3.2 机械结构

3.2.1 风轮

风轮是风电机组的核心部件，由叶片、轮毂、风轮轴及变桨机构等组成。风轮是风能转换为机械能的关键部件，决定了整个风电机组的性能。风轮上叶片的气动特性决定了风电机组的风能利用率，也决定了风电机组机械部件的主要荷载。

3.2.1.1 叶片

风轮叶片主要实现风能的吸收，因此其形状主要取决于空气动力学特性，设计目标是最大可能吸收风能。从安全性角度考虑，叶片必须具有可靠的结构强度，具备足够的承受极限荷载和疲劳荷载能力；合理的叶片刚度，避免叶片与塔架碰撞；良好的结构动力学特性和气动稳定性，避免发生共振和颤振现象，振动和噪声小。从经济性角度，使叶片重量尽可能减轻，降低制造成本。

1．叶片几何形状及翼型

大型风电机组的风轮直径很大，因此叶片长度较长，在旋转过程中，不同部位的圆周线速度相差很大，导致来风的攻角相差很大，因此风电机组叶片沿展向各段处的几何尺寸及剖面翼型都发生变化，其中叶片具有以下特征：

（1）平面几何形状一般为梯形，沿展向方向上，各剖面的弦长不断变化。

（2）叶片翼型沿展向上不断变化，各剖面的前缘和后缘形状也不同。

（3）叶片扭角也沿展向不断变化，叶尖部位的扭角比根部小。这里的叶片扭角指在叶片尖部桨矩角为零的情况下，各剖面的翼弦与风轮旋转平面之间的夹角。

高性能的翼型是确保风电机组气动性能的关键，翼型确定是风电机组叶片研发的关键核心技术之一。风能的转换效率与空气流过叶片翼型产生的升力有关，因此叶片的翼型性能直接影响风能转换效率。叶片的剖面翼型应根据相应的外部条件并结合荷载分析进行选择和设计。传统的叶片翼型多沿用航空领域的翼型设计，随着风电技术的发展，国内外一些研究机构开发了多种风电专用的翼型系列，应用较多的有NACA、SERI、NREL、RISΦ-A和FFA-W等翼型系列。

2．叶片结构

风电机组叶片既要求机械性能好、能够承受各种极端荷载，又要求重量轻、制造和维护成本低，因此均采用轻型材料和结构。叶片剖面结构均为中空结构，由蒙皮和主梁组成，中间有硬质泡沫夹层作为增强材料。图3-6示出了两种典型的叶片剖面和主梁结构型式（上下两片梁帽加以中间腹板连接，或者是梁帽和腹板做成一体，称为盒式大梁，再通过结构胶与叶壳黏结）。

叶片主梁结构主要承载叶片的大部分弯曲荷载。叶片主梁材料一般需采用单向强度较高的玻纤织物增强，以提高主梁的强度及刚度。根据主梁结构型式，需要进行相应的剖面几何与力学特性计算，如质心、惯性矩和扭转刚度分析等。

叶片蒙皮主要由胶衣、表面毡和双向复合材料铺层构成，其功能是提供叶片气动外形，同时承担部分弯曲荷载和剪切荷载。一些叶片后缘部分的蒙皮采用夹层结构，以提高后缘空腹结构的抗屈曲失稳能力。

叶片蒙皮的铺层型式主要取决于叶片所受的外荷载，根据外荷载的大小和方向，确定叶片铺层数量以及铺层增强纤维的方向。由于叶片所受弯矩、扭矩和离心力都是从叶尖向叶根逐渐递增，因此铺层结构的厚度一般从叶尖向叶根逐渐递增。

3．气动制动系统

由于风轮在旋转过程中转动惯量较大，所以当风速超过切出风速时，变桨调节的风电机组通过对桨距角调整，将桨距角从工作角度调整到顺桨状态，实现紧急制动。

对于失速控制的风电机组，由于叶片与轮毂固定连接，通常采用可旋转的叶尖实现气动制动。在风轮运行时，通过液压缸的驱动拉紧旋转叶尖，以平衡风轮旋转产生的离心力；当需要对风轮制动时，液压缸不再提供对叶尖的拉力，在离心力和弹簧复位机构的作用下，叶尖快速沿叶片展向移动，同时通过螺旋机构的导向，使叶尖绕叶片轴线沿顺桨方向旋转，实现制动功能。

4．叶根连接

叶片所受的各项荷载，无论是拉力还是弯矩、扭矩、剪力都在叶根端达到最大，把整个叶片上所承受的荷载传递到轮毂上去。因此，叶根端必须具有足够的剪切强度、挤压强度，与金属的胶结强度也要足够高，才能承受叶片传来的巨大荷载。叶根与轮毂的连接主要有法兰连接和预埋金属根端连接方式，具体如下：

（1）法兰连接方式的叶根像一个法兰翻边。在此法兰上，除了有玻璃钢外，还与金属盘对拼，在金属盘上的附件与轮毂相连，如图3-7（a）所示。

（2）预埋金属根端连接。在根端设计中，预埋上一个金属根端，此结构一端可与轮毂连接，另一端牢固预埋在玻璃钢叶片内，如图3-7（b）所示。这种根端设计，主要用于新研制的玻璃钢叶片。这种结构型式避免了对玻璃钢结构层的加工损伤，经试验机构试验证明是可靠的，唯一缺点就是每个螺纹件的定位必须准确。此连接方式的优点：①不需要大重量的法兰盘，而且法兰不需要胶结；②在批量生产中只有一个力传递元件；③由于采用预紧螺栓，提高了疲劳强度和可靠性。

5．叶片失效及其影响

叶片是风电机组实现将风能转换成机械能的主要部件，由于长期暴露在高温、凝冻、风、雨、雷击、盐雾、沙尘等条件下，很容易出现故障。常见的叶片故障类型包括表面腐蚀、雷击、覆冰、裂纹以及极端风造成的叶片断裂等，如图3-8所示。

德国Deutsche WindGuardDynamicsGmbH公司对在德国已安装的2万台风电机组叶片故障的统计结果，如图3-9所示。其中：气动部件故障率约为40%；导致风轮不平衡问题（气动不平衡、质量不平衡、不平衡超限）的故障率约为40%；风轮其他故障率略低于20%。

叶片故障主要对叶片的气动性能、主轴不平衡以及振动和噪声状态产生影响。叶片的各类故障都将造成风轮旋转质量不平衡，对叶片、变桨驱动电机、主轴、齿轮箱、发电机产生磨损，对没有可靠固定在控制柜的电子器件、偏航驱动、偏航刹车以及塔架和地基产生裂缝等。

3.2.1.2 轮毂

轮毂用于连接叶片和主轴，承受来自叶片的荷载并将其传递到主轴上。对于变桨距风电机组，轮毂内的空腔部分还用于安装变桨距调节机构。轮毂型式主要取决于风轮叶片数量，单叶片和双叶片风轮的轮毂常采用铰链式轮毂，也称为柔性轮毂或跷跷板式轮毂，叶片和轮毂柔性连接，使叶片在挥舞、摆动和扭转方向上都具有自由度，以减少叶片荷载的影响。

三叶片风轮的轮毂多采用刚性轮毂型式，叶片与轮毂刚性连接，结构简单，制造和维护成本低，承载能力大。三叶片风轮具有三角形轮毂和三通式轮毂两种主要结构型式，如图3-10所示。其中：三角形轮毂内部空腔小，体积小，制造成本低，适用于定桨距机组；三通式轮毂主要用于变桨距风电机组，其形状如球形，内部空腔大，可以安装变桨距调节机构。

3.2.1.3 变桨距机构

现代大型并网风电机组多数采用变桨距机构，其主要特征是叶片可以相对轮毂转动，实现桨距角的调节。其主要作用有以下方面：

（1）在正常运行状态下，当风速超过额定风速时，通过改变叶片桨距角，改变叶片的升力与阻力比，实现功率控制。

（2）当风速超过切出风速时，或者风电机组在运行过程出现故障状态时，迅速将桨距角从工作角度调整到顺桨状态，实现紧急制动。

叶片的变桨距操作通过变桨距系统实现。变桨距系统按照驱动方式可以分为液压变桨距系统和电动变桨距系统，按照变桨距操作方式可以分为同步变桨距系统和独立变桨距系统。同步变桨距系统中，风轮各叶片的变桨距动作同步进行，而独立变桨距系统中，每个叶片具有独立的变桨距机构，变桨距动作独立进行。

变桨距风电机组的变桨角度范围为0°～90°。正常工作时，叶片桨距角在0°附近，进行功率控制时，桨距角调节范围为0°～25°，调节速度一般为1°/s左右。制动过程，桨距角从0°迅速调整到90°左右，称为顺桨位置，一般要求调节速度较高，可达15°/s左右。风电机组启动过程中，叶片桨距角从90°快速调节到0°，然后实现并网。

1．变桨距机构组成

叶片变桨距机构主要由叶片与轮毂间的变桨轴承、变桨驱动机构、执行机构、备用供电机构和控制系统组成。变桨距机构的硬件安装在轮毂内部，变桨距机构的基本结构如图3-11所示。由电动机和减速器构成驱动机构和执行机构，叶片变桨旋转动作通过轴承由内啮合齿轮副实现。

2．变桨距轴承

变桨距轴承是变桨装置的关键部件，除保证叶片相对轮毂的可靠运动外，同时提供了叶片与轮毂的连接，并将叶片的荷载传递给轮毂。

3．变桨距驱动部件

变桨距驱动部件可采用电动或液压驱动，早期的变桨距机组以液压驱动方式为主，但是液压系统存在漏油问题。随着伺服电动机技术的发展，近年来电动变桨驱动已被多数机组采用。

电动变桨距机组一般均为独立变桨距机组。每个叶片都有一套驱动装置，全部安装在轮毂内。变桨驱动装置主要由电动机、大速比减速机和开式齿轮传动副组成，以适应变桨操作的速度要求。

变桨距驱动的电动机一般采用含有位置反馈的直流伺服电动机。在驱动装置的功率输出轴端，安装与变桨轴承齿轮传动部分啮合的小齿轮，与变桨轴承的大齿轮组成开式齿轮传动副。该齿轮副的啮合间隙需要通过调整驱动装置与轮毂的相对安装位置实现。

3.2.2 传动系统

传动系统用来连接风轮与发电机，将风轮产生的机械转矩传递给发电机，同时实现转速的变换。目前风电机组较多采用的齿轮箱传动系统结构，如图3-12所示，包括风轮、低速轴（主轴）、增速齿轮箱、高速轴（齿轮箱输出轴）、发电机、机架及机械制动装置等部件。整个传动系统和发电机安装在主机架上。作用在风轮上的各种气动荷载和重力荷载通过主机架及偏航系统传递给塔架。

3.2.2.1 风轮主轴

风轮主轴一端连接风轮轮毂，另一端连接增速齿轮箱。其支撑结构型式与增速齿轮箱的型式密切相关。

1．主轴支撑结构型式

风轮主轴用滚动轴承支撑在主机架上，如图3-13所示。按照支撑方式不同，主轴可以分为以下结构型式。

（1）独立轴承支撑结构，如图3-13（a）所示。主轴由前后两个独立安装在主机架上的轴承支撑，共同承受悬臂风轮的重力荷载，轴向推力荷载由前轴承（靠近风轮）承受，只有风轮转矩通过主轴传递给齿轮箱。由于前轴承为主要承载部件，通常为减小悬臂风轮重力产生的弯矩，前轴承支撑尽可能靠近轮毂，并通过增加前后轴承的间距调整轴承的荷载。因而此种主轴结构相对较长，制作成本较高。但由于齿轮箱与主轴相对独立，便于采用标准齿轮箱和主轴支撑构件。这种支撑结构主要用于中小型风电机组，在大型风电机组中很少采用。

（2）主轴前轴承独立安装在机架上，后轴承与齿轮箱内轴承做成一体，如图3-13（b）所示。前轴承和齿轮箱两侧的扭转臂形成对主轴的三点支撑，故也称为三点支撑式主轴。这种主轴支撑结构型式在现代大型风电机组中较多采用，其优点是：主轴支撑的结构趋于紧凑，可以增加主轴前后支撑轴承的距离，有利于降低后支撑的荷载；齿轮箱在传递转矩的同时承受叶片作用的弯矩。

（3）主轴轴承与齿轮箱集成型式，如图3-13（c）所示。主轴的前后支撑轴承与齿轮箱做成整体。其主要优点是：风轮通过轮毂法兰直接与齿轮箱连接，可以减小风轮的悬臂尺寸，从而降低了主轴荷载；主轴装配容易，轴承润滑合理。其主要问题是：由于难于直接选用标准齿轮箱，维修齿轮箱必须同时拆除主轴；输入大轴与齿轮箱连成一体，齿轮箱传递转矩的同时承受着叶片作用的重力及弯矩。

从齿轮箱维修角度看，输入大轴单独支撑，既便于与齿轮箱分离，又能减轻齿轮箱的承载，大大降低维修费用，较为合理。

制造主轴的材料一般选择碳素合金钢，毛坯通常采用锻造工艺。由于合金钢对应力集中的敏感性较高，轴结构设计中注意减小应力集中，并对表面质量提出要求。各种热处理、化学处理及表面强化处理，可显著提高主轴的机械性能。

2．主轴轴承

主轴的前轴承需要承受风轮产生的弯矩和推力，通常采用双列滚动轴承作为径向与轴向支撑，典型结构如图3-14所示。

3．主轴与齿轮箱连接

主轴与齿轮箱输入轴的连接主要有法兰、花键、胀紧套等方式。随着风电技术向大功率方向发展，采用胀紧套连接最为常见，如图3-15所示。胀紧套连接方式的优点为传递转矩大、承载能力强、互换性好、使用寿命长、结构紧凑且具有超载保护功能等。但实际应用中也会出现主轴与齿轮箱输入轴咬死、分离困难等问题。设计时，在提高材质性能、接合面硬度及表面粗糙度同时，在齿轮箱输入轴加高压油孔及油槽是较为有效的解决办法。

3.2.2.2 增速齿轮箱

1．特点

相对于其他工业齿轮箱，风电机组齿轮箱的设计条件更为苛刻，其基本设计有以下特点：

（1）传动条件。风电机组齿轮箱属于大传动比、大功率的增速传动装置，且需要承受多变的风荷载作用及其他冲击荷载；由于维护不便，对其运行可靠性和使用寿命的要求较高，通常要求设计寿命不少于20年；设计过程往往难以确定准确的设计荷载，而结构设计与荷载谱的匹配问题在很大程度上也是导致其故障的重要诱因。

（2）运行条件与环境。风电机组齿轮箱常年运行于酷暑、严寒等极端自然环境条件，且安装在高空，维修困难。因此，除常规状态机械性能外，对构件材料还需要求低温状态下抗冷脆性等特性。由于风电机组长期处于自动控制的运行状态，需考虑对齿轮传动装置的充分润滑条件及其监测，并具备适宜的加热与冷却措施，以保证润滑系统的正常工作。

（3）设计与安装条件。有鉴于齿轮箱的体积和重量对风电机组其他部件的荷载、成本等的影响，减小其设计结构和减轻重量显得尤为重要。但结构尺寸与可靠性方面存在矛盾，使风电机组齿轮箱设计陷入困境。同时，随着单机功率的不断增大，对齿轮箱设计形成更大的压力。

（4）其他。一般需要在齿轮箱的输入端（或输出端）设置机械制动装置，配合风轮的气动制动实现对风电机组的制动功能。但制动产生的荷载对传动系统会产生不良影响，应考虑防止冲击和振动措施，设置合理的传动轴系和齿轮箱体支撑。其中，齿轮箱与主机架间一般不采用刚性连接，以降低齿轮箱产生的振动和噪声。

总之，风电机组齿轮箱的总体设计目标为：在满足传动效率、可靠性和工作寿命的前提下，以最小的体积和重量获得更优化的传动方案。齿轮箱的结构设计过程，应以传递功率和空间限制为前提，尽量选择简单、可靠、维修方便的结构方案，同时正确处理刚性与结构紧凑性等方面的问题。

2．风电机组齿轮箱的构成及型式

齿轮箱是风电机组传动系统中的主要部件，需要承受来自风轮的荷载，同时要承受齿轮传动过程产生的各种荷载，典型的齿轮箱外形如图3-16所示。其需要根据风电机组的设计要求，为风轮主轴、齿轮传动机构和传动系统中的其他构件提供可靠的支撑与连接，同时将荷载平稳传递到主机架。

（1）结构型式。由于风电机组的增速要求很大，所以齿轮箱通常需要多级齿轮传动。大型风电机组的增速齿轮箱的典型设计，多采用行星齿轮与定轴齿轮组成混合轮系的传动方案。图3-17示出一种一级行星加两级定轴齿轮传动的齿轮箱结构，低速轴为行星齿轮传动，可使功率分流，同时合理应用了内啮合。后二级为平行轴圆柱齿轮传动，可合理分配速比，提高传动效率。

有些齿轮箱采用多级行星轮系的传动型式，常用的是三级行星轮加一级平行轴齿轮的传动结构，如图3-18所示。采用多级行星轮结构以获得更加紧凑的结构，但也使齿轮箱的设计、制造与维护难度和成本增加。因此，齿轮箱的设计和选型过程，应综合考虑设计要求、齿轮箱总体结构、制造能力，以及与风电机组总体成本平衡等因素间的关系，尽可能选择相对合理的传动型式。

（2）齿轮材料与连接方式。由于传动构件的运转环境和荷载情况复杂，要求所设计采用的材料除满足常规机械性能条件外，还应具有极端温差条件下的材料特性，如抗低温冷脆性、极端温差影响下的尺寸稳定性等。齿轮、轴类构件材料一般采用低碳合金钢，毛坯多采用锻造工艺，以保证良好的材料组织纤维和力学特征。其中：外啮合齿轮材料推荐20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA等；内啮合的齿圈和轴类零件材料推荐42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等。

根据传动要求，设计过程要考虑可靠的构件连接问题。齿轮与轴的连接可采用键连接或过盈配合连接等方式，在传递较大转矩场合，一般采用花键连接。过盈配合连接可使被连接构件具有良好的对中性并能够承受冲击荷载，在风电机组齿轮箱的传动构件连接中得到了较多的应用。

（3）齿轮箱的箱体结构。箱体是齿轮箱的重要基础部件，要承受风轮的作用力和齿轮传动过程产生的各种荷载，必须具有足够的强度和刚度，以保证传动的质量。

箱体的设计一般应依据主传动链的布局需要，并考虑加工、装配和安装条件，同时要便于检修和维护。批量生产的箱体一般采用铸造成型，常用材料有球墨铸铁或其他高强度铸铁。用铝合金或其他轻合金制造的箱体，可使其重量较铸铁降低20%～30%。但当轻合金铸件材料的强度性能指标较低时，需要增加铸造箱体的结构尺寸，可能使其降低重量的效果并不显著。为保证箱体的质量，铸造或焊接结构的箱体均应在加工过程安排必要的去应力热处理环节。

齿轮箱在机架—安装时一般需考虑弹性减振装置，最简单的弹性减振器是用高强度橡胶和钢结构制成的弹性支座块，如图3-19所示。

在箱体上应设有观察窗，以便于装配和传动情况的检查。箱盖上还应设有透气罩、油标或油位指示器。采用强制润滑和冷却的齿轮箱，在箱体的合适部位需设置进出油口和相关的液压元件的安装位置。

（4）传动效率与噪声。齿轮传动的效率一般比较高，齿轮传动效率与传动比、齿轮类型与润滑油黏度等诸多因素相关。根据经验，对于定轴传动齿轮，每级约有2%的损失，而行星轮每级约有1%的损失。在很多情况下，造成齿轮箱传动功率损失的主要原因，是齿侧的摩擦和润滑过程中以热或噪声形式产生的能量消耗。因此，有效的散热可以提高风电齿轮箱的传动效率。采用紧凑结构设计型齿轮箱，除了考虑表面冷却装置外，一般还应该配备相应的润滑冷却系统。除此之外，齿轮箱的传动效率还与额定功率以及实际传递功率有关。风电机组传动荷载较小时，润滑、摩擦等空载损失的比重相对增大，导致传动效率相应下降。

3．齿轮箱及轴承故障

齿轮在运行过程中，齿面承受交变压应力、交变摩擦力以及冲击荷载的作用，将会产生各种类型的损伤，导致运行故障甚至失效。齿轮失效的主要形式包括断齿、齿面变形和损伤，如图3-20所示。根据故障发生原因可分为交变应力导致点蚀、过载、维护不当等。风电场齿轮箱轴承的承载压力非常大，疲劳运行、超载、润滑不足、装配不当等情况发生时，会产生疲劳损伤乃至失效。

（1）交变荷载引起的疲劳损伤。齿轮啮合过程中，齿面和齿根部均受周期交变荷载作用，在材料内部形成交变应力，当应力超过材料疲劳极限时，将在表面产生疲劳裂纹，随着裂纹不断扩展，最终导致疲劳损伤。这类损伤通常由小到大，由某个或几个轮齿的局部到整个齿面逐渐扩展，最终导致齿轮失效，失效过程通常会持续一定的时间。疲劳失效主要表现为齿根断裂和齿面点蚀，具体如下：

1）齿根断裂。齿根主要承受交变弯曲应力，产生弯曲疲劳裂纹并不断扩展，最终使齿根剩余部分无法承受外荷载，造成断齿。

2）齿面点蚀。齿面在接触点既有相对滚动，又有相对滑动。滚动过程随着接触点沿齿面不断变化，在表面产生交变接触压应力，而相对滑动摩擦力在节点两侧方向相反，产生交变脉动剪应力。两种交变应力的共同作用使齿面产生疲劳裂纹，当裂纹扩展到一定程度时，将造成局部齿面金属剥落，形成小坑，称为“点蚀”故障。随着齿轮工作时间加长，点蚀故障逐渐扩大，各点蚀部位连成一片，将导致齿面整片金属剥落，齿厚减薄，造成轮齿从中间部位断裂。

（2）过载引起的损伤。如果设计荷载过大，或齿轮在工作过程中承受严重的瞬时冲击、偏载，使接触部位局部应力超过材料的设计许用应力，导致轮齿产生突然损伤，轻则造成局部裂纹、塑性变形或胶合现象，重则造成轮齿断裂。

对于风电机组，由于瞬时阵风、变桨操作、制动、机组启停以及电网故障等作用，经常会发生传动系统荷载突然增加，超过设计荷载的现象。过载断齿主要表现形式为脆性断裂，通常断面粗糙，有金属光泽。

（3）维护不当引起的故障齿面磨损。具体包括：①由于润滑不足或润滑油不清洁，将造成齿面严重的磨粒磨损，使齿廓逐渐减薄，间隙加大，最终可能导致断齿；②对于重载和高速齿轮，齿面温度较高，如果润滑条件不好，两个啮合齿可能发生熔焊现象，在齿面形成划痕，称为胶合；③由于电蚀、腐蚀等造成的其他故障。

（4）轴承故障。轴承故障诱因主要包括疲劳损坏、超载、润滑不足、装配不当等。由于受交变载荷作用，滚动轴承不可避免会产生疲劳损坏，继而失效，达到所谓的轴承“寿命”。轴承疲劳损坏的主要形式是在轴承内、外圈或滚动体上发生“点蚀”，其机理与齿轮点蚀故障机理相同。超载造成轴承局部塑性变形、压痕；润滑不足造成轴承烧伤、胶合；润滑油不清洁造成轴承磨损；装配不当造成轴承卡死、内圈胀破、结构破碎等。轴承损伤使轴承工作状态变坏，摩擦阻力增大，转动灵活性丧失，旋转精度降低，轴承温度升高，振动噪声加剧。

4．齿轮箱的润滑与冷却

齿轮箱的失效形式与设计和运行工况有关，但良好的润滑是保证齿轮箱可靠运行的必备条件。为此必须高度重视齿轮箱的润滑问题，配备可靠的润滑油和润滑系统。可靠的润滑系统是齿轮箱的重要配置，风电机组齿轮箱通常采用强制润滑系统，可以实现传动构件的良好润滑。同时，为确保极端环境温度条件的润滑油性能，一般需要考虑设置相应的加热和冷却装置。

齿轮箱还应设置对润滑油、高速端轴承等温度进行实时监测的传感器，防止外部杂质进入空气过滤器以及雷电保护装置等附件。润滑油的品质是润滑决定性因素之一，对润滑油的基本要求是考虑其对齿轮和轴承的保护作用。

润滑油的品质是重要指标。选用时必须严格考虑包括减少摩擦、具有较高的承载与防止胶合的能力以及能够降低振动冲击、防止疲劳点蚀和冷却防腐蚀等性能参数。

由于风电齿轮箱属于闭式硬齿面齿轮传动，齿面会产生高温和较大接触应力，在滑动与滚动摩擦的综合作用下，若润滑不良，很容易产生齿面胶合与点蚀失效。因此，硬齿面齿轮传动润滑油的选择，应重点保证足够的油膜厚度和边界膜强度。还应注意，常用润滑油使用一段时间后的性能将会降低，而高品质润滑油在其整个预期寿命内都可保持良好的抗磨损与抗胶合性能。

黏度是润滑油的另一个最重要的指标，为提高齿轮的承载能力和抗冲击能力，根据环境和操作条件，往往需要适当地选择一些添加剂构成合成润滑油。但添加剂有一些副作用，应注意所选择的合成润滑油要能够保证在极低温度状况下具有较好的流动性，而在高温时的化学稳定性好并可抑制黏度降低。

为解决低温下启动时普通矿物油冻结问题，高寒地区安装的风电机组需要设置油加热装置，一般安装在油箱底部。在冬季低温状况下，可将油液加热至一定温度再启动风电机组，避免因油流动性降低造成的润滑失效。

5．轴承

风电机组齿轮箱中较多采用圆柱滚子轴承、调心滚子轴承或深沟球轴承。国内外有关标准对风电机组齿轮箱轴承的一般规定为：行星架应采用深沟球轴承或圆柱滚子轴承；速度较低的中间轴可选用深沟球轴承、球面滚子推力轴承或圆柱滚子轴承；高速的中间轴则应选择四点接触球轴承或圆柱滚子轴承；高速输出轴和行星轮采用圆柱滚子轴承等。

风电机组齿轮箱轴承的承载压力很大，如有些推力球轴承的球与滚道间最大接触压力可达1.66GPa。此外，轴承旋转时承载区域将承受周期性变化的荷载，滚道表面将受循环应力作用，易导致轴承由于滚动表面的疲劳而失效。

在通用的轴承设计标准，如《滚动轴承额定动荷载和额定寿命》（DINISO281—2010）中对轴承额定寿命计算有很多的条件假设。但对于对风电机组使用的大型轴承而言，设计中需要考虑标准的适用条件。例如，滚动表面粗糙部分的接触可能导致该处的接触压力值显著增加。特别是在润滑不足、油膜不够的情况下，高载和低载产生的粗糙接触所导致塑性变形是轴承的失效原因之一。

对于在低速重载工况运行的轴承，若油膜厚度很小，容易导致很高的应力值，使轴承产生疲劳失效。此外，金属颗粒的污染物也容易引起轴承失效，金属颗粒引起的压痕导致了局部高接触应力，损伤的轴承滚道由于压力分布以及变形后的几何形状将导致该处成为失效点。高速运行工况的轴承，可能出现速度不匀和滑动现象。虽然轴承滚动体的滑动在润滑良好的时候不一定导致轴承损伤，但在润滑不足时一定会导致轴承接触表面的损伤或黏着磨损，并进一步转化为灰色斑和擦伤。

3.2.2.3 轴的连接与制动

1．高速轴联轴器

为实现风电机组传动链部件间的扭矩传递，传动链的轴系还需要设置必要的连接构件（如联轴器等）。某风电机组高速轴与发电机轴间的联轴器结构，如图3-21所示。齿轮箱高速轴与发电机轴的连接构件一般采用柔性联轴器，以弥补风电机组运行过程轴系的安装误差，解决主传动链轴系的不对中问题。同时，柔性联轴器还可以增加传动链的系统阻尼，减少振动的传递。

齿轮箱与发电机之间的联轴器设计，需要同时考虑对机组的安全保护功能。由于风电机组运行时可能产生异常情况下的传动链过载，如发电机短路导致的转矩可以达到额定转矩的6倍，但为了降低设计成本，一般不将转矩作为传动系统的设计参数，所以在高速轴上安装防止过载的柔性安全联轴器，不仅可以保护重要部件的安全，也可以降低齿轮箱的设计与制造成本。

联轴器设计还需要考虑完备的绝缘措施，以防止发电系统寄生电流，对齿轮箱产生不良影响。

2．制动机构

当遇有破坏性大风、风电机组运转出现异常或者需要进行保养维修时，采用制动机构使风轮停下来。大型风电机组的制动机构均由气动制动和机械制动两个部分组成，在实际制动操作过程中，先执行气动制动，使风轮转速降到一定程度后，再执行机械制动。只有在紧急制动情况下，同时执行气动制动和机械制动。

（1）气动制动机构。定桨距机组通过叶尖制动机构实现气动制动；变桨距机组则通过将叶片桨距角调整到顺桨位置实现气动制动。

（2）机械制动机构。一般采用盘式结构，如图3-22所示，制动盘安装在齿轮箱输出轴与发电机轴的弹性联轴器前端，机械制动时，液压制动器抱紧制动盘，通过摩擦力实现制动动作。机械制动机构需要一套液压系统提供动力。对于采用液压变桨系统的风电机组，为了使系统简单、紧凑，可以使变桨距机构和机械制动机构共用一个液压系统。

3.2.3 机舱、主机架与偏航系统

风电机组在野外运转，工作条件恶劣，为了保护传动系统、发电机以及控制装置等部件，将它们用轻质外罩封闭起来，称为机舱。主机架用于安装风电机组的传动系统及发电机，并与塔架顶端连接，将风轮和传动系统产生的所有荷载传递到塔架上，具体如图3-23和图3-24所示。

偏航系统主要用于调整风轮的对风方向。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，以保证机组的安全运行和停机状态的需要。下风向风力机的风轮能自然地对准风向，因此一般不需要进行调向控制（对大型的下风向风力机，为减轻结构上的振动，往往也采用对风控制系统）。上风向风力机则必须采用偏航系统进行调向。

大型风电机组主要采用电动机驱动的偏航系统。该系统的风向信号来自装在机舱上面的风向标。通过控制系统实现风轮方向的调整。

1．偏航系统的基本构成

偏航系统主要由偏航轴承，传动、驱动与制动等功能部件或机构组成。一种采用滑动轴承支撑的主动偏航装置结构如图3-25所示。

偏航操作装置安装于塔架与主机架之间，通过固定齿圈与主机架运动部位的配合，采用滑动轴承实现主机架轴向和径向的定位与支撑（即偏航轴承）。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。用四组偏航电机主轴轴承与齿轮箱集成型式的风电机组主机架与塔架固定连接的大齿圈，实现偏航的操作。

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。

2．偏航驱动机构

偏航驱动机构一般由偏航驱动电机、大速比减速机和开式齿轮传动副组成，通过法兰连接安装在主机架上。偏航驱动机构如图3-26所示。

偏航驱动电机一般选用转速较高的电机，尽可能减小体积。但由于偏航驱动所要求的输出转速很低，必须采用紧凑型的大速比减速机，以满足偏航动作要求。偏航减速器可选择立式或其他方式安装，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，减速器中主要传动构件，可采用低碳合金钢材料，如17CrNiMo6、42CrMoA等制造，齿面热处理一般采用渗碳淬硬（硬度一般大于HRC58）。根据传动比要求，偏航减速器通常需要采用3～4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，除一级传动的太阳轮轴外，此种行星齿轮传动装置的前三级行星轮的系杆构件以及其他太阳轮轴需要采用浮动连接设计方案。为解决各级行星传动轮系构件的干涉与装配问题，各传动级间的构件多采用渐开线花键连接。

为最大限度地减小摩擦磨损，需要特别注意对轮系构件的轴向限位。部分减速机采用复合材料制作的球面接触结构。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，以防止润滑油渗漏。

3．偏航轴承

偏航轴承是保证机舱相对塔架可靠运动的关键构件，如图3-27所示。滚动体支撑的偏航轴承与变桨轴承相似。相对普通轴承而言，偏航轴承的显著结构特征在于，具有可实现外啮合或内啮合的齿轮轮齿。

风电机组偏航运动的速度很低，一般轴承的转速n≤10r/min。但要求轴承部件有较高的承载能力和可靠性，可同时承受风电机组的几乎所有运动部件产生的轴向、径向力和倾翻力矩等荷载。考虑到风电机组的运行特性，此类轴承需要承受荷载的变动幅度较大，因此对动荷载条件下滚动体的接触和疲劳强度设计要求较高。

偏航轴承的齿轮为开式传动，轮齿的损伤是导致偏航和变桨轴承失效的重要因素。由于设计荷载难以准确掌握，轴承质量基本取决于传动部分的结构强度。同时，由于开式齿轮传动副需要由与之啮合的小齿轮现场安装形成，其啮合间隙和润滑条件均难以保证，给齿轮设计带来一定困难。

4．偏航制动机构

为保证风电机组运行的稳定性，偏航制动机构一般需要设置制动器，多采用液压钳盘式制动器，其中：钳盘式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，一般设计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；制动钳一般由制动钳体和制动衬块组成，钳体通过高强度螺栓连接于主机架上，制动衬块应由专用的耐磨材料制成。偏航制动机构如图3-28所示。

对偏航制动机构的基本设计要求是保证机组额定负载下的制动力矩稳定，所提供的阻尼力矩平稳（与设计值的偏差小于5%），且制动过程没有异常噪声。偏航制动机构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50%；制动衬垫周边与制动钳体的配合间隙应不大于0.5mm。同时，偏航制动机构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，保证制动力矩和偏航阻尼力矩的要求。偏航制动机构可采用常闭和常开两种结构型式。其中：常闭式制动器是指在有驱动力作用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，偏航制动机构多采用常闭式制动结构型式。

3.2.4 塔架

塔架是风电机组的支撑部件，承受机组的重量、风荷载以及运行中产生的各种动荷载，并将这些荷载传递到基础。塔架重量约占整个风电机组重量的1/2，成本约占风电机组制造成本的15%～20%。由于风电机组的主要部件全部安装在塔架顶端，因此塔架一旦发生倾倒垮塌，往往造成整个机组报废，因此塔架和基础对整个风电机组的安全性和经济性具有重要影响。对塔架和基础的设计要求是，保证风电机组在所有可能出现的荷载条件下保持稳定状态，不能出现倾倒、失稳或其他问题。

3.2.4.1 结构类型

风电机组塔架结构型式主要有钢筋混凝土结构、桁架结构和钢筒结构三种。

（1）钢筋混凝土塔架。其主要特点是刚度大，一阶弯曲固有频率远高于机组工作频率，因而可以有效避免塔架发生共振。早期的小容量风电机组中曾使用过这种结构。但是随着单机容量增加、塔架高度升高，钢混结构塔架的制造难度和成本均相应增大，因此在大型风电机组中很少使用。

（2）桁架塔架。其结构与高压线塔相似：桁架的耗材少，便于运输；但需要连接的零部件多，现场施工周期较长；运行中还需要对连接部位进行定期检查。在早期小型风电机组中，较多采用这种类型塔架结构。随着高度的增大，这种塔架逐渐被钢筒塔架结构取代。但是，在一些高度超过100m的大型风电机组塔架中，桁架结构又重新受到重视。因为在相同的高度和刚度条件下，桁架结构比钢筒结构的材料用量少，而且桁架的构件尺寸小，便于运输。对于下风向布置型式的风电机组，为了减小塔架尾流的影响，也多采用桁架结构的塔架。

（3）钢筒塔架。它是目前大型风电机组主要采用的结构型式，从设计与制造、安装和维护等方面看，这种型式的塔架指标相对比较均衡。

3.2.4.2 塔架结构特征

风电机组的额定功率取决于风轮直径和塔架高度，随着风电机组不断向大功率方向发展，风轮直径越来越大，塔架也相应地越来越高。但是为了降低造价，塔架的重量受到限制，塔架的结构刚度相对较低。因此细长、轻质塔架体现了风电机组塔架的主要结构特征，也对塔架结构的设计、制造提出了更高的要求。

1．塔架高度

塔架高度是塔架设计的主要因素，塔架高度决定了塔架的类型、荷载大小、结构尺寸以及刚度和稳定性等。塔架越高，需要材料越多，造价高，同时运输、安装和维护问题也越大。因此在进行塔架设计时，首先应对塔架高度进行优化；然后在此基础上，完成塔架的结构设计和校核。

确定塔架高度时，应考虑风电机组附近的地形地貌特征。对于同样容量的风电机组，在陆地和海上的塔架高度不同，其中：陆地地表粗糙，风速随高度变化快，因此较高的塔架可获得更高的收益；海平面相对光滑，风速随高度变化缓慢，因此塔架高度可相对较小。

2．塔架刚度

刚度是结构抵抗变形的能力。钢筒塔架是质量均布的细长结构，约占风电机组1/2重量的风轮和机舱安装于塔顶端，质量相对集中，刚度较低。塔架结构的固有频率取决于塔架的刚度和质量，刚度越低，固有频率越低。机组运行时，塔架承受风轮旋转产生的周期性荷载，如果荷载的频率接近甚至等于塔架的固有频率，将会产生共振现象，使塔架产生很大的振动。因此对于刚度较低的塔架结构，振动问题是塔架设计考虑的主要因素之一。为保证作用在塔架上的周期性荷载的频率（如风轮旋转频率、叶片通过频率及其谐频等）避开塔架结构弯曲振动的固有频率，要求塔架具有合适的刚度。

按照整体刚度不同，塔架结构型式可以分为以下类型：

（1）刚性塔架。刚度较高，塔架的一阶弯曲振动固有频率高于叶片通过频率，例如钢筋混凝土塔架结构。其优点是可以有效避免共振，缺点是用材料多，成本高，现代大型风电机组很少采用这类刚性塔架结构。

（2）柔性塔架。整体刚度较低，塔架的一阶弯曲振动固有频率低于叶片通过频率。通常把一阶弯曲振动固有频率介于风轮旋转频率和叶片通过频率之间的塔架称为柔性塔架，而把一阶弯曲振动固有频率低于风轮旋转频率的塔架称为超柔性塔架。钢筒塔架通常均为柔性塔架，其优点是塔架重量小，耗材少，成本低；缺点是由于塔架固有频率与风轮旋转频率以及叶片通过频率处于同一数量级，如果结构设计不当，可能使得在风轮的工作转速范围内，风轮旋转频率或叶片通过频率与塔架固有频率发生重叠，产生严重的共振现象。因此，设计要求对塔架动态特性进行精确的分析计算和调整，使塔架一阶弯曲振动固有频率避开风轮旋转频率和叶片通过频率，避免运行中由于结构共振造成的荷载放大。

3.2.4.3 钢筒塔架制造、运输及安装

随着风电机组容量逐渐加大，塔架的高度、重量和直径相应增大。一些大型兆瓦机组塔架高度超过100m，重量超过100t。如果塔筒重量太大、直径超标，都将给运输和安装带来新的问题。

对于高度超过30m的锥形钢筒塔，通常分成几段进行加工制造，然后运输到现场进行安装，用螺栓将各段塔筒连接成整体。塔筒的分段加工主要考虑制造成本、运输能力、生产批量和条件等因素，每段长度一般不超过30m。

塔筒通常采用宽2m、厚10～40mm的钢板，经过卷板机卷成筒状，然后焊接而成。塔筒材料的选择依据环境条件而定，可以选用碳素结构钢Q235B、Q235C、Q235D，或高强度结构钢Q345B、Q345C、Q345D。连接法兰一般选用高强度钢。

塔筒通常采用自动焊，焊接应严格按照焊接工艺规程，焊缝要求严格。焊接加工后，应进行消除应力处理，并对焊缝做超声波或X射线探伤，检查是否存在焊接缺陷。每段塔筒加工完成后，表面涂防锈漆和装饰漆。

每段塔筒两端焊有连接法兰，现场安装时，用螺栓将各节塔筒连成一体，形成最终的整体塔筒。法兰与钢筒的焊接要求很高，不能出现焊接变形。要求两节塔筒连接后，在连接法兰处不能出现间隙。连接法兰在塔筒内部，便于安装螺栓和检修。此外，在塔筒内部每隔一定距离（例如3m）增加内部加强环以增加刚度。

塔架顶部与机舱通过水平偏航轴承法兰连接。塔筒一侧通常是偏航轴承的静止部分，通常采用高强度铸钢。塔筒底部开门处采取折边和加强筋，避免局部失稳。

各段塔筒加工完后，在存放、运输和安装现场水平放置，末端用木头垫起，并用地毯等软材料保护。塔筒安装时基础法兰的水平度不超过0.3mm，并且没有严重划痕。塔筒安装所用到的连接螺栓和螺母应由同一厂家提供，成套使用。

在进行塔筒吊装前，将通信电缆放入塔筒内固定好，塔筒内安装照明灯。安装前2h内，在法兰表面距外缘10mm处涂上薄层密封胶；检查塔筒表面损伤、法兰表面损伤及法兰表面形状。

塔筒吊装之前，先将控制柜放在基础底座上。在塔筒顶法兰上均匀固定4个起吊装置，使螺栓保持水平后均匀上紧螺栓。

吊装完成后，紧固所有基础螺栓，并按规定检查螺栓连接状态。安装塔筒的螺栓和螺母均不可加润滑剂。

3.2.5 其他部件

风电机组设备中，除了以上介绍的各个部件和系统以外，还包括发电机、控制系统等主要部件。发电机是将风能最终转变为电能的设备。控制系统是风电机组核心系统，对机组在整个启动停机、并网运行、变频调速、变桨偏航、安全保护、紧急制动等各个环节进行监控，保证机组安全高效运行。

由于风轮、传动机构、偏航机构等属于风电机组中的机械部件，而发电机和控制系统具有特殊性，因此互相对风电机组产生的安全影响不同。