第4章风电机组传动系统和制动系统
第四章风电机组传动系统
4.1 叶轮
风轮是风力发电机转换风能最关键的部件，风轮的费用约占风机造价的20%~25%，而且它应该在20~30年的寿命期间不更换。除了空气动力设计外，还应确定叶片数，轮毂型式和叶片的结构。设计性能好的叶片必须满足多项技术指标，其中某些指标之间会相互制约，具体指标可归纳如下： 特定风速分布下年发电量最大。
最大输出功率限制（对失速型机组）。
抗极端载荷和疲劳载荷。
限制叶尖挠度以避免叶片与塔架相碰撞（对上风向机组）。
避免共振。
质量最小，成本最低。
关于空气动力学理论第一册《风力发电基础知识》已做了介绍，这里对叶片数的确定进行简单的介绍。
叶片数应根据风机的实际需要来确定。一般来说，要得到很大输出扭矩就需要较大的叶片实度，如美国早年的多叶片提水机。它以一个恒定的扭矩推动活塞泵而且在低风时仍有较高的扭矩输出。现在用于发电的风机就要连接一个高转速的发电机。为避免齿轮箱过高的传动比，就需要叶轮尽可能高的转速，但叶片宽度与叶片数z与线速度u成反比。两方面都应合理选择，叶片几何型式和转速都能合理。
究竟选择一个、二个还是三个叶片呢？首先应注意的是下面三个方面：
―要提高叶片转速就要减少叶片数，这样可使齿轮箱变比减少，并使齿轮
箱的费用降低。大型风机如100m以上直径时，当风轮很低转速时，由于齿轮箱自锁范围的限制，相对来讲就要求发电机是低转速的。由此它的成本就会提高而且重量也会增加。
―要减少风轮成本就要减少叶片数。
―二个或一个叶片可能产生铰链叶片的悬挂支撑（如钟摆式轮毂）。 从结构成本角度看1~2个叶片比较合适，而3个叶片叶轮，叶片数不多而且动态平衡比较简单。相对于
塔架方向的轴，风机机舱运动以此轴为中心，且三叶片风轮的质量力矩MR随一个轴并沿风轮中心点施加，它与叶轮角度无关。在外力作用下机舱强制偏航运动，风轮在它的旋转过程中推动力矩不会发生变化。
风轮位于塔架轴中心外，那么它在这个轴上相应产生的质量力矩为：
这里是风轮质量，是风轮质量中心到塔架轴之间的距离。下标T意思是相对于塔架轴的质量力矩。
常定义为：
b是微质量，到相对轴的距离。
两叶片风轮的质量力矩在叶轮整个旋转过程中是变化的，这种变化与风轮所处位置有关，有两个位置可以近似分析。一个是叶轮在垂直位置，沿叶片轴向的质量力矩很小。质量与它自身轴之间的距离很小，质量中心与角速度无关且保持不变。当叶轮转到水平位置，质量力矩相对塔架平行且很大。质量微元到轴中心的距离a增大，对偏航来说叶轮会产生干扰力，那么在叶片处于垂直位置时，此时的叶片只有很小的反推动力，而且会很快改变。此时的叶轮与三叶片风轮比容易产生偏航和摇摆运动，很有可能出现多种干扰力的情况。比如随地面高度的变化，叶片上下空气动力不平衡，在阵风时，叶片受力的空气动力，重力不平衡，会对塔架产生很不好的影响，这些问题都必须考虑以避免结构的破坏。
当然两叶片也有它的优点，叶片宽度小，实度小，转速高。假如三叶片风轮
消音
材料也要达到这样高的转速，每个叶片要做得很窄，从结构上说可能无法实现。rrggg>波纹片成型机
如果说两叶片存在旋转过程中的重力不平衡，那么单叶片虽转速可进一步提高但动态不平衡等问题会更突出。两叶片产生的空气动力不平衡，使风轮机舱产生振动等问题，无法避免，但可能通过改变轮毂结构来减少它们的影响。单叶片将会产生更强的摆动和偏航运动，而且是在整个运行范围内产生。虽然单叶片节省了材料，齿轮箱发电机费用降低，但由于为解决上述问题而付出的代价，使得它的优点没有突出出来，而且高叶片速度会产生很强的噪音。所以目前的风机的叶片数基本上为三叶片。
叶片
叶片在旋转过程中承受风载荷，而且又由于在地球引力场中运动，重力变化相当复杂。一台转速为60r/min的风轮在它的20年寿命期限内转动3至5忆次。叶片由于自重而产生相同频次的弯矩变化受力。每种复合材料或多或少存在疲劳特性问题，当它受到载荷变化时，而引起很高的载荷变化次数。材料的疲劳也就是说材料所承受的载荷超过其已知材料的固有特性，也就是相应的寿命极限。它取决于相应材料受力的次数。当材料出现疲劳失效时，人们常说产生了疲劳断裂。疲劳断裂常从材料表面开始，然后是截面，最后到材料的彻底破坏。随载荷受力次数的增加，受载荷大小变化，材料破坏很大程度上取决于材料的结构形式。
在动态部件的结构强度设计中要充分考虑到所用材料的疲劳特性。所以，对于叶片的结构的设计首先要了解叶片上产生的力和力矩，以及在运行的特定条件下风载荷的情况。其他受高载荷部件也是一样，在受力的集合处最危险。在这些力的集中处载荷常很容易达到材料承受能力的尖峰。很少出现叶片中间某个联接部位的破坏。受力部分在设计与制造中相当重要。
下面给出了叶片结构的一些设计规则，供大家在维护检修过程中进行参考。允许变形
塔架几何自由运动
在叶片变矩时产生尽可能微小的变形，避免控制系统的反作用。
尽可能高的扭曲强度，避免摆动
固有频率
叶片的固有频率在受力摆动和扭矩方向上，不得与转速激振或它的主次谐波重合，而且同样圆周频率，叶片数的倍数，临界共振频率亦如此。在图4.1中表示的是叶片固有频率与叶轮转速倍数之间的关系。对于两叶片风轮，在实际的2处，三叶片在3处是必须要避开的激振频率，叶轮的激振频率，转速的激振频率的叶片倍数，不仅在临界以下（固有频率大于激振频率）而且在临界转速以上（固有频率小于激振频率）。对于双速运行的风力发电机其低转速常在临界以下，高转速常在临界值以上运行，
也就是转速的变化要穿过叶轮的固有频率。
风轮转速 1/s
图4.1 不同风电机组的叶片自振频率叶片的固有频率应与其他风机结构件的固有频率不同（塔架、拉索、机舱、控制系统等），以避免连锁振动。
在叶片的固有频率计算时，应考虑轮毂的刚性两者同时给出正确的方法和措施。医用拉链
由于离心力变化，在运行中叶片的弯曲固有频率会提高。由于叶片柔软而且叶片在这一方向上的摆动离心力产生了一个很大的回位力矩，使刚性提高。
中心点的位置
重心、刚性、轴向中心点的位置，应在变桨矩风机中尽可能靠近叶片调整轴（一般在1/4位置），以避免在控制调节时出现不必要的反作用力。在失速风机中，这一条件是次要的。超音频电源
叶片沿变矩轴的变化，产生力和力矩的变化。有可能叶片轴长度位置朝向叶片变矩轴，在顺桨或运行位置时存在扭矩，它可能会加强或减弱叶片的变矩。
热胀
由于在叶片结构中常使用各种不同材料，所以必须考虑其热胀系数，以避免今后由于温度变化而产生的附加材料应力。
图4.2 翼形横断面上重心、轴心推力、刚性的位置积水
在叶片内部有可能有冷凝水，尽管叶片有很好的密封，为避免对叶片的危害，必须把渗入的水放掉，可在叶尖打个小孔，另一个小孔可在叶根颈部，产生一个很好的叶片内部空间的通风。但要注意的是这一小孔，一定要小，不然的话，由于气流从内向外的流动会产生功率损失，还可能产生噪音。
在霜冻地区风机叶片应总是旋转，使水在叶片内表面分散，不会在叶尖聚集而产生冰裂的问题，那么在静风期的叶片固定刹车就应去掉。
雷击保护
无人驾驶系统对于导体或金属或半导体材料碳纤维应事先考虑雷击，应可靠的将雷电从轮毂上引导下来，以避免于叶片结构中很高的穿过阻抗而出现破坏。.3表示的是一个碳纤维材料叶片由实验室中模拟雷电而产生结构破坏的情况。
对于聚脂加强玻璃钢来说，雷电可不必考虑，因为它是非导休，这种材料在加工中采用的是纯水，其导电率是很低的，大多数这样的叶片很少会受到雷电的影响。
非导体如玻璃钢，山于地球场的分布范围的急剧变化而影响到叶片，由此产生叶片的损坏。叶片内的电的导体如信号电缆、，它与其他风力机有联接，使电势
叶片的重量完全取决于其结构形式，目前所生产的叶片多为轻型叶片，承载最佳而且很可靠。
轻型对于变桨距风力机有很多先天的优点，下面对其优缺点分析一下：轻型结构叶片的优点：
―在变桨矩时驱动质量小，由此可在很小的叶片机构动力下产生很高的凋
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