1、 1 风力发电机的组成部件及其功用 风力发电机是将风能转换成机械能，再把机械能转换成电能的机电设备。风力发电机通常由风轮、对风装置、调速装置、传动装置、发电机、塔架、停车机构等组成。下面将以水平轴升力型风力发电机为主介绍它的各主要组成部件及其工作情况。图 3-3-4和 3-3-5是小型和中大型风力发电机的结构示意图。 图 3-3-4 小型风力发电机示意图 1 风轮 2 发电机 3 回转体 4 调速机构 5 调向机构 6 手刹车机构 7 塔架 8 蓄电池 9 控制 /逆变器 图 3-3-5 中大型风力发电机示意图 1 风轮； 2 变速箱； 3 发电机； 4 机舱； 5 塔架。 1 风轮 风轮是风
2、力机最重要的部件，它是风力机区别于其它动力机的主要标志。其作用是捕捉和吸收风能，并将风能转变成机械能，由风轮轴将能量送给传动装置。 2 风轮一般由叶片（也称桨叶）、叶柄、轮毂及风轮轴等组成（见图 3-3-6）。叶片横截面形状基本类型有 3种（见图第二节的图 3-2-3）：平板型、弧板型和流线型。风力发电机的叶片横截面的形状，接近于流线型；而风力提水机的叶片多采用弧板型，也有采用平板型的。图 3-3-7所示为风力发电机叶片（横截面）的几种结构。 图 3-3-6 风轮 1.叶片 2.叶柄 3.轮毂 4.风轮轴 图 3-3-7 叶片结构 （ a）、 (b) 木制叶版剖面； (c)、 (d) 钢纵梁玻
3、璃纤维蒙片剖面； (e) 铝合金等弦长挤压成型叶片； (f) 玻璃钢叶片。 木制叶片（图中的 a与 b）常用于微、小型风力发电机上；而中、大型风力发电机的叶片常从图中的（ c） （ f）选用。用铝合金挤压成型的叶片（图中之 e），基于容易制造角度考虑， 从叶根到叶尖一般是制成等弦长的。叶片的材质在不3 断的改进中。 1 机头座与回转体 风力发电机塔架上端的部件 风轮、传动装置、对风装置、调速装置、发电机等组成了机头，机头与塔架的联结部件是机头座与回转体（参阅后面的图 3-3-24）。 （ 1）机头座 它用来支撑塔架上方的所有装置及附属部件，它牢固如否将直接关系到风力机的安危与寿命。微、小型风力
4、机由于塔架上方的设备重量轻，一般由底板再焊以加强肋构成；中、大型风力机的机头座要复杂一些，它通常由以纵梁、横梁为主，再辅以台板、腹板、肋板等焊接而成。焊接质量要高，台板面要 刨平，安装孔的位置要精确。 （ 2）回转体（转盘） 回转体是塔架与机头座的连接部件，通常由固定套、回转圈以及位于它们之间的轴承组成。固定套销定在塔架上部，而回转圈则与机头座相连，通过它们之间轴承和对风装置，在风向变化时，机头便能水平的回转，使风轮迎风工作。大、中型风力机的回转体常借用塔式吊车上的回转机构；小型风力机的回转体通常中在上、下各设一个轴承，均可采用圆锥滚子轴承，也可以上面用向心球轴承以承受径向载荷，下面用推力轴承
5、来承受机头的全部重量；微型风力机的回转体不宜采用滚动轴承，而用青铜加工的轴套，以防对风向 （瞬时变化）过敏，导致风轮的频繁回转。 2 对风装置 自然界的风，方向和速度经常变化，为了使风力机能有效地捕捉风能，就应设置对风装置以跟踪风向的变化，保证风轮基本上始终处于迎风状况。风力机的对风装置常用的有：尾舵（尾翼）、舵轮、电动机构和自动对风四种。 （ 1）尾舵 尾舵也称尾翼，是常见的一种对风装置，微、小型风力发电机普遍应用它。尾舵有 3种基本形式如图 3-3-8所示，（ a）是老式的，（ b）是改进的，（ c）为新式的，它的翼展与弦长的比为 25，对风向变化反应敏感，跟踪性好。 图 3-3-8 尾舵
6、形式 尾舵常处于风轮后面的尾流区里，为了避开尾流的影响，可将尾舵翘起安装，高出风轮（见图 3-3-9之 a） 。有人研制的 10kW左右的风力发电机，将尾舵改进成如力图 3-3-9之 b所示的型式，既减少了尾舵面积，又使调向平稳。 4 图 3-3-9 尾舵的进一步改进 尾舵到风轮的距离一般取为风轮直径的 0.81.0值。尾舵的面积，在高速风力发电机中，可取为风轮旋转面积的 4%左右；而在低速风力发电机中，可取为 10%左右的风轮旋转面积。 （ 1） 舵轮 在风轮后面、机舱两侧装有两个平行的多叶片式小风轮，称舵轮（也称侧风轮）（见图 3-3-10），其旋转面与风轮扫掠面相垂直。舵轮的轴带动由圆锥
7、齿轮和圆柱齿轮组成的传动系统，图示的中间齿轮与装在塔架顶端的回转体上的从动大圆柱齿轮啮合。正常工作时，风力机的风轮对准风向，舵轮 旋转平面与风向平行，它不转动。当风向变化时，舵转与风向成某一角度，在风力作用下舵轮开始旋转，通过传动系统，使风力机的风轮再对准风向，舵轮旋转平面又恢复到与风向平行的位置，便停止转动。 图 3-3-10 舵轮对风装置 舵轮对风装置比尾舵工作得平稳，多用于中型风力发电机上。其传动装置也可以设计成蜗轮蜗杆式的。 （ 1） 电动对风装置 电动对风装置常被大型和中型风力发电机采用。图 3-3-11是国产 FD16.2-55型风力发电机组对风装置示意图。该装置的风向感受信号来自
8、于装在机舱上面的风向标。在风向标的垂直轴上有一个凸轮，轴的下端有浸没在油缸中的阻尼板（板上钻有很多小孔），用以吸收风向听脉动。当风向偏离风 轮轴线 15 时，风向标带动其垂直轴上的凸轮转动，使左侧或右侧的限位开头接通，经过 30秒（可任意调时）延时后，交流接触器闭合，起动对风伺服电动机左转或右转，并接通相应的批示灯。伺服电动机经过减速器带动回转体上的转盘转动，使风轮重新迎风后，限位开关断开，电动机停转，指示灯熄灭。两只交流接触器互为闭锁，从而保证动作时只能闭合一只，而不会同时接通造成短路。 5 图 3-3-11 电动对风装置 （ 1） 自动对风风轮 按吹向风力发电机的风先到机舱还是先到风轮，风
9、力机可分为上风向（式）和下风向（式）的（见图 3-3-5）。相应的风轮配置称为前置式的和后置式的。对于下风向（式）的风力机，可将风轮设计成如力图 3-3-12的型式，利用风作用在风轮上的阻力的方法，使风轮自动对准风向，成为自动对风风轮。但当风向变换频繁时，易使风轮摇摆不定，为此应加阻尼装置，即在回转体外缘对称设置 23对橡胶或尼龙摩擦块，摩擦块支座固定在塔架上，压块对回转盘的摩擦力的大小用可调节弹簧来调节。这种对风装置 图 3-3-12 自动对风风轮 多用于中、大型风力发电机上。 2 调速装置 自然界的风速经常变化，风轮的转速随风速的增大而变快。风轮转速的变快，将使发电机的输出电压、频率、功率
10、增加；当风轮的转速超过设计允许值时，有可能导 致机组的毁坏或寿命的减少。为使风轮能稳定一定转速内工作，风力发电机上设有调速装置。调速装置是在风速大于设计额定风速时才起作用，因此，又被称为限速装置。当风速增至停机风速时，调速装置能使风轮顺桨停机（风向与风轮旋转平面平行）。 国内外研制了许多风力机的调速装置，归纳起来，就其调速原理大体上可分为三类：减少风轮迎风面积；改变叶片翼型攻角值和利用空气在风轮圆周切线方向的阻力限制风轮转速。 （ 1） 减少风轮迎风面积 靠升力旋转的风轮，正常工作时，风轮旋转平面与风向垂直，其迎风面积为叶片回转时所扫掠的圆形面积 A（图 3-3-13和 3-3-14之 a位置
11、）。当风速变大超过额定风速（风力机输出额定功率时的风速）时，为了不让风轮超速旋转，可减少风轮的迎风面积，使其由圆形变为椭圆形，或缩小圆形的直径，下面列举 4种方法。 图 3-3-12 自动对风风轮 图 3-3-13 侧翼装置调速原理示意图 6 1 未调速位置； 2 调速位置； 3 顺浆位置。 图 3-3-14 偏心装置调速原理示意图 1 未调速位置； 2 调速位置； 3 顺浆位置。 1）侧翼装置（图 3-3-13）。在风轮后面向一侧伸出一支侧翼，翼柄平行地面和风轮旋转面；另一侧配有弹簧。当风速大于额定风速时，风施加在侧翼压力对回转轴的力矩，大于弹簧拉力对回转轴的力矩，风轮开始偏移，由（ a）位
12、置到（ b）位置，若偏转角度为 ，则（ b）的位置风轮的迎风面积则变成了 （椭圆形），迎风面积减少了，尽管风速增大了，而风轮的转速并没增加。风速再增大，风轮可能偏转到（ c）的位 置，迎风面积就更小了。当风速逐渐减少时，在弹簧的拉力作用下，风轮又恢复到（ b） （ a）的位置。 2）偏心装置（图 3-3-14）风轮轴线与机头座回转体的转向轴的轴线有一定的偏心距，另一侧亦设弹簧。当风速超过额定风速后，风作用在风轮上的正面压力的合力对转向轴的力矩克服弹簧的拉力，风轮偏转到（ b）的位置（迎风面积呈椭圆形）的位置；风再大，到（ c）的位置。风速减小时，又依次恢复到（ b） （ a）的位置。此图所示是
13、风轮向侧向偏转的，按同一原理，亦可设计成向上偏转式的。如图 3-3-15所示。 图 3-3-15 仰头调速 （ a）风力发电机在额定风速下运转； (b)超额定风速仰头调速 1） 尾翼升降装置（图 3-3-16）。上述两种调速装置都用了弹簧，但是弹簧暴露于大气中很容易锈蚀，可用配重或能产生回位力矩的尾舵来代替弹簧。利用尾翼升降进行调节的基本结构是将尾翼与机头的连接转轴向后倾斜一个角度。当风轮位置（ a） （ b） （ c）时，尾舵绕其转轴向轮靠拢，它的相对高度发生了变化，从 B向看，对应为（ a ） （ b ） （ c ）。尾舵重心提高了，产生了回位力矩，当风速变小时，它依次回位（ c ） （
14、b ） （ a ）。尾舵如此安装，就相当于一个重心能上下变动的配重，用它们位置高度的变化，代替弹簧拉力的作用。 7 图 3-3-16 尾翼升降调节原理示意图 1） 缩小风轮圆形迎风面积。图 3-3-17 所示为叶片用铰链安装在风轮轴上，并借助 弹簧的压力保持其设计位置。当风速超过额定值时，作用在叶片上风的正面力加大，克服弹簧作用力，叶片由实线位置变到虚线位置，风轮扫掠面积缩小了，转速不再增加；当风速变小时，在弹簧力的作用下，叶片由虚线位置恢复到实线位置。 利用减少风轮迎风面积的调速方法，多用于 15kW以下的微型、小型及中型风力机上。 （ 1） 改变叶片翼型攻角值 前已述及，叶片升力与翼型攻角
15、值有着密切的关系。改变翼型攻角的基本方法是：当风速达到一定量值后，设法使叶片能绕叶片长度方向的转动轴回转某一角度，改变了攻角 值；当然同时也改变了叶片安装角 值。风速再变大，而叶片升力却不再增加；甚至随叶片阻力的增大，可使风轮转速降低。利用改变叶片翼型攻 角值的调速方法，常被称作变桨距调速法。不同风轮上的叶片有两种安装型式：一种叶片安装后可绕其长度方向的转动轴转动，这种风轮称为变桨距风轮；另一种叶片与轮毂的连接是固定的，叶片不能绕叶柄方向的轴转动，这种风轮称为定桨距风轮。下面介绍利用改变叶片攻角值进行调速的 3种方法。 1）配重（飞球）与弹簧配合装置（图 3-3-18）。当风轮转速达到额定值时
16、，风速再增大，风轮转速再加快，配重（飞球）的离心力将克服套管（未绘了出）中弹簧的作用力，向外移动，这时曲柄将拉动叶片轴（柄）转动，改变叶片横截面的弦与吹来的风之间的夹角（攻 角），升力系数随之减少，升力不再增大，风轮的转速也就不再增加。当风速减小时，在弹簧的作用下，配重与叶片又都恢复到原来的状态。 图 3-3-15 仰头调速 （ a）力发电机在额定风速下运转； (b)超额定风速仰头调速 8 1）尾翼升降装置（图 3-3-16）。上述两种调速装置都用了弹簧，但是弹簧暴露于大气中很容易锈蚀，可用配重或能产生回位力矩的尾舵来代替弹簧。利用尾翼升降进行调节的基本结构是将尾翼与机头的连接转轴向后倾斜一个
17、角度。当风轮位置（ a） （ b） （ c）时，尾舵绕其转轴向轮靠拢，它的相对高度发生了变化，从 B向看，对应为（ a ） （ b ） （ c ）。尾舵重心提高了，产生了回位力矩，当风速变小时，它依次回 位（ c ） （ b ） （ a ）。尾舵如此安装，就相当于一个重心能上下变动的配重，用它们位置高度的变化，代替弹簧拉力的作用。 图 3-3-16 尾翼升降调节原理示意图 1）缩小风轮圆形迎风面积。图 3-3-17所示为叶片用铰链安装在风轮轴上，并借助弹簧的压力保持其设计位置。当风速超过额定值时，作用在叶片上风的正面力加大，克服弹簧作用力，叶片由实线位置变到虚线位置，风轮扫掠面积缩小了，转速不
18、再增加；当风速变小时，在弹簧力的作用下，叶片由虚线位置恢复到实线位置。 利用减少风轮迎风面积的调速方法，多用于 15kW以下的微型、小型及中型风力机上。 （ 1） 改变叶片翼型攻角值 前已述及，叶片升力与翼型攻角值有着密切的关系。改变翼型攻角的基本方法是：当风速达到一定量值后，设法使叶片能绕叶片长度方向的转动轴回转某一角度，改变了攻角 值；当然同时也改变了叶片安装角 值。风速再变大，而叶片升力却不再增加；甚至随叶片阻力的增大，可使风轮转速降低。利用改变叶片翼型攻角值的调速方法，常被称作变桨距调速法。不同风轮上的叶片有两种安装型式：一种叶片安装后可绕其长度方向的转动轴转动，这种风轮称为变桨距风轮
19、；另一种叶片与轮毂的连接是固定的，叶片不能绕叶柄方向的轴转动，这种风轮称为定桨距风轮。下面介绍利 用改变叶片攻角值进行调速的 3种方法。 1） 配重（飞球）与弹簧配合装置（图 3-3-18）。当风轮转速达到额定值时，风速再增大，风轮转速再加快，配重（飞球）的离心力将克服套管（未绘了出）中弹簧的作用力，向外移动，这时曲柄将拉动叶片轴（柄）转动，改变叶片横截面的弦与吹来的风之间的夹角（攻角），升力系数随之减少，升力不再增大，风轮的转速也就不再增加。当风速减小时，在弹簧的作用下，配重与叶片又都恢复到原来的状态。 9 1） 叶片重量与弹簧配合装置。图 3-3-19所示为两叶片风力发电机的风轮，在轮毂上
20、有两个平行的孔洞，孔内塞有螺旋底面的滑键。叶柄与滑键垂直，叶柄上铣出螺旋槽，滑键插入槽内 。当风速超过额定值时，风轮转速加快，叶片的离心力增大，克服压缩弹簧作用力向外甩出。由于叶柄螺旋槽与装在其内的滑键的制约，叶片在外甩的同时，发生偏转，攻角改变，升力系数下降，风轮转速不再增加。当风速变小，在弹簧力的作用下，叶片又缩回到原来位置。这种调速装置曾被称作离心 螺旋槽式调速机构。 图 3-3-19 叶片重量与弹簧配合调速装置示意图 1 叶片； 2 滑键； 3 风轮毂； 4 叶柄； 5 调速弹簧； 6 起动弹簧； 7 弹簧座； 8 开口销； 9 螺旋槽。 图 3-3-18和 3-3-19两种调速装置多
21、用于中、小型风力发电机上。 1） 液压变桨距调速装置。液压变桨距调速是当代大型风力发电机调速的方式 之一。图 3-3-20是美国MOD-0型大型风力发电机变桨距调速装置。它是两个小液压油缸驱动的两个小齿条啮合的一个齿轮，齿轮同轴的大圆锥齿轮再啮合使叶片变桨距的小圆锥齿轮来实现叶片变桨距调速的。整个变桨距调速装置都安装在轮毂内。液压油通过旋转接头送至两个小液压油缸。液压油缸及齿轮是微机控制变桨距调速的执行机构。 10 图 3-3-20 美国 MOD O型大型风力发电机 液压驱动变桨距调速装置 1 液压小油缸及齿条； 2 大圆锥齿轮； 3 小圆锥齿条； 4 叶片变桨距方向； 5 齿条驱动的齿轮。
22、（ 1） 利用空气在风轮圆周切线方向的阻力 当风速开始超过额定风速时，设法增加空气在风轮圆周切线方向对叶片的阻力，以抵消叶片升力 的再增值，从而达到风轮转速不再提高的目的。介绍两种装置。 a) 阻力翼 图 3-3-21所示，在风轮轮毂上焊有两个支臂，两处弧板（阻力翼）铰接在支臂上，与弹簧构成了一个风载系统。当风轮转速超过额定转速时，弧板的离心力超过了弹簧的拉力，甩出向外，它回转面积增大，受到的空气阻力也变大，阻尼风轮转速的增加；当风速变小时，在弹簧的作用下，弧板又恢复到了原来的位置。 图 3-3-21 阻力翼调速原理示意图 a) 阻尼板 图 3-3-22所示，在叶片尖端铰接着带弹簧的阻尼板（也称扰流器），在额定风速内弹簧的拉力使阻尼板靠在叶片尖端面上；当风速变大使风轮转速超过额定值后，阻 尼板的离心力克服弹簧的拉力向外张开，拢动气流，增加了风轮的转动阻力，限制了风转的转速增大。当风速变小，阻尼板又回靠在叶片尖端面上。
