風電機組粘度對變距減速器功率損失的計算*

楊建秋

(蘭州電機股份有限公司，甘肅蘭州 730050)

風電機組粘度對變距減速器功率損失的計算*

楊建秋

(蘭州電機股份有限公司，甘肅蘭州 730050)

針對風機運行于低溫環(huán)境下，變槳減速器對機組變槳距調(diào)節(jié)控制和變速恒頻控制的影響，分析、研究、計算減速器齒輪箱潤滑油粘度造成輸出功率的損失，統(tǒng)計不同的低溫環(huán)境下的功率損失值，通過風機WP4100控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，解決低溫環(huán)境下變距控制系統(tǒng)的性能對風機的影響。

風電機組;減速器齒輪箱潤滑油粘度;功率損失

1 引言

風力發(fā)電是利用風能來發(fā)電，而風力發(fā)電機組正是用于將風能轉(zhuǎn)化為電能。風輪是風電機組最主要的部件，變槳距控制通過葉片和輪轂之間的軸承機構轉(zhuǎn)動葉片來調(diào)節(jié)迎角，由此來控制翼型的升力，以達到控制作用在風輪葉片上的扭矩和功率的目的。在風力發(fā)電機組正常運行時，葉片由于向小迎角方向變化而限制功率，一般變距范圍為0°～90°，從起動角度0°到順槳。當達到最佳運行時，已達到額定功率，不再變槳了。功率輸出的好壞，與葉片變距速度有關［1］。葉片變距速度反應快，從而產(chǎn)生很小的風輪回轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力矩，近而調(diào)節(jié)質(zhì)量保持不變，保證風機安全、穩(wěn)定運行。

在不同地域運行的風電機組承受著十分復雜惡劣的交變載荷，除風速隨時變化外，其它環(huán)境氣溫條件，如熱、太陽光、機械、化學、電以及其它物理作用都會影響風力發(fā)電機組的正常運行［2］。甘肅景泰興泉風大唐電場場地海拔1 713.4～1 883.5 m，年平均氣溫8.6℃，低于－20℃全年平均溫度的天數(shù)超過9天，溫度有15℃的偏差，特別是在極端環(huán)境條件下與其它因素共同作用會更加劇影響，下限溫度的變化，就需要考慮風電機組的相應改變。

特別是當環(huán)境氣溫下降，變槳減速器潤滑油受到外力(電機驅(qū)動)作用而發(fā)生相對移動時，油分子之間產(chǎn)生的阻力，使?jié)櫥蜔o法順利流動，其阻力增大，粘度隨之增大，對減速器齒輪箱輸出功率減小，從而造成低速重載傳動潤滑油攪拌損失，功率損失，常常造成使葉片變距系統(tǒng)動力特性變化，使得變距速度降低，影響風輪回轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力矩，進而影響了功率調(diào)節(jié)和發(fā)電量［3］。需分析、研究、計算減速器齒輪箱潤滑油粘度造成輸出功率的損失，統(tǒng)計出不同的低溫環(huán)境下的功率損失值，通過風機WP4100控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，解決低溫環(huán)境下變距控制系統(tǒng)的性能對風機的影響。

2 變距減速齒輪箱功率損失計算

計算理論依據(jù)如下:

(1)GB/Z 22559.2－2008/BS ISO/TR 14179－2: 2001齒輪－熱承載能力 第2部分 熱負荷能力計算［4］。

(2)潤滑油粘度隨溫度變化特性的理論基礎等。

以蘭州電機有限責任公司生產(chǎn)的FD65－1000風電機組1.0 MW三葉片、水平軸、上風向、變距變速、主動偏航風電機組為對象，進行在低氣溫下潤滑油粘度變化，計算齒輪箱功率損失值計算分析、研究，調(diào)節(jié)風輪回轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力矩，以保持最佳運行狀態(tài)。

2.1 風電機組基本參數(shù)

基本參數(shù)為:額定功率1.0 MW;葉輪轂高度65.037 m;片長度31 m;葉輪直徑64.42 m;切入風速3.5 m/s;額定風速12.5 m/s;切出風(10 min均值)25 m/s;風輪額定轉(zhuǎn)速21.5 r/min;切出極限風速(5 s均值)35 m/s;抗最大風速(3 s均值)59.5 m/s;風輪工作轉(zhuǎn)速范圍12～21.5 r/min;變距范圍 －2°～95°;掃風面積3 257 m2。

2.2 變距減速器參數(shù)

變距減速器制造廠家南高齒，傳速比1 100.001;尖峰輸入功率15 kW;輸入轉(zhuǎn)速0～2 500 r/min;正常輸出力矩3 200 N·m;最大輸出力矩20 000 N·m;減速機潤滑油Mobilgear SHC 630;減速機潤滑油粘度VG 460;減速機潤滑油粘度ISO 150;累計傳動誤差55.5°;變距電機 SEW傳動設備(天津)有限公司DFV112M4/SBM/TF/STH/PLG;交流3×230VAC，4 kW;額定電流15.2A;額定工作轉(zhuǎn)速1 420 r/min;剎車扭矩55 N·m。

2.3 計 算

根據(jù)GB/Z 22559.2－2008/BS ISO/TR 14179－2: 2001，齒輪箱總的功率損失PV公式:

式中:PVZ0為齒輪無載荷功率損失;PVZP為齒輪有載荷功率損失;PVL0為軸承無載荷功率損失;PVLP為軸承有載荷功率損失;PVD為密封件的獨立載荷損失;PVX為齒輪箱其他零件功率損失。

以上各項功率損失的計算中，PVZP和PVL0與潤滑油粘度相關的有:

與潤滑油粘度相關的扭矩損失Toil:

2.3.1 齒輪有載荷功率損失

式中:PA為輸入功率;μmz為平均摩擦系數(shù);HV為齒輪損失系數(shù)。

且當Vt＞50 m/s時，取V∑=50 m/s;當F/b≤150 N/mm時，取μmz=150 N/mm。按減速器齒輪箱內(nèi)齒輪型式選擇表1所示計算參數(shù)。

表1 齒輪型式

潤滑油的動力粘度ηoil查表2所示，動力粘度u即運動粘度v與密度p的乘積值:u=vp，動力粘度單位厘泊;Ra為齒輪表面粗糙度;XL為潤滑油系數(shù)，XL為1.0時，用于礦物油，為0.8時，用于聚烯烴和脂類，為0.75［6/V∑］0.2，用于二醇類化合物，為1.3時，用于磷酸脂類，為1.5時，用于牽引油系列。

2.3.2 軸承無載荷功率損失公式

此時限制條件TVL0·n≥200 mm2/s。

其中:voil為潤滑油的運動粘度。dm為軸承平均直徑;摩擦系數(shù)f0，查表3所知。

Mobil SHC 630的運動粘溫曲線如表2所示。

表2 運動粘溫曲線 /cSt

依據(jù)以上公式，風輪變距減速器齒輪箱，一套三臺在不同的低溫下，計算出不同的變距減速器齒輪箱功率Pv損失數(shù)值表4所示。

表3 摩擦系數(shù)f0

表4 功率Pv損失

風電機組運行在整個冬季氣溫變化不同，以及每天氣溫變化不同，使得變距減速器齒輪箱功率Pv損失數(shù)值不同，經(jīng)統(tǒng)計平均為0.23%，使得控制變距傳動動力特性發(fā)生了變化，影響機組輸出功率。

3 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)

風電機組在變槳距控制系統(tǒng)，變槳距進行調(diào)節(jié)功率。若退槳速度過慢則會出現(xiàn)過功率或過電流現(xiàn)象，甚至會燒毀發(fā)電機;若槳距調(diào)節(jié)速度過快，不但會出現(xiàn)過調(diào)節(jié)現(xiàn)象，使輸出功率波動較大，而且會縮短變槳軸承的使用壽命。進而會影響發(fā)電機的輸出功率，使發(fā)電量降低。由于環(huán)境氣溫下降，使變槳減速器輸出功率減小，需對機組采用不同的環(huán)境氣溫下降轉(zhuǎn)矩值，同時還需考慮三只變槳軸承啟動摩擦力矩值，見表5所示。綜合各種因數(shù)，調(diào)節(jié)Mita WP4100控制系統(tǒng)參數(shù)，常溫和低溫轉(zhuǎn)矩參數(shù)見截屏圖片，如圖1、2所示。

表5 啟動摩擦力矩實際測量值

圖1 常溫下轉(zhuǎn)矩參數(shù)

圖2 低溫下轉(zhuǎn)矩參數(shù)

4 總結(jié)

機組運行的環(huán)境氣溫下降，變距減速器齒輪箱輸出功率損失，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，使輸出功率平穩(wěn)、減小轉(zhuǎn)矩振蕩、減小機艙振動，優(yōu)化了輸出功率，穩(wěn)定發(fā)電機的輸出功率的同時，改善了槳葉和風機的受力狀況。

［1］ 姚興佳，宋 俊.風力發(fā)電機組原理與應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［2］ 熊禮儉.風力發(fā)電新技術與發(fā)電工程設計、運行、維護及標準規(guī)范實用手冊［M］.北京:中國科技文化出版社，2005.

［3］ ［美］Tony Burton.武 鑫.風能技術［M］.北京:科學出版社，2007.

［4］ GB/Z 22559.2－2008/BS ISO/TR 14179－2:2001［S］.齒輪熱承載能力.

Power Loss Calculation for Wind Turbine Viscosity Related to the Variable Pitch Reducer

YANG Jian－qiu
(The office for wind power products，Lanzhou Electric Co.，Ltd，Lanzhou Gansu 730050，China)

When wind turbine is running at low temperature environment，the influence variable pitch reducer producing on adjustment of wind turbines pitch and VSCF is put forward，the power loss caused by reducer gear lubricating oil viscosity is analyzed，researched and calculated，the power losses at different low temperature environment are counted.The torque is adjusted by wind turbines WP4100，which can solve the influence that the performance of variable pitch control system on wind turbine.

wind turbines;reducer gear lubricating oil viscosity;power loss

TH123

A

1007－4414(2013)05－0065－03

2013－08－21

楊建秋(1964－)，男，甘肅蘭州人，工程師，主要從事風電機組機械設計方面的工作。