中小型风电机组机械气动式变桨距机构研究与设计

2019-07-24相学仁

商品与质量 2019年16期

相学仁

大连尚佳新能源科技有限公司辽宁大连 116000

变桨距机构作为风电机组控制部件之一，有着十分关键的作用，所以，我们要更加清楚中小型风电机组机械气动式变桨距机构的设计思路，提高设计的水平，提升设计的质量[1]。

1 液压变桨距系统

随着“低碳”这个名词走进人们的生活，大家对可再生能源的关注度日益增大。随着煤、石油的大量开采，能源问题引起了世界各个国家的警惕，可再生洁净能源尤其风能开始受到人们的重视，风力发电得到了飞速发展，风力发电机在结构和控制都在逐渐完善，变桨距风力发电机组占着主导地位并将慢慢取代定桨距风力发电机组。变桨距最常规的解释就是调节桨距角。在风电机中，主动改变桨距角可以克服被动改变（定桨距）的许多缺点。

桨距角最重要的应用是在功率调节方面，控制桨距角还有其他益处。例如，当风轮开始旋转时，采用较大的正桨距角可以产生1个较大的起动力矩；停机时，经常采用90°的桨距角，以使风电机制动时风轮的空转速度最小。液压变桨距系统由电动液压泵提供工作动力来源，液压油作为传递介质，电磁阀作为控制单元，通过将液压缸活塞杆的径向运动变为桨叶的圆周运动来实现桨叶的变桨距。液压变桨距系统由液压缸、控制阀块、液压缸液压水泵站、蓄能器和管路构成。可使变桨控制器根据功率或者转速信号给出1个电压信号，再通过电液比例阀控制器转换成一定范围的电流信号，并控制流量的大小和方向。液压变桨距控制系统具有结构相对简单和元器件使用周期长的特点，同时，其不足之处是容易漏油；所以，要求在一定的周期内对液压油和滤清器进行更换。

液压变桨距控制系统的维护相对简单和方便，从而其可靠性大大增强，该系统精简且具备高度的安全性；同时该系统是一种动力系统，在紧急情况下能够使其在无外部电力供应的情况下运转，而且由于其内只有少量的非电动部件，非常容易进行安全操作。另外，该系统的抗振动和故障效果良好。由于具有维护保养价格低廉、使用周期长和系统安装简单等特点，液压变桨距控制系统非常值得投资。无间隙运转是液压系统的一大优势，因此，液压变桨距控制系统的机械磨损大大减小；与此同时，阻尼的最大化使得该系统的运行效果有了最优的体现，特别是出现阵风或强气流时，机械系统传动引起的磨损在风轮叶片的快速变化中得到优化控制和有效阻碍。

液压变桨距控制系统有下述几个缺点：（1）变桨距控制大量地使用了电磁阀，大大增加了该系统产生故障的可能性；（2）当气温较低时，采用液压变桨方式的风电机组，由于需要对液压油进行加热，导致该机组起动时间延长，甚至出现由于液压油黏稠度高导致变桨距变桨角偏离设定值和功率控制错误的情况；（3）压力内泄或系统能量遗失的情况下，液压泵就会不断地加压，长此以往，接触器的吸合次数就明显加大了，直接导致的结果就是接触器需要经常更换；（4）液压系统受诸多外界因素影响比较大，对叶片角度控制精度相对较差，风电机功率曲线不尽理想；（5）该系统在大功率风电机上的实用性较差。

2 变桨距机构的设计

2.1 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[2]。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。

2.2 风电机组模型参数

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

2.3 风轮压力的计算

当风速超过风电机组的额定风速（11m/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11m/s-20m/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。

3 变桨距机构拉伸弹簧的设计

3.1 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280mm-310mm，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=1.81kN。

3.2 拉伸弹簧设计计算

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5mm、6mm、7mm三种尺寸进行试算[3]。

4 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200mm。