基于風力發(fā)電機的動力學分析研究

摘要：隨著我國經(jīng)濟的蓬勃快速發(fā)展，對電能的需求也與日俱增，而能源的短缺一直以來都是每個國家需要面臨的問題，結合我國的實際情況，對風能的利用有效的緩解我國的能源緊缺和不足。因此，對風力發(fā)電機的動力學研究是非常有必要的，并大幅度降低了對化石能源的依賴，有效的促進了我國的經(jīng)濟的快速發(fā)展，為風力發(fā)電機的應用提供一定的參考依據(jù)。

關鍵詞：風力發(fā)電機；動力學；分析；能源

0.引言

隨著可再生能源的使用，使得其世界存儲越來越少，面對人們對可再生能源的不斷需求，使得對風能、太陽能等清潔能源的研究也越來越重視，尤其是風能的利用逐漸受到了研究學者的關注和研究[1-2]。與此同時，風力發(fā)電技術在發(fā)達國家趨于成熟，應用范圍也逐漸擴大。對于風力發(fā)電主要是利用自然界的風能使得葉片旋轉，進而帶動發(fā)電機，此時就可以將風能轉化成電能，輸送到需要的地區(qū)[3]。其中，在風力發(fā)電的過程中，需要用到齒輪箱對速度和扭矩進行變換，因此能否是使發(fā)電機到達預定的額定速度和發(fā)電的額定電壓，其齒輪箱作為傳動系統(tǒng)起著重要的作用。

由于自然界的風能具有不穩(wěn)定、不定向等特點，因此風力對葉片的作用力也是出于隨機的狀態(tài)，這會使得齒輪箱的傳動長期處于變載荷且不穩(wěn)定的環(huán)境，對其內部結構造成極大的破壞和損失，大大的降低了風力發(fā)電機的使用壽命[4]。本文基于風力發(fā)電機的動力學分析旨在對風力發(fā)電過程中的動態(tài)進行分析，以此減小其傳動過程的振動，降低其故障頻率，優(yōu)化風力發(fā)電機的整體結構和使用壽命，對風力發(fā)電的拓展具有重要意義。1.風力發(fā)電機的理論基礎

風力發(fā)電機時，發(fā)電機的葉輪獲得風能，利用風的動能推動風輪的旋轉，并帶動發(fā)電機的運動，即風能轉化為機械能，最后通過葉輪的旋轉將機械能轉化為電能[5]。風力對葉輪的作用力是整個風力發(fā)電機的動力輸入，葉輪產(chǎn)生的機械能越多，則風力發(fā)電機獲得的電能也就越多。

風力發(fā)電機是通過風輪在風中獲得風的能量，此時經(jīng)過葉片的風由于將其自身的動能轉化為風輪的動能，風的速度會下降。當風掃過葉片的圓周面積時，經(jīng)過葉片所在的圓周面，將空氣和沒有通過風輪的空氣分離開來，就可以得到一個氣流管。其氣流管的示意圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，由于風力發(fā)電機葉片的存在，使得葉片上游的空氣在接近葉片時，出現(xiàn)衰減，與此同時，由于風速的降低會使得葉片下游的氣流管的膨脹，等同于空氣的靜壓上升，最終風力的一部分動能就會轉化為發(fā)電機葉片的機械能。上游的氣體經(jīng)過葉片之后，其靜壓會降，使尾流的氣體的壓力小于大氣壓。因此，整個過程中，葉片的上游和下游遠處的空氣，靜壓始終是保持不變，僅僅減小了氣體的動能。

通過對風力發(fā)電的原理進行闡述之后，其中也會存在一些不足，總結幾點如下：

（1）隨著風力發(fā)電機組容量的不斷增大，相應的塔架高度也越來越高，這樣使得發(fā)電機的齒輪箱傳動受力情況變得復雜。尤其是在特殊地形的氣流對葉片影響較大，這樣使得風力發(fā)電機的傳動變得極其不穩(wěn)定，再加上風力的或大或小，都會加速風力發(fā)電機的損壞。

（2）在風力發(fā)電機剛剛開始運行時，由于發(fā)電機的運動存在較大慣性，這種慣性力對葉片產(chǎn)生的作用力剛好相反，這樣對于傳動系統(tǒng)有很大的沖擊，尤其齒輪箱中嚙合的齒輪，大大降低了齒輪的使用壽命。另外，當風力發(fā)電機需要停止時，對齒輪箱的零部件承受較大的沖擊，直接會損壞齒輪箱的零部件。

（3）在寒冷的地區(qū)，比如我國的東北地區(qū)，冬季氣溫基本上處于零下，甚至到達零下40℃。由于風力發(fā)電機的設計所能夠承受的溫度在-20℃左右，特殊的發(fā)電機可以達到-30℃，這些因素主要有變速箱的內部結構決定，由于齒輪箱中齒輪嚙合會放潤滑油，來提高齒輪的壽命，但是在低溫環(huán)境下，齒輪箱的潤滑油就會變得粘稠，對齒輪的旋轉是一種阻礙，增加了發(fā)電機的阻力，這樣降低了風力發(fā)電機的發(fā)電效率。

（4）風力發(fā)電機中的齒輪箱，如果長時期且頻繁受到風載荷變化沖擊，勢必會增加齒輪之間的磨損，齒輪就會慢慢出現(xiàn)輕微的磨損，進而齒輪表面出現(xiàn)點燭，甚至斷裂等現(xiàn)象，使得風力發(fā)電機無法正常的工作。

由于風力發(fā)電的過程中，齒輪箱的運行環(huán)境相對復雜，承擔的變載荷變得極為復雜。再加上我國風力發(fā)電相對發(fā)達國家而言起步較晚，對風力的統(tǒng)計沒有及時的收集，尤其變載荷的數(shù)據(jù)文獻。結合我國遼闊的國土，對風能開發(fā)具有非常大的前景，對風能的利用也能緩解能源不足和環(huán)境污染的困境，因此，有必要對風力發(fā)電機的動力學進行分析研究，以此提高風能的利用，改善我國的能源結構，加速經(jīng)濟的快速發(fā)展。

2.風力發(fā)電機的動力學分析

經(jīng)過多年的發(fā)展，國內外的許多學者都對齒輪傳動系統(tǒng)動力學進行了深入研究分析。尤其是特殊環(huán)境下的模擬分析，比如：風力發(fā)電機的齒輪箱，都有著嚴格的分析，目前基本上對風力發(fā)電機的研究大方向得到很好的解決，但依然存在一些較小的問題，影響著風力發(fā)電機的運行工作，比如：使用壽命、重載、性能等。

風力發(fā)電機的工作過程，不可避免的會出現(xiàn)齒輪箱的振動，其振動的類型大致上可以劃分為三類：第一，由于齒輪傳動中負載是隨著齒輪的嚙合進行傳遞的，都是成對的出現(xiàn)，必然有齒輪的哨入、嚙出沖擊，這樣會造成單個齒輪上載荷的變化，引起所在軸的旋轉；第二，齒輪產(chǎn)生的嚙合力會隨著外界載荷的變化實時的調整，如果出現(xiàn)忽大忽小的變載荷和方向的改變，都會引起變速箱的振動，從而影響齒輪的正常嚙合，不利于變速箱的傳遞。第三，由于風力的不穩(wěn)定性和變向性，使得零部件的精度變得越來越差，進而增大零部件的摩擦，引起熱變形，進一步破壞變速箱等零部件的磨損，產(chǎn)生更大的沖擊，陷入惡性循環(huán)。

本文以大型風力發(fā)電機齒輪箱傳動系統(tǒng)為研究對象，建立齒輪傳動系統(tǒng)的動力學模型，對其進行分析。在建立齒輪系統(tǒng)動力學模型時，作出如下假設：第一，齒輪、軸和軸承均為彈性體，箱體為剛箱體；第二，由于直齒輪沒有軸向力，假定每個構件都在垂直于軸線的平面內振動；第三，忽略輪齒哨合時齒間的摩擦力，系統(tǒng)中的阻尼都為粘性阻尼，并不考慮齒側間隙的影響，假定齒輪哨合力式中作用在哨合線上，各行星輪沿圓周分布，且質量質量、支撐剛度等參數(shù)均相等；其齒輪傳動系統(tǒng)的幾何模型的結構簡圖如圖2所示。

一般風力發(fā)電機組由三級齒輪傳動組成，第一級輸入級，由內齒圈、太陽輪和三對行星齒輪組成，是內哨合的直齒行星齒輪傳動；第二級為中間級，由一對小齒輪和大齒輪組成，是外哨合的斜齒圓柱齒輪傳動；第三級為輸出級，由一對大齒輪和小齒輪組成，是外哨合的直齒圓柱齒輪傳動。系統(tǒng)通過葉片把風能轉變成機械能，然后通過主軸傳遞給行星架，通過齒輪箱增速，由高速端輸出驅動發(fā)電機轉變成電能。其建立的三維空間動力學模型如圖3所示。

在完成風力發(fā)電機的整機建模后，皆可以對其進行計算和仿真，以此判定該模型存在的缺陷和不足，為后期的分析奠定良好的基礎。尤其是動力學分析，用科學的方法有效的分析了對風力發(fā)電機模型研究的重要性。

3.總結

通過以風力發(fā)電機為研究對象，從風力發(fā)電機存在的問題入手，合理分析其運行中的不足，并結合現(xiàn)代先進的技術手段，采取相應的措施和方法，以此提高風力發(fā)電機的發(fā)電效率和穩(wěn)定性，以此降低風力發(fā)電的成本，與此同時，確保風力發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行，為我國風力發(fā)電的應用提供一定的理論依據(jù)。

參考文獻：

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作者簡介：孫宇（1989.05.27）男，漢族，遼寧省營口市人，本科學歷，中級職稱，從事風力發(fā)電工作。