刘 旦，闫占辉，王 伟

(1.长春工程学院机电工程学院，长春 130012； 2.中国人民解放军95926部队，长春 130103)

1.5 MW风力发电机组机械结构设计

刘 旦1，闫占辉1，王 伟2

(1.长春工程学院机电工程学院，长春 130012； 2.中国人民解放军95926部队，长春 130103)

详细介绍了1.5 MW风力发电机组机械结构设计，主要包括基于半直驱式变速恒频风电机组的总体方案设计、变桨减速器设计和主传动系统设计等，为加快风力发电机组机械结构国产化和风力发电机组的维修及维护提供依据。

风力发电机组；机械结构；设计；半直驱式

0 前言

随着我国清洁能源的发展，风力发电机组单机容量持续增大，主流机型目前已达到1～3.3 MW；我国风电机组关键部件的性能不断提高，风电装备的产业链已逐步形成，这为我国风力发电产业的快速发展奠定了基础。

水平轴风电机组具有短转轴、经济性好等优势，是风电设备的主导产品。垂直轴风电机组因转换率低和变桨难等问题，目前在国内还没有应用。变桨变速功率调节技术具有载荷控制平稳、安全和高效等优点，近年得到广泛采用。

半直驱式变速恒频风电机组是近年来发展起来的机型，它结合了直驱式风电机组和双馈式风电机组的优点，技术先进，可靠性高，性能优越。应用此技术开发大型或超大型机组具有良好的前景。

本文在半直驱式变速恒频控制技术基础上，详细论述了1.5 MW风力发电机组的机械结构设计方案，为我国加快风力发电机组机械结构国产化和风力发电机组的维修及维护提供参考。

1 总体方案设计

按照额定功率的大小(≥600 kW)选择并网型、水平轴、上风向、变桨距调节、三叶片机组，风电机组通过传动系统连接风轮和发电机，把风轮产生的旋转机械能传输到发电机，并使发电机转子达到所需的转速。

带增速齿轮箱风电机组的发电机，由于极对数小，因而结构比较简单，体积小，但是由于需要齿轮增速箱，因此传动系统结构比较复杂，齿轮箱设计、运行维护复杂，容易出故障。

直驱风电机组的风轮直接驱动发电机转子旋转，不需要齿轮箱增速，从而提高了传动效率和可靠性，减少了故障点，但是直驱式机组的发电机极对数高，体积比较大，结构也复杂得多。

本文设计的1.5 MW半直驱变速恒频风力发电机组，基于半直驱技术，采用水平轴、三叶片、上风向变桨变速调节，中低速永磁同步发电机及全功率变频并网的总体设计方案。表1为1 500 kW风力发电机组主要设计参数，图1为1 500 kW风力发电机组机械总图。

风力发电机组主要由叶桨、机舱、机械传动部分、发电机部分、电气控制部分及其他附属设备组成。其机械结构主要由变浆减速器5、齿轮增速器2、刹车制动器3和11等组成。

2 变桨减速器的设计

变桨减速器的主要作用是驱动变桨控制齿轮箱，用于调节风力发电机的输出功率。当控制系统的实际测量功率值与设定值不匹配时，每只风轮叶片可以绕它的纵向轴旋转。其工作特点是间歇工作起停较为频繁，传递扭矩较大，传动比较高。因其工作特点以及安装位置的限制，本设计采用三级行星齿轮减速机构。本行星齿轮减速箱采用3级NGW型行星传动，减速比大、传动效率高、结构紧凑、承载能力大。各级行星轮系都由太阳轮、行星轮和内齿圈构成，其中1、2、3级行星轮个数为3个。各级之间上一级的行星架与下一级太阳轮轴通过齿轮连轴器实现稳定连接。输出轴采用花键实现扭矩的传递。图2为变桨减速器部件图。

表1 1 500 kW风力发电机组主要设计参数

1.叶浆；2.齿轮增速器；3.刹车制动器；4.发电机组件；5.变浆减速器；6.联轴器；7.制动盘；8.偏航支座；9.塔筒；10.机仓底架；11.刹车制动器图1 1.5 MW风力发电机组机械总图

图2 变桨减速器

3 主传动系统设计

增速器是指安装在原动机与工作机之间独立的闭式传动装置，用于增加转速。增速器用于提速、运动方向变化和分配、动力传递等。本文采用行星齿轮单级传动结构形式，图3为齿轮增速器部件图。

机械制动通常用作风力机气动制动的备用，或者作为停车制动，如为检修风力机需要停机。在机械制动中，制动钳、制动盘、制动片构成关键部件，液压系统通常用于激活或松开制动。

制动盘与制动片必须能够承受温度载荷，因为制动过程的摩擦会导致热形式的能量耗散，在局部产生高温。一般制动盘越厚，它的稳定性、吸收温度载荷的能力越好。摩擦系数的变化会带来问题，在确定制动系统尺寸时，必须恰当考虑。如果摩擦系数太大，制动力会太大；如果摩擦系数太小，制动系统将不能制动。图4为制动器部装图。

图3 齿轮增速器

4 结语

针对决齿轮箱修复困难等问题，对现有风机设备进行结构改造，完成了1.5 MW风力发电机组机械结构设计，包括基于半直驱技术总体方案设计、变桨减速器的设计和主传动系统设计等。

设计的1.5 MW风力发电机组机械结构目的是加快风力发电机组机械结构国产化并为风力发电机组的维修及维护提供参考。

图4 制动器部装图

[1] 黄宜森，顾佥，刘松超.1.5 MW低风速风力发电机组主传动系统设计及动力学分析[J].可再生能源，2012(1)：21-26.

[2] 董军勇.3.3 MW半直驱永磁风力发电机的刚强度分析[D].杭州：浙江工业大学，2015.

[3] 孙建.浅析两种1.5 MW风力发电机组机械刹车系统[J].科技创新与应用，2015，12：41-42.

[4] 王宜君，王斌.小型垂直轴风力发电机的机械结构设计[J].轻工科技，2016(1)：63-64.

The Design to the Mechanical Structure of 1.5 MW Wind Generator Turbine

LIU Dan，et al.

(SchoolofMechanical&ElectricalEngineering，
ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

The design to the mechanical structure of 1.5 MW wind generator turbine machine structure has been discussed in detail in this paper.It mainly includes overall plan design to variable speed constant frequency wind turbine based on semi direct drive form，the design to pitch reducer and the design to main drive system and so on.It will provide reference to speed up the localization in China of mechanical structure to wind generator turbine，and the repairing and maintenance to wind generator turbine.

wind generator turbine；mechanical structure；semi direct drive

2017-05-02

刘旦(1980-)，男(汉)，长春，实验师，硕士 主要研究机械设计制造。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.012

TH122

A

1009-8984(2017)02-0051-03