畢業(yè)設(shè)計（論文）-風(fēng)力發(fā)電機液壓獨立變漿機構(gòu)設(shè)計

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1、密級： 風(fēng)力發(fā)電機液壓獨立變漿機構(gòu)設(shè)計 Dnesign on the Mechanism of Individual Hydraulic Variable-pitch for Wind Turbine 全套圖紙加扣 3346389411或3012250582 學(xué) 院： 專 業(yè) 班 級： 學(xué) 號： 學(xué) 生 姓 名： 指 導(dǎo) 教 師： 摘 要 風(fēng)能是一種清潔的永續(xù)能源，風(fēng)力發(fā)電逐漸成為許多國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。隨著風(fēng)

2、力發(fā)電應(yīng)用的日益廣泛，風(fēng)力機組技術(shù)也進行大量革新，從矢速控制發(fā)展到變槳距控制，從定速運行發(fā)展到變速恒頻，從齒輪箱傳動發(fā)展到無齒直驅(qū)和混合驅(qū)動技術(shù)。變槳距控制作為大型風(fēng)力機組的關(guān)鍵技術(shù)之一，使風(fēng)電機組提供了更好的輸出功率品質(zhì)，本文對液壓獨立變槳距機構(gòu)進行了初步的理論分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計。 首先，采用變距機構(gòu)的風(fēng)力機可以使葉輪重量減輕，并使整機的受力狀況大為改善，并能在偏航機構(gòu)的輔助下，更多的捕獲風(fēng)能，而且在單一槳葉遇到故障停機時，其余兩槳葉仍可繼續(xù)帶傷工作，減少事故的發(fā)生，大大提高了風(fēng)機運行的安全性。 其次，通過廣泛的查閱相關(guān)資料，了解風(fēng)力發(fā)電的歷史，及目前兆瓦級風(fēng)機組的發(fā)展狀況及研究成果，在

3、國內(nèi)外的發(fā)展及其趨勢，并且通過學(xué)習(xí)，了解液壓變漿距的相關(guān)知識。 再次，本文在風(fēng)力機空氣動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，提出風(fēng)力機變槳距控制策略;改變傳統(tǒng)的曲柄機構(gòu)驅(qū)動槳葉旋轉(zhuǎn)的統(tǒng)一變槳距方式，設(shè)計了搖塊機構(gòu)驅(qū)動葉片旋轉(zhuǎn)的獨立液壓變槳距機構(gòu)，通過理論分析與計算得出風(fēng)力機在極端運行條件下變槳距所需推力，同時經(jīng)過計算分析得出槳葉的驅(qū)動力，從而為下一步的設(shè)計及液壓系統(tǒng)提供參數(shù)。 最后，通過分析計算所得的槳葉的驅(qū)動力，進行主要部件的計算選擇，設(shè)計獨立液壓變漿機構(gòu)的液壓部分。 關(guān)鍵詞 風(fēng)力發(fā)電；獨立變漿距；液壓 ABSTRACT Wind energy is

4、 a clean and sustainable energy and has become an important part of the strategy of sustainable development in many countries.With the wide using of wind power, wind turbine technology updates a lot ,such as from stall control to variable-pitch control，from fixed speed to variable speed and constant

5、 frequency，from transmission technology of the gear box to gearless driving and hybrid driving technology. Since the variable-pitch control was one of the key techniques in big-size wind turbine,this thesis applies theoretical analysis，simulation analysis and experimental validation to the study of

6、the electro-hydraulic proportional hydraulic variable-pitch control system. Analysis the theory and design the structure for the independent hydraulic pitch-controlled system preliminary in this paper Firstly, the mechanism of variable for wind turbine can make institutions impeller the weight,an

7、d improved the force situation of the whole wind turbine.and more capture the wind energy at the help of yaw system.When a single blades meet downtime,the remaining two blades still can continue to work. reduce accidents, and greatly improving the operation safety of the wind turbine. Secondly,T

8、hrough the extensive access relevant information, understanding of wind power, and the present development and research results of MW wind turbine . Thirdly，based on the aerodynamic analysis of wind turbine，the variable-pitch control strategy of the wind turbine was derived.It also changes the tr

9、aditional variable-pitch approach driven by the crankshaft swinging bar mechanism,and designs the live hydraulic variable-pitch mechanism driven by the swing block mechanism.The thesis figures out the needed thrust pitch of the wind turbine under extreme operational conditions through the theoretica

10、l analysis,and designs variable-pitch Hydraulics system. Finally,through the analysis and calculation of the blades to calculatedthe driving force and select the main parts , Design hydraulic calculation and institution of the independent hydraulic parts. KEY WOEDS： Wind power；individual variable

11、-pitch；hydraulic i 目 錄 摘 要 II 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2 本文研究的目的及意義 1 1.2.1 本文研究的目的 1 1.2.2本文研究的意義 2 1.3國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀 2 1.3.1 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.3.2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀 3 1.3.3風(fēng)電機組變槳距系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 4 1.3,4風(fēng)力發(fā)電機組技術(shù)的發(fā)展趨勢 6 第二章 獨立液壓變槳距系統(tǒng)總體設(shè)計 8 2.1變槳距系統(tǒng)控制原理 8 第三章 變槳距機構(gòu)的分析與計算 13 3.1變漿距系統(tǒng)驅(qū)動力的計算 13

12、 3.2液壓油缸的選擇 15 第四章 液壓系統(tǒng)總體設(shè)計 17 第五章 結(jié)論 22 參 考 文 獻 23 致 謝 25 2 ****大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第一章 緒論 1.1前言 能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當(dāng)今國際政治、經(jīng)濟、軍事、外交關(guān)注的焦點。中國經(jīng)濟社會持續(xù)快速發(fā)展，離不開有力的能源保障。我國能源資源品種豐富，人均占有量較少。水能和煤炭資源蘊含量分別居世界第一位和第三位，石油和天然氣資源的探明剩余可采儲量目前僅列世界第13和第17位，各種能源資源人均占有量都低于世界平均水平[1]。在世界化石能源快速消耗，環(huán)境污染日益嚴重的形勢下，風(fēng)能

13、作為一種清潔的永續(xù)能源，與傳統(tǒng)能源相比，風(fēng)力發(fā)電不依賴外部能源，沒有燃料價格風(fēng)險，發(fā)電成本穩(wěn)定，也沒有碳排放等環(huán)境成本;此外，可利用的風(fēng)能在全球范圍內(nèi)分布都很廣泛。正是因為有這些獨特的優(yōu)勢，風(fēng)力發(fā)電逐漸成為許多國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分[2]。 1.2 本文研究的目的及意義 1.2.1 本文研究的目的 目前，世界范圍內(nèi)能源緊缺，傳統(tǒng)能源又對環(huán)境產(chǎn)生較大的污染，因此新能源越來越顯示出其重要地位。我國并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電機組自70年代問世以來，已經(jīng)歷了近30年的發(fā)展歷史。但由于一開始技術(shù)條件匱乏，設(shè)計人員對風(fēng)力機的運行工況認識不足等種種原因，所設(shè)計的變距系統(tǒng)，其可靠性遠不能滿足風(fēng)力機正

14、常運行的要求，使后來進入商品化的風(fēng)機都放棄了變距機構(gòu)而采用了較為簡單而又穩(wěn)定的定槳距結(jié)構(gòu)。經(jīng)過長時間的探索實踐，隨著技術(shù)條件的改善，設(shè)計人員對風(fēng)力機的運行工況和各種受力狀態(tài)已經(jīng)有了深入的了解，不再滿足于僅僅提高風(fēng)力機運行的可靠性，而開始追求更高的風(fēng)能利用系數(shù)以捕獲更多的風(fēng)能，來得到更大的輸出功率。葉片技術(shù)的發(fā)展使得變漿距系統(tǒng)的普遍化打下了基礎(chǔ)。采用變距機構(gòu)的風(fēng)力機可以使葉輪重量減輕，并使整機的受力狀況大為改善，并能在偏航機構(gòu)的輔助下，更多的捕獲風(fēng)能，而且在單一槳葉遇到故障停機時，其余兩槳葉仍可繼續(xù)帶傷工作，減少事故的發(fā)生，大大提高了風(fēng)機運行的安全性。 1.2.2本文研究的意義 我國擁有非常

15、豐富的風(fēng)能資源，并且是世界上利用風(fēng)力最早的國家之一，但進行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)科研的工作起步較晚，使得風(fēng)力發(fā)電的諸多關(guān)鍵技術(shù)壟斷在歐美，特別是丹麥等國家的手中。隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，缺乏風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)己成為制約我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大障礙，特別是與風(fēng)電發(fā)達國家相比，我國風(fēng)電技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機組大型化、變槳距控制技術(shù)和變速恒頻等先進風(fēng)電技術(shù)研發(fā)方面還存在較大差距。 基于這樣的技術(shù)現(xiàn)狀，我國已投入運行的風(fēng)電機組絕大部分是進口機組，實現(xiàn)國產(chǎn)化的機組中很大一部分也是仿制國外引進的生產(chǎn)技術(shù)，使我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)不但受到運輸、安裝、售前售后等方面的制約，而且機組安裝成本過高，加大了全面實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的難度。中國不能全面

16、實現(xiàn)國產(chǎn)化，究其根本來說，設(shè)計水平仍然是最主要的制約因素。所以加快我國風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，實現(xiàn)自主知識產(chǎn)權(quán)是目前急待解決的問題。所以，作為大型變槳距風(fēng)力機核心技術(shù)，變槳距控制技術(shù)的研究是我國當(dāng)前在風(fēng)電領(lǐng)域的重要課題之一。本論文對風(fēng)電技術(shù)中關(guān)鍵技術(shù)之一的液壓變槳距系統(tǒng)作了初步的研究，具有重要的現(xiàn)實意義。 1.3國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀 1.3.1 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 據(jù)全球風(fēng)能理事會(GWEC)統(tǒng)計資料，2007年全球新增風(fēng)電裝機容量2000萬KW，分布在全球70多個國家和地區(qū)，其中，排在前五位的是美國(520萬KW)、西班牙(350萬KW)、中國(330萬KW)、印度(170萬KW)、德國(166

17、萬KW)。在歐洲和美國，新增風(fēng)電裝機容量在近幾年成為僅次于新增天然氣發(fā)電裝機容量的第二大新增電源。根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會預(yù)測，世界風(fēng)電裝機2010年為2億KW，2020年為12億KW，2030年為27億KW。屆時風(fēng)電將分別占世界總量的2.26%、12%和21%，風(fēng)電將逐漸成為主要的替代能源[3]。 我國風(fēng)能資源豐富，已探明風(fēng)能理論儲量為犯.26億KW，而內(nèi)陸可開發(fā)利用的為2.5億KW，近?？衫蔑L(fēng)能為7.5億KW，主要集中在沿海、西北、東北及華北的北部地區(qū)，但風(fēng)力發(fā)電在我國還處于發(fā)展的初級階段，屬于朝陽產(chǎn)業(yè)。1994年并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組裝機30眾W，年發(fā)電量7500萬K認飛;到 2000年底，并網(wǎng)

18、型風(fēng)力發(fā)電機組容量已達344MW，年發(fā)電量約8.6億KWh，同時還有13萬臺小型獨立運行的風(fēng)力發(fā)電機在廣大牧區(qū)、海島、有風(fēng)無電的邊遠地區(qū)運行;最新統(tǒng)計數(shù)字顯示，截止到2006年底，全國風(fēng)能資源豐富的14個省(自治區(qū))已建成并網(wǎng)型風(fēng)電場91座，累計運行風(fēng)力發(fā)電機組 3311臺，總?cè)萘窟_259萬KW(以完成整機吊裝作為統(tǒng)計依據(jù))。按照歐盟的經(jīng)驗，我國風(fēng)電裝機容量在2010和2020年分別達到2000萬KW和8000萬KW是完全有技術(shù)和市場保證的。 1.3.2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是涉及空氣動力學(xué)、自動控制、機械工程、電機學(xué)、計算機技術(shù)、材料學(xué)等多學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程。國外風(fēng)電技

19、術(shù)發(fā)展起源于19世紀末，到20世紀60年代，已生產(chǎn)出10-200KW的各種類型的風(fēng)力機，有些大型的風(fēng)力機已和電力系統(tǒng)并網(wǎng)，其中以丹麥的Gedser200KW風(fēng)力機最為出色。但其后因為風(fēng)力機運行過程中發(fā)生的故障及事故，風(fēng)力發(fā)電并未受到全世界的普遍關(guān)注，直到1973年石油危機以后，隨著化石能源供應(yīng)的日漸緊張和環(huán)境污染的日益嚴重，風(fēng)能作為清潔的可再生能源重新受到了全世界的重視，吸引了大批研究人員和生產(chǎn)廠家的加入，并建立了許多大型風(fēng)電技術(shù)研究機構(gòu)，如美國國家風(fēng)能研究中心倒場叮C)，丹麥RIS。國家研究實驗室，荷蘭風(fēng)能研究中心 (ECN)等。特別是在近20年間，風(fēng)力發(fā)電有了迅猛的發(fā)展，單機容量不斷增大，

20、目前，兆瓦級風(fēng)力機已經(jīng)是國際風(fēng)電市場上的主流機型[4]。 風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的核心是風(fēng)電機組及其部件的設(shè)計制造技術(shù)，我國風(fēng)電絕大部分關(guān)鍵技術(shù)落后，有些甚至是空白。我國在“九五”期間重點對600KW三葉片、定槳距、失速型、雙速發(fā)電機的風(fēng)電機組進行了研制，掌握了整體總裝技術(shù)和關(guān)鍵部件葉片、電控、發(fā)電機、齒輪箱等的設(shè)計制造技術(shù)，并初步掌握了總體設(shè)計技術(shù)。600KW失速型風(fēng)電機組及其主要部件如電氣控制系統(tǒng)、葉片等實現(xiàn)了國產(chǎn)化批量生產(chǎn)。對變槳距600KW風(fēng)電機組也研制了樣機?！笆濉逼陂g在“863”計劃中對兆瓦級變速恒頻風(fēng)電機組進行攻關(guān)，在攻關(guān)計劃中對750KW的失速性風(fēng)電機組的產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化進行攻關(guān)?！笆?/p>

21、五”期間重點安排了兆瓦級風(fēng)電機組的研制課題，完全立足于自主設(shè)計，技術(shù)方案采取雙饋發(fā)電機、多級增速箱、變槳距、變速技術(shù)，很大地促進了我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展[5]。 1.3.3風(fēng)電機組變槳距系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 當(dāng)今風(fēng)電技術(shù)日趨成熟，風(fēng)電機組向著大型化方展。目前，在歐美等國生產(chǎn)的大中型風(fēng)電機組中，安全與功率控制單元幾乎都是液壓系統(tǒng)控制的。變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)使風(fēng)電機組提供了更好的輸出功率品質(zhì)，因此變槳距調(diào)節(jié)是大型風(fēng)力發(fā)電機的最佳選擇，已成為主流機型的必備技術(shù)之一[6]。 變槳距控制是根據(jù)風(fēng)速的變化來調(diào)整葉片的槳距角，從而控制發(fā)電機的輸出功率，變槳距控制風(fēng)力機的葉片通過軸承固定在輪毅上，可以繞葉片的軸線轉(zhuǎn)動

22、來調(diào)整葉片的槳距角。在高風(fēng)速情況下，槳距角隨著風(fēng)速的增加不斷向正的安裝角度方向調(diào)整，減小氣流攻角以保持較小的升力來限制功率[8]。由于槳距角可以連續(xù)調(diào)節(jié)，因此在高風(fēng)速情況下可使發(fā)電機的輸出功率保持在額定功率[8]，這意味著變槳距風(fēng)電機組對由溫度和海拔高度的變化所引起的空氣密度的變化并不敏感。 目前變槳距風(fēng)電機組的變槳驅(qū)動為電機驅(qū)動和液壓驅(qū)動兩種形式并存的局面，并各有一定的優(yōu)缺點[9]，表1-1對比了液壓和電動兩種變槳方式[l0]。按槳距角的控制方式又可分為統(tǒng)一變槳距系統(tǒng)和獨立變槳距系統(tǒng)。統(tǒng)一變槳距控制時，各槳葉節(jié)距角同時改變相同的角度;獨立變槳距控制時，各槳葉節(jié)距角的改變量可以各不相同，獨立

23、變槳距控制因其能夠在穩(wěn)定輸出功率的同時提高風(fēng)電系統(tǒng)的整體性能，特別是在大型風(fēng)力發(fā)電機組中，由于風(fēng)輪掃過面積大，各個槳葉處風(fēng)速相差大，所以采用不同的槳距角更符合風(fēng)力機控制要求，其逐漸成為變槳距控制的主導(dǎo)。圖1-2(a)至圖1-2(c)分別表示了幾種變槳距方式。 表1.1液壓變漿距系統(tǒng)與電動變漿距系統(tǒng)比較 液壓 電動 高壓力且無齒輪，無齒隙，頻率響應(yīng)快 低耗能 蓄能器保證失效安全， 低溫下蓄能器 運行安靜 優(yōu)點 儲存的能量降較小，蓄能器儲

24、存的能 電路響應(yīng)速度比油路快 量通過壓力容易實現(xiàn)監(jiān)控 缺點 可能存在的液壓油泄漏；泵持續(xù)運行產(chǎn) 電池維護；低溫下，蓄能 生高能耗過濾和液壓油更換的重復(fù)維護； 器儲存的能量降較大；齒 需要流體旋轉(zhuǎn)組件；蓄能器壓力損失 間隙；更多組件可能產(chǎn)生

25、 的失效；蓄電池儲存的能 量不容易實現(xiàn)監(jiān)控 維護 每7-10年需要更換油缸密封件 蓄電池的壽命大約為3年 外部 占用空間小，輪轂及軸承相可 占用空間相對較大 配套 對較小；無需對齒輪進行潤滑 需對齒輪進行集中潤滑 需求 減少集中潤滑的潤滑點 (a)統(tǒng)一液壓變

26、漿 (b)獨立液壓變槳 (c)電動變漿 圖1-2 幾種變漿距方式 目前國內(nèi)外許多風(fēng)電企業(yè)和研發(fā)機構(gòu)以及其他一些著名液壓產(chǎn)品供應(yīng)商都 對液壓變槳技術(shù)進行了研究，并在一些風(fēng)電機組中得到成功應(yīng)用。沈陽工業(yè)學(xué) 風(fēng)能技術(shù)研究所2006年研制的IWM雙饋式變速恒頻風(fēng)電機組SUT一1000樣用 了液壓驅(qū)動、曲柄連桿及同步盤推動的驅(qū)動方式，最大變距速率為7.5。/秒變 距行程:O-915mm。該風(fēng)機已在營口仙人島風(fēng)電場調(diào)試運行。 1.3,4風(fēng)力發(fā)電機組技術(shù)的發(fā)展趨勢 第一，風(fēng)電機組單機容量日趨增大[6]。安裝大容量機組能夠降低風(fēng)電場運行維護成本，降低整個

27、風(fēng)力發(fā)電成本，從而提高風(fēng)電市場競爭力。同時，隨著現(xiàn)代風(fēng)電技術(shù)的日趨成熟，風(fēng)力發(fā)電機組技術(shù)朝著提高單機容量，減輕單位千瓦重量，提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。 第二，變槳距功率可調(diào)節(jié)方式取代失速調(diào)節(jié)方式。由于變槳距功率調(diào)節(jié)方式具有起動性能好，輸出功率穩(wěn)定，機組結(jié)構(gòu)受力小，停機方便安全，近年來在大型風(fēng)力發(fā)電機組上得到了廣泛應(yīng)用。大多數(shù)風(fēng)電機組開發(fā)制造廠商，包括傳統(tǒng)矢速型風(fēng)電機組制造廠商，都開發(fā)制造了變槳距風(fēng)力發(fā)電機組。 第三，變速恒頻技術(shù)得到快速推廣。隨著風(fēng)電技術(shù)以及電力電子技術(shù)的進步，大多風(fēng)電機組開發(fā)制造廠商開始使用變速恒頻技術(shù)，并結(jié)合變槳距技術(shù)的應(yīng)用，開發(fā)出了變槳變速恒頻風(fēng)電機組，并在市場上快速推

28、廣和應(yīng)用。 第四，從葉片到發(fā)電機的新型驅(qū)動方式。目前從風(fēng)輪到發(fā)電機的驅(qū)動方式主要有三種。第一種是通過齒輪箱多級變速驅(qū)動雙饋異步發(fā)電機，簡稱為雙饋式，是目前市場上的主流產(chǎn)品;第二種是風(fēng)輪直接驅(qū)動多極同步發(fā)電機，簡稱為直驅(qū)式，直驅(qū)式風(fēng)力機具有節(jié)約投資，減少傳動鏈損失和停機時間，以及維護費用低、可靠性好等優(yōu)點，在市場上正在占有越來越大的份額;第三種是單級增速裝置加多極發(fā)電機技術(shù)，簡稱為混合式，該設(shè)計介于純變速裝置驅(qū)動和直驅(qū)之間，旨在融合兩者的優(yōu)點而避免其缺點。 第五，海上風(fēng)力發(fā)電機組的開發(fā)應(yīng)用。海上風(fēng)電由于其資源豐富、風(fēng)速穩(wěn)定、開發(fā)利益相關(guān)方較少、不與其他發(fā)展項目爭地、可以大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)勢，風(fēng)力

29、發(fā)電正在從陸地走向海洋[2，8]。由于風(fēng)力發(fā)電機組置身于運行工況更為復(fù)雜的海上，機組地基和塔架要承受海水的腐蝕和海浪的拍打，機組自身還要設(shè)計有抵御臺風(fēng)的侵襲，所以應(yīng)用于海上的風(fēng)力發(fā)電機組要具有更高的性能和安全要求。1.4主要研究內(nèi)容 從風(fēng)力發(fā)電機組大型化、產(chǎn)業(yè)化，和更高的風(fēng)能利用率的變速變槳距的要求出發(fā)，本文以雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組為研究對象，對液壓獨立變槳控原理及機構(gòu)進行分析設(shè)計，具體內(nèi)容包括以下幾個方面： 1.通過廣泛的查閱相關(guān)資料，了解風(fēng)力發(fā)電的歷史，及目前兆瓦級風(fēng)機組的發(fā)展狀況及研究成果，在國內(nèi)外的發(fā)展及其趨勢，并且通過學(xué)習(xí)，了解液壓變漿距的相關(guān)知識。 2.根據(jù)風(fēng)力機空氣動力學(xué)原理

30、，從理論上得出風(fēng)力機變槳距控制策略，提出采用液壓變槳距控制方案，并對該機構(gòu)進行總體設(shè)計。 3并分析計算變槳距所需驅(qū)動力矩，以此為依據(jù)進行主要部件的承載力，進行主要部件的選擇。 4通過分析計算變漿距所需驅(qū)動力，對液壓系統(tǒng)進行設(shè)計。并對變槳距系統(tǒng)在泵站啟動，開槳，關(guān)槳緊急順槳等階段的油液循環(huán)線路圖進行了分析。 第二章 獨立液壓變槳距系統(tǒng)總體設(shè)計 經(jīng)過10多年的實踐，設(shè)計人員對風(fēng)力發(fā)電機組的運行工況和各種受力狀態(tài)已有了深入的了解，不再滿足于僅僅提高風(fēng)力發(fā)電機組運行的可靠性，而開始追求不斷優(yōu)化的輸出功率曲線，同時采用變槳距機構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機組可使槳葉和整機的受力狀況大為改善，

31、這對大型風(fēng)力發(fā)電機組的總體設(shè)計十分有利。到了20世紀90年代，隨著控制術(shù)的不斷成熟，變速恒頻大型變槳距風(fēng)電機組不斷問世，變槳距技術(shù)受到全面重視。從今后的發(fā)展趨勢來看，在大型風(fēng)力發(fā)電機組中將會普遍采用變槳距控制技術(shù)。本章探討變槳距調(diào)節(jié)原理，為變槳距控制提供理論基礎(chǔ);并在此基礎(chǔ)上，對風(fēng)力發(fā)電機組變槳距電液比例控制系統(tǒng)的總體方案進行設(shè)計。 2.1變槳距系統(tǒng)控制原理 根據(jù)風(fēng)能利用系數(shù)定義[11]，風(fēng)力機產(chǎn)生的機械功率為： ` （2-1） 其中ρ為空氣密度（kg/m3）；Cp為功率系數(shù)； 為葉尖速比；vt為葉尖速

32、度（m/s）；為輪轂高度上游的風(fēng)速(m/s)；為漿距角（度）；R為風(fēng)輪半徑（m）。 空氣動力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為： (2-2) 其中轉(zhuǎn)矩系數(shù)為： （2-3） 各風(fēng)機制造商的技術(shù)文檔顯示各種風(fēng)機功率系數(shù)曲線非常相似，因此我們沒必要針對不同的風(fēng)機采用不同的功率系數(shù)曲線，根據(jù)文獻[11]研究，風(fēng)力機的功率系數(shù)可表示為： （2-4） 其中：

33、 （2-5） 根據(jù)以上歸納，變漿距風(fēng)力發(fā)電機組可采取如下控制策略[12]： （1） 在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，風(fēng)機輸出的功率未達到額定功率，所以盡可能多的將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，此時，讓漿距角β=0°并保持最佳也減速比。 （2） 在風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，應(yīng)增大槳葉漿距角β，從而減少功率系數(shù)Cp，控制風(fēng)輪捕獲功率，使風(fēng)力機輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近[12]。 一旦功率系數(shù)Cp值確定，就能計算也減速比?，此時能通過功率系數(shù)對照表Cp（?，β）來確定靜態(tài)漿距角β。這就是液壓變漿距的原理。 2.2變槳距系統(tǒng)機構(gòu)設(shè)計 風(fēng)電機組輸出

34、功率在額定功率以下時，在不同風(fēng)速下，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲;當(dāng)輸出功率超過額定功率時，通過電動或者液壓驅(qū)動改變槳距角來實現(xiàn)功率平穩(wěn)輸出。變槳距一般分為統(tǒng)一控制和獨立控制兩種方式。統(tǒng)一控制即機組所有槳葉都由一個執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動，槳葉節(jié)距角變化相同；獨立控制，每個槳葉都由獨立的變槳距執(zhí)行機構(gòu)控制，如果其中一個執(zhí)行機構(gòu)出現(xiàn)故障，其余兩個槳葉仍能調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角實現(xiàn)功率控制，繼續(xù)帶傷工作，而統(tǒng)一變槳距執(zhí)行結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障，只能停機維修，并且自然界的風(fēng)在整個風(fēng)輪掃及面上分布是不均勻的，獨立槳葉控制可以根據(jù)各個槳葉上的風(fēng)速不同進行調(diào)節(jié)，不僅能優(yōu)化發(fā)電機輸出功率，而且能減小槳葉拍打振動，從而減小整機

35、的動態(tài)載荷[15]。 液壓獨立變漿機構(gòu)由直線運動和轉(zhuǎn)動兩部分組成，即固定在輪轂上的液壓油缸，在負載時的活塞桿的直線運動，轉(zhuǎn)換成在活塞桿推動或拉動下，通過偏心軸的的旋轉(zhuǎn)運動，圖2-1所示為該機構(gòu)的運動簡圖： 圖2-1 獨立液壓變漿距機構(gòu)原理圖 根據(jù)圖2-1獨立液壓變漿距機構(gòu)原理圖的幾何位置關(guān)系，我們可以知道缸活塞桿的位移Y漿距角的關(guān)系如下： （2-6） 根據(jù)裝配圖可以得到如下設(shè)計參數(shù)：l=1m；r=0.765m L=0.988m 即可表示出活塞桿的位移與漿距角的關(guān)

36、系。 本文研究的獨立液壓變漿機構(gòu)能實現(xiàn)漿距角在0-90°的范圍內(nèi)變化，并且在這一工作的范圍內(nèi)呈線性變化。 如圖2-1獨立液壓變漿距機構(gòu)原理圖所示，為分析方便，我們規(guī)定：A1為無桿腔面積；A2為有桿腔面積；P1為無桿腔壓力；P2為有桿腔壓力。 設(shè)獨立液壓變漿距左右兩腔的有效面積比為n，則有： （2-7） 液壓缸在穩(wěn)態(tài)時同時滿足力平衡方程和流量連續(xù)性方程，即： （2-8）

37、定義負載壓力Pl為： （2-9） 負載流量為： （2-10） 本文采用了獨立的液壓變槳距機構(gòu)，具有三套獨立的液壓系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)，這樣一方面可以在其中一個執(zhí)行機構(gòu)和液壓系統(tǒng)出故障的時候，其余兩個仍能工作，從而不至于影響到整個風(fēng)力機的控制，使該系統(tǒng)能更有效的安全運行。 該獨立變槳距機構(gòu)的工作過程:主控系統(tǒng)以一定的算法給出槳距角參考信號，通過電滑環(huán)送給輪毅控制器，輪毅控制器根據(jù)主控指令驅(qū)動比例伺服閥使油缸活塞桿達到指定位置[

38、16]，偏心塊將液壓缸活塞桿的直線運動轉(zhuǎn)變成使槳葉旋轉(zhuǎn)的圓周運動，從而實現(xiàn)對槳距角的控制。由于風(fēng)電機組的每個槳葉都由一套獨立的液壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動，一個槳葉出現(xiàn)故障時，其他兩個槳葉仍能帶傷工作，增加了系統(tǒng)的安全性。這種執(zhí)行機構(gòu)尤其適用于大型風(fēng)力發(fā)電機組。 變距機構(gòu)是變槳距控制型風(fēng)電機組實現(xiàn)變距控制和安全剎車的關(guān)鍵機構(gòu)之一。具體要求如下 1、當(dāng)風(fēng)輪正常工作時，液壓缸在液壓系統(tǒng)壓力作用下，通過變距機構(gòu)將葉片拉靠在某一氣動角度以適合實際風(fēng)速的運行狀態(tài)，保證了風(fēng)電機組運行中槳距的相對位置，實現(xiàn)電控系統(tǒng)的實時控制，于是確保了葉片上的空氣動力流動處于最佳狀態(tài)[18]。 2、當(dāng)風(fēng)速超過限定值時或其他控制指

39、令需要停機時，三個葉片同時在液壓系統(tǒng)壓力作用下，通過變距機構(gòu)，迅速繞槳葉軸旋轉(zhuǎn)90°，至順槳位置。此時，葉片由推力面變成了氣動阻力板。在葉片氣動阻力作用下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速迅速降低，從而實現(xiàn)風(fēng)輪葉片的氣動剎車。按總體要求，順槳后，風(fēng)輪迅速由額定轉(zhuǎn)速18r/inin降至4r/min，為實施機械剎車創(chuàng)造條件[17]。 第三章 變槳距機構(gòu)的分析與計算 3.1變漿距系統(tǒng)驅(qū)動力的計算 變槳距驅(qū)動力的大小決定了液壓系統(tǒng)各元器件的選型。當(dāng)風(fēng)力機在高風(fēng)速下 需要變槳時，變槳距電液比例系統(tǒng)的液壓缸活塞推動偏心塊，偏心塊將液壓缸活塞桿的直線運動轉(zhuǎn)變成使槳葉旋轉(zhuǎn)的圓周運動，作用在槳葉

40、變距軸上的阻力的力矩基本上可以認為以下力矩構(gòu)成： （1） 由槳葉本身質(zhì)量所形成的產(chǎn)生的慣性力矩Tc （2） 空氣動力作用形成的氣動力矩Tz （3） 葉片本身形狀和材質(zhì)產(chǎn)生的彈性力矩Te （4） 由槳葉重心偏離槳葉變距軸產(chǎn)生的重力矩Tm （5） 變槳距驅(qū)動機構(gòu)各個部件摩擦力產(chǎn)生的摩擦阻力矩Tf 這幾個部分組成[19]。 由于風(fēng)力機的槳葉本身具有巨大的體積和質(zhì)量，是一個非常大個慣性體，所 以它本身質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力矩Tc在它的全部阻力力矩中占有很大一部分;相比 而言空氣動力雖然對槳葉的作用力很大但是其產(chǎn)生的氣動力矩幾大小相比于慣 性力矩可以忽略不計;整個槳葉的阻力矩分析中由于對

41、槳葉的受力采用理想的槳 葉模型，所以假設(shè)槳葉的主軸均勻的通過各個負載面的重心，則重力矩Tm=0; 且假設(shè)整個槳葉是一個整個的剛體，在運動過程中并不存在因為槳葉變形而對旋轉(zhuǎn)槳葉產(chǎn)生阻力的彈性力矩Te。承槳葉軸的軸承是一個回轉(zhuǎn)支承軸承，其效率計為0.98，而其它機構(gòu)的摩擦力矩忽略不計。綜上合理假設(shè)與分析，使槳葉繞槳葉軸轉(zhuǎn)動所需的順槳力矩T。為: Te=Tc/0.98 慣性力矩的理論推導(dǎo)[21]，可得： （3-1） 其中： （3-2） （3-3） 式中：

42、；；b為槳葉截面寬度；c為槳葉厚度；D為風(fēng)輪回轉(zhuǎn)直徑；相對原點坐標系轉(zhuǎn)過角；為槳葉材料的密度；風(fēng)輪的計算角速度；風(fēng)輪的計算轉(zhuǎn)速=3n；n為風(fēng)輪設(shè)計轉(zhuǎn)速。 參考設(shè)計參數(shù)，最后通過分析可得： TC=37147Nm 根據(jù)計算可得： =37905Nm 根據(jù)圖 所示液壓變漿原理圖，油缸負載力的力臂d為： （3-5） 綜上所述，液壓系統(tǒng)的負載力為： d=126350N 3.2液壓油缸的選擇 液壓缸的推力必須保證風(fēng)輪葉片在停機風(fēng)速下仍然能實現(xiàn)順槳，所以，液壓 缸必須能產(chǎn)生大于最大變槳距力矩的推

43、力，保證風(fēng)力機葉片成功順槳。在蓄能器壓力確定時(此處取 15MPa作為計算壓力)，主要靠選擇合適的液壓缸活塞直 徑。對于圖3一4所示的液壓系統(tǒng)，無桿腔活塞面積應(yīng)為: （3-6） 根據(jù)浙江漢達機械有限公司的產(chǎn)品尺寸，選擇液壓缸型號為： YG C-2.1 DX1000-DD4212 其活塞桿實際面積為：0.006362m2,活塞桿直徑為90mm,液壓缸內(nèi)徑為185mm.液壓缸行程1000mm. 2,液壓泵的選擇 液壓泵的流量根據(jù)最大變距速度選擇，變槳距速度快，功率調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度就快，功率調(diào)節(jié)的效果就好，但是過快的

44、速度使液壓系統(tǒng)功率損耗偏大，容易引起發(fā)熱。根據(jù)相關(guān)參數(shù)，取最大變距速度為12°/s。 根據(jù)變槳距結(jié)構(gòu)，活塞行駛的最大速度為： （3-7） 單個變漿距液壓缸所需流量為： （3-8） 由于采用了獨立液壓變槳距結(jié)構(gòu)，每套液壓缸需獨立配備一臺液壓泵站，若回路中的泄漏按液壓缸輸入流量的10%估計，則液壓泵的流量為： （3-9）

45、 =99.22L/min 液壓泵的排量： （3-10） =68L/min 式中n為電機轉(zhuǎn)速，取n=1500rpm，容積效率?？砂碤1來選擇泵的容量。 第四章 液壓系統(tǒng)總體設(shè)計 依據(jù)上一節(jié)變槳距結(jié)構(gòu)原理，本文采取原理圖如圖4-1所示的變槳距液壓控制系統(tǒng)： 圖4-1 變漿距液壓系統(tǒng)原理圖 從圖4-1可以看出，在風(fēng)力發(fā)電機組中包含了一個液壓泵站和三套相同的獨立的變槳距驅(qū)動機構(gòu)，每套變槳距驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動一個槳葉實現(xiàn)變槳。

46、液壓泵站主要包含以下器件:1濾油器;;2為恒壓變量柱塞泵;3為油泵電機;4為高壓濾油器；5.1一5.2為單向閥;6為球閥;7為壓力傳感器;8為蓄能器;9為測壓接頭;10為液控先導(dǎo)溢流閥;11為常開電磁換向閥;12為冷卻電機;13為冷卻油泵;14為空冷卻器;15為回油過濾器。獨立的變槳距驅(qū)動機構(gòu)包含以下器件: 16.1~16.3為節(jié)流閥，用來防止系統(tǒng)油路沖擊和控制油缸的運動速度;17.1~17.9為單向閥;18為緊急順槳蓄能器，安裝在輪毅內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)需要緊急順槳時，由其釋放壓力;19.1和193為常開電磁換向閥，19.2和19.4為常閉電磁換向閥，控制風(fēng)機正常工作和緊急順槳的狀態(tài);加為壓力傳感器

47、，由它控制是否向蓄能器補油;21為比例閥，裝在集成閥塊上，風(fēng)機自動控制系統(tǒng)借助控制比例閥來實現(xiàn)對油缸活塞桿位移的調(diào)節(jié)與控制，進而實現(xiàn)槳距角的調(diào)節(jié);22為油缸，驅(qū)動槳葉旋轉(zhuǎn)，23為減壓閥。 變槳距電液比例控制系統(tǒng)工作過程分為如下幾個階段： l)液壓泵站啟動階段 液壓泵站啟動時的油液循環(huán)路線如圖4-2中加粗線所示。當(dāng)液壓站啟動時，為了使整個系統(tǒng)空載啟動，即系統(tǒng)壓力約為O，常開電磁閥11使得溢流閥10的壓力約為O，油液直接回到油箱。當(dāng)125后系統(tǒng)啟動完成，激活電磁閥11，系統(tǒng)壓力被溢流閥10設(shè)置在25MPa，系統(tǒng)啟動完成。 4-2 液壓泵站啟動階段油路循環(huán)線路圖 2)液壓系統(tǒng)正常工

48、作階段 當(dāng)液壓泵站啟動完成后，油液從液壓泵站進入三套變槳距驅(qū)動機構(gòu)，即油液經(jīng)過濾器1，油泵2，壓濾油器4、單向閥5.1和球閥6后進入變槳距驅(qū)動機構(gòu)，再經(jīng)單向閥5.2和回油濾油器15后回到機艙的油箱。液壓變槳距系統(tǒng)正常工作時可以分為兩個工況:一是槳距角增大，油缸向外推出，此過程稱為關(guān)槳;二是槳距角減小，油缸縮回，此過程稱為開槳。風(fēng)機正常工作時，4個電磁換向閥19.1、19.2、19.3和19.4全部通電，通過比例閥控制油缸的工作狀態(tài)(向左或向右)。油缸的最左端和最右端分別對應(yīng)槳葉節(jié)距角90度和一度位置，活塞桿的向左和向右運動分別對應(yīng)槳葉節(jié)距角的增大(關(guān)槳)與減小(開槳)。 關(guān)槳時，即槳距角增大

49、，油液循環(huán)路線如圖4-3中加粗線所示。油液從機艙進入輪毅，分別經(jīng)過單向閥17.1、電磁換向閥19.2、比例閥21和電磁換向閥 19.4后進入油缸的無桿腔;油液從油缸有桿腔流出，經(jīng)過單向閥17.3后，與原進油路線會合，形成差動。 4-3 關(guān)槳時油液循環(huán)線路圖 開槳時，即槳距角減小，油液循環(huán)路線如圖4-4中加粗線所示。液壓油從機艙進入輪毅，分別經(jīng)過單向閥17.1、電磁換向閥19.2、比例閥21和單向閥17.5后進入油缸有桿腔;液壓油從油缸無桿腔流出后，分別經(jīng)過電磁換向閥19.4和比例閥21后，回到機艙內(nèi)的液壓泵站。 4-4 開槳時油液循環(huán)線路圖 3)緊急順槳階段 緊急

50、順槳時，油液循環(huán)路線如圖4-5中加粗線所示。此時，四個電磁換向閥19.1、19.2、193和19.4全部失電。蓄能器18釋放壓力，油液分別經(jīng)節(jié)流閥16.2、電磁換向閥19.3、節(jié)流閥16.3和單向閥17.4后進入油缸無桿腔;液壓油從油缸有桿腔出來后，經(jīng)電磁換向閥19.1和平衡閥17回到機艙;當(dāng)槳葉回到順槳位置，即90度位置時，順槳過程結(jié)束。 4-5緊急順槳時油液循環(huán)線路圖 第五章 結(jié)論 能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，風(fēng)能作為一種清潔的永續(xù)能源提供了一種環(huán)保、經(jīng)濟且利于社會持續(xù)發(fā)展的能源生產(chǎn)方式，因其相對低廉的成本消耗在可再生潔凈能源

51、領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展，風(fēng)電制造業(yè)的技術(shù)研發(fā)能力，尤其是基礎(chǔ)理論研究和機組總體設(shè)計能力比較薄弱是目前我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)面臨主要問題。因此，研究風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)理論與相關(guān)技術(shù)具有重要意義。而風(fēng)力機變槳距控制技術(shù)是當(dāng)今大型風(fēng)電機組的核心控制技術(shù)之一，本文主要對風(fēng)力發(fā)電機組獨立液壓變槳距系統(tǒng)進行研究，研究工作總結(jié)如下: 1.根據(jù)資料，闡述了風(fēng)力發(fā)電的歷史及在當(dāng)今世界上的發(fā)展現(xiàn)狀，風(fēng)力發(fā)電在世界各國家都有著非?？焖俚陌l(fā)展，一個國家的新能源擁有程度，在一定意義上代表了這個國家的科技發(fā)展水平，經(jīng)濟水平，及綜合國力。風(fēng)力發(fā)電的原理，為了在風(fēng)力發(fā)電中捕獲更多的風(fēng)能，變漿技術(shù)是關(guān)鍵，在此闡述了變漿在風(fēng)力發(fā)電中的重要地

52、位。 2.根據(jù)已有型號風(fēng)機進行了變漿的原理分析，根據(jù)變漿原理，進行總體的變漿機構(gòu)設(shè)計。 3.對總體設(shè)計的變漿機構(gòu)進行分析和計算。參考風(fēng)機在極端運行條件下所需的變漿距力矩，通過計算初步選定了獨立液壓變漿距系統(tǒng)的主要液壓元件（液壓缸及液壓泵站）。 4.根據(jù)變漿距系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，對液壓系統(tǒng)進行了初步的設(shè)計。并對變漿距系統(tǒng)的啟動階段，開槳階段，關(guān)槳階段，及緊急順槳階段進行了分析。 參 考 文 獻 [1] 李俊峰，高虎，王仲穎.《2008中國風(fēng)電發(fā)展報告》[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版，2008 [2] Vaughn Nelson.Wind energy:renewable ene

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