大型風(fēng)力發(fā)電機組變槳距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計研究

毛忠興，鄧良，楊靜

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000）

0　引言

風(fēng)輪的功率大小取決于風(fēng)輪直徑。大功率等級的風(fēng)力發(fā)電機組擁有大的風(fēng)輪直徑，來獲取更大的掃風(fēng)面積，捕獲更多的風(fēng)能，實現(xiàn)輸出功率的顯著增加。隨著機組單機容量的增大，葉片長度和重量也隨之增大，加上海上風(fēng)力發(fā)電機組不小于25年的使用壽命要求，使得機組極限載荷和疲勞載荷大幅增加，由此對機組的主要承載結(jié)構(gòu)部件強度及傳動系統(tǒng)可靠性提出了更高的要求。

目前的風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計依賴于小型風(fēng)機研究所得的成果，隨著風(fēng)力發(fā)電機組單機容量與風(fēng)輪直徑的不斷增大，空氣動力載荷、塔影效應(yīng)、風(fēng)切變、湍流及葉片重力載荷對機組風(fēng)輪系統(tǒng)的影響程度需進行詳細分析和評估。

風(fēng)輪變槳傳動系統(tǒng)長期處于惡劣的載荷環(huán)境，其失效主要表現(xiàn)為變槳齒面點蝕、齒面磨損、齒根斷裂、滾道微動磨損、保持架斷裂、套圈斷裂等，大大影響機組的安全性和可靠性。受海上風(fēng)機維護可及性和吊裝成本影響，變槳傳動更換將大大影響機組可利用率和經(jīng)濟性。大功率、大直徑的風(fēng)力發(fā)電機組必然帶來大的運行載荷，而由此帶來的對變槳傳動可靠性的影響，值得系統(tǒng)研究和剖析。

1　變槳傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理簡述

風(fēng)輪是由葉片、變槳傳動系統(tǒng)、輪轂、變槳控制系統(tǒng)等主要零部件組成。變槳傳動系統(tǒng)通過變槳驅(qū)動裝置帶動變槳軸承內(nèi)圈來實現(xiàn)葉片變槳動作。在額定風(fēng)速以下使得葉片處于最佳尖速比運行，保持風(fēng)輪最佳的氣動效率；在額定風(fēng)速以上實現(xiàn)葉片回槳，以確保恒定的電能輸出，同時降低風(fēng)輪及整機的載荷，使得風(fēng)力發(fā)電機組處于最佳的運行狀態(tài)。

根據(jù)變槳執(zhí)行機構(gòu)的動力形式，變槳傳動系統(tǒng)可分為液壓變槳傳動系統(tǒng)和電動變槳傳動系統(tǒng)，見圖1～2，其中電動變槳傳動系統(tǒng)在陸上風(fēng)力發(fā)電機組中得到了大量應(yīng)用。

圖1　液壓變槳傳動系統(tǒng)

圖2　電動變槳傳動系統(tǒng)

2　葉根載荷剖析和系統(tǒng)仿真

圖3　葉片坐標(biāo)系

風(fēng)力發(fā)電機組葉根的載荷源除了空氣動力載荷外，還有葉片重力載荷、慣性載荷和由于變槳控制系統(tǒng)動作帶來的運行載荷，以及可能出現(xiàn)的非正常載荷。

重力載荷只取決于葉片的重量、角度和質(zhì)量分布，因此是確定的。而慣性載荷可能受湍流的影響，具有隨機性。

2.1　運行中的葉根載荷剖析

在風(fēng)力發(fā)電機組葉片開槳狀態(tài)下，葉片在空氣動力載荷作用下，推力載荷會使柔性葉片向順風(fēng)向偏移，在圖3葉片坐標(biāo)系下，在葉根產(chǎn)生彎矩My載荷，葉尖部分呈現(xiàn)向后方的彎曲變形，其變形的大小隨風(fēng)速大小引起的My載荷變化而前后波動，如圖4所示。葉片載荷分布整體呈根部較大，尖部較小的趨勢，載荷波動相對振幅沿葉片展向逐漸增大。反映到輪轂上，該作用力隨風(fēng)速大小在輪轂前端產(chǎn)生波動的拉應(yīng)力，在輪轂根部端產(chǎn)生波動的壓應(yīng)力。

圖4　葉片在My載荷下X軸向的變形（葉片坐標(biāo)系）

在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)過程中，葉根除了承受空氣動力載荷作用外，還承受葉片重力載荷作用下所帶來的Mx方向的周期性交變載荷，以及風(fēng)切變、塔影效應(yīng)、湍流影響下的周期性波動，考慮到大型風(fēng)力發(fā)電機組主要應(yīng)用于近?；蚝Ｉ巷L(fēng)力發(fā)電，海上風(fēng)資源的湍流相對偏低，因此湍流對風(fēng)輪葉根載荷波動的影響不作為主要因素進行考慮。

2.1.1塔影效應(yīng)、風(fēng)切變對葉根載荷的影響

圖5　展向80%截面處葉片與塔架間流動情況

如圖5所示，在塔影效應(yīng)作用下，葉片與塔架間空氣的流動情況已發(fā)生了變化，由于各葉片在旋轉(zhuǎn)一周時均會遭遇塔影，將引起周期為3P的載荷波動。均勻風(fēng)速條件下，塔架的阻礙作用主要發(fā)生在其附近的方位角下，導(dǎo)致來流風(fēng)速值減小和方向變化，引起載荷突降。

由于風(fēng)切變引起的來流風(fēng)速分布變化亦是在塔前最小，因此，風(fēng)切變和塔影效應(yīng)二者的綜合作用進一步加劇了這種載荷波動。在風(fēng)切變和塔影效應(yīng)的影響下，葉片根部彎曲力矩隨方位角發(fā)生變化，引起葉根載荷波動。

對于三葉片風(fēng)力發(fā)電機組而言，由于各葉片在旋轉(zhuǎn)一周上依次受到塔架的阻礙作用以及切變風(fēng)速的影響，風(fēng)力發(fā)電機組所受的載荷和性能參數(shù)整體呈3P波動，三葉片相位差的疊加作用使得切變前后，總體上風(fēng)輪載荷平均值及波幅變化不大。在這一點上，優(yōu)于兩葉片的風(fēng)輪。

2.1.2葉片重力對葉根載荷的影響

葉根載荷的一個重要部分就是由于風(fēng)輪自重產(chǎn)生的周期性懸臂彎曲力矩。重力載荷帶來的風(fēng)輪平面內(nèi)的力矩幾乎是方位角的正弦函數(shù)，葉片每旋轉(zhuǎn)一周其方向改變一次。風(fēng)輪每旋轉(zhuǎn)一周，葉根在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)方向的兩側(cè)，將反復(fù)承受拉壓應(yīng)力一個周期，如圖6所示。機組運行過程中，葉根變槳軸承部位始終承受著葉片帶來的循環(huán)重力力矩，并將引起機械傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩波動。

圖6　重力載荷下葉片根部受力情況分析

2.2　葉根載荷系統(tǒng)仿真

2.2.1風(fēng)切變、塔影效應(yīng)對葉根載荷波動影響

圖7中0°方位角指示6點鐘方向，即葉片位于塔架上游，風(fēng)輪轉(zhuǎn)向為正方向；CFD表示數(shù)值計算結(jié)果，Bladed表示設(shè)計值；tower/no tower/shear分別表示是否考慮塔影和風(fēng)切變效應(yīng)。

圖7　均勻和切變來流條件下，葉片和風(fēng)輪載荷與氣動性能計算值的波動

單支葉片旋轉(zhuǎn)一周，與均勻風(fēng)速條件下塔影效應(yīng)引起的載荷變化（設(shè)計20%～29%，計算20%～37%）相比，風(fēng)切變與塔架的綜合作用導(dǎo)致葉片載荷波動波幅增長近2倍（設(shè)計43%～61%，計算34%～55%），其對葉根至葉尖各截面載荷的影響沿葉片展向逐漸減小，兩者的綜合作用導(dǎo)致葉片在經(jīng)過塔筒位置時產(chǎn)生載荷的劇烈變化。

以風(fēng)輪為研究對象，三支葉片旋轉(zhuǎn)一周，與單葉片載荷的劇烈波動相比，風(fēng)力機的性能參數(shù)在各葉片相位差疊加的基礎(chǔ)上減少到葉片波幅1/3左右（設(shè)計14%～18%，計算6.5%～11.8%），三葉片相位差的疊加作用使得切變前后風(fēng)輪載荷平均值及波幅變化不大[2]。

風(fēng)場測試數(shù)據(jù)顯示，塔影效應(yīng)引起的單葉片載荷波動可達20%～40%，風(fēng)輪載荷波動可達10%左右[3]，這與理論計算結(jié)果基本一致。

2.2.2空氣動力載荷、葉片重力對葉根載荷的波動影響

為評估空氣動力載荷和葉片重力載荷對葉根載荷波動帶來的影響程度，以一個單支葉片重量為29 t，風(fēng)輪直徑為140 m的大兆瓦機組進行載荷仿真計算，在葉片坐標(biāo)系下，在機組正常發(fā)電工況下，推力載荷在葉片根部產(chǎn)生的彎矩My和葉片重力載荷作用下所帶來的彎矩Mx，在不同風(fēng)速條件下的波動情況如圖8所示。

圖8　葉片根部疲勞載荷Mx、My幅值波動對比

通過對比載荷曲線可知，氣動推力載荷所產(chǎn)生的彎矩My平均值大于葉片重力載荷所帶來的彎矩Mx的平均值。隨著風(fēng)速的增大，彎矩My的載荷曲線逐漸上移，在機組達到額定功率時，受變槳控制系統(tǒng)的作用，彎矩My的載荷趨于穩(wěn)定，在10 m/s及以上風(fēng)速條件下，最大幅值約為5000 kNm。

而葉片重力載荷所帶來的彎矩Mx，其波動的幅值則遠遠大于推力載荷所產(chǎn)生的彎矩My的幅值，幅值約為11000 kNm，約為彎矩My最大幅值的2.2倍，且載荷方向發(fā)生周期性的變化。

大風(fēng)輪直徑風(fēng)力發(fā)電機組在正常發(fā)電狀態(tài)，風(fēng)輪受葉片重力載荷作用下的葉根疲勞載荷Mx，具有波動幅值大、載荷方向周期性變化的特點，是疲勞載荷的主要來源，其載荷波動的幅值也遠遠大于氣動推力載荷，氣動推力載荷波動的幅值取決于風(fēng)速的波動大小。兩者對變槳傳動系統(tǒng)可靠性的影響程度取決于所帶來的結(jié)構(gòu)變形程度和持續(xù)交變作用時間，受大型葉片重量的影響，葉片重力載荷波動對變槳傳動系統(tǒng)可靠性的影響更大。

3　變槳傳動有限元計算與分析

采用有限元計算分析方法對圖8機組載荷下的變槳傳動系統(tǒng)可靠性進行研究，模擬計算變槳軸承內(nèi)外圈在額定運行載荷以及極限載荷下出現(xiàn)的相對位移情況，以進一步分析變槳軸承內(nèi)外圈發(fā)生的相對位移對變槳軸承本身及采用齒面嚙合的變槳傳動系統(tǒng)所帶來的影響。

圖9　變槳軸承計算模型

變槳軸承計算模型(見圖9)通過link10模擬軸承的接觸對，考慮軸承計算接觸角的變化以及接觸的非線性剛度關(guān)系，螺栓連接、軸承和輪轂、軸承和葉根法蘭的連接為標(biāo)準(zhǔn)摩擦接觸。選取疲勞載荷中一個最大工況，對結(jié)構(gòu)變形情況進行計算分析，如圖10所示。

圖10　最大工況葉根變槳軸承形變仿真計算

兩列四點接觸球軸承是大兆瓦風(fēng)機變槳軸承最常使用的回轉(zhuǎn)軸承形式，模型中變槳軸承滾動體回轉(zhuǎn)中心直徑為3350 mm，由于疲勞載荷較大，此類軸承需要更大的滾子直徑。經(jīng)過仿真模擬計算，該工況下變槳軸承內(nèi)外圈總的最大相對位移為2.4 mm，而在葉根極限載荷下的最大相對位移達3.6 mm。上述計算結(jié)果為單方向載荷下的位移，而在葉片重力載荷帶來的交變載荷作用下，通過計算發(fā)現(xiàn)：力矩正負變化下，總的相對位移約為單方向下最大位移的1.5倍。

由此可見，長葉片帶來的疲勞載荷對變槳軸承可靠性帶來了極大的挑戰(zhàn)，在如此惡劣的工況下，滾道安全系數(shù)、套圈的環(huán)向應(yīng)力、滾道邊緣接觸應(yīng)力、滾道接觸的橢圓截斷等設(shè)計參數(shù)要求均需在設(shè)計中綜合考慮，確保在最大的疲勞載荷作用下，避免滾道接觸發(fā)生大的橢圓截斷，同時考慮滾道邊緣應(yīng)力在安全范圍內(nèi)，以確保變槳軸承的可靠性，由于業(yè)內(nèi)設(shè)計規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的缺失，其設(shè)計方法仍需大量的試驗驗證和探索。

葉片重量與葉片長度近似成三次方關(guān)系，隨著風(fēng)力發(fā)電機組大型化的發(fā)展，勢必對變槳軸承剛度有更高要求，為控制變槳軸承的變形，必然增加軸承厚度尺寸，但簡單增加軸承厚度的方式，對變槳軸承變形的改善始終是有限的，從圖11和表1中的計算結(jié)果可以看出，在葉根法蘭厚度增加200 mm的情況下，軸承內(nèi)外圈相對變形僅下降了0.6 mm，而采用液壓變槳結(jié)構(gòu)對變槳軸承套圈變形的改善效果較明顯。

圖11　不同結(jié)構(gòu)對變槳軸承變形的影響

表1　不同結(jié)構(gòu)對變槳軸承變形的計算結(jié)構(gòu)

變槳軸承的性能在很大程度上依賴于軸承載荷下的變形程度，所以制造商通常規(guī)定最大軸向偏差和螺栓接觸面的傾斜，以確保變槳軸承的可靠性，設(shè)計者必須確保葉片和輪轂結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度，以限制由葉片根部彎矩帶來的軸承變形在可接受的范圍內(nèi)。

4　電動變槳傳動系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

大風(fēng)輪直徑風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)展，同時帶來了對電動變槳系統(tǒng)在大功率大風(fēng)輪直徑風(fēng)電機組中應(yīng)用的挑戰(zhàn)，由于其結(jié)構(gòu)特點，變槳軸承與葉片的連接在結(jié)構(gòu)上形成了空心結(jié)構(gòu)，在葉片彎矩作用下，套圈變形則完全取決于軸承套圈本身和葉根變形情況，由于齒圈變形導(dǎo)致齒輪副嚙合的齒面不良接觸，在實際運行中容易產(chǎn)生齒面局部接觸應(yīng)力過大的情況，造成齒面局部磨損的加劇。

葉根疲勞載荷Mx波動（見圖8）帶來驅(qū)動位置套圈的軸向往復(fù)變形，如圖12所示，齒面接觸部位呈一長條形的小面積，而變槳驅(qū)動齒輪安裝在剛度充足的輪轂上，兩者必然產(chǎn)生相對摩擦運動，葉根Mz載荷為齒面接觸部位提供正壓力，從而產(chǎn)生了齒面磨損所必需的條件。

該現(xiàn)象在小風(fēng)輪直徑風(fēng)機中同樣存在，但相比于大風(fēng)輪直徑機組，其葉片重量相對輕、套圈軸向變形小，依靠齒面潤滑能夠保證其良好的運行要求。而大風(fēng)輪直徑機組葉片重量、套圈的軸向變形大，加上大的葉根Mz載荷作用，帶來齒面銼削效應(yīng)而難以留住齒面油脂，勢必加劇齒面的磨損。

圖12　變槳軸承變形及齒輪傳動的嚙合狀況

齒圈上的磨損和損壞并不是均勻分布的，大約一半的總壽命時間消耗在了一個齒與小齒輪的嚙合過程中，大型風(fēng)力發(fā)電機組中變槳驅(qū)動位置的冗余設(shè)計顯得非常的必要。

此外，變槳驅(qū)動應(yīng)布置在葉片重力載荷波動最小或變槳軸承內(nèi)外圈相對軸向變形波動最小的區(qū)域，其位置大致在葉根坐標(biāo)系中X軸壓力側(cè)附近，以降低變槳齒面磨損的風(fēng)險，如圖13所示。

圖13　變槳驅(qū)動布局設(shè)計

而液壓變槳傳動系統(tǒng)，由于其在葉片根部采用驅(qū)動盤與變槳軸承套圈連接，從結(jié)構(gòu)上就解決了葉片根部剛度不足的問題，對變槳軸承剛度、套圈應(yīng)力方面有很大的改善，在大型風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)用中具有高可靠性的先天優(yōu)勢。

5　結(jié)語

（1）通過對葉根載荷的剖析，風(fēng)輪面內(nèi)疲勞載荷是由于重力載荷和面內(nèi)空氣動力載荷波動而形成的，在大風(fēng)輪直徑風(fēng)力發(fā)電機組中，葉片根部面內(nèi)彎曲力矩等效疲勞載荷通常比面外彎曲力矩的等效值大，風(fēng)輪自重產(chǎn)生的周期性懸臂彎曲力矩是疲勞設(shè)計的主要影響因素。

（2）葉片重力載荷是機組疲勞載荷的主要來源，運行工況條件下大型葉片重力載荷作用對葉根產(chǎn)生的波幅，大于氣動載荷作用對葉根產(chǎn)生的波幅，其周期性載荷波動對葉根部位部件的變形有較大影響。

（3）大型風(fēng)力發(fā)電機組變槳傳動系統(tǒng)的設(shè)計，需詳盡分析風(fēng)機運行帶來的葉片重力載荷波動對變槳傳動系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)性考慮周圍部件對變槳軸承的影響，以保證變槳傳動系統(tǒng)運行的可靠性。

（4）風(fēng)力發(fā)電機組的大型化帶來對電動變槳傳動系統(tǒng)可靠性的挑戰(zhàn)，因其結(jié)構(gòu)特點，變槳軸承與葉片連接的套圈在葉片重力載荷作用下存在剛度不佳的情況，變槳軸承的性能在很大程度上依賴于軸承載荷下的變形程度，使得變槳軸承的設(shè)計難度增大，帶來軸承成本的增加。

變槳齒圈的磨損主要消耗在了一個齒與小齒輪的嚙合過程中，因此變槳驅(qū)動位置的冗余設(shè)計和可更換性顯得尤為重要。

為提升變槳齒圈嚙合的可靠性，變槳驅(qū)動位置需布置在葉根載荷波動最小的區(qū)域，以減小葉片重力載荷交變作用下帶來的葉根軸承套圈往復(fù)變形。

（5）液壓變槳傳動在變槳軸承與葉根連接的套圈部位設(shè)計了用于驅(qū)動葉片變槳動作的驅(qū)動盤，驅(qū)動盤的設(shè)計在結(jié)構(gòu)上大大提升了葉根部位剛度，能夠有效降低大型葉片帶來的載荷對變槳軸承套圈的影響，葉根部位剛度的提升大大改善了變槳軸承套圈的變形程度，相比電動變槳技術(shù)，其傳動系統(tǒng)的可靠性更高，液壓傳動技術(shù)在未來大型風(fēng)力發(fā)電機組變槳系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢凸顯。

（6）大型風(fēng)力發(fā)電機組開發(fā)，所帶來的更高的極限載荷已不再是技術(shù)開發(fā)的難點，而更多的是對高應(yīng)力、高幅值疲勞載荷作用下機組穩(wěn)定性、可靠性設(shè)計。

大型葉片輕載設(shè)計、整機降載技術(shù)將成為未來大型風(fēng)力發(fā)電機組開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)，影響著整機成本和性能，將進一步推進碳纖維在大型葉片中的應(yīng)用。

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