的变化用脉冲信号传递到偏航电机控制回路的处理器，经过偏航系统调节软件比较后处理器给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航命令，为减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴连接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对准风向，对风完成后，风向标失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束。

1.2.1.3　塔架

塔架的功能是支撑位于空中的风力发电系统。塔架与基础连接，承受着风力发电系统运行引起的各种载荷，同时将这些载荷传递到基础，使整个风力机组能够稳定可靠地工作。随着风力机组的发展，塔架经历了单管拉线式、衍架拉线式、桁架式塔架和常见的锥筒式塔架等形式。

兆瓦级风力机塔筒常用材料为低合金高强度结构钢，如Q345D和Q345E，该材料具有韧性高、低温性能好、焊接性能好等特点。由于风力机通常安装在荒野、高山、海边，承受日晒雨淋、强紫外线、沙尘和盐雾等恶劣环境的侵袭，塔筒表面防腐至关重要。防腐涂层设计寿命要大于15年，漆膜必须坚硬，具有较好的附着性、耐候性和耐水性。

依据轮毂高度，塔筒通常由三段组成，接近地面处安装允许人员进入到塔筒的可上锁的门，内部有一个符合欧洲安全标准的爬梯，爬梯可到达机舱且装有防跌落保护系统。底部塔筒设计有通风装置以保证塔架内部空气流通。塔架的每一段都设置有平台和照明灯以供休息或在紧急情况时提供保护。一旦断电，用于应急照明系统的蓄电池可以确保人员安全撤离风机。同时在各平台安全的位置还装有安全电压的照明插座和使用电动工具的电源插座。

1.2.1.4　基础设计

风力机基础设计分为陆上基础和海上基础。

陆上风力机基础均为钢筋混凝土独立基础，根据风电场工程地质条件、地基承载力和风力机载荷的不同分为重力式基础和桩基基础。当基础下层土质具有较好的承载能力时，通常选用重力式基础；反之，选用打桩基础或灌注桩基础。

在制定基础设计方案前，需要充分了解机位所处地址的土层情况、物理性能和所处区域地震带设防烈度要求等。必须对现场工程地质条件作出正确的评价，包括土层分布、物理指标、力学参数等，列出各岩土层的地基承载力容许值，水文地质情况，如地下水位、对混凝土的腐蚀性等。风力机基础设计需要满足以下条件：

（1）要求作用于地基上的载荷不超过地基的容许应力，保证地基有足够的安全储备。

（2）控制基础的沉降，使其不超过地基容许的变形值。

目前海上风力机组的基础形式主要参考海洋平台的固定式基础和处于概念阶段的漂浮式基础，具体包括以下几种：

（1）单桩基础。首先采用直径为3～5m的大直径钢管桩进行沉桩，然后在桩顶固定好过渡段，将塔架安装在上面。单桩基础一般安装至海床以下10～20m，深度取决于海床地基类型。该方式受海底地质条件和水深的约束较大，需要防止洋流对海床的冲刷，不适宜安装在水深25m以上的海域。

（2）重力式基础。重力式基础因混凝土沉箱基础结构的体积硕大，可依靠其重力使风力机保持垂直状态。其结构简单、造价低、稳定性好且不受海床的影响。但缺点是需要进行海底准备，受冲刷影响大，且仅适用于浅水区域。

（3）吸力式基础。吸力式基础分为单柱和多柱吸力式沉箱基础。该基础通过施工手段将钢裙沉箱中的水抽出形成吸力。相比于单桩基础，该基础因利用负压进行风力机机身的稳固，可大大节省钢材和海上施工时间，具有良好的应用前景。但是，到目前为止，仅丹麦有成功的安装经验，其可行性还处于研究阶段。

（4）多桩基础。多桩基础通常采用三腿支撑结构，由圆柱形钢管焊接形成框架，如图1-10所示，在海洋油气工业中较为常见。多桩基础的中心轴提供风力机塔身的基本支撑，类似单桩结构。周围桩基打入地基土内，桩基可略倾斜，以抵抗波浪、水流力等。

（5）浮动平台结构。浮动平台结构，如张力腿平台（tension leg platforms）、SPAR、半潜式平台和锚链固定平台是海洋油气工业常用的结构形式，但将它们运用在海上风电行业尚处于理论阶段。一旦该设想能够投入实际应用，风力机便可以安装在风资源更为丰富的深海海域。

1.2.2　垂直轴风力机

与水平轴风力机相比，垂直轴风力机具有受风多向性，结构简单；地面安装，便于维修、检测和控制；受力稳定、寿命长、易于大型化发展；具有环保与对自然环境影响小等优势，比水平轴风力机适应范围广。

目前，开发规模大、效率高的商用垂直轴风力机是达里厄（Darrieus）风机。该风力机于1931年被美国专利局以“G.J.M.Darrieus”授予专利权。该类型风力机叶片具有旋转跳绳的流线型曲线轮廓，使得叶片在离心力作用下，叶片各截面弯曲应力最小。达里厄垂直轴风力机机型如图1-11所示。

达里厄风力机组成结构包括叶片、转子中心支柱、水平支撑杆、刹车装置、变速箱、传动机构和发电机。

1.2.2.1　叶片

由于NACA 00XX对称翼型具有高升力、低阻力、良好失速特性和完整公开的气动数据，大多数达里厄风力机叶片采用该类型翼型。早期的叶片主要采用NACA 0012和NACA 0015翼型。随着叶片尺寸的增大，为增加叶片展向强度，一些制造商选择了厚度相对较大的NACA 0018翼型。

与水平轴风力机类似，达里厄风机也普遍存在三叶片和双叶片机型，如图1-11所示。相比之下，双叶片风力机的材料和安装成本要低得多。此外，若给定实度（所有叶片展开曲面面积除以叶轮扫掠面积），采用双叶片大弦长叶片比三叶片小弦长叶片在结构应力上具有优势，因为叶片的刚度与弦长的平方成正比，而气动载荷与弦长呈线性关系，即三叶片的刚度与质量比较差，而双叶片较好。在结构动力学方面，双叶片风机叶片与转轴始终在同一平面，转子可能会承受一种“一边倒”的激励，这是造成转子疲劳应力破坏的原因。三叶片风机在相同工况下结构动力学特性表现较好。

1.2.2.2　转子中心支柱

早期的转子支柱采用三菱柱式桁架结构，随着加工工艺的发展，自1975年起，大多数达里厄风机中心支柱改为钢管。目前，中心支柱一般为几分段薄壁圆筒通过法兰连接而成。

由于垂直轴风力机为高耸结构，在风载作用下结构将发生横向变形，为控制风力机结构顶端的偏移量，一般选用拉索系统为风力机中心支柱顶端提供水平刚度，拉索施加预紧力后将产生竖直方向的分力。

拉索是最有效的维持高耸结构稳定的措施，但其主要的要求和缺陷如下：

（1）拉索必须有地基。

（2）拉索张力必须保持不变。

（3）拉索与叶片必须保持足够的空间。

（4）拉索存在横向振荡。

1.2.2.3　水平支撑杆

水平支撑杆将中心支柱与叶片相连接，支撑杆与中心支柱连接处约为距端部1/10中心支柱高度。在安全运行风速内，水平支撑杆维护整机稳定性，并将叶片力矩传递至中心支柱。水平支撑杆的作用不可忽视，然而这些支撑杆会增加整机重力和成本、增加气动阻力即能量损失。同时，由于叶片气动力的周期性变化，支撑杆与叶片和中心支柱的连接处存在潜在的疲劳损伤危害。

1.2.2.4　刹车装置

不同于水平轴风力机，达里厄风机弯曲的叶片不能改变桨距角和安装偏航装置以使叶片在高风速下自动气动刹车。但垂直轴风力机通常在底座处安装刹车装置，包括气动式、低速机械式、高速机械式和电气式。

1.2.2.5　变速箱

垂直轴风力机的变速箱约占整机成本的25%。达里厄风机的变速箱通常安装在地面，受尺寸、重量和维修措施的限制较少。常用的变速箱或增速器装置如下：

（1）星形或斜齿齿轮箱。

（2）平行或直角齿轮箱。

（3）定制大齿轮和小齿轮。

（4）皮带驱动。

（5）变速箱和下轴承组合。

（6）直接驱动。

1.2.2.6　传动机构

垂直轴风力机的传动机构一般设置在基座中，占较高的电机制造成本。传动机构的设计很大程度上影响风力机的风能捕获和总收益。传动机构主要分为直接传动、皮带传动、专用齿轮箱和变速箱与转子支撑部件结合等型式。

1.2.2.7　发电机

发电机的选择取决于风力机输出电能的用途。偏远地区的小型风力机可以将捕获电能直接存储在蓄电池中，一般使用直流发电机。风场中风力发电将直接接入公用电网中，必须在确定的电压和频率下供电。达里厄风机使用的发电机有同步发电机、异步（感应）发电机和直接驱动与变频器相结合的发电机。

目前，水平轴风力机已在世界范围内被大规模地商业化开发，其风能利用率取决于良好的叶片空气动力学外形，以及具有高强度、高硬度、低密度和良好疲劳性能的制造材料。叶片的材料选择、外形设计、制造工艺被视为风力发电系统的关键技术，并且代表风力机制造技术水平。本书着重讨论水平轴风力机叶片设计、制造及运行维护技术的相关理论和问题。