转子空气动力学

为了解风在风电机的转子叶片上的移动方式， 我们将红色带子绑缚在模型风电机的转子叶片末端。 黄色带子距离轴的长度是叶片长度的四分之一。 我们任由带子在空气中自由浮动。 本页的两个图片， 其中一个是风电机的侧视图， 另一个使风电机的正视图。

大部分风电机具有恒定转速， 转子叶片末的转速为 64 米/秒， 在轴心部分转速为零。 距轴心四分之一叶片长度处的转速为 16 米/秒。 图中的黄色带子比红色带子， 被吹得更加指向风电机的背部。 这是显而易见的， 因为叶片末端的转速是撞击风电机前部的风速的八倍。

为什么转子叶片呈螺旋状？

大型风电机的转子叶片通常呈螺旋状。 从转子叶片看过去， 并向叶片的根部移动， 直至到转子中心， 你会发现风从很陡的角度进入（比地面的通常风向陡得多） 。 如果叶片从特别陡的角度受到撞击， 转子叶片将停止运转。 因此， 转子叶片需要被设计成螺旋状， 以保证叶片后面的刀口， 沿地面上的风向被推离。

机舱： 机舱包含着风电机的关键设备， 包括齿轮箱、 发电机。 维护人员可以通过风电机塔进入机舱。 机舱左端是风电机转子， 即转子叶片及轴。

转子叶片： 捉获风， 并将风力传送到转子轴心。 现代 600 千瓦风电机上，每个转子叶片的测量长度大约为 20 米， 而且被设计得很象飞机的机翼。

轴心： 转子轴心附着在风电机的低速轴上。

低速轴： 风电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。 在现代 600千瓦风电机上， 转子转速相当慢， 大约为 19 至 30 转每分钟。 轴中有用于液压系统的导管， 来激发空气动力闸的运行。

齿轮箱： 齿轮箱左边是低速轴， 它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50 倍。

高速轴及其机械闸： 高速轴以 1500 转每分钟运转， 并驱动发电机。 它装备有紧急机械闸， 用于空气动力闸失效时， 或风电机被维修时。

发电机： 通常被称为感应电机或异步发电机。 在现代风电机上， 最大电力输出通常为 500 至 1500 千瓦。

偏航装置： 借助电动机转动机舱， 以使转子正对着风。 偏航装置由电子控制器操作， 电子控制器可以通过风向标来感觉风向。 图中显示了风电机偏航。 通常， 在风改变其方向时， 风电机一次只会偏转几度。

电子控制器： 包含一台不断监控风电机状态的计算机， 并控制偏航装置。

为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热） ， 该控制器可以自动停止

风电机的转动， 并通过电话调制解调器来呼叫风电机操作员。

液压系统： 用于重置风电机的空气动力闸。

冷却元件： 包含一个风扇， 用于冷却发电机。 此外， 它包含一个油冷却元件， 用于冷却齿轮箱内的油。 一些风电机具有水冷发电机。

塔： 风电机塔载有机舱及转子。 通常高的塔具有优势， 因为离地面越高， 风速越大。 现代 600 千瓦风汽轮机的塔高为40 至 60 米。 它可以为管状的塔， 也可以是格子状的塔。 管状的塔对于维修人员更为安全， 因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。 格状的塔的优点在于它比较便宜。

风速计及风向标： 用于测量风速及风向。

风电机发电机

风电机发电机将机械能转化为电能。 风电机上的发电机与你通常看到的， 电网上的发电设备相比， 有点不同。 原因是， 发电机需要在波动的机械能条件下运转。

输出电压

大型风电机（100-150 千瓦） 通常产生 690 伏特的三相交流电。 然后电流通过风电机旁的变压器（或在塔内） ， 电压被提高至一万至三万伏，这取决于当地电网的标准。

大型制造商可以提供 50 赫兹风电机类型（用于世界大部分的电网） ，或 60 赫兹类型（用于美国电网） 。

冷却系统

发电机在运转时需要冷却。 在大部分风电机上， 发电机被放置在管内，并使用大型风扇来空冷； 一部分制造商采用水冷。 水冷发电机更加小巧，而且电效高， 但这种方式需要在机舱内设置散热器， 来消除液体冷却系统产生的热量。

启动及停止发电机

如果你通过弹开一个普通开关， 将大型风电机发电机与电网连接或解开， 你很可能会损毁发电机、 齿轮箱及邻近电网。

发电机电网的设计

风电机可以使用同步或异步发电机， 并直接或非直接地将发电机连接在电网上。 直接电网连接指的是将发电机直接连接在交流电网上。 非直接电网连接指的是， 风电机的电流通过一系列电力设备， 经调节与电网匹配。 采用异步发电机， 这个调节过程自动完成。

转子叶片

转子叶片轮廓（横切面）

风电机转子叶片看起来像航行器的机翼。 实际上， 转子叶片设计师通常将叶片最远端的部分的横切面设计得类似于正统飞机的机翼。 但是叶片内端的厚轮廓， 通常是专门为风电机设计的。 为转子叶片选择轮廓涉及很多折衷的方面， 诸如可靠的运转与延时特性。 叶片的轮廓设计， 即使

在表面有污垢时， 叶片也可以运转良好。

转子叶片的材质

大型风电机上的大部分转子叶片用玻璃纤维强化塑料（GRP） 制造。 采用碳纤维或芳族聚酰胺作为强化材料是另外一种选择， 但这种叶片对大型风电机是不经济的。 木材、 环氧木材、 或环氧木纤维合成物目前还没有在转子叶片市场出现， 尽管目前在这一领域已经有了发展。 钢及铝合

金分别存在重量及金属疲劳等问题， 他们目前只用在小型风电机上。

风电机齿轮箱

为什么要使用齿轮箱？

风电机转子旋转产生的能量， 通过主轴、 齿轮箱及高速轴传送到发电机。为什么要使用齿轮箱？ 为什么我们不能通过主轴直接驱动发电机？如果我们使用普通发电机， 并使用两个、 四个或六个电极直接连接在 50赫兹交流三相电网上， 我们将不得不使用转速为 1000 至 3000 转每分钟的风电机。 对于 43 米转子直径的风电机， 这意味着转子末端的速度比声速的两倍还要高。 另外一种可能性是建造一个带许多电极的交流发电机。 但如果你要将发电机直接连在电网上， 你需要使用 200 个电极的发电机， 来获得 30 转每分钟的转速。 另外一个问题是， 发电机转子的质

量需要与转矩大小成比例。 因此直接驱动的发电机会非常重。更低的转矩， 更高的速度使用齿轮箱， 你可以将风电机转子上的较低转速、 较高转矩， 转换为用于发电机上的较高转速、 较低转矩。 风电机上的齿轮箱， 通常在转子及发电机转速之间具有单一的齿轮比。 对于 600 千瓦或 750 千瓦机器， 齿轮比大约为 1 比 50。

下图显示了用于风电机的 1.5 兆瓦的齿轮箱。这个齿轮箱有些不同寻常，因为在高速点的两个发电机上安装有法兰。 右侧安装在发电机下的橙黄色配件， 是液压驱动的紧急盘状刹车。 在背景处你可以看到用于 1.5MW

风电机的机舱的下半部分

风电机偏航装置

风电机偏航装置用于将风电机转子转动到迎风的方向。

偏航误差

当转子不垂直于风向时， 风电机存在偏航误差。 偏航误差意味着， 风中的能量只有很少一部分可以在转子区域流动。 如果只发生这种情况， 偏航控制将是控制向风电机转子电力输入的极佳方式。 但是， 转子靠近风源的部分受到的力比其它部分要大。 一方面， 这意味着转子倾向于自动对着风偏转， 逆风或顺风的汽轮机都存在这种情况。 另一方面， 这意味着叶片在转子每一次转动时， 都会沿着受力方向前后弯曲。 存在偏航误差的风电机， 与沿垂直于风向偏航的风电机相比， 将承受更大的疲劳负载。

偏航机构

几乎所有水平轴的风电机都会强迫偏航。 即， 使用一个带有电动机及齿轮箱的机构来保持风电机对着风偏转。 本图显示的是 750 千瓦风电机上的偏航机构。 我们可以看到环绕外沿的偏航轴承， 及内部偏航马达及偏航闸的轮子。 几乎所有逆风设备的制造商都喜欢在不需要的情况下， 停止偏航机构。 偏航机构由电子控制器来激发。

电缆扭曲计数器

电缆用来将电流从风电机运载到塔下。 但是当风电机偶然沿一个方向偏转太长时间时， 电缆将越来越扭曲。 因此风电机配备有电缆扭曲计数器，用于提醒操作员应该将电缆解开了。 类似于所有风电机上的安全机构，系统具有冗余。 风电机还会配备有拉动开关， 在电缆扭曲太厉害时被激

发。

风力发电机组的运行维护技术（一）

随着科技的进步， 风电事业的不断发展。 风能公司下属的达坂城风力发电场的规模也日益扩大， 单机容量从 30kW 逐渐升至 600kW， 风机也由原来的引进进口设备， 发展到了如今自己生产、 设计的国产化风机。 伴随着风机种类和数量的增加， 新机组的不断投运， 旧机组的不断老化， 风机的日常运行维护也是越来越重要。 现在就风机的运行维护作一下探讨。

一.运行

风力发电机组的控制系统是采用工业微处理器进行控制， 一般都由多个 CPU 并列运行， 其自身的抗干扰能力强， 并且通过通信线路与计算机相连， 可进行远程控制， 这大大降低了运行的工作量。 所以风机的运行工作就是进行远程故障排除和运行数据统计分析及故障原因分析。

1 .远程故障排除

风机的大部分故障都可以进行远程复位控制和自动复位控制。 风机的运行和电网质量好坏是息息相关的， 为了 进行双向保护， 风机设置了多重保护故障， 如电网电压高、 低， 电网频率高、 低等， 这些故障是可自动复位的。 由于风能的不可控制性， 所以过风速的极限值也可自动复位。 还有温度的限定值也可自动复位， 如发电机温度高， 齿轮箱温度高、低， 环境温度低等。 风机的过负荷故障也是可自动复位的。除了 自动复位的故障以外， 其它可远程复位控制故障引起的原因有

以下几种：

(1 )风机控制器误报故障； (2)各检测传感器误动作； (3)控制器认为

风机运行不可靠。

2.运行数据统计分析

对风电场设备在运行中发生的情况进行详细的统计分析是风电场管理的一项重要内容。 通过运行数据的统计分析， 可对运行维护工作进行考核量化， 也可对风电场的设计， 风资源的评估， 设备选型提供有效的理论依据。

每个月的发电量统计报表， 是运行工作的重要内容之一， 其真实可靠性直接和经济效益挂钩。 其主要内容有： 风机的月发电量， 场用电量，风机的设备正常工作时间， 故障时间， 标准利用小时， 电网停电， 故障时间等。

风机的功率曲线数据统计与分析， 可对风机在提高出力和提高风能利用率上提供实践依据。 例如， 在对国产化风机的功率曲线分析后， 我们对后三台风机的安装角进行了调节， 降低了高风速区的出力， 提高了低风速区的利用率， 减少了过发故障和发电机温度过高故障， 提高了设备的可利用率。 通过对风况数据的统计和分析， 我们掌握了各型风机随季节变化的出力规律， 并以此可制定合理的定期维护工作时间表， 以减少风资源的浪费。

3.故障原因分析

我们通过对风机各种故障深入的分析， 可以减少排除故障的时间或防止多发性故障的发生次数， 减少停机时间， 提高设备完好率和可利用率。 如对 1 50kW 风机偏航电机过负荷这一故障的分析， 我们得知有以下多种原因导致该故障的发生， 首先机械上有电机输出轴及键块磨损导致过负荷， 偏航滑靴间隙的变化引起过负荷， 偏航大齿盘断齿发生偏航电机过负荷， 在电气上引起过负荷的原因有软偏模块损坏， 软偏触发板损坏， 偏航接触器损坏， 偏航电磁刹车工作不正常等。 又如， 在对 Jacobs系列风机控制电压消失故障分析中， 我们采用排除实验法， 将安全链当中有可能引起该故障的测量信号元件用信号继电器和短接线进行电路改造， 最终将故障原因定位在过速压力开关的整定上， 将该故障的发生次数减少， 提高了设备使用率， 减少了闸垫的更换次数， 降低了运行成本。

本文内容来源于：风电之窗，责任编辑：胡静，审核人：李峥

版权声明∶转载新能源网站内容，请在正文上方注明来源和作者，且不得对内容作实质性改动；微信公众号、头条号等新媒体平台，转载请联系授权。邮箱∶process@vogel.com.cn，请添加小编微信号（msprocess）详细沟通。