毕业论文：风力发电机变浆与偏航技术应用研究

年，我国累计装机容量达到，其中并网发电的装机容量为。

截止到年年底，我国风电并网总量累计达到，累计装机容量为。

风力发电的背景能源危机能源是人类赖以生存的物质基础。

自从工业革命以来，全球的能源消耗飞速增长，推动了工业化的进程，提高了社会发展水平和人类生活质量。

全球经济的急剧增长对能源的需求越来越大，能源危机制约了人类进步发展。

自世纪年代以后，由于石油危机的爆发，对世界经济造成巨大影响，国际舆论开始关注世界能源危机问题。

全球能源危机的主要表现在于，全球能源储量与开采时间有限。

可以支配的化石资源的极限大约为亿吨，自年世界石油的开采量亿吨计算，石油储量大约在年左右即将枯竭天然气储量估计，年开采量维持在，将在年内枯竭煤的储量约为亿吨，年煤开采量为亿吨，可以供应年铀的年开采量目前为每年万吨，据年世界能源委员会的估计可维持到世纪年代中期。

综上所述，煤炭石油天然气等不可再生化石能源的总量有限，待开发新的可再生能源。

环境危机在能源消耗急剧增长，能源危机凸显的同时，环境危机也出现了。

现代社会对能源的巨大需求，导致大量的化石能源被燃烧。

燃烧不断产生和其他温室气体，使得原来沉积在地下的碳元素，被大量释放到空气中。

据估计，按照目前的趋势，到年，由各种温室气体增加所引起的气候变化，将相当于把大气中浓度提高到工业化社会以前浓度的两倍。

到年，温室效应强度将相当于把大气中浓度提高到工业化社会以前浓度的倍，达到万年前的浓度水平。

能源消费在迅速扩大，已经达到了阻碍地球生态系统自律功能正常运转的程度。

研究表明地球变暖不是地球本身自然循环的变化，而是人类活动排放的等温室气体效应造成的。

其过程与人类大量消耗化石能源资源，尤其是燃烧化石燃料发电大量排放的密切相关。

到年，世界温室气体的排放量将达到最高，全球变暖带来的影响不仅仅是更多的汗涝灾害，还有海平面的上升。

全球气候的变化对农业和生态造成了严重的影响，时刻威胁着人类的生命和财产安全。

可再生能源开发利用目前，如何解决能源危机及其引起的环境危机成为全球经济可持续发展所面临的待解决的重大课题。

克服能源危机的出路在于大力发展新能源，用可再生能源替代化石能源。

电能具有转换和传输方便的优点，已成为现代工业快速发展不可替代的二次能源。

为缓解或从根本上消除能源危机带来的环境破坏，绿色电力的生产为世界各国所关注。

绿色电力来源于风能小水电太阳能地热生物质和其他可再生能源。

因为它们在生产的过程中不消耗煤石油天然气等燃料，所以不会产生对环境有害的排放物。

相对于常规火力发电，更有利于环境保护和可持续发展。

因此，开发绿色电力意义重大。

全球市场对于风这样的零排放技术有着巨大且持续增长的需求。

为了避免发生不可逆转的气候变化后果，全球的温室气体排放必须在年前后达到峰值且开始下降，而风电是目前唯实现这目标的发电技术。

风能开发利用太阳的辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均，同时，地球发生自转，使空气沿水平方向运动，空气流动所形成的动能称为风能。

据估计到达地球的太阳能只有大约转化为风能，理论上仅的风能就能满足人类能源的需求。

全球的风能总量约为，其中可利用的风能总量为，比地球上可开发利用的水能总量还要大倍。

根据我国多个气象站陆地上离地高度资料进行估算，全国平均风功率密度为，风能资源总储量为，可开发和利用的陆地上风能储量为，海上可开发和利用的风能储量为，共计约。

或更高处可开发利用的风能储量为。

人类利用风能的历史可以追溯到公元前。

在蒸汽机发明以前，风能曾经作为重要的动力，用于船舶航行提水饮用和灌溉排水造田磨面和锯木等。

埃及被认为可能是最先利用风能的国家。

世纪，风车从中东传入欧洲。

世纪，荷兰人利用风车排水。

随着煤石油天然气的大规模开采和廉价电力的获得，由于成本高效率低使用不方便等，风力发电机械无法与蒸汽机内燃机和电动机等竞争而逐渐被淘汰。

年，丹麦建成了世界第座风力发电站。

世纪年代，丹麦瑞典苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功的研制了些小型风电机组。

这种小型风电机组被广泛运用在多风的海岛和偏僻的乡村，所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低很多。

不过，当时的发电量较低，大都在以下。

年，世界石油危机爆发以后，风能作为新能源得到重视，世界风力发电发展迅速开始加快，各国都在积极研制开发以上的大型风电机组。

美国在年开始实施联邦风能计划，世纪年代成功开发了等种风电机组。

瑞典荷兰英国丹麦德国日本西班牙等国，也根据各自国家的情况制订了相应的风力发电计划。

在世纪年代中期以后，我国将风能开发利用列入六五国家重点项目，得到迅速发向图时机舱逆时针调向偏航传动系统设计偏航操作装置概述偏航系统是水平轴风电机组的重要组成部分。

根据风向的变化，偏航操作装置按系统控制单元发出的指令，使风轮处于迎风状态，同时还应提供必要的锁紧力矩，以保证风电机组的安全运行和停机状态的需要。

偏航操作装置主要由偏航轴承传动驱动与制动等功能部件或机构组成。

偏航系统要求的运行速度较低，且机构设计所允许的安装空间承受的载荷更大，因而有更多的技术解决方案可供选择。

图所示是种采用滑动轴承支撑的主动偏航装置装配设计方案，以下结合此种方案讨论相关的结构设计问题。

图种采用滑动轴承的偏航装置装配设计方案如图所示，偏航操作装置安装于塔架与主机架之间，采用滑动轴承实现主机架轴向和径向的定位与支撑，用四组偏航操作装置实现偏航的操作。

该方案的设计中，大齿圈与塔架固定连接，在齿圈的上下和内圆表面装有复合材料制作的滑动垫片，通过固定齿圈与主机架运动部位的配合，构成主机架的轴向和径向支撑即偏向轴承。

在主机架上安装主传动链部件和偏航驱动装置，通过偏航滑动轴承实现与大齿圈的连接和偏航传动。

当需要随风向改变风轮位置时，通过安装在驱动部件上的小齿轮与大齿圈啮合，带动主机架和机舱旋转使风轮对准风向。

图所示是实现上述方案的偏航装置与主机架结构。

图偏航装置与主机架结构为保证风电机组运行的稳定性，偏航系统般需要设置制动器，多采用液压钳盘式制动器，制动器的环状制动盘通常装于塔架或塔架与主机架的适配环节。

制动盘的材质应具有足够的强度和韧性，如采用焊接连接，材质还具有比较好的可焊性。

般要求风电机组寿命期内，制动盘主体不出现疲劳等形式的失效损坏。

制动钳般由制动钳体和制动衬块组成，钳体通过高强度螺栓连接与主机架上，制动衬块应有专用的耐磨材料如铜基和铁基粉末冶金制成。

对偏航制动器的基本设计要求，是保证风电机组额定负载下的制动转矩稳定，所提供的阻尼转矩平稳与设计值的偏差小于，且制动过程没有异常噪声。

制动器在额定负载下闭合时，制动衬垫和制动盘的贴合面积应不小于设计面积的，制动衬垫周边与制动钳体的配合间隙应不大于。

制动器应设有自动补偿机构，以便在制动衬块磨损时进行间隙的自动补偿，保证制动转矩和偏航阻尼转矩的要求。

偏航制动器可采用常闭和常开两种结构形式。

其中，常闭式制动器是指在有驱动力作用的条件下制动器处于松开状态，常开式制动器则是在驱动力作用时处于锁紧状态。

考虑制动器的失效保护，偏航制动器多采用常闭式制动结构形式。

偏航驱动机构图变桨距风力机控制系统图显示了个变桨距风力机控制系统中的各组成部分，偏航驱动机构包括偏航轴承，偏航驱动装置和偏航制动器。

偏航驱动部件如图所示，采用电力拖动的偏航驱动部件般由电动机大速比减速器和开始齿轮传动副组成，通过法兰连接安装在主机架上。

设计要求若不考虑电动机的选型问题，驱动部件的设计任务主要与大速比减速器有关。

由于设计空间有限，驱动部件般选用转速较高的电动机，以尽可能减小设计结构的体积。

但由于偏航驱动所要求的输出转速又很低，必须采用紧凑型的大速比减速器，以满足偏航执行机构的要求。

表所示为种偏航减速器产品的设计技术指标。

表风电机组偏航减速器技术指标额定输入功率使用寿命年额定输入转速噪声声压级额定输出转速额定转矩含残余液压制动转矩减速比重量约根据实际要求，偏航减速器可选择立式或其他形式安装，采用多级行星轮系传动，以实现大速比紧凑型传动的要求。

偏航减速器多采用硬齿面啮合设计，齿轮传动设计可参照附录的有关介绍并依据前面给出的相关标准进行。

对齿轮传动精度方面的要求，般外啮合为级内啮合为级。

减速器中主要传动构件，可采用低碳合金钢材料，如等制造，齿面热处理状态般为渗碳淬硬般硬度大于。

对于减速器齿轮等构件的疲劳强度设计，表面接触载荷安全系数，弯曲强度安全系数。

偏航减速器结构设计中需注意的问题根据传动比要求，偏航减速器通常需要采用级行星轮传动方案，而大速比行星齿轮的功率分流和均载是其结构设计的关键。

同时，若考虑立式安装条件，设计也需要特别关注轮系构件的重力对均载问题的影响。

为此，此种行星齿轮传动装置的前三级行星轮的系杆构件以及除级传动的太阳轮轴意外都需要采用浮动连接方案。

为解决各级行星传动轮系构件的干涉与装配问题，各传动级间的构件连接多采用渐开线花键连接。

为最大限度的减小摩擦磨损，对轮系构件的轴向限位需要特别注意。

些减速器采用复合材料制造的球面接触结构设计，取得了较好的效果。

偏航减速器箱体等结合面间需要设计良好的密封，并严格要求结合面间形位与配合精度，以防止润滑油的渗漏。

图偏航驱动装置偏航轴承常用的偏航轴承有滑动轴承和回转支承两种类型。

滑动轴承常用工程塑料做轴瓦，这种材料即使在缺少润滑的情况下也能正常工作。

轴瓦分为轴向上推力瓦径向推力瓦和轴向下推力瓦三种类型，分别用来承受机舱和叶片重量产生的平行于塔筒方向的轴向力，叶片传递给机舱的垂直于塔筒方向的径向力和机舱的倾覆力矩。

从而将机舱受到的各种力和力矩通过这三种轴瓦传递到塔架和机组均采用这种偏航轴承。

回转支承是种特殊结构的大型轴承，它除了能够承受径向力轴向力外，还能承受倾覆力矩。

这种轴承已成为标准件大批量生产。

回转支承通常有带内齿轮或外齿轮的结构类型，用于偏航驱动。

目前使用的大多数风力机都采用这种偏航轴承。

小结本章给出了变桨距控制系统与偏航控制系统的控制机构和驱动机构的组成以及各部分的功能工作原理。

结论本文对风力发电机组的变桨距与偏航系统的结构组成功能以及工作原理进行了详细的设计与分析，风力发电机组控制技术涉及到众多学科和领域，可以说综合学科。

这就要求下步的工作中，对专业知识更