风电机组工作原理及结构
文/王海刚上海电气风电设备有限公司 (200241)
王海刚(1982年~)，男，山西省祁县人，硕士。主要从事风力发电机组叶片气动、结构方面的
研究。
摘要：风电机组通过风轮、主轴、齿轮箱、发电机完成了风能向电能的转
化。而机组产生的载荷由轮毂、主轴、主轴轴承座、底架到塔架实现传
递。风电机组结构即按其工作原理和功能进行设计。
Abstract: Wind power as a kind of natural energy of no pollutant and sustainable using, is more and more human attention.Wind turbine is a device that can transfer wind energy into electrical energy.Accoring to the rotor blade, main shaft, gearbox and generator, energy tansformation of wind turbine has been finished.Loads of wind turbine has been delivered by the hub, main shaft, rotor bearing, rotor bearing housing, main frame and tower.The primary structure of wind turbine is based on the working principle and functional definition to design.
随着人类对风能利用的重视，越来越多的国家在
风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人力及
资金，充分利用空气动力学、新材料、新型电机、电
力电子技术、计算机、自动控制及通信技术等方面的
最新成果，开发建立了评估风力资源的测量及计算机
模拟系统，发展了变桨距控制及失速控制的风力发电
机设计理论，采用了新型风力发电机叶片材料及叶片
翼型，研制出了变极、变滑差、变速恒频及低速永磁
等新型发电机。
这里主要介绍水平轴、三叶片、变速变桨、双馈
异步风电机组的工作原理和主要结构。
一、风电机组的工作原理
风电机组的工作原理如图1所示,当非稳态风作用于风电机组时，将会在机组上产生不同的载荷作用。风轮叶片在风的作用下，产生轴向推力和周向剪力，随着风轮转速的增加，将产生扭矩和离心力，同时伴随叶片重力的交变作用，使得整个风轮形成了扭转、倾覆和偏转运动。扭转的主轴（低速轴）将会传递风轮扭矩到齿轮箱的一级行星齿轮上，而一级行星齿轮将通过二级平行轴齿轮传递扭转，使得低转速大扭矩的载荷转化为高转速低扭矩的载荷，便于发电机的吸收；最后电机轴（高速轴）上的扭矩将通过切割电磁
图1 风电机组的工作原理
1.叶片
2.轮毂
3.机舱
4.塔架
5.基础
稳态风
湍流
1
2
4
5
3
离心力
箱体
一级行星
刹车发电机风切变
轴向推力
来流
扭转
倾覆
重力
偏航
周向剪力
第二级平
行轴齿轮
第一级平
行轴齿轮
主轴
（低速）
电机轴
（离速轴）
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装
备
机
械
析，目前主流双馈风电机组机械的主要部件包括：叶片、轮毂（变桨系统）、驱动链（主轴、主轴承、轴承座、齿轮箱、联轴器、发电机、高速轴制动）、前后机架（偏航系统、偏航制动系统）、冷却系统、塔架等。如图3所示。
(1) 叶片
风电机组叶片设计既要满足气动特性的要求，又能符合结构和所用材料的特征。在叶尖部分，为
发电的主要区域，采用相对厚度小的翼型；在叶片根部，载荷起的作用较大，结构强度占主导地位，因此在叶根部采用相对厚度大的翼型。
目前叶片主要采用玻璃纤维增强材料制造，大致步骤如下：
① 制造生产叶片的外型模具；
② 按照生产工艺，布置玻璃纤维布、芯材和雷电保护装置以及生产部分预制件；
③ 真空导入树脂，固化后合模或整体灌注成型工艺成型，如图4为叶片整体灌注成型（在模具内）；
形成电能，完成了风能—机械能—电能的转化，其中伴随能量的损耗。风轮在主轴上作用的推力、倾覆力矩和偏转力矩将由主轴轴承座传递载荷到主机架—塔架—基础上，完成整个载荷的传递。当机组迎风方向与来流风向不一致时，需要通过偏航系统进行对风操作，增大迎风面积，提高机组利用率。
图2所示为叶片工作时，叶片截面速度和力的分布图，U 为风速，r 为轮毂中心到截面的距离，即当地半径，Ω为转速，Ωr 为圆周速度。根据速度三角形，风速U 和圆周速度Ωr 合成相当速度W 。已知来流U 、转速Ω、当地半径r 、扭角β，可求来流角ψ和攻角α。同时已知攻角α，可根据翼型的特性参数，查出对应攻角下的升力系数和阻力系数，从而得出升力L 和阻力D ，此时将升力L 和阻力D 在旋转方向和垂直于旋转方向投影分别得出了推力和切向力，切向力驱动了叶片的旋转。
由于风速为非定常来流，因此要求风电机组在不同的风速时有高的效率，即保证攻角α在特定的范围内，以保证足够的升力。当要求入流攻角α不变时，随着风速U 的变化，扭角β为常数，必须要求圆周速度Ωr 随着发生变化，即转速Ω也必须随之变化，因此风电机组的变转速设计是提高叶片在低风速区的风能利用率。
当风速继续增大时，必须控制风电机组的功率。此时需要降低叶片的升力，此时额定转速为恒定值，只有调节来流角ψ（当地扭角β为常数）来实现角度的变化，降低叶片升力。当风速有所减小时，又需提高叶片升力，通过改变叶片的角度来实现。可见风电机组的额定功率控制是由叶片的变桨完成的。
二、风电机组主要结构
按照风电机组载荷传递的过程和功能实现的分图3 风电机组结构
图中，1.导流罩 2.导流罩支架 3.叶片 4.变桨轴承5.轮毂（含变桨） 6.主轴承 7.主轴 8.齿轮箱9.制动盘 10.联轴器 11.发电机 12.维护吊车13.测风仪 14.塔架 15.偏航轴承 16.偏航齿轮17.底架 18.油过滤器 19.机舱 20.发电机风扇
图2
叶片工作时，速度和力的分布
图4 叶片成型前（模具内）
图5
叶片成型后（装配中）
1
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6
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N ew T echnology & N ew P roduct
