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目錄
1. 緒論 3
1.1 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況 3
1.2 風(fēng)力發(fā)電的背景 4
1.2.1 能源危機(jī) 4
1.2.2 環(huán)境危機(jī) 4
1.2.3 可再生能源開(kāi)發(fā)利用 5
1.2.4 風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用 5
1.3 風(fēng)力發(fā)電國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 6
1.3.1 國(guó)外風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀 6
1.3.2 國(guó)內(nèi)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀 7
1.4 國(guó)內(nèi)外風(fēng)電機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 7
1.4.1 產(chǎn)業(yè)集中是總的趁勢(shì) 8
1.4.2 水平軸風(fēng)電機(jī)組技術(shù)成為主流 8
1.4.3 風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量持續(xù)增大 8
2. 發(fā)電機(jī)的工作原理及基本結(jié)構(gòu) 9
2.1 風(fēng)電機(jī)的功能單元的劃分 9
2.2 風(fēng)電機(jī)組的工作原理 10
2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈的基本結(jié)構(gòu)及三維建模 12
2.3.1 主軸 12
2.3.2 齒輪箱 12
3. 風(fēng)電發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈主要零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 13
3.1 確定設(shè)計(jì)目標(biāo) 13
3.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體設(shè)計(jì)方案 13
3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈零件設(shè)計(jì)方案 15
4. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器的設(shè)計(jì)計(jì)算 16
4.1 傳動(dòng)方案的確定 17
4.2 增速器基本設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)步驟 18
4.3 傳動(dòng)原理圖 18
4.4 增速器各傳動(dòng)部件的材料及力學(xué)性能 19
4.5 第一級(jí)行星輪系傳動(dòng)設(shè)計(jì) 20
4.6 第二級(jí)行星輪系傳動(dòng)設(shè)計(jì) 21
4.7 第三級(jí)平行軸圓柱直齒輪設(shè)計(jì) 22
4.8 行星齒輪具體結(jié)構(gòu)的確定 22
5主軸制動(dòng)系統(tǒng)的研究 23
5.1 制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式選擇 23
5.1.1 鼓式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式 24
5.1.2 盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式 26
5.1.3 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)的最終選擇 31
5.2 盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu) 31
5.2.1 制動(dòng)器主要部件的結(jié)構(gòu) 31
5.2.2 制動(dòng)器的工作原理及安裝位置 35
5.3 制動(dòng)器靜載荷接觸分析 35
5.3.1 制動(dòng)任務(wù) 35
5.3.2 計(jì)算最大制動(dòng)力矩和卡鉗夾緊力 36
6傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 39
6.1高速軸的設(shè)計(jì) 39
6.2低速軸的設(shè)計(jì) 39
6.3中間軸的設(shè)計(jì) 40
總結(jié) 41
致謝 41
參考文獻(xiàn) 42
摘 要
風(fēng)能作為一種可再生能源越來(lái)越受到世界各國(guó)政府的重視。與此同時(shí)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和裝備的研究開(kāi)發(fā)也日益成為科技領(lǐng)域和企業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)課題項(xiàng)目之一。
風(fēng)能是一種清潔并且可再生的能源，利用風(fēng)能發(fā)電能夠大量減少其它發(fā)電方式對(duì)環(huán)境的污染。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理是：一定速度前進(jìn)的風(fēng)吹在靜止的風(fēng)力機(jī)葉片上做功并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，先通過(guò)葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，在由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。
本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)功率為1500千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成。對(duì)其葉片，行星齒輪增速器，塔架等進(jìn)行了詳細(xì)的方案選擇及設(shè)計(jì)計(jì)算。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；水平軸風(fēng)力機(jī)；葉片；增速器。
Abstract
Wind energy, as a kind of renewable energy, is paid attention to by governments all around the world. The wind power technology and its equipment research become a hot spot topic for technical circles and enterprise.
Wind energy is a clean and renewable energy sources, The use of wind energy to power can reduce a large number of environmental pollution compare with other ways. The principle of wind turbine is: A certain wind speed blowing to the stationary blades of wind turbine-driven generators work and driving generator to power, through the impeller into the wind mechanical energy, then to electrical energy by the generator.
In this paper, a power of 1500 KW wind turbine is designed and its horizontal axis wind turbine, Composed by the impeller, generator, yaw devices, control systems, towers and other components. Carry out a detailed design calculations of its leaves, the planetary gear speed increaser, tower, etc.
Keyword: wind power; horizontal axis wind turbine; leaves;speed increaser.
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1. 緒論
1．1 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況
風(fēng)能是一種開(kāi)發(fā)成本較低、清潔、安全、可再生的能源。因此，風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越受到重視。根據(jù)貝茲理論，風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中吸收的能量不到空氣動(dòng)能的59.3%，同時(shí)由于受到機(jī)械結(jié)構(gòu)等限制，實(shí)際值更小。因此，如何提高風(fēng)能轉(zhuǎn)化率，獲取更多風(fēng)能，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能規(guī)?；茫恢睘閷W(xué)者及業(yè)界所關(guān)注。近年來(lái)，大型風(fēng)電機(jī)組通過(guò)采用變速變槳距控制及最大功率跟蹤MPPT等技術(shù)，旨在提高響應(yīng)速度，獲得最大能量（低風(fēng)速是捕獲最大功率，高風(fēng)速時(shí)捕獲額定功率）。但是，由于一些不確定因素的存在，風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)表現(xiàn)出強(qiáng)非線性特征，風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的能量隨著風(fēng)速和風(fēng)向的連續(xù)波動(dòng)是快速變化的。傳統(tǒng)線性定常控制器因存在較大超調(diào)和損失，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，不適合用來(lái)控制大型變速變槳距風(fēng)電機(jī)組。根據(jù)風(fēng)速大小，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由4個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程構(gòu)成，即啟動(dòng)、變速運(yùn)行、變槳距運(yùn)行和剎車。其中，啟動(dòng)、剎車過(guò)程使系統(tǒng)能在最短時(shí)間內(nèi)有較快的響應(yīng)速度；變速運(yùn)行調(diào)節(jié)風(fēng)能，減少或消除風(fēng)能產(chǎn)生過(guò)程中的急劇波動(dòng)，捕獲最大能量，減弱暫態(tài)負(fù)荷的影響；變槳距控制通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角維持風(fēng)電機(jī)組輸出額定功率不變。
風(fēng)車按照風(fēng)輪軸的不同，可以分為水平軸風(fēng)車和垂直軸風(fēng)車。能量驅(qū)動(dòng)鏈（即風(fēng)輪、主軸、變速箱、發(fā)電機(jī)）呈水平方向的，稱為水平軸風(fēng)車（水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，圖1-1能量驅(qū)動(dòng)鏈呈垂直方向的，稱為垂直軸風(fēng)車（垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，圖2）。
圖1-1 水平軸風(fēng)車 圖1-2 垂直軸風(fēng)車
我國(guó)已成為繼歐洲、美國(guó)和印度之后風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用的主要市場(chǎng)之一，風(fēng)能資源豐富，可開(kāi)發(fā)量為1400GW。其中，陸上開(kāi)發(fā)量為600GW；海上開(kāi)發(fā)量為800GW。我國(guó)在20世紀(jì)50年代末，使用各種木結(jié)構(gòu)的布篷式風(fēng)車。20世紀(jì)70年代中期以后，風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用列入“六五”國(guó)家計(jì)劃。20世紀(jì)70年代末到80年代初，自主研制、批量生產(chǎn)了10kW以下的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，解決了居住分散的農(nóng)牧民和島嶼居民的生產(chǎn)、生活用電，風(fēng)力發(fā)電停留在蒙古包單家獨(dú)戶使用或?qū)嶒?yàn)室研究階段。1983年，山東引進(jìn)3臺(tái)丹麥Vestas 55kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，開(kāi)始了并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的試驗(yàn)和示范；1986年5月，山東榮成建成我國(guó)第一個(gè)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)，其次是達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)。1986～1993年，全國(guó)共建12個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī)容量為13.3MW；1994～1999年，全國(guó)共建有21個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī)容量達(dá)到249.05MW。其中，1992～1996年的主力機(jī)型為200～300kW機(jī)組，1997～2002年的主力機(jī)型則為600kW機(jī)組。2008年，我國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到12.21GW，其中并網(wǎng)發(fā)電的裝機(jī)容量為8.94kW。截止到2009年年底，我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)總量累計(jì)達(dá)到16.13GW，累計(jì)裝機(jī)容量為25805.3MW。
湘潭大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文
題 目：風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)
學(xué) 號(hào)：2010962910
姓 名：賀勃
指導(dǎo)教師：彭銳濤
完成日期：2014年5月26日
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書
論文（設(shè)計(jì)）題目：風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)
學(xué)號(hào)：2010962910 姓名：賀勃 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)
指導(dǎo)教師： 彭銳濤 系主任：
一、主要內(nèi)容及基本要求
現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正在向輕型、高效、高可靠性及大型化方向發(fā)展，減小機(jī)組故障率，可靠、安全、穩(wěn)定是所有風(fēng)機(jī)廠商追求的目標(biāo)之一，這就要求風(fēng)機(jī)的主傳動(dòng)鏈具有可靠的性能，風(fēng)機(jī)主傳動(dòng)鏈包括主軸、齒輪箱（增速箱）、機(jī)械剎車以及相關(guān)組件。針對(duì)這一需求，本設(shè)計(jì)以大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)分析和運(yùn)動(dòng)仿真為主要內(nèi)容。
主要的研究?jī)?nèi)容為：
主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，參數(shù)計(jì)算與校核，齒輪箱傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的確定，要求采用行星齒輪傳動(dòng)，總傳動(dòng)比的分配，各級(jí)齒輪參數(shù)的優(yōu)選，校核單個(gè)齒輪的彎曲安全系數(shù)和接觸強(qiáng)度安全系數(shù)，剎車方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于Solid Works的力學(xué)分析與運(yùn)動(dòng)仿真等。
基本要求：
字?jǐn)?shù)8000字以上；圖紙?jiān)趦蓮圓0以上。
二、重點(diǎn)研究的問(wèn)題
風(fēng)機(jī)主傳動(dòng)鏈包括主軸、齒輪箱（增速箱）、機(jī)械剎車以及相關(guān)組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，力學(xué)分析，參數(shù)計(jì)算，三維建模，仿真。其中齒輪箱的設(shè)計(jì)之中的行星輪系傳動(dòng)設(shè)計(jì)，齒輪、軸、軸承的計(jì)算與校核，三維建模師最主要的研究?jī)?nèi)容。主軸和剎車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真于是重點(diǎn)內(nèi)容。
三、進(jìn)度安排
序號(hào)
各階段完成的內(nèi)容
完成時(shí)間
1
資料收集
3.11
2
畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題
3.11~3.17
3
方案確定
3.22
4
設(shè)計(jì)計(jì)算
4.15
5
畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查
4.15~4.21
6
三維建模及運(yùn)動(dòng)力學(xué)仿真
5.5
7
完善設(shè)計(jì)、翻譯及論文撰寫
5.25
8
畢業(yè)答辯
5.25~6.2
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
[1].陳乃士主編。減速器和變速器設(shè)計(jì)與選用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007 .
[2].廖念釗, 古瑩蓭，莫雨送等主編.互換性與技術(shù)測(cè)量[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2007
[3].濮良貴，紀(jì)名剛主編。機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2006
[4].徐灝主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006 .
[5].成大生主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2004.
[6].全國(guó)滾軸標(biāo)委員會(huì)主編.中國(guó)機(jī)工標(biāo)準(zhǔn)匯編（滾動(dòng)軸承卷）[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出本社2004.
[7].宮靖遠(yuǎn)主編.風(fēng)電工程技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2007
[8].Erich Hau 編著.Wind Turbines.Spring [M].2005.
[9].陳超祥主編.SolidWorks Motion 運(yùn)動(dòng)仿真教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.
[10].陳超祥主編.SolidWorks Simulation 基礎(chǔ)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.
[11]. CAD\CAM\CAE技術(shù)聯(lián)盟主編。SolidWorks2012中文版從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社.2012.
[12].姚興佳主編.風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)講座[M].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)風(fēng)能技術(shù)研究所.2006.
[13]韓德海.風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析研究[D].重慶大學(xué)碩士論文，2009.
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表
學(xué)號(hào) 2010962910 姓名 賀勃 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目：風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)
評(píng)價(jià)項(xiàng)目
評(píng) 價(jià) 內(nèi) 容
選題
1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；
2.難度、份量是否適當(dāng)；
3.是否與生產(chǎn)、科研、社會(huì)等實(shí)際相結(jié)合。
能力
1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；
2.是否有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力；
3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；
4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；
5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。
論文
（設(shè)計(jì)）質(zhì)量
1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語(yǔ)是否準(zhǔn)確，符號(hào)是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；
2.文字是否通順，有無(wú)觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；
3.有無(wú)理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無(wú)創(chuàng)新之處。
綜
合
評(píng)
價(jià)
論文選題符合培養(yǎng)目標(biāo)要求，能體現(xiàn)學(xué)科專業(yè)特點(diǎn)，達(dá)到了綜合訓(xùn)練的目的。該生具有較強(qiáng)的文獻(xiàn)查閱、資料綜合歸納整理的能力，能在設(shè)計(jì)中熟練運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)方案可行，工作量飽滿，論文質(zhì)量符合本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)要求。
同意參加答辯
評(píng)閱人：
2014年5月30 日
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）鑒定意見(jiàn)
學(xué)號(hào)： 2010962910 姓名： 賀勃 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 51 頁(yè) 圖 表 6 張
論文（設(shè)計(jì)）題目：風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)
內(nèi)容提要：
風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)主要內(nèi)容為設(shè)計(jì)1500KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)鏈，主要設(shè)計(jì)
包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈的主軸設(shè)計(jì)，主軸設(shè)計(jì)中包含主軸的方案選擇以及主軸應(yīng)力的
核算等。增速器設(shè)計(jì)主要包括，增速器的行星齒輪設(shè)計(jì)，行星齒輪架設(shè)計(jì)等。制動(dòng)器
設(shè)計(jì)，制動(dòng)器設(shè)計(jì)方案的選擇，以及制動(dòng)器的基本計(jì)算。
本設(shè)計(jì)中不僅包含基本的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)，還有風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展前景以及國(guó)內(nèi)
外風(fēng)力發(fā)電機(jī)現(xiàn)狀的基本介紹，現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的介紹等。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)的
發(fā)展趨勢(shì)為大型化、簡(jiǎn)單化，設(shè)計(jì)重點(diǎn)集中在可靠性。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要難點(diǎn)也
集中在這些方面，中國(guó)的風(fēng)力資源占有率處在世界前列，風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展還有很大的
發(fā)展空間，特別是在大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。
風(fēng)能是一種清潔并且可再生的能源，利用風(fēng)能發(fā)電能夠大量減少其它發(fā)電方式對(duì)環(huán)
境的污染。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理是：一定速度前進(jìn)的風(fēng)吹在靜止的風(fēng)力機(jī)葉片上做功并驅(qū)
動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，先通過(guò)葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，在由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。
本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)功率為1500千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由風(fēng)輪、
發(fā)電機(jī)、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成。對(duì)其葉片，行星齒輪增速器，塔架等
進(jìn)行了詳細(xì)的方案選擇及設(shè)計(jì)計(jì)算。
指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)
賀勃同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間閱讀了一些國(guó)內(nèi)外相關(guān)參考文獻(xiàn)，基本了解相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)相關(guān)零部件進(jìn)行了校核計(jì)算設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)較為合理，但是圖紙尚存在較多問(wèn)題，畢業(yè)設(shè)計(jì)期間表現(xiàn)一般。
同意參加答辯。建議評(píng)定成績(jī)?yōu)椤凹案瘛薄?
指導(dǎo)教師：
2014年 5 月30 日
答辯簡(jiǎn)要情況及評(píng)語(yǔ)
答辯小組組長(zhǎng)：
2014年 5 月30 日
答辯委員會(huì)意見(jiàn)
答辯委員會(huì)主任：
2014年5月30日
目錄
1. 緒論 3
1.1 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況 3
1.2 風(fēng)力發(fā)電的背景 4
1.2.1 能源危機(jī) 4
1.2.2 環(huán)境危機(jī) 4
1.2.3 可再生能源開(kāi)發(fā)利用 5
1.2.4 風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用 5
1.3 風(fēng)力發(fā)電國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 6
1.3.1 國(guó)外風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀 6
1.3.2 國(guó)內(nèi)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀 7
1.4 國(guó)內(nèi)外風(fēng)電機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 7
1.4.1 產(chǎn)業(yè)集中是總的趁勢(shì) 8
1.4.2 水平軸風(fēng)電機(jī)組技術(shù)成為主流 8
1.4.3 風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量持續(xù)增大 8
2. 發(fā)電機(jī)的工作原理及基本結(jié)構(gòu) 9
2.1 風(fēng)電機(jī)的功能單元的劃分 9
2.2 風(fēng)電機(jī)組的工作原理 10
2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈的基本結(jié)構(gòu)及三維建模 12
2.3.1 主軸 12
2.3.2 齒輪箱 12
3. 風(fēng)電發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈主要零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 13
3.1 確定設(shè)計(jì)目標(biāo) 13
3.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體設(shè)計(jì)方案 13
3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈零件設(shè)計(jì)方案 15
4. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器的設(shè)計(jì)計(jì)算 16
4.1 傳動(dòng)方案的確定 17
4.2 增速器基本設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)步驟 18
4.3 傳動(dòng)原理圖 18
4.4 增速器各傳動(dòng)部件的材料及力學(xué)性能 19
4.5 第一級(jí)行星輪系傳動(dòng)設(shè)計(jì) 20
4.6 第二級(jí)行星輪系傳動(dòng)設(shè)計(jì) 21
4.7 第三級(jí)平行軸圓柱直齒輪設(shè)計(jì) 22
4.8 行星齒輪具體結(jié)構(gòu)的確定 22
5主軸制動(dòng)系統(tǒng)的研究 23
5.1 制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式選擇 23
5.1.1 鼓式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式 24
5.1.2 盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式 26
5.1.3 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)的最終選擇 31
5.2 盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu) 31
5.2.1 制動(dòng)器主要部件的結(jié)構(gòu) 31
5.2.2 制動(dòng)器的工作原理及安裝位置 35
5.3 制動(dòng)器靜載荷接觸分析 35
5.3.1 制動(dòng)任務(wù) 35
5.3.2 計(jì)算最大制動(dòng)力矩和卡鉗夾緊力 36
6傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 39
6.1高速軸的設(shè)計(jì) 39
6.2低速軸的設(shè)計(jì) 39
6.3中間軸的設(shè)計(jì) 40
總結(jié) 41
致謝 41
參考文獻(xiàn) 42
摘 要
風(fēng)能作為一種可再生能源越來(lái)越受到世界各國(guó)政府的重視。與此同時(shí)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和裝備的研究開(kāi)發(fā)也日益成為科技領(lǐng)域和企業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)課題項(xiàng)目之一。
風(fēng)能是一種清潔并且可再生的能源，利用風(fēng)能發(fā)電能夠大量減少其它發(fā)電方式對(duì)環(huán)境的污染。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理是：一定速度前進(jìn)的風(fēng)吹在靜止的風(fēng)力機(jī)葉片上做功并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，先通過(guò)葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，在由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。
本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)功率為1500千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成。對(duì)其葉片，行星齒輪增速器，塔架等進(jìn)行了詳細(xì)的方案選擇及設(shè)計(jì)計(jì)算。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；水平軸風(fēng)力機(jī)；葉片；增速器。
Abstract
Wind energy, as a kind of renewable energy, is paid attention to by governments all around the world. The wind power technology and its equipment research become a hot spot topic for technical circles and enterprise.
Wind energy is a clean and renewable energy sources, The use of wind energy to power can reduce a large number of environmental pollution compare with other ways. The principle of wind turbine is: A certain wind speed blowing to the stationary blades of wind turbine-driven generators work and driving generator to power, through the impeller into the wind mechanical energy, then to electrical energy by the generator.
In this paper, a power of 1500 KW wind turbine is designed and its horizontal axis wind turbine, Composed by the impeller, generator, yaw devices, control systems, towers and other components. Carry out a detailed design calculations of its leaves, the planetary gear speed increaser, tower, etc.
Keyword: wind power; horizontal axis wind turbine; leaves;speed increaser.
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1. 緒論
1．1 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況
風(fēng)能是一種開(kāi)發(fā)成本較低、清潔、安全、可再生的能源。因此，風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越受到重視。根據(jù)貝茲理論，風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中吸收的能量不到空氣動(dòng)能的59.3%，同時(shí)由于受到機(jī)械結(jié)構(gòu)等限制，實(shí)際值更小。因此，如何提高風(fēng)能轉(zhuǎn)化率，獲取更多風(fēng)能，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能規(guī)模化利用，一直為學(xué)者及業(yè)界所關(guān)注。近年來(lái)，大型風(fēng)電機(jī)組通過(guò)采用變速變槳距控制及最大功率跟蹤MPPT等技術(shù)，旨在提高響應(yīng)速度，獲得最大能量（低風(fēng)速是捕獲最大功率，高風(fēng)速時(shí)捕獲額定功率）。但是，由于一些不確定因素的存在，風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)表現(xiàn)出強(qiáng)非線性特征，風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的能量隨著風(fēng)速和風(fēng)向的連續(xù)波動(dòng)是快速變化的。傳統(tǒng)線性定常控制器因存在較大超調(diào)和損失，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，不適合用來(lái)控制大型變速變槳距風(fēng)電機(jī)組。根據(jù)風(fēng)速大小，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由4個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程構(gòu)成，即啟動(dòng)、變速運(yùn)行、變槳距運(yùn)行和剎車。其中，啟動(dòng)、剎車過(guò)程使系統(tǒng)能在最短時(shí)間內(nèi)有較快的響應(yīng)速度；變速運(yùn)行調(diào)節(jié)風(fēng)能，減少或消除風(fēng)能產(chǎn)生過(guò)程中的急劇波動(dòng)，捕獲最大能量，減弱暫態(tài)負(fù)荷的影響；變槳距控制通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角維持風(fēng)電機(jī)組輸出額定功率不變。
風(fēng)車按照風(fēng)輪軸的不同，可以分為水平軸風(fēng)車和垂直軸風(fēng)車。能量驅(qū)動(dòng)鏈（即風(fēng)輪、主軸、變速箱、發(fā)電機(jī)）呈水平方向的，稱為水平軸風(fēng)車（水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，圖1-1能量驅(qū)動(dòng)鏈呈垂直方向的，稱為垂直軸風(fēng)車（垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，圖2）。
圖1-1 水平軸風(fēng)車 圖1-2 垂直軸風(fēng)車
我國(guó)已成為繼歐洲、美國(guó)和印度之后風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用的主要市場(chǎng)之一，風(fēng)能資源豐富，可開(kāi)發(fā)量為1400GW。其中，陸上開(kāi)發(fā)量為600GW；海上開(kāi)發(fā)量為800GW。我國(guó)在20世紀(jì)50年代末，使用各種木結(jié)構(gòu)的布篷式風(fēng)車。20世紀(jì)70年代中期以后，風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用列入“六五”國(guó)家計(jì)劃。20世紀(jì)70年代末到80年代初，自主研制、批量生產(chǎn)了10kW以下的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，解決了居住分散的農(nóng)牧民和島嶼居民的生產(chǎn)、生活用電，風(fēng)力發(fā)電停留在蒙古包單家獨(dú)戶使用或?qū)嶒?yàn)室研究階段。1983年，山東引進(jìn)3臺(tái)丹麥Vestas 55kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，開(kāi)始了并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的試驗(yàn)和示范；1986年5月，山東榮成建成我國(guó)第一個(gè)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)，其次是達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)。1986～1993年，全國(guó)共建12個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī)容量為13.3MW；1994～1999年，全國(guó)共建有21個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī)容量達(dá)到249.05MW。其中，1992～1996年的主力機(jī)型為200～300kW機(jī)組，1997～2002年的主力機(jī)型則為600kW機(jī)組。2008年，我國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到12.21GW，其中并網(wǎng)發(fā)電的裝機(jī)容量為8.94kW。截止到2009年年底，我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)總量累計(jì)達(dá)到16.13GW，累計(jì)裝機(jī)容量為25805.3MW。
1．2 風(fēng)力發(fā)電的背景
1.2.1 能源危機(jī)
能源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。自從工業(yè)革命以來(lái)，全球的能源消耗飛速增長(zhǎng)，推動(dòng)了工業(yè)化的進(jìn)程，提高了社會(huì)發(fā)展水平和人類生活質(zhì)量。全球經(jīng)濟(jì)的急劇增長(zhǎng)對(duì)能源的需求越來(lái)越大，能源危機(jī)制約了人類進(jìn)一步發(fā)展。自20世紀(jì)50年代以后，由于石油危機(jī)的爆發(fā)，對(duì)世界經(jīng)濟(jì)造成巨大影響，國(guó)際輿論開(kāi)始關(guān)注世界能源危機(jī)問(wèn)題。全球能源危機(jī)的主要表現(xiàn)在于，全球能源儲(chǔ)量與開(kāi)采時(shí)間有限?？梢灾涞幕Y源的極限大約為1180~1510億噸，自1995年世界石油的開(kāi)采量33.2億噸計(jì)算，石油儲(chǔ)量大約在2050年左右即將枯竭；天然氣儲(chǔ)量估計(jì)131800~152900m3，年開(kāi)采量維持在2300 m3，將在57~65年內(nèi)枯竭；煤的儲(chǔ)量約為5600億噸，1995年煤開(kāi)采量為33億噸，可以供應(yīng)169年；鈾的年開(kāi)采量目前為每年6萬(wàn)噸，據(jù)1993年世界能源委員會(huì)的估計(jì)可維持到21世紀(jì)30年代中期。
綜上所述，煤炭、石油、天然氣等不可再生化石能源的總量有限，待開(kāi)發(fā)新的可再生能源。
1.2.2 環(huán)境危機(jī)
在能源消耗急劇增長(zhǎng)，能源危機(jī)凸顯的同時(shí)，環(huán)境危機(jī)也出現(xiàn)了?，F(xiàn)代社會(huì)對(duì)能源的巨大需求，導(dǎo)致大量的化石能源被燃燒。燃燒不斷產(chǎn)生CO2和其他溫室氣體，使得原來(lái)沉積在地下的碳元素，被大量釋放到空氣中。據(jù)估計(jì)，按照目前的趨勢(shì)，到2030年，由各種溫室氣體增加所引起的氣候變化，將相當(dāng)于把大氣中CO2濃度提高到工業(yè)化社會(huì)以前CO2濃度的兩倍。到2100年，溫室效應(yīng)強(qiáng)度將相當(dāng)于把大氣中CO2濃度提高到工業(yè)化社會(huì)以前CO2濃度的3倍，達(dá)到5000萬(wàn)年前的CO2濃度水平。能源消費(fèi)在迅速擴(kuò)大，已經(jīng)達(dá)到了阻礙地球生態(tài)系統(tǒng)自律功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的程度。研究表明：地球變暖不是地球本身自然循環(huán)的變化，而是人類活動(dòng)排放的CO2等溫室氣體效應(yīng)造成的。其過(guò)程與人類大量消耗化石能源資源，尤其是燃燒化石燃料發(fā)電大量排放的CO2密切相關(guān)。到2015年，世界溫室氣體的排放量將達(dá)到最高，全球變暖帶來(lái)的影響不僅僅是更多的汗?jié)碁?zāi)害，還有海平面的上升。全球氣候的變化對(duì)農(nóng)業(yè)和生態(tài)造成了嚴(yán)重的影響，時(shí)刻威脅著人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全。
1.2.3 可再生能源開(kāi)發(fā)利用
目前，如何解決能源危機(jī)及其引起的環(huán)境危機(jī)成為全球經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展所面臨的待解決的重大課題?？朔茉次C(jī)的出路在于大力發(fā)展新能源，用可再生能源替代化石能源。電能具有轉(zhuǎn)換和傳輸方便的優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展不可替代的二次能源。為緩解或從根本上消除能源危機(jī)帶來(lái)的環(huán)境破壞，綠色電力的生產(chǎn)為世界各國(guó)所關(guān)注。綠色電力來(lái)源于風(fēng)能、小水電、太陽(yáng)能、地?zé)?、生物質(zhì)和其他可再生能源。因?yàn)樗鼈冊(cè)谏a(chǎn)的過(guò)程中不消耗煤、石油、天然氣等燃料，所以不會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的排放物。相對(duì)于常規(guī)火力發(fā)電，更有利于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。因此，開(kāi)發(fā)綠色電力意義重大。
全球市場(chǎng)對(duì)于這樣的零排放技術(shù)有著巨大且持續(xù)增長(zhǎng)的需求。為了避免發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的氣候變化后果，全球的溫室氣體排放必須在2020年前后達(dá)到峰值且開(kāi)始下降，而風(fēng)電是目前唯一實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的發(fā)電技術(shù)。
1.2.4 風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用
太陽(yáng)的輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不均，同時(shí)，地球發(fā)生自轉(zhuǎn)，使空氣沿水平方向運(yùn)動(dòng)，空氣流動(dòng)所形成的動(dòng)能稱為風(fēng)能。據(jù)估計(jì)到達(dá)地球的太陽(yáng)能只有大約2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，理論上僅1%的風(fēng)能就能滿足人類能源的需求。全球的風(fēng)能總量約為2.74×106GW，其中可利用的風(fēng)能總量為2.74×104GW，比地球上可開(kāi)發(fā)利用的水能總量還要大10倍。根據(jù)我國(guó)900多個(gè)氣象站陸地上離地10m高度資料進(jìn)行估算，全國(guó)平均風(fēng)功率密度為100W/m2，風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為3226GW，可開(kāi)發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量為600GW，海上可開(kāi)發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量為800GW，共計(jì)約1400GW。50m或更高處可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量為2000GW。
人類利用風(fēng)能的歷史可以追溯到公元前。在蒸汽機(jī)發(fā)明以前，風(fēng)能曾經(jīng)作為重要的動(dòng)力，用于船舶航行、提水飲用和灌溉、排水造田、磨面和鋸木等。埃及被認(rèn)為可能是最先利用風(fēng)能的國(guó)家。12世紀(jì)，風(fēng)車從中東傳入歐洲。16世紀(jì)，荷蘭人利用風(fēng)車排水。隨著煤、石油、天然氣的大規(guī)模開(kāi)采和廉價(jià)電力的獲得，由于成本高、效率低、使用不方便等，風(fēng)力發(fā)電機(jī)械無(wú)法與蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)等競(jìng)爭(zhēng)而逐漸被淘汰。在20世紀(jì)70年代中期以后，我國(guó)將風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用列入“六五”國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目，得到迅速發(fā)展。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電從20世紀(jì)80年代開(kāi)始真正起步。20世紀(jì)70年代末80年代初，我國(guó)自主開(kāi)發(fā)研制并批量生產(chǎn)了額定容量10 kW以下的小型風(fēng)電機(jī)組，解決了居住分散的農(nóng)牧民和島嶼居民的生產(chǎn)生活用電。1986年5月，山東榮成建成了我國(guó)第一個(gè)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)。20世紀(jì)80年代中期以后，我國(guó)先后從丹麥、比利時(shí)、瑞典、美國(guó)、德國(guó)引進(jìn)一批中、大型風(fēng)電機(jī)組，在、內(nèi)蒙古的風(fēng)口及山東、浙江、福建、廣東的島嶼建立了8座示范性風(fēng)電場(chǎng)。
1．3 風(fēng)力發(fā)電國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
1.3.1 國(guó)外風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀
風(fēng)電成本
不考慮常規(guī)電力環(huán)境成本，根據(jù)目前的風(fēng)電技術(shù)水平，風(fēng)電成本仍高于常規(guī)電力成本，因此許多國(guó)家采取了諸如價(jià)格、市場(chǎng)配額、稅收等各種激勵(lì)政策，從不同的方面引導(dǎo)和支持風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。經(jīng)過(guò)30年的努力，隨著市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，風(fēng)電成本大幅度下降，每千瓦時(shí)風(fēng)電成本由20世紀(jì)80年代初的20美分下降到2007年的4~6美分。在風(fēng)能資源較好的地方，風(fēng)電價(jià)格完全可以和煤電競(jìng)爭(zhēng)，低于燃?xì)怆妰r(jià)。
裝機(jī)容量高速增長(zhǎng)
根據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會(huì)公布的2003~2007年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全球風(fēng)電平均增長(zhǎng)率為24.7%。到2007年年底，全球總裝機(jī)容量累計(jì)達(dá)到近94GW，新增風(fēng)電裝機(jī)容量20GW，分別在全球70多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。2007年全球大約生產(chǎn)了2000億度風(fēng)電電力，約占全球電力供應(yīng)的1%。按照累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量數(shù)據(jù)排名，2007年全球前十名的國(guó)家依次是德國(guó)、美國(guó)、西班牙、印度、中國(guó)、丹麥、意大利、法國(guó)、英國(guó)和葡萄牙。2008年全球新裝機(jī)容量超過(guò)27GW，同比增長(zhǎng)42%，風(fēng)電裝機(jī)增長(zhǎng)率為29%，高于過(guò)去5年的平均增長(zhǎng)速度。2008年年底，總裝機(jī)容量達(dá)到了120.8GW，美國(guó)超過(guò)德國(guó)，躍居全球風(fēng)電裝機(jī)容量首位，同時(shí)也成為第二個(gè)風(fēng)電裝機(jī)容量超過(guò)20GW的風(fēng)電大國(guó)。中國(guó)超過(guò)印度，成為亞洲第一、世界第四的風(fēng)電大國(guó)。到2008年年底，在世界風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量中，已有包括美國(guó)、中國(guó)、德國(guó)、西班牙、印度等在內(nèi)的16個(gè)國(guó)家超過(guò)1GW。在歐盟2007年新增發(fā)電裝機(jī)容量中，風(fēng)電開(kāi)始超過(guò)天然氣發(fā)電成為第一大新增電源，占新增容量的46%。歐洲2008年風(fēng)電新增裝機(jī)容量為88GW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到了66GW。美國(guó)2007年新增的風(fēng)電裝機(jī)也僅次于天然氣發(fā)電，位居第二。2008年內(nèi)美國(guó)竣工的風(fēng)電項(xiàng)目容量更是占當(dāng)年度美國(guó)所有新增電力裝機(jī)的42%，新增裝機(jī)容量達(dá)到8.34GW，同比增長(zhǎng)157%，累計(jì)增長(zhǎng)49.6%，完成新增投資170億美元。風(fēng)電在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)逐步成為重要的替代能源。
發(fā)展規(guī)劃
20世紀(jì)90年代初，歐盟提出了大力發(fā)展風(fēng)電，到2010年風(fēng)電裝機(jī)容量到40GW的目標(biāo)，并要求其成員國(guó)根據(jù)總體發(fā)展規(guī)劃制訂本國(guó)的發(fā)展目標(biāo)與實(shí)施計(jì)劃。2007年年初，根據(jù)技術(shù)發(fā)展和能源需求的需要，歐盟又進(jìn)一步修訂了發(fā)展計(jì)劃，希望2010年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到80GW；到2020年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到180GW，發(fā)電量達(dá)到3600億kW·h；2030年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到300GW，發(fā)電量達(dá)到6000×108kW·h，分別占屆時(shí)歐盟風(fēng)電裝機(jī)容量和發(fā)電量的35%和20%。2006年，美國(guó)可再生能源理事會(huì)提出了將可再生能源的比例由目前的4%左右，提高到2025年的25%的發(fā)展目標(biāo)。美國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)也提出了未來(lái)依靠風(fēng)電滿足國(guó)內(nèi)20%電力需求的宏偉目標(biāo)。英國(guó)、法國(guó)、加拿大、澳大利亞、日本和東歐的波蘭等國(guó)也開(kāi)始加速發(fā)展風(fēng)電。
1.3.2 國(guó)內(nèi)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀
裝機(jī)容量
2004年年底，全國(guó)的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量約為764MW。2005年2月《可再生能源法》頒布之后，當(dāng)年風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)容量超過(guò)60%，總?cè)萘窟_(dá)到了1260GW。2006年新增裝機(jī)容量超過(guò)100%，累計(jì)裝機(jī)容量超過(guò)2.6GW。2007年又新增裝機(jī)容量3.3GW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到5.9GW，超過(guò)丹麥，成為世界第5風(fēng)電大國(guó)。當(dāng)年裝機(jī)容量?jī)H次于美國(guó)和西班牙，超過(guò)德國(guó)和印度，成為世界上最主要的風(fēng)電市場(chǎng)之一。風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量從2003年年末的567MW增加到了2008年年末的12.21GW，增加了205倍。2008年新增裝機(jī)容量超過(guò)印度，成為亞洲第一、世界第四、風(fēng)電裝機(jī)容量超千萬(wàn)千瓦的風(fēng)電大國(guó)。2009年新增裝機(jī)容量13.85GW，累計(jì)裝機(jī)容量為26GW，總裝機(jī)容量躍居世界第2位。
風(fēng)電設(shè)備制造能力
風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)發(fā)展迅猛。2005年之前，我國(guó)只有少數(shù)幾家風(fēng)電設(shè)備制造商，它們規(guī)模小、技術(shù)落后，風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)主要依賴進(jìn)口風(fēng)電整機(jī)?！堕_(kāi)再生能源法》頒布后，風(fēng)電整機(jī)制造企業(yè)已超過(guò)40家。除金風(fēng)科技和浙江運(yùn)達(dá)加大投入、迅速擴(kuò)張之外，東方汽輪機(jī)、華銳風(fēng)電、中國(guó)船舶、通用電氣、湖南湘電、上海電氣、廣東明陽(yáng)、維斯塔斯、歌美颯、蘇司蘭、西門子等一批國(guó)內(nèi)外大型制造業(yè)和投資商紛紛進(jìn)入我國(guó)風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)市場(chǎng)。
風(fēng)電技術(shù)研發(fā)
“九五”和“十五”期間，我國(guó)政府組織實(shí)施“乘風(fēng)計(jì)劃”和“國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃”，以及國(guó)債項(xiàng)目和風(fēng)電特許權(quán)項(xiàng)目，支持建立了首批6家風(fēng)電整機(jī)企業(yè)，進(jìn)行風(fēng)電技術(shù)的引進(jìn)和消化吸收，部分企業(yè)掌握了單機(jī)容量600kW和750 kW定槳距風(fēng)電機(jī)組的總裝技術(shù)和關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，邁出了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的第一步?！笆濉逼陂g，還開(kāi)展了1000 kW、1500 kW變速恒頻風(fēng)電機(jī)組，以及1200 kW永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)與聯(lián)合攻關(guān)，取得階段性成果。經(jīng)過(guò)“十五”期間的自主研究和技術(shù)引進(jìn)，我國(guó)已基本掌握了以雙饋發(fā)電機(jī)為代表的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的控制技術(shù)，研制成功兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組樣機(jī)。我國(guó)風(fēng)電技術(shù)與國(guó)外風(fēng)電技術(shù)的差距正在不斷縮小。
1．4 國(guó)內(nèi)外風(fēng)電機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
縱觀世界風(fēng)電技術(shù)現(xiàn)實(shí)和前沿技術(shù)的發(fā)展，目前全球風(fēng)電技術(shù)發(fā)展主要呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：
1.4.1 產(chǎn)業(yè)集中是總的趁勢(shì)
2009年，世界排名前十位的風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)占據(jù)了全球78.7％的市場(chǎng)份額，世界排名前十五位的風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)占據(jù)了全球88.1％的市場(chǎng)份額，丹麥VESTAS、美國(guó)GE WIND、中國(guó)華銳、德國(guó)ENERCON、中國(guó)金風(fēng)這前5家企業(yè)，就占據(jù)了國(guó)內(nèi)外49.8％市場(chǎng)份領(lǐng)?？梢钥闯觯菏澜顼L(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)形成了由十多家大型風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)控制或壟斷的局面。
近幾年，風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)之間的兼并、重組、收購(gòu)愈演愈烈。法國(guó)阿海琺集團(tuán)收購(gòu)-Multibrid；丹麥的Vestas公司兼并NEG。Micon公司；美國(guó)GE公司收購(gòu)了德國(guó)安然風(fēng)電公司；Siemes公司收購(gòu)了丹麥AN/Bonus和德國(guó)winergy AG公司；印度Suzlon公司控股了Repower公司；金風(fēng)科技收購(gòu)了德國(guó)Vensys公司；湘電股份1000萬(wàn)歐元收購(gòu)荷蘭達(dá)爾文公司；中復(fù)連眾收購(gòu)了德國(guó)NOI公司；中航惠騰2009年收購(gòu)了荷蘭CTC葉片公司；美國(guó)GE公司與哈電集團(tuán)合資成立了通用哈電風(fēng)能（沈陽(yáng)）公司和哈電通用風(fēng)能（江蘇）公司。此外，各大公司在主要市場(chǎng)集中地都建立了生產(chǎn)基地，一個(gè)大公司相當(dāng)于多個(gè)公司的集成。
1.4.2 水平軸風(fēng)電機(jī)組技術(shù)成為主流
水平軸風(fēng)電機(jī)組技術(shù)，因其具有風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高、轉(zhuǎn)軸較短，在大型風(fēng)電機(jī)組上更顯出經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，使水平軸風(fēng)電機(jī)組成為世界風(fēng)電發(fā)展的主流機(jī)型，并占到95％以上的市場(chǎng)份額。同期發(fā)展的垂直軸風(fēng)電機(jī)組因轉(zhuǎn)軸過(guò)長(zhǎng)、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率不高，啟動(dòng)、停機(jī)和變槳困難等問(wèn)題，目前市場(chǎng)份額很小、應(yīng)用數(shù)量有限，但由于其全風(fēng)向?qū)︼L(fēng)、變速裝置及發(fā)電機(jī)可以置于風(fēng)輪下方或地面等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，國(guó)際上相關(guān)研究和開(kāi)發(fā)也在不斷進(jìn)行并取得一定進(jìn)展。
1.4.3 風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量持續(xù)增大
近年來(lái)，世界風(fēng)電市場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量持續(xù)增大，隨著單機(jī)容量不斷增大和利用效率提高，世界上主流機(jī)型已經(jīng)從2000年的500-1000kW增加到2009年的2-31VM。我國(guó)主流機(jī)型已經(jīng)從2005年的600-1000kW增加到2009年的850-2000kW， 2009年我國(guó)陸地風(fēng)電場(chǎng)安裝的最大風(fēng)電機(jī)組為2MW。
近年來(lái)，海上風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)一步加快了大容量風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展，2008年底世界上已運(yùn)行的最大風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量已達(dá)到6MW，風(fēng)輪直徑達(dá)到127m。目前，已經(jīng)開(kāi)始8-10MW風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造。我國(guó)華銳風(fēng)電的3MW海上風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)在上海東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)成功投入運(yùn)行， 5MW海上風(fēng)電機(jī)組已在2010年10月底下線。目前，華銳、金風(fēng)、東汽、國(guó)電聯(lián)合、湖南湘電、重慶海裝等公司都在研制5MW或6MW的大容量風(fēng)電機(jī)組。
2. 發(fā)電機(jī)的工作原理及基本結(jié)構(gòu)
2．1 風(fēng)電機(jī)的功能單元的劃分
控制與安全系統(tǒng)
一次能源轉(zhuǎn)換單元
機(jī)械能傳遞單元
發(fā)電單元
風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種復(fù)雜的機(jī)電一體化設(shè)備。從能量轉(zhuǎn)換角度看，此類設(shè)備大致包括2-1所示的幾個(gè)功能單元。其中，一次能源轉(zhuǎn)換單元的主要功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能；機(jī)械能傳遞單元的主要作用是傳動(dòng)與制動(dòng)；發(fā)電單元將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，同時(shí)提供必要的并網(wǎng)發(fā)電功能；控制與安全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)起、停機(jī)和發(fā)電等運(yùn)行過(guò)程的控制，并保證風(fēng)電機(jī)在任何狀態(tài)下的安全性。
圖2-1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本功能構(gòu)成
（1）一次能源轉(zhuǎn)換單元
風(fēng)能是風(fēng)力發(fā)電的一次能源，相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換單元是風(fēng)電機(jī)組的核心部分，包括風(fēng)輪、功率控制（調(diào)速）等部件。風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換單元的關(guān)鍵部件，一般由良好的空氣動(dòng)力外形的葉片、輪轂和相應(yīng)的功率控制機(jī)構(gòu)組成。一次能源轉(zhuǎn)換單元的主要功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能（轉(zhuǎn)矩），再通過(guò)風(fēng)輪軸驅(qū)動(dòng)與之連接的機(jī)械能傳遞單元和發(fā)電單元。
（2）機(jī)械能傳遞單元
機(jī)械能傳遞單元也可簡(jiǎn)稱為風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)鏈，連接風(fēng)電機(jī)組的一次能源轉(zhuǎn)換單元與發(fā)電單元，使之組成發(fā)電系統(tǒng)。該單元一般包括與風(fēng)輪輪轂相連接的主軸、傳動(dòng)和制動(dòng)機(jī)構(gòu)等。一般大型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速較低，需要根據(jù)發(fā)電單元的要求，通過(guò)傳動(dòng)鏈按一定的速比傳遞風(fēng)輪產(chǎn)生的扭矩，使輸入發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電單元的需要。同時(shí)，機(jī)械能傳遞單元還要設(shè)置可靠的制動(dòng)機(jī)構(gòu)，以保證風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。
（3）發(fā)電單元
發(fā)電單元一般由發(fā)電機(jī)和必要的電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)成。并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電單元可采用異步發(fā)電機(jī)或同步發(fā)電機(jī)，將風(fēng)輪產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)電單元配置的電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，應(yīng)能夠滿足并網(wǎng)或其他形式發(fā)電的需求。
（4）控制與安全系統(tǒng)
該系統(tǒng)主要功能可分為風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)兩部分：大型風(fēng)電機(jī)組需要自動(dòng)控制，既能夠在無(wú)人值守的條件下，保證風(fēng)電機(jī)組的正常和安全運(yùn)行；同時(shí)又要保證風(fēng)電機(jī)組在非正常情況發(fā)生時(shí)能可靠的停機(jī)，以預(yù)防或減輕損失。
此外，風(fēng)電機(jī)組還需要有上述功能部件或子系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，如機(jī)艙、塔架等；多數(shù)風(fēng)電機(jī)組需要設(shè)置對(duì)風(fēng)（也稱偏航）裝置，以保證風(fēng)輪能夠更好的獲取風(fēng)能。
2．2 風(fēng)電機(jī)組的工作原理
在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，存在著兩種物質(zhì)流。一種是能量流，另一種是信息流。兩者的相互作用，使機(jī)組完成發(fā)電功能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理如圖2-2所示。
控制系統(tǒng)
偏航系統(tǒng)
主傳動(dòng)系統(tǒng)
制動(dòng)裝置
發(fā)電系統(tǒng)
測(cè)風(fēng)系統(tǒng)
變槳距系統(tǒng)
電網(wǎng)
變壓器
風(fēng) M1 ?1 M2 ?2 P3
轉(zhuǎn)速測(cè)量
風(fēng)力發(fā)電機(jī) 調(diào)速
風(fēng)速、風(fēng)向 功率測(cè)量
圖2-2 風(fēng)電機(jī)的工作原理
1． 能量流
當(dāng)風(fēng)以一定的速度吹向風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，在風(fēng)輪上產(chǎn)生的力矩驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。將風(fēng)的動(dòng)能變成風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能，兩者都屬于機(jī)械能。風(fēng)輪的輸出功率為
（2-1）
式中 P1——風(fēng)輪的輸出功率，單位為W；
M1——風(fēng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；
?1——風(fēng)輪的角速度，單位為1/s.
風(fēng)輪的輸出功率通過(guò)主傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞。主傳動(dòng)系統(tǒng)可能使轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，于是有
（2-2）
式中 P2——主傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出功率，單位為W；
M2——主傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；
?2——主傳動(dòng)系統(tǒng)的角速度，單位為1/s；
——主傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率。
主傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力傳遞給發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)把機(jī)械能變?yōu)殡娔?。發(fā)電機(jī)的輸出功率為
（2-3）
式中 P3——發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，單位是W；
UN——定子三相繞組上的線電壓，單位是V；
IN——流過(guò)定子繞組線電流，單位是A；
cos——功率因數(shù)；
2——發(fā)電系統(tǒng)的總效率。
2． 信息流
信息流的傳遞是圍繞控制系統(tǒng)進(jìn)行的?？刂葡到y(tǒng)的功能是過(guò)程控制和安全保護(hù)。過(guò)程控制包括起動(dòng)、運(yùn)行、暫停、停止等。在出現(xiàn)惡劣的外部環(huán)境和機(jī)組零部件突然失效時(shí)應(yīng)該緊急停機(jī)。
風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、發(fā)電功率等物理量通過(guò)傳感器變成電信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，它們是控制系統(tǒng)的輸入信息。控制系統(tǒng)隨時(shí)對(duì)輸入信息進(jìn)行加工和比較，及時(shí)的發(fā)出控制指令，這些指令是控制系統(tǒng)的輸出信息。
對(duì)于變槳距風(fēng)向，當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出變槳距指令，通過(guò)變槳距系統(tǒng)改變風(fēng)輪葉片的槳距角，從而控制風(fēng)電機(jī)組輸出功率。在起動(dòng)和停止的過(guò)程中，也需要改變?nèi)~片的槳距角。
對(duì)于變速型風(fēng)機(jī)，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，控制系統(tǒng)可以根據(jù)風(fēng)的大小發(fā)出改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的指令，以便使風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大限度的捕獲風(fēng)能。
當(dāng)風(fēng)輪的軸向和風(fēng)向偏離時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出偏航指令，通過(guò)偏航系統(tǒng)校正風(fēng)輪軸的指向，使風(fēng)輪始終對(duì)準(zhǔn)來(lái)風(fēng)方向。
當(dāng)需要停機(jī)時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)指令，除了借助變槳距制動(dòng)外，還可以通過(guò)安裝在傳動(dòng)軸上的制動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。
實(shí)際上，在風(fēng)電機(jī)組中，能量流和信息流組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時(shí)，變槳距系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)等也組成了若干閉環(huán)的子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。
2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈的基本結(jié)構(gòu)及三維建模
2.3.1 主軸
主軸也稱低速軸。大中型風(fēng)力電機(jī)組由于其葉片長(zhǎng)、重量大，所以為了使槳葉的離心力與葉尖的線速度不至于太大，其轉(zhuǎn)速一般小于50r/min，因此，主軸承受的扭矩較大。大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸材料可選用40Cr或其他高強(qiáng)度的合金鋼，必須經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，保證鋼材在強(qiáng)度、塑性、韌性3個(gè)方面都有較好的綜合機(jī)械性能，在設(shè)計(jì)加工圖時(shí)，必須注明這一技術(shù)要求。主軸如圖2-5所示
圖2-3主軸示意圖
2.3.2 齒輪箱
齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中關(guān)鍵零部件。齒輪箱由齒輪副、箱體和軸承、密封裝置、潤(rùn)滑油凈化和溫控系統(tǒng)等組成，由于風(fēng)力機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機(jī)工作在高轉(zhuǎn)速下，為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)匹配，采用增速齒輪箱。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，對(duì)齒輪箱的要求非常嚴(yán)格，不僅體積小、重量輕、效率高，而且要承載能力大、起動(dòng)力矩小、壽命長(zhǎng)。齒輪箱分為兩類，即定軸線齒輪傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)。定軸線齒輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)容易，造價(jià)低廉。行星齒輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)比大、體積小、質(zhì)量小、承載能力大、工作平穩(wěn)和在某些情況下效率高等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，造價(jià)高。 如圖2-6所示。
圖2-4 齒輪箱整體圖
3. 風(fēng)電發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈主要零件的設(shè)計(jì)計(jì)算
風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)所涉及的學(xué)科領(lǐng)域和專業(yè)知識(shí)較多，而系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)技術(shù)積累和豐富的設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是保證大型風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)質(zhì)量的必備條件。
3．1 確定設(shè)計(jì)目標(biāo)
與所有大型裝備的設(shè)計(jì)相似，首先需要明確所設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)目標(biāo)。比如，并網(wǎng)大功率機(jī)組與偏僻地區(qū)的小型單機(jī)設(shè)計(jì)需求明顯不同。因此，針對(duì)設(shè)計(jì)需求，應(yīng)考慮合理的機(jī)組功能構(gòu)成、電機(jī)類型、控制方式、運(yùn)輸和安裝方式等影響機(jī)組性能指標(biāo)的主要因素。例如 ， 陸上風(fēng)電場(chǎng)所需的大型機(jī)組通常額定功率范圍為 500-2MW ，便于運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行和維修。近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境（如風(fēng)況、波浪和鹽霧等 ） 、安裝條件等與陸上有很大差別，基礎(chǔ)和運(yùn)輸方式需要重點(diǎn)考慮。此外，檢修、維護(hù)不便，對(duì)可靠性有更高的要求。
3.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體設(shè)計(jì)方案
風(fēng)電機(jī)組是比較復(fù)雜的機(jī)電裝備,且要求較好的性價(jià)比。總體設(shè)計(jì)是平衡這些關(guān)系的重要設(shè)計(jì)過(guò)程 ， 在某種意義上來(lái)說(shuō) ，總體設(shè)計(jì)可以決定整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的成敗 。由于風(fēng)電機(jī)組由多個(gè)功能子系統(tǒng)組成 ，機(jī)組總體設(shè)計(jì)與各部件或子系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)密切相關(guān) ，以針對(duì)風(fēng)輪部件的總體設(shè)計(jì)為例 ，就包括了葉片參數(shù)、氣動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、制造工藝與成本等多方面的設(shè)計(jì)內(nèi)容，而這些設(shè)計(jì)目標(biāo)很難同時(shí)達(dá)到，需要權(quán)衡各方的比重，選擇優(yōu)化的方案。有鑒于低成本與高可靠性是現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組發(fā)展的主要?jiǎng)恿脱芯繜狳c(diǎn) ，如何根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，在這些復(fù)雜因素之間取得平衡關(guān)系，滿足盡可能高的設(shè)備性價(jià)比要求，是風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。
以下簡(jiǎn)要介紹風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)的主要任務(wù)與大致步驟:
（1）風(fēng)電機(jī)總體設(shè)計(jì)方案
1 ）總體氣動(dòng)布局方案設(shè)計(jì)
隨著風(fēng)電機(jī)單機(jī)功率的增大，系統(tǒng)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)逐漸成為風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)重要方面。此階段的任務(wù)主要包括對(duì)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)況分析，有針對(duì)性地對(duì)各類可行的功能構(gòu)成形式和氣動(dòng)布局方案進(jìn)行比較和選擇，并結(jié)合機(jī)組性能和氣動(dòng)特性的分析和仿真技術(shù)，初步確定整機(jī)的和各主要部件（子系統(tǒng)）的基本形式，并提交有關(guān)的分析計(jì)算報(bào)告。
2 ）風(fēng)電機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)
風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)設(shè)計(jì)前須首先確定總體參數(shù)，如風(fēng)輪運(yùn)行參數(shù)、葉片參數(shù)、設(shè)計(jì)風(fēng)速、尖速比、翼型分布及其氣動(dòng)性能等，總體參數(shù)設(shè)計(jì)的基本要求是發(fā)電成本最低、機(jī)組載荷最小，發(fā)電量多且滿足電源品質(zhì)要求。
3 ）風(fēng)電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)
此階段是需要從風(fēng)電機(jī)的總體功能角度出發(fā)，分析各部件、子系統(tǒng)、附件和設(shè)備的布置形式與技術(shù)要求，開(kāi)展對(duì)各部件和子系統(tǒng)的技術(shù)組成、原理分析、結(jié)構(gòu)形式和功能參數(shù)選擇等工作。同時(shí)需要對(duì)整機(jī)的結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件布置、承載形式和傳力路線進(jìn)行分析，選擇合理的設(shè)計(jì)分離面和接口形式，以便明確劃分各部件設(shè)計(jì)界面，保證總體設(shè)計(jì)的質(zhì)量。
4）載荷分析與風(fēng)電機(jī)組基本性能的預(yù)評(píng)估
在設(shè)計(jì)初期，必須對(duì)載荷作預(yù)評(píng)估，以準(zhǔn)確確定風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。風(fēng)電機(jī)組應(yīng)能夠承受正常運(yùn)行中的任何載荷，同時(shí)也具備一定的承受極端載荷的能力。最重要的載荷產(chǎn)生于風(fēng)輪及其葉片，且風(fēng)輪上的任何載荷都會(huì)對(duì)其他子系統(tǒng)產(chǎn)生影響。該階段要注意查閱并依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合具體的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況要求，對(duì)所有載荷都應(yīng)予以仔細(xì)分析評(píng)估。
5）各部件和子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
根據(jù)整機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案，開(kāi)展包括對(duì)各部件和系統(tǒng)的要求、組成、原理分析、結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)及附件的選擇等設(shè)計(jì)工作。設(shè)計(jì)有關(guān)部件的結(jié)構(gòu)方案模型圖和有關(guān)系統(tǒng)的原理圖，并編寫有關(guān)的報(bào)告和技術(shù)說(shuō)明。
6）配套附件
選擇和確定整機(jī)配套附件和備件等設(shè)備，對(duì)新研制的部件要確定技術(shù)要求和協(xié)作關(guān)系。提交協(xié)作及采購(gòu)清單等有關(guān)文件。
總體設(shè)計(jì)階段將解決全局性的重大問(wèn)題，必須精心和慎重的進(jìn)行，要盡可能充分利用已有的經(jīng)驗(yàn)，以求總體設(shè)計(jì)階段中的重大決策建立在可靠的理論分析和試驗(yàn)基礎(chǔ)上，避免以后出現(xiàn)不應(yīng)有的重大反復(fù)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的失誤和延期。
上述總體設(shè)計(jì)的各階段屬于靜態(tài)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果是：風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)方案圖、總體布置圖和設(shè)計(jì)計(jì)算報(bào)告、風(fēng)電機(jī)性能分析與載荷初步分析報(bào)告、各部件和子系統(tǒng)的初步技術(shù)要求與設(shè)計(jì)示意圖、系統(tǒng)原理圖。
（2）風(fēng)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析
在初步完成風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步對(duì)風(fēng)電機(jī)組動(dòng)特性進(jìn)行詳細(xì)的分析。動(dòng)特性分析屬于風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究范疇，主要涉及動(dòng)載荷分析、振動(dòng)及結(jié)構(gòu)動(dòng)特性分析等方面的內(nèi)容。
1）動(dòng)載荷問(wèn)題
作用于風(fēng)輪葉片上的周期性氣動(dòng)和機(jī)械載荷會(huì)引起葉片等構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而此響應(yīng)反饋于外部氣動(dòng)負(fù)荷。因此，這實(shí)質(zhì)上是一種流固耦合響應(yīng)問(wèn)題，對(duì)風(fēng)輪等零部件的疲勞會(huì)產(chǎn)生影響。同時(shí)，葉片等構(gòu)件的動(dòng)負(fù)載將合成為風(fēng)輪的動(dòng)負(fù)載，也是風(fēng)電機(jī)振動(dòng)的主要振源。
2）振動(dòng)
風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程中，始終存在持續(xù)的周期性的振動(dòng)，風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)及其支撐結(jié)構(gòu)等零部件的設(shè)計(jì)都必須考慮振動(dòng)問(wèn)題。振動(dòng)會(huì)引起結(jié)構(gòu)的損傷或破壞，影響設(shè)備的可靠性和可用性。
3）穩(wěn)定性
風(fēng)電機(jī)組載荷存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，可能會(huì)導(dǎo)致各種動(dòng)力穩(wěn)定性問(wèn)題的產(chǎn)生。在風(fēng)電機(jī)組發(fā)展史上，運(yùn)行中風(fēng)輪與其他機(jī)體耦合的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性問(wèn)題造成了許多嚴(yán)重的后果。風(fēng)輪的動(dòng)力不穩(wěn)定性，包括變距/揮舞不穩(wěn)定性（經(jīng)典顫振）、變距/擺振不穩(wěn)定性及揮舞/擺振不穩(wěn)定性等。
（3）風(fēng)電機(jī)組的可靠性設(shè)計(jì)
風(fēng)電機(jī)組可靠性量化指標(biāo)，通常以其可利用率來(lái)度量。此種量化指標(biāo)屬于廣義可靠性范疇，因其同時(shí)包括了風(fēng)電機(jī)組可靠性和可維修性等方面的內(nèi)容。因此，可利用率實(shí)際上是一種反應(yīng)風(fēng)電機(jī)組固有可靠性和運(yùn)行管理可靠性的綜合度量指標(biāo)。
3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈零