中小型风电机组机械气动式变桨距机构研究与设计﹡

2015-12-12邬元李凌锐李安兵包胡日查任君杨茂荣

风能 2015年3期

文 | 邬元，李凌锐，李安兵，包胡日查，任君，杨茂荣

变桨距机构作为风电机组控制部件之一，对风电机组的运行、功率调节具有十分重要的作用。中小型风电机组的调速方式主要依靠风轮叶片失速或尾翼侧偏机构，这类风电机组主要的不足之处是当工作风速超过额定风速时，风电机组输出功率远大于额定值。近几年，随着中小型风力发电并网技术的发展，要求并网中小型风电机组的功率输出平滑、稳定。这就要求中小型风电机组必须采用合适的功率调节方式来满足中小型风电机组的并网要求。由于中小型风电机组整机成本的制约，不可能采用大型风电机组所应用的技术成熟的电动或液压变桨距机构，在本文中，利用风轮自身的空气动力学特性，研究、设计的机械气动式变桨距机构是一种较为经济且有效的风电机组功率调节方式。本文以中小型风电机组机械气动式变桨距机构为对象进行了研究，以期为中小型风电机组提供一种新的功率调节方式。

变桨距机构调节原理

风电机组风轮在风能的驱动下旋转，风电机组吸收的风能为：

式中，P为风能，ρ为空气密度，Cp为风能利用系数，D为风轮直径，v为风速，T为扭矩。根据叶素特性理论分析，风轮启动后以某种速度稳定旋转时叶片受力情况，如图1所示，从而得出理想状态下气流与叶片各角的关系：

tanI为倾角正切，i为攻角，β为桨距角，Wr为相对风速，λ为尖速比。

根据力的平衡关系，叶片的扭矩为：

图1 叶片微元受力及各角关系

图2 风电机组叶片升力系数和升阻比

式（4）（5）（6）中：T为叶片扭矩，Cm为扭矩系数，A为风轮迎风面积，D为风轮直径，Wr为叶片的相对风速，v为风速，I为倾角。由图2可知，对于一定转速下运行的风电机组，当风速、风向一定时Wr和I是定值。如果攻角i增大，在失速点以前区域内，升力系数CL将增大，升阻比CL/Cd也将增大，扭矩系数Cm也将增大；反之，攻角i减小，在失速点以前区域内，升力系数CL将减小，升阻比CL/Cd也将减小，扭矩系数Cm也将减小。

由公式（1）、（2）、（5）得：

可见Cp正比于Cm，当攻角i增大，风能利用系数Cp增大；反之，当攻角i减小，风能利用系数Cp减小。又由式（3）I＝i＋β可知，攻角i减小，桨距角β增大；反之，攻角i增大，桨距角β减小。所以，桨距角β增大，风电机组功率下降；桨距角β减小，风电机组功率增加，因此，通过改变叶片桨距角的大小可以对风电机组功率进行调节。

变桨距机构的设计

一、预期工作过程

根据空气动力学原理，利用叶片承受的正面轴向压力，通过三根拉杆将轴向力传递到变桨距机构。当工作风速在额定风速以下运转时，风轮传递到变桨距机构的压力不足以克服拉伸弹簧的预紧力，叶片桨距角保持不变；当工作风速达到额定风速时，风轮传递到变桨距机构的压力与拉伸簧的预紧力刚好平衡，叶片桨距角仍然保持不变；当工作风速超过额定风速时，风轮传递到变桨距机构的压力克服了拉伸簧的预紧力，变桨距机构进入工作状态，随着风速的增加，风轮上的压力也不断加大，拉伸弹簧的长度不断变化，叶片的桨距角也随之变化，使风轮吸收的风能基本保持恒定；当工作风速减小时，其变化过程与风速增加时相反。

二、风电机组模型参数

额定功率：5 kW，额定转速：150 r/min，风轮直径：5.2 m，风轮叶片数：3，额定风速：11 m/s，工作风速范围：3.5 m/s－20 m/s，叶片翼型：NACA4415。

三、风轮压力的计算

当风速超过风电机组的额定风速（11 m/s）时，风轮压力才能克服变桨距机构弹簧预紧力，变桨距机构进入工作状态，因此，在计算风轮压力时，只需计算风速在11 m/s－20 m/s范围内的风轮压力。风轮压力计算公式为：

式中：F为风轮压力，B为压力系数，S为风轮扫掠面积，为空气密度，v为风速。风速在11 m/s－20 m/s范围内的风轮压力见表1。

表1 风速与风轮压力的关系

表2 弹簧设计计算表

四、变桨距机构拉伸弹簧的设计

（一）拉伸弹簧设计要求

设计圆柱拉伸弹簧，该弹簧在随机的交变载荷下工作，根据安装要求弹簧自由长度约280 mm－310 mm，由表1可知，风轮最大的拉力为3.62kN，由两根拉伸弹簧承受，每一根拉伸弹簧承受的最大拉力Fmax＝1.81 kN。

（二）拉伸弹簧设计计算

图3 弹簧结构示意图

图4 变桨距机构结构示意图

图5 5kW风电机组功率曲线图

因弹簧在随机的交变载荷下工作，按Ⅱ类弹簧来考虑。弹簧的材料选用65Mn，假设弹簧丝直径按5 mm、6 mm、7 mm三种尺寸进行试算，弹簧设计计算见表2，弹簧结构示意图如图3所示。

五、变桨距机构的结构设计

变桨距机构主要由缓冲气缸总成、拉杆、支板、拉伸弹簧和拉杆座等部件组成。该机构连接方式是通过缓冲气缸总成底部的法兰盘与轮毂连接；三根拉杆一端固定于缓冲气缸总成顶端的拉杆座上，另一端分别与三只叶片气动力中心处的拉杆螺栓相连接。当工作风速超过机组额定风速时，风轮压力驱使变桨距拉伸弹簧产生一定的变形量，同时风轮叶片绕叶片轴旋转一定角度，实现了叶片的桨距角的改变。风轮叶片最大的旋转角度为90°，对应变桨距的机构最大行程200 mm。变桨距机构结构示意图如图4所示。