新型變槳風力機結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能分析

吳勝勝，包道日娜，劉旭江，劉嘉文，劉東

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學，內(nèi)蒙 古呼和浩特 010051）

0 引言

隨著風力發(fā)電成本的逐漸降低以及陸上風電開發(fā)的不斷成熟，海上風電和分布式風能利用將快速增長。分布式風電布局在負荷中心附近，不以大規(guī)模遠距離輸送電力為目的，所產(chǎn)生的電力就近接入當?shù)仉娋W(wǎng)消納，有利于進一步提高能源利用率[1]。2017年，全國首個分布式風電項目在江蘇投運，開辟了經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)就近開發(fā)利用風電的新道路[2]。近年來，我國中小型風能設(shè)備制造行業(yè)呈現(xiàn)減緩趨勢，通過提升中小型風電產(chǎn)品質(zhì)量，加快技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新有利于推動中小型風電及分布式電網(wǎng)進一步發(fā)展。

小型風力發(fā)電機普遍采用定槳距失速或被動變槳方式進行大風限速保護，其輸出功率穩(wěn)定性較差，無法滿足功率實時主動控制要求。國內(nèi)外學者對小型風力機功率控制方式進行了大量研究。青島安華小型變槳距風力機質(zhì)量優(yōu)勢明顯，已有1款產(chǎn)品獲得Class NK認證[3]。Wei Xie[4]提出了水平軸風力機傘形轉(zhuǎn)子概念，并制作樣機模型進行風洞實驗驗證了該結(jié)構(gòu)對功率控制的有效性。徐學根[5]以某型號小型被動變槳風力機為研究對象，計算得到槳葉變槳驅(qū)動力，并通過平衡離心重錘與變槳彈簧之間的重量、力臂、行程、剛度及預緊力關(guān)系，得到轉(zhuǎn)速限制和提升功率輸出的結(jié)論。Macphee D W[6]研究了一種葉片由柔性材料制成的新型風力發(fā)電機，使用數(shù)值模擬及風洞試驗的方法對該風力機進行分析，試驗結(jié)果證明了采用柔性葉片可以改變?nèi)~片表面壓力分布，改善風力機輸出性能。Mohammadi E[7]設(shè)計了一種失速調(diào)節(jié)風力機葉片，對其進行仿真模擬，研究了高風速下風力機失速現(xiàn)象及風力機輸出性能。Bidyadhar S[8]從智能控制的角度提出了一種基于多重自適應控制方案，在減小發(fā)電機功率和速度波動的同時使風力機葉片應力最小化。

雖然國內(nèi)外學者對小型風力機功率控制展開了大量研究，并取得了一定成果，但仍無法完全滿足小型風力機對控制方式簡單可靠、成本低廉、實時準確的要求。因此本文設(shè)計了一種新型主動統(tǒng)一變槳風力機調(diào)節(jié)裝置，通過3D打印制作小比例樣機模型，驗證變槳調(diào)節(jié)裝置的可行性及設(shè)計的合理性，同時利用ANSYS Workbench軟件對建立的風力機模型進行了數(shù)值模擬仿真，分析變槳風力機功率控制性能及載荷變化情況，為實體樣機加工制作及風洞試驗提供參考。

1 新型變槳調(diào)節(jié)裝置設(shè)計方案

1.1 總體結(jié)構(gòu)方案

本文設(shè)計的新型變槳調(diào)節(jié)裝置可實現(xiàn)各葉片主動同步變槳，變槳動作由一推桿帶動三對齒輪齒條傳動。變槳系統(tǒng)主要由控制器、驅(qū)動機構(gòu)和傳動機構(gòu)組成。驅(qū)動機構(gòu)包括伺服電機和渦輪蝸桿減速器；傳動機構(gòu)包括導軌、推桿、齒輪、齒條、葉片傳動件及同步叉等。圖1為新型變槳裝置的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of overall structure

伺服電機與蝸輪蝸桿減速器通過支架固定安裝于風力機機艙底板，絲桿前端法蘭盤通過螺栓與推力軸承架連接，推力軸承架內(nèi)設(shè)有一雙向推力軸承，通過推桿軸肩、止推環(huán)及外側(cè)螺母固定。推桿一端穿過發(fā)電機中空軸，與中空軸內(nèi)銅套配合實現(xiàn)軸向移動，另一端固定安裝同步叉。同步叉上安裝有3個定制加工的齒條，齒條在輪轂導向臺內(nèi)移動并與齒輪配合，齒輪通過花鍵軸固定安裝于葉片傳動件底部。葉片傳動件法蘭與變槳軸承內(nèi)圈通過螺栓連接，變槳軸承外圈安裝于輪轂法蘭處，以實現(xiàn)葉片傳動件與輪轂的相對轉(zhuǎn)動。在安全保障措施方面，該新型變槳風力機為保證葉片在設(shè)定角度范圍內(nèi)安全運行，調(diào)節(jié)機構(gòu)導軌處設(shè)有最大、最小電子限位開關(guān)，輪轂內(nèi)部傳動機構(gòu)設(shè)有機械限位卡臺，全方位保證變槳機構(gòu)安全可靠地實現(xiàn)葉片變槳動作。

1.2 工作原理

變槳風力機由于特殊結(jié)構(gòu)的要求，若各葉片槳距角在變槳過程中不一致，將由于氣動載荷不平衡造成風力機振動，嚴重時還可能危及機組運行安全，因此，需要額外安裝角位計或其它位置傳感器，將槳葉位置傳輸給變槳控制器，以保證各葉片在變槳過程中槳距角保持一致，避免氣動不平衡造成的危害。本文所設(shè)計的新型變槳調(diào)節(jié)方式由一推桿及同步叉帶動齒輪齒條傳動機構(gòu)在輪轂內(nèi)導向臺作用下實現(xiàn)各葉片同步變槳，不需要額外的槳距角位置傳感器，變槳過程中自動實現(xiàn)同步變槳，結(jié)構(gòu)簡單可靠。輪轂內(nèi)部調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝示意圖如圖2所示。

圖2 調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝示意圖Fig.2 Installation schematic diagram of regulating mechanism

風力發(fā)電機變槳距控制通常利用風速測量儀測得的風速信號作為變槳依據(jù)，由于成本的限制，該方法不適用于小型風力發(fā)電機，因此，本文提出了一種基于風輪轉(zhuǎn)速的變槳控制方法。當控制器檢測到主軸轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速一定范圍，需進行功率調(diào)節(jié)時，控制器發(fā)出變槳指令，通過簡單的同步及導向裝置將推桿和齒條的直線運動轉(zhuǎn)化為齒輪與葉片的旋轉(zhuǎn)運動，從而改變?nèi)~片槳距角，控制風力機功率輸出，降低強風天氣運行載荷，保護機組安全運行。變槳調(diào)節(jié)機構(gòu)工作原理如圖3所示。

圖3 工作原理圖Fig.3 Principle diagram

2 關(guān)鍵零部件選型

2.1 風力機載荷分析

風力機運行過程中，風輪承受著復雜的交變載荷，為研究變槳風力機運行過程中葉片載荷的變化情況，建立了葉片坐標系（圖4）。

圖4 葉片坐標系Fig.4 Blade coordinate system

作為連接葉片與輪轂的重要零部件，變槳軸承同時承擔著傳遞變槳載荷的作用，受到葉片和葉片連接件產(chǎn)生的離心力Fz以及風載作用于葉片產(chǎn)生的彎矩My。在風輪旋轉(zhuǎn)過程中，F(xiàn)z是變槳軸承及輪轂疲勞的主要載荷。本文通過模擬分析結(jié)合數(shù)值計算的方法，重點分析計算Fz，為變槳軸承設(shè)計選型提供理論基礎(chǔ)。

2.2 變槳軸承選型

為進行變槳軸承載荷計算與選型，查詢相關(guān)零部件材料屬性，并通過Creo進行了質(zhì)量分析。葉片選用玻璃纖維復合材料，密度為1.8×103kg/m3；葉片連接件與齒輪選用45號鋼，密度為7.85×103kg/m3。由Creo質(zhì)量分析功能模塊，對建立的1：1葉片、葉片連接件及齒輪三維模型定義密度，分析零件質(zhì)量及質(zhì)心位置，基本參數(shù)的載荷計算結(jié)果如表1所示。

表1 載荷計算基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of load calculation

變槳軸承額定工況下所受Fz為

式中：R1為葉片質(zhì)心到風輪旋轉(zhuǎn)中心距離；R2為葉片傳動件質(zhì)心到風輪旋轉(zhuǎn)中心距離；R3為齒輪質(zhì)心到風輪旋轉(zhuǎn)中心距離；n為額定轉(zhuǎn)速。

通過分析該風力機變槳機構(gòu)的工作特點，Creo模擬分析數(shù)據(jù)以及載荷基本估算為軸承選型提供了參考依據(jù)，最終選取RU85UUCC0P5型交叉滾子軸承，額定載荷為20.3 kN，可滿足該風力機的基本工作要求。

2.3 運動仿真與小比例模型測試驗證

通過Creo建立機構(gòu)仿真模型進行運動學仿真，同時檢查機構(gòu)有無干涉現(xiàn)象，最終對仿真結(jié)果進行回放。該機構(gòu)可在推桿驅(qū)動下帶動齒輪齒條機構(gòu)順利完成葉片變槳動作，檢查無運動干涉現(xiàn)象，驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。為避免設(shè)計與仿真過程中存在的未知性錯誤，針對1.5 kW風力機三維模型進行等比例縮小，利用熔融沉積3D打印技術(shù)加工制造部分零部件，組裝制作小比例樣機模型（圖5）。通過尾部電動推桿作用使模型樣機葉片繞變槳軸承做旋轉(zhuǎn)運動，整個過程平穩(wěn)順暢，無運動干涉現(xiàn)象，與仿真檢測結(jié)果一致，該測試也說明了變槳傳動裝置的可行性。

圖5 3D打印樣機模型Fig.5 3D printing prototype model

3 模擬仿真分析

3.1 輸出特性分析

為研究變槳風力機輸出功率隨槳距角、風速以及轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，運用ANSYS Workbench軟件中的CFX模塊對1.5 kW風輪簡化模型進行有限元分析，得到不同工況下主軸功率的變化曲線（圖6）。

圖6 不同工況下主軸功率的變化情況Fig.6 Variation of spindle power under different working conditions

由圖6可知：當主軸轉(zhuǎn)速為375 r/min時，隨著風速的增加，通過適當調(diào)節(jié)葉片槳距角可有效控制風力機在額定功率值附近運行；當主軸轉(zhuǎn)速為350 r/min時，隨著風速的增加，增大槳距角的同時功率值逐漸增大；當主軸轉(zhuǎn)速為390 r/min時，隨著風速增加，功率值逐漸衰減，說明在低轉(zhuǎn)速條件下，增大槳距角對該風力機輸出功率的抑制效果較差；在高轉(zhuǎn)速條件下，增大槳距角對該風力機功率輸出性能有較強抑制作用，尤其在風速為17 m/s、槳距角為20?時，風輪轉(zhuǎn)速為390 r/min時的主軸輸出功率比350 r/min時降低了38%。

為了分析槳距角的變化對該風力機輸出功率的抑制能力，在額定轉(zhuǎn)速為375 r/min時，對不同風速下主軸功率的變化進行分析，得到主軸功率隨槳距角的變化曲線（圖7）。

圖7 不同風速下主軸功率隨槳距角的變化情況Fig.7 Variation of spindle power with pitch angle under different wind speeds

由圖7可知：在同一槳距角條件下，風速越高主軸輸出功率越大；而在同一風速條件下，隨著槳距角的增加，主軸功率總體呈減小趨勢，在槳距角為3～11?時下降趨勢較緩，槳距角超過11?后，功率快速衰減。造成該趨勢的主要原因是在某一固定葉尖速比下，隨著槳距角的增加，風力機的氣動性能下降，風能利用系數(shù)降低，從而導致輸出功率隨槳距角增加而逐漸減小[9]。

為進一步探究該風力機不同槳距角大小對風速變化的敏感性，做出不同風速區(qū)間段風速每增加1 m/s時的功率增長率隨槳距角的變化曲線，如圖8所示。

圖8 主軸功率增長率隨槳距角的變化趨勢Fig.8 Variation trend of spindle power growth rate with pitch angle

由圖8可知：槳距角由3?增加到11?時，主軸功率最大增長率為31%；槳距角由11?增加到15?時，主軸功率增長率最高達57%。以上結(jié)果說明，槳距角越大，風速增加造成的功率增長率越高，即在大槳距角條件下，該風力機主軸輸出功率對風速的敏感性較高。

3.2 風輪載荷分析

為研究該變槳風力機功率控制過程中風輪載荷的變化情況，利用單向流固耦合方法，通過ANSYS Workbench軟件對風輪模型進行結(jié)構(gòu)靜力學計算，分析超額定風速條件下該風力機葉片應力及風輪軸向推力變化規(guī)律。模擬得出的不同工況下風力機葉片的應力云圖（圖9）（圖中數(shù)值單位為MPa）。由圖9可知：葉片應力集中區(qū)域主要在葉片根部與葉片中部靠近前緣位置；隨著槳距角與風速的增加，應力集中區(qū)域逐漸從葉片中部向葉根方向偏移，最大應力值也呈減小趨勢。

圖9 不同工況下葉片的應力云圖Fig.9 Stress nephogram of blade under different working conditions

分析不同轉(zhuǎn)速下葉片應力隨槳距角的變化規(guī)律，研究轉(zhuǎn)速對風輪葉片載荷的影響，分別模擬得到主軸轉(zhuǎn)速為350，375，390 r/min時，不同工況下葉片最大應力的變化曲線（圖10）。

圖10 不同工況下葉片最大應力的變化情況Fig.10 Variation of blade maximum stress under different working conditions

由圖10可知：在同一轉(zhuǎn)速下，在槳距角不斷增大的過程中，葉片最大應力值總體呈下降趨勢，但在轉(zhuǎn)速為390 r/min，槳距角為17?時，最大應力值有突增情況，通過對比分析該工況下的應力云圖，認為造成最大應力值突增的原因是最大應力發(fā)生部位由葉中向葉根遷移，而葉中部位應力值呈下降趨勢；在不同轉(zhuǎn)速下，小槳距角范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高葉片最大應力值越大，隨著槳距角逐漸增大，轉(zhuǎn)速對葉片應力值的影響逐漸減小。以上結(jié)果說明在增大槳距角進行輸出功率控制的同時，該變槳風力機的葉片載荷得到了有效控制。

不同風速下風輪推力隨槳距角的變化曲線如圖11所示。由圖11可知：當槳距角一定時，風速越高風輪推力越大；當風速一定時，隨著槳距角的增加，風輪推力呈下降趨勢，其中風速為11 m/s，槳距角由3?增加到15?時，風輪推力下降最明顯，由最初的360.62 N下降到了69.46 N，總體下降了81%，可見增加槳距角對降低風輪推力是有效的。造成該趨勢的原因一方面是隨著槳距角的增加風輪實度降低（風輪推力隨著實度的減小而減?。涣硪环矫媸亲儤獙е驴諝鈩恿π韵陆祻亩棺饔糜陲L輪上的氣動載荷降低，風輪推力隨之降低。

圖11 不同風速下風輪推力隨槳距角變化規(guī)律Fig.11 Variation of wind turbine thrust with pitch angle at different wind speeds

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種新型統(tǒng)一變槳調(diào)節(jié)風力機，為小型風力機提供了一種新的功率控制方式，并基于1.5 kW風輪模型進行了數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論。

①利用三維建模軟件Creo對新型變槳調(diào)節(jié)裝置進行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析了其基本工作原理，最后使用3D打印機制作小比例模型，驗證了該設(shè)計方案的可行性。

②通過對該變槳風力機主軸輸出特性進行模擬，在轉(zhuǎn)速為390 r/min的條件下，增大槳距角對其功率輸出性能有較強的抑制作用；當風速為17 m/s，槳距角為20?時，風輪轉(zhuǎn)速為390 r/min時的主軸輸出功率比轉(zhuǎn)速為350 r/min時降低了38%。

③通過分析風輪載荷變化情況可知，葉片應力集中區(qū)域主要在葉片中部靠近前緣以及葉根部位，隨著槳距角增加，應力集中區(qū)域由葉中向葉根轉(zhuǎn)移，最大應力值總體呈下降趨勢。

④在不同風速條件下，主軸推力隨槳距角增大呈下降趨勢，當風速為11 m/s時，槳距角由3?增加到15?過程中，風輪推力下降最為明顯，由360.62 N下降到了69.46 N，總體下降了81%。