中小型風(fēng)電機(jī)組機(jī)械氣動(dòng)式變槳距機(jī)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)

相學(xué)仁

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變槳距機(jī)構(gòu)作為風(fēng)電機(jī)組控制部件之一，有著十分關(guān)鍵的作用，所以，我們要更加清楚中小型風(fēng)電機(jī)組機(jī)械氣動(dòng)式變槳距機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，提高設(shè)計(jì)的水平，提升設(shè)計(jì)的質(zhì)量[1]。

1 液壓變槳距系統(tǒng)

隨著“低碳”這個(gè)名詞走進(jìn)人們的生活，大家對(duì)可再生能源的關(guān)注度日益增大。隨著煤、石油的大量開(kāi)采，能源問(wèn)題引起了世界各個(gè)國(guó)家的警惕，可再生潔凈能源尤其風(fēng)能開(kāi)始受到人們的重視，風(fēng)力發(fā)電得到了飛速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)和控制都在逐漸完善，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組占著主導(dǎo)地位并將慢慢取代定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。變槳距最常規(guī)的解釋就是調(diào)節(jié)槳距角。在風(fēng)電機(jī)中，主動(dòng)改變槳距角可以克服被動(dòng)改變（定槳距）的許多缺點(diǎn)。

槳距角最重要的應(yīng)用是在功率調(diào)節(jié)方面，控制槳距角還有其他益處。例如，當(dāng)風(fēng)輪開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí)，采用較大的正槳距角可以產(chǎn)生1個(gè)較大的起動(dòng)力矩；停機(jī)時(shí)，經(jīng)常采用90°的槳距角，以使風(fēng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)風(fēng)輪的空轉(zhuǎn)速度最小。液壓變槳距系統(tǒng)由電動(dòng)液壓泵提供工作動(dòng)力來(lái)源，液壓油作為傳遞介質(zhì)，電磁閥作為控制單元，通過(guò)將液壓缸活塞桿的徑向運(yùn)動(dòng)變?yōu)闃~的圓周運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)槳葉的變槳距。液壓變槳距系統(tǒng)由液壓缸、控制閥塊、液壓缸液壓水泵站、蓄能器和管路構(gòu)成?？墒棺儤刂破鞲鶕?jù)功率或者轉(zhuǎn)速信號(hào)給出1個(gè)電壓信號(hào)，再通過(guò)電液比例閥控制器轉(zhuǎn)換成一定范圍的電流信號(hào)，并控制流量的大小和方向。液壓變槳距控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單和元器件使用周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，同時(shí)，其不足之處是容易漏油；所以，要求在一定的周期內(nèi)對(duì)液壓油和濾清器進(jìn)行更換。

液壓變槳距控制系統(tǒng)的維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單和方便，從而其可靠性大大增強(qiáng)，該系統(tǒng)精簡(jiǎn)且具備高度的安全性；同時(shí)該系統(tǒng)是一種動(dòng)力系統(tǒng)，在緊急情況下能夠使其在無(wú)外部電力供應(yīng)的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，而且由于其內(nèi)只有少量的非電動(dòng)部件，非常容易進(jìn)行安全操作。另外，該系統(tǒng)的抗振動(dòng)和故障效果良好。由于具有維護(hù)保養(yǎng)價(jià)格低廉、使用周期長(zhǎng)和系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，液壓變槳距控制系統(tǒng)非常值得投資。無(wú)間隙運(yùn)轉(zhuǎn)是液壓系統(tǒng)的一大優(yōu)勢(shì)，因此，液壓變槳距控制系統(tǒng)的機(jī)械磨損大大減小；與此同時(shí)，阻尼的最大化使得該系統(tǒng)的運(yùn)行效果有了最優(yōu)的體現(xiàn)，特別是出現(xiàn)陣風(fēng)或強(qiáng)氣流時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)引起的磨損在風(fēng)輪葉片的快速變化中得到優(yōu)化控制和有效阻礙。

液壓變槳距控制系統(tǒng)有下述幾個(gè)缺點(diǎn)：（1）變槳距控制大量地使用了電磁閥，大大增加了該系統(tǒng)產(chǎn)生故障的可能性；（2）當(dāng)氣溫較低時(shí)，采用液壓變槳方式的風(fēng)電機(jī)組，由于需要對(duì)液壓油進(jìn)行加熱，導(dǎo)致該機(jī)組起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，甚至出現(xiàn)由于液壓油黏稠度高導(dǎo)致變槳距變槳角偏離設(shè)定值和功率控制錯(cuò)誤的情況；（3）壓力內(nèi)泄或系統(tǒng)能量遺失的情況下，液壓泵就會(huì)不斷地加壓，長(zhǎng)此以往，接觸器的吸合次數(shù)就明顯加大了，直接導(dǎo)致的結(jié)果就是接觸器需要經(jīng)常更換；（4）液壓系統(tǒng)受諸多外界因素影響比較大，對(duì)葉片角度控制精度相對(duì)較差，風(fēng)電機(jī)功率曲線不盡理想；（5）該系統(tǒng)在大功率風(fēng)電機(jī)上的實(shí)用性較差。

2 變槳距機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)期工作過(guò)程

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，利用葉片承受的正面軸向壓力，通過(guò)三根拉桿將軸向力傳遞到變槳距機(jī)構(gòu)[2]。當(dāng)工作風(fēng)速在額定風(fēng)速以下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，風(fēng)輪傳遞到變槳距機(jī)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(dá)到額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)輪傳遞到變槳距機(jī)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(guò)額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)輪傳遞到變槳距機(jī)構(gòu)的壓力克服了拉伸簧的預(yù)緊力，變槳距機(jī)構(gòu)進(jìn)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(zhǎng)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(shí)，其變化過(guò)程與風(fēng)速增加時(shí)相反。

2.2 風(fēng)電機(jī)組模型參數(shù)

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

2.3 風(fēng)輪壓力的計(jì)算

當(dāng)風(fēng)速超過(guò)風(fēng)電機(jī)組的額定風(fēng)速（11m/s）時(shí)，風(fēng)輪壓力才能克服變槳距機(jī)構(gòu)彈簧預(yù)緊力，變槳距機(jī)構(gòu)進(jìn)入工作狀態(tài)，因此，在計(jì)算風(fēng)輪壓力時(shí)，只需計(jì)算風(fēng)速在11m/s-20m/s范圍內(nèi)的風(fēng)輪壓力。風(fēng)輪壓力計(jì)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。

3 變槳距機(jī)構(gòu)拉伸彈簧的設(shè)計(jì)

3.1 拉伸彈簧設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)圓柱拉伸彈簧，該彈簧在隨機(jī)的交變載荷下工作，根據(jù)安裝要求彈簧自由長(zhǎng)度約280mm-310mm，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=1.81kN。

3.2 拉伸彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算

因彈簧在隨機(jī)的交變載荷下工作，按Ⅱ類(lèi)彈簧來(lái)考慮。彈簧的材料選用65Mn，假設(shè)彈簧絲直徑按5mm、6mm、7mm三種尺寸進(jìn)行試算[3]。

4 變槳距機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變槳距機(jī)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(jī)構(gòu)連接方式是通過(guò)緩沖氣缸總成底部的法蘭盤(pán)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(dòng)力中心處的拉桿螺栓相連接。當(dāng)工作風(fēng)速超過(guò)機(jī)組額定風(fēng)速時(shí)，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(shí)風(fēng)輪葉片繞葉片軸旋轉(zhuǎn)一定角度，實(shí)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(duì)應(yīng)變槳距的機(jī)構(gòu)最大行程200mm。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，中小型風(fēng)電機(jī)組機(jī)械氣動(dòng)式變槳距機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法很多，我們要根據(jù)其具體的設(shè)計(jì)方案，采取更好的設(shè)計(jì)技術(shù)，本文總結(jié)了中小型風(fēng)電機(jī)組機(jī)械氣動(dòng)式變槳距機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)措施，可供今后參考和借鑒。