风力发电机组结构设计技术

第三章风力发电机组结构设计技术

风力发电机组的结构设计内容主要包括叶片、轮毂、偏航系统、主轴、主轴承、齿轮箱、刹车系统、液压系统、机舱及塔架的结构设计。

一、风力发电机组的结构设计基本设计原则

1. 技术性尽可能采用成熟的新技术、新材料、新工艺，保证风力发电机组满足总体设计技术指标。

2.经济性经济性包括风力发电机组产品的制造成本、运行及维护成本，对不同使用目的的风力发电机组，其经济性是不同的。

3.可靠性应该科学、合理的综合考虑技术指标、经济性指标，最终满足可靠性指标。

二、风力发电机组结构设计的一般要求

部件设计的主要任务是选择部件的结构形式，布置结构的主要构件、确定构件的尺寸参数等。在这个基础上进行具体的细节设计，绘制出全部的工程图。

设计工作的突出特点是在多种矛盾的要求中，进行折中和优化风力发电机组结构设计一般要求：

1.强度、刚度要求各受力构件及其组合部件必须能承受设计规范规定的各种状态载荷。除此以外，还应满足刚度的要求，这一点对某些部件尤其重要（如机舱底盘平台、叶片、塔架等）。

2.空气动力要求风力发电机组是利用风能转换为机械能，再转化为电能的一个系统，因此，对于构成气动外形的部件应满足空气动力方面的要求，如气动效率高、气阻小等。这个要求不仅影响部件的外形设计还影响到部件的结构设计，即气动外形设计既要考虑有效外形要求，又要考虑结构强度和刚度的要求。

3. 动力学要求区别于一般机械结构设计的要求，风力发电机组动部件所受载荷是交变载荷，设计时，应考虑质量、刚度分布对构件、整机的固有特性的影响，使得部件、整机的固有频率避开激振力频率，降低动应力水平、提高部件以及整机的寿命、可靠性。

4. 工艺性要求结构的工艺性是指在具体生产条件和一定产量的前提下，所设计的结构能使其在生产过程达到多快好省的可能性程度。工艺性也是风力发电机组能否产业化的关键。

三、结构优化设计

所谓结构的优化设计是从各种可能的多个结构设计方面中寻求满足设计要求的最好方案。由

于结构设计的要求是多方面的，而结构本身的设计参数也很多，因而往往难以用一般数学方法直接求出最优解，借助计算机技术和人—机对话使得结构设计有可能做到从各种设计方案中找出尽可能完善的方案，使得结构设计既满足强度、刚度、工艺性要求而又使得结构重量轻或制造成本低。

为了实现这个目的，在优化设计过程中，需要不断改变设计变量，使之按所要求的方面变化，同时也改变了整个结构的受力特性，因此，结构优化设计就是一个分析一设计一再分析→再设计……的过程。

随着计算机及计算技术的飞速发展，特别是发展了一套适合于复杂结构的有限元分析系统，大大改变了传统的结构设计方法，形成了使总体、气动、结构、工艺设计一体化的计算机设计系统。因而，结构设计已不再是一个简单的设计过程，要同时考虑大量复杂的条件，以达到结构可靠性要求和优化设计的目的。

风力发电机组由于其所受负载复杂，工作环境恶劣，要求的寿命长，其结构设计尤显重要。一般来说有两种设计方法：其一是根据载荷及功能要求进行结构设计；其二是根据结构进行

载荷校核。

本章主要介绍传动及偏航系统和机舱底盘的结构设计，而叶片、塔架的结构设计在本书中其他章论述。图3-1给出当前最流行的风力发电机组机械结构图。

第一节风力发电机组的总体布置及动力系统的设计

风力发电机组的总体及动力系统主要有以下几种形式。

1.一字型（见图3-2）

这种布置形式，是风力发电机组中采用最多的形式，其主要特点是对中性好，负载分布均匀；其缺点是占轴线长，可能使主轴太短，主轴承载荷较大。

2. 回流式（见图3-3）

其主要特点是可以缩短机舱长度，增加主轴长度，减少塔架负载的不均衡。

3. 分流式（见图3-4）