中小型風(fēng)電機組機械氣動式變槳距機構(gòu)研究與設(shè)計﹡

文 | 鄔元，李凌銳，李安兵，包胡日查，任君，楊茂榮

變槳距機構(gòu)作為風(fēng)電機組控制部件之一，對風(fēng)電機組的運行、功率調(diào)節(jié)具有十分重要的作用。中小型風(fēng)電機組的調(diào)速方式主要依靠風(fēng)輪葉片失速或尾翼側(cè)偏機構(gòu)，這類風(fēng)電機組主要的不足之處是當(dāng)工作風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，風(fēng)電機組輸出功率遠大于額定值。近幾年，隨著中小型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，要求并網(wǎng)中小型風(fēng)電機組的功率輸出平滑、穩(wěn)定。這就要求中小型風(fēng)電機組必須采用合適的功率調(diào)節(jié)方式來滿足中小型風(fēng)電機組的并網(wǎng)要求。由于中小型風(fēng)電機組整機成本的制約，不可能采用大型風(fēng)電機組所應(yīng)用的技術(shù)成熟的電動或液壓變槳距機構(gòu)，在本文中，利用風(fēng)輪自身的空氣動力學(xué)特性，研究、設(shè)計的機械氣動式變槳距機構(gòu)是一種較為經(jīng)濟且有效的風(fēng)電機組功率調(diào)節(jié)方式。本文以中小型風(fēng)電機組機械氣動式變槳距機構(gòu)為對象進行了研究，以期為中小型風(fēng)電機組提供一種新的功率調(diào)節(jié)方式。

變槳距機構(gòu)調(diào)節(jié)原理

風(fēng)電機組風(fēng)輪在風(fēng)能的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，風(fēng)電機組吸收的風(fēng)能為：

式中，P為風(fēng)能，ρ為空氣密度，Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，D為風(fēng)輪直徑，v為風(fēng)速，T為扭矩。根據(jù)葉素特性理論分析，風(fēng)輪啟動后以某種速度穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)時葉片受力情況，如圖1所示，從而得出理想狀態(tài)下氣流與葉片各角的關(guān)系：

tanI為傾角正切，i為攻角，β為槳距角，Wr為相對風(fēng)速，λ為尖速比。

根據(jù)力的平衡關(guān)系，葉片的扭矩為：

圖1 葉片微元受力及各角關(guān)系

圖2 風(fēng)電機組葉片升力系數(shù)和升阻比

式（4）（5）（6）中：T為葉片扭矩，Cm為扭矩系數(shù)，A為風(fēng)輪迎風(fēng)面積，D為風(fēng)輪直徑，Wr為葉片的相對風(fēng)速，v為風(fēng)速，I為傾角。由圖2可知，對于一定轉(zhuǎn)速下運行的風(fēng)電機組，當(dāng)風(fēng)速、風(fēng)向一定時Wr和I是定值。如果攻角i增大，在失速點以前區(qū)域內(nèi)，升力系數(shù)CL將增大，升阻比CL/Cd也將增大，扭矩系數(shù)Cm也將增大；反之，攻角i減小，在失速點以前區(qū)域內(nèi)，升力系數(shù)CL將減小，升阻比CL/Cd也將減小，扭矩系數(shù)Cm也將減小。

由公式（1）、（2）、（5）得 ：

可見Cp正比于Cm，當(dāng)攻角i增大，風(fēng)能利用系數(shù)Cp增大；反之，當(dāng)攻角i減小，風(fēng)能利用系數(shù)Cp減小。又由式（3）I＝i＋β可知，攻角i減小，槳距角β增大；反之，攻角i增大，槳距角β減小。所以，槳距角β增大，風(fēng)電機組功率下降；槳距角β減小，風(fēng)電機組功率增加，因此，通過改變?nèi)~片槳距角的大小可以對風(fēng)電機組功率進行調(diào)節(jié)。

變槳距機構(gòu)的設(shè)計

一、預(yù)期工作過程

根據(jù)空氣動力學(xué)原理，利用葉片承受的正面軸向壓力，通過三根拉桿將軸向力傳遞到變槳距機構(gòu)。當(dāng)工作風(fēng)速在額定風(fēng)速以下運轉(zhuǎn)時，風(fēng)輪傳遞到變槳距機構(gòu)的壓力不足以克服拉伸彈簧的預(yù)緊力，葉片槳距角保持不變；當(dāng)工作風(fēng)速達到額定風(fēng)速時，風(fēng)輪傳遞到變槳距機構(gòu)的壓力與拉伸簧的預(yù)緊力剛好平衡，葉片槳距角仍然保持不變；當(dāng)工作風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，風(fēng)輪傳遞到變槳距機構(gòu)的壓力克服了拉伸簧的預(yù)緊力，變槳距機構(gòu)進入工作狀態(tài)，隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)輪上的壓力也不斷加大，拉伸彈簧的長度不斷變化，葉片的槳距角也隨之變化，使風(fēng)輪吸收的風(fēng)能基本保持恒定；當(dāng)工作風(fēng)速減小時，其變化過程與風(fēng)速增加時相反。

二、風(fēng)電機組模型參數(shù)

額定功率：5 kW，額定轉(zhuǎn)速：150 r/min，風(fēng)輪直徑：5.2 m，風(fēng)輪葉片數(shù)：3，額定風(fēng)速：11 m/s，工作風(fēng)速范圍：3.5 m/s－20 m/s，葉片翼型：NACA4415。

三、 風(fēng)輪壓力的計算

當(dāng)風(fēng)速超過風(fēng)電機組的額定風(fēng)速（11 m/s）時，風(fēng)輪壓力才能克服變槳距機構(gòu)彈簧預(yù)緊力，變槳距機構(gòu)進入工作狀態(tài)，因此，在計算風(fēng)輪壓力時，只需計算風(fēng)速在11 m/s－20 m/s范圍內(nèi)的風(fēng)輪壓力。風(fēng)輪壓力計算公式為：

式中：F為風(fēng)輪壓力，B為壓力系數(shù)，S為風(fēng)輪掃掠面積，為空氣密度，v為風(fēng)速。風(fēng)速在11 m/s－20 m/s范圍內(nèi)的風(fēng)輪壓力見表1。

表1 風(fēng)速與風(fēng)輪壓力的關(guān)系

表2 彈簧設(shè)計計算表

四、變槳距機構(gòu)拉伸彈簧的設(shè)計

（一） 拉伸彈簧設(shè)計要求

設(shè)計圓柱拉伸彈簧，該彈簧在隨機的交變載荷下工作，根據(jù)安裝要求彈簧自由長度約280 mm－310 mm，由表1可知，風(fēng)輪最大的拉力為3.62kN，由兩根拉伸彈簧承受，每一根拉伸彈簧承受的最大拉力Fmax＝1.81 kN。

（二） 拉伸彈簧設(shè)計計算

圖3 彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 變槳距機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 5kW風(fēng)電機組功率曲線圖

因彈簧在隨機的交變載荷下工作，按Ⅱ類彈簧來考慮。彈簧的材料選用65Mn，假設(shè)彈簧絲直徑按5 mm、6 mm、7 mm三種尺寸進行試算，彈簧設(shè)計計算見表2，彈簧結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

五、變槳距機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

變槳距機構(gòu)主要由緩沖氣缸總成、拉桿、支板、拉伸彈簧和拉桿座等部件組成。該機構(gòu)連接方式是通過緩沖氣缸總成底部的法蘭盤與輪轂連接；三根拉桿一端固定于緩沖氣缸總成頂端的拉桿座上，另一端分別與三只葉片氣動力中心處的拉桿螺栓相連接。當(dāng)工作風(fēng)速超過機組額定風(fēng)速時，風(fēng)輪壓力驅(qū)使變槳距拉伸彈簧產(chǎn)生一定的變形量，同時風(fēng)輪葉片繞葉片軸旋轉(zhuǎn)一定角度，實現(xiàn)了葉片的槳距角的改變。風(fēng)輪葉片最大的旋轉(zhuǎn)角度為90°，對應(yīng)變槳距的機構(gòu)最大行程200 mm。變槳距機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

測試結(jié)果與結(jié)論

在野外風(fēng)電機組試驗場，對安裝有機械氣動式變槳距機構(gòu)的5kW風(fēng)電機組進行功率測試。利用中小型風(fēng)電機組野外測試系統(tǒng)，同步采集風(fēng)速和風(fēng)電機組電壓、電流，最終將采集到的數(shù)據(jù)進行分析并繪制機組功率和風(fēng)速的曲線圖，如圖5所示。

通過對應(yīng)用機械氣動式變槳距機構(gòu)的5kW風(fēng)電機組進行野外功率測試，得出：當(dāng)工作風(fēng)速超過機組額定功率時，該變槳距機構(gòu)能夠有效地調(diào)節(jié)機組功率輸出并保持機組功率輸出的平穩(wěn)性。