偏航理论简介

偏航气动理论及偏航结构 风力发电机偏航状态的空气动力学基础风力发电机偏航状态的空气动力学基础 由于风向的不断变化 风轮不能时刻保持其轴向与风向平行 这种状态称之为偏航状态 偏航状态的 风力发电机运行效率低于非偏航状态 为了提高风力发电机的发电效率 水平轴风力发电机都配有偏航装 置 用以改变风轮的方向 时刻保持风轮轴向与风向平行 使风力发电机达到最佳的工作状态 传统的叶 素 动量理论只考虑了风向与风轮平行使的情况 并不适用于偏航状态 因此需要对其修正以达到准确效 果 偏航时的动量定理 动量定理通常用来研究风速与风作用在叶片上的力之间的关系 用以表现风轮对风能的转换效率问题 为了便于该问题的研究 现做出以下假设 1 风轮为一平面圆盘 不考虑倾斜角 2 空气无摩擦 无粘性 3 流过风轮的气流均匀 4 空气不可压缩 即空气密度不变 将动量定理直接应用于处于偏航状态的风轮时是存在一定问题的 对于未处于偏航状态的风力发电机 风轮来说 实际上叶片在空间的诱导速度是不同的 在径向方向上是有一定变化的 而动量定理只能计算 出平均的诱导速度 对于处于偏航状态的风力发电机而言 见图 由于叶轮与风向间存在夹角 诱导速 度将会在径向角与方位角间产生变化 难以对叶轮的特性进行估价 现假设风速大小稳定 方向无变化 见下图 由于风向与叶轮间存在夹角 r 随着叶片的旋转 每个叶片的攻角不断发生变化 攻角的时刻 变化会在风轮叶片产生轴向推力的同时还附带径向力引起偏航倾斜力矩 当风向固定时 由动量定理可知轴向的动量变化率等于通过圆盘 致动盘 的质量变化率乘以垂直于风轮 的速度变化率 其质量变化率为 速度变化率为 2 风力发电机偏航状态见图 风中带有的动能为 1 2 2 1 2 3 由上式可知风流过叶轮时带来的机械能为 1 2 3 1 2 3 叶片作用在圆盘上的力为 2 FRF 式中 和分别为风轮迎风面与背风面的压力 为风轮的扫略面积 为风在无穷远处的速度 为 空气的密度 为轴向诱导速度 为轴向平均诱导因数 由上式可知 令 1 2 2 4 我们称为风轮的推力系数 则 风轮产生的功率为 2 3 2 现定义风轮的风能利用系数为 2 3 2 1 2 3 4 2 现要使风能系数达到最大 对上式轴向平均诱导系数 求导 令其一阶导数为 即因此有 0 0 cos 3 16 27cos 3 在理想状态下 当风向与风轮轴之间的夹角为零度时 此时的风能利用系数最大 16 27 0 592 该数据表明风机最大仅能利用风能的 实际在运行时 由于风向的变化 偏航角 的存在 风能的 59 2 转化率要比这个数值小很多 风能利用少之又少 大约只占风能的左右 30 偏航时的叶素动量理论 现时风力发电机桨叶的载荷都是由叶素动量理论计算出来的 叶素动量理论根据空气动力学方法对桨 叶翼型进行载荷分析的一种简单方法 首先假设风机叶片之间的气流互不干扰 将风力发电机的叶片延轴 向离散为无数个单元 这些小单元成为叶素 叶素则近似为二维翼型 然后将这无数叶素上的力及力矩进 行积分 最终苛求出叶片上所受的力及力矩 假设风力发电机的叶片数目为 叶尖处的风轮半径为 则任意半 处的叶素简图如下 假设叶片的旋转速度为 叶片前端的风速为 则叶素的切向速度为 其切向诱导速度为 1 该叶素总的切向速度为 1 叶片上气流的速度为 2 1 1 2 1 2 2 2 1 1 1 合速度与叶片的旋转平面的夹角 入流角 90 1 1 1 攻角 由动量定理可知 在桨叶翼型不失速时 半径为 处的叶素翼型所受升力 与和速度方向垂直 1 2 2 半径为 处的叶素翼型所受阻力 与和速度方向相反 1 2 2 其中翼型的升力系数 翼型的阻力系数 叶素的轴向力与与切向力为 1 2 2 1 2 2 令和分别为 其中为法向力系数 为切向力系数 由以上公式可知风轮受到的轴向力以及切向力分别为 轴 0 1 2 2 切 0 1 2 2 在变桨系统不失速时 给定叶片的攻角及翼型升力系数与翼型阻力系数 就可以根据上式计算出桨叶的载 荷 但在偏航情况下 叶素上气流的不稳定性 叶素理论的实际应用存在很大问题 Theodorsen 应用升力 缺损函数来修正二维升力 进而解决叶片上攻角随时间变化的问题 忽略涡流的影响 在一个叶素平面的 速度分量如图所示 其入流角 由上图可知 tan 1 1 1 1 1 1 2 1 其中 为叶素圆环半径 为气流膨胀系数 为尾流偏斜角函数 为旋转方向上测量的叶 片方位角 由于叶片的攻角没有改变 叶片的升力系数与阻力系数并未发生改变 根据公式计算每个叶片的攻角 依 据修正后的叶素理论便可以计算出叶素上的力和力矩 叶素动量定理 叶素 动量定理是叶素理论与动量定理的合称 主要根据叶素理论与动量定理研究叶片的综合性能 根据 动能定理可知 气流作用在叶素上的力的冲量与气流带来的动量是相等的 假设风力发电机偏航的角度为 风轮半径 处的叶素所受轴向力分力为 1 2 2 1 定义弦长的实度为 2 定义法向力系数为 考虑偏航和 Prandtl 叶尖损失 41 由动量定理可知 偏航时的轴向动量变化率为 1 2 2 4 2 2 2 将动量定理应用到整个风轮叶片上 由于诱导因素 随着风轮半径 处气流的变化而变化 在圆形平面上 因此叶素动量的大小还应该在圆形平面上进行积分 因此风在叶素上产生的轴向动量有 2 0 2 0 1 2 2 14 2 2 2 2 0 1 2 2 因此有 8 2 2 2 2 0 2 2 1 对于整个叶片而言 对叶片上的每个叶素所受的力进行求和就可以的到该叶片所受的轴向力 因此对上式 在半径上进行积分可得风力发电机叶轮所受轴向力为 轴 0 2 0 1 2 2 0 2 0 2 2 1 根据叶素理论可知 叶素上所受的切向力相对轴的转矩为 1 2 2 2 由动量定理可知 叶素角动量是 1 2 2 1 4 2 2 2 2 同理对上式进行积分 有角动量为 2 0 1 2 2 1 4 2 2 2 2 2 0 1 2 2 2 对上式进行积分运算得到 4 1 2 2 0 2 2 1 对于整个叶片而言 对叶片上的每个叶素所受的力矩进行求和就可以的到该叶片的力矩 对上式在半径上 进行积分可得风力发电机叶轮所受的相对轴的转矩为 0 2 0 2 2 1 以上公式就是基本的偏航时的叶素 动量理论 根据以上公式可知 当给定叶片位置 和偏航时的角度 时 可根据黄色公式计算出气流的角度 根据叶片的翼型 可以查到固定的升力系数与阻力系数 根 据叶素的桨距角 可以求得任意攻角 利用公式求出轴向诱导因素 与切向诱导因素 通过最后的红 色公式便可以求出风力发电机在偏航状态时风机叶轮所受的轴向力与相对转轴的的力矩 风力发电机偏航系统的结构 偏航系统是水平轴风力发电机的重要组成部分 是风力发电机组特有的私服系统 42 所谓偏航 就是 机舱和风轮绕塔架的垂直轴旋转 使风轮扫略面与风向保持垂直 通过偏航系统的准确工作 可以使风轮 轴线时刻朝向风向 以保证风力发电机达到最大的发电效率 主动偏航系统的另外一个重要功能就是解缆 当机舱在反复的转动过程中 极有可能在一个发向上转动很多圈 造成舱内电缆扭绞 甚至扯断电缆 通 过解缆装置 可以自动解除电缆缠绕 使风机运行顺畅 偏航系统通常分为被动偏航系统与主动偏航系统 被动偏航系统是指通过一系列机构将风力直接转化为偏 航动力以达到偏航的目的 常见的有尾舵 舵轮和下风向三种 这种系统多用于小型的风力发电机 在中 大型的风力发电机中较少采用 采用电力驱动或液压驱动的方式拖动偏航机构对风向变化响应以使风轮对 准风向的偏航方式称为主动偏航系统 对于大型风力发电机而言 通常会采主动偏航的用齿轮驱动形式 以下主要介绍主动偏航系统 偏航系统的基本结构 通常来说 对于大型并网水平轴风力发电机来说其主动偏航系统机构大体包括以下几个部分 偏航轴 承 偏航制动装置 偏航驱动装置和偏航保护装置等 下图所示为外齿式偏航系统执行机构的安装图 该机构通常用在大型风力发电机上 轴承内圈与风力 发电机的机舱通过螺栓紧固相联 偏航轴承外圈通过螺栓与风力发电机的塔筒固定连接 当风向改变 需 要偏航运动时 通过安装在减速机输出轴上的小齿轮与偏航轴承上的外圈齿轮啮合 进而带动机舱绕塔筒 轴线旋转 使风轮对准风向 在机舱底板上装有盘式制动装置 用于偏航系统停止工作时 保持机舱固定 不动 偏航载荷的确定 风力发电机的静载荷包括机舱与风轮的重量 作用在轴承上的轴向力 其动载荷包括静载荷与风作用在风 轮上的载荷 如图所示 由上图可知 作用在偏航轴承上的偏航力矩 倾覆力矩 2 1 2 2 1 2 径向力 2 2 轴向力 式中 机舱与风轮上的侧向载荷 单位 风轮上的轴向推力 单位 风轮重量 单位 风轮上 轴力矩矩 单位 风轮上 轴力矩 单位 风轮上 轴力矩 单位 机舱重量 单位 到机舱重心的水平距离 单位 到风轮重心的水平距离 单位 到机舱重心的垂直距离 单位 到风轮重心的垂直距离 单位 由以上公式可知风力发电机偏航过程的运动方程式如式 所示 式中 作用在机舱上空气产生的力矩 单位 机械制动力矩 单位 回转轴承的摩擦力矩 单位 回转效应产生的力矩 单位 偏航轴上的转动惯量 单位 2 偏航角速度 单位 公式中规定偏航驱动力矩方向为正 制动力矩为负 实现偏航的条件就是等号左边的力矩之和大于零 稳态时是零 偏航力矩的方向与风轮旋转的方向和偏航角度的方向有关 偏航的驱动力矩与偏航角度 和风速有关 偏航角和风速增加 偏航力矩也相应的增加 偏航轴承 偏航轴承是支撑水平轴风力发电机机舱与塔筒间的连接部件 传递来自机舱与塔筒间的风载 是风力 发电机保持关键运行的关键部件 偏航轴承一般可分为两类包括外齿式偏航轴承和内齿式偏航轴承 外齿 式是轮齿位于偏航轴承的外圈上 相对来说加工简单 安装便捷 内齿式是轮齿位于偏航轴承的内圈上 其优点是啮合受力效果较好 结构紧凑节省较大空间 偏航轴承的齿圈结构见下图 风力发电机偏航轴承的转速很低 通常情况下 但是由于机组所受的载荷复杂 包括径 10 向力 轴向力和倾覆力矩 因此对轴承运行的安全可靠性及稳定性具有较高的要求 由于风力发电机的机 组特性 偏航轴承承受的载荷变化幅值很大 故在动载条件下 对轴承的接触和疲劳强度的设计要求较高 我们知道标准滚子轴承的强度是用额定载荷 表示的 回转轴承却与它大不相同 回转轴承的强度是 以曲线的形式给出的 该曲线给出所了允许的等效轴向载荷和等效倾覆力矩之间的关系 该曲线如图所示 图中所示的轴承寿命曲线代表了等效倾覆力矩与等效载荷的组合 在给定的转速下与载荷下 轴承失 效概率为 如果计算出某一轴承的等效倾覆力矩与等效轴向载荷 则可在曲线图中描一点 P 延长线 10 OP 与轴承寿命曲线 L 相交 一般情况下 制造商都会以转动圈数的形式给出轴承寿命 可以将此圈数乘 上加以放大 回转轴承等效轴向载荷计算方法与滚子轴承相似 也是通过轴向载荷以及径向载荷来确定 式中 组合因子 取决于轴承类型与的值 与的值通常由制造商提供 应用因子 推荐的适用范围对偏航轴承室 1 7 2 0 安全因子 等于相应工况下对应载荷的部分安全因子 倾覆力矩的计算见公式 等效倾覆力矩的计算公式为为 其中 针对轴向载荷选取 回转轴承摩擦力的计算公式为 式中 摩擦力矩 比例系数 摩擦系数 倾覆力矩 轴向力 重力 切向力 轴承滚道直径 由于风力发电机多数采用外齿式偏航轴承开式齿轮传动 且轴承所受负载复杂 受环境影响较大 其 最基本失效形式表现为轮齿折断和磨损 统计数据表明 大多数偏航轴承故障都是由轮齿故障引起的 也 有少部分是滚动体破坏导致的 风力发电机工况复杂 设计设计载荷很难准确无误的掌握 传动部分的结 构设计强度决定了轴承的质量 43 偏航驱动 偏航驱动是为偏航系统提供动力的结构 由偏航电机 偏航减速器以及偏航小齿轮组成 该机构通过 法兰连接到机舱底部的机架上 用以拖动机舱旋转 该机构如图所示 由于风力发电机机舱空间有限 偏航电机一般采用转速较高的电动机 以尽可能减小占用的空间 由 于偏航结构的转动转速很低 因此需要选用传动比范围大 结构紧凑 体积小 传动效率高和输入输出同 轴的减速器 在实际应用中 多级行星齿轮变速箱应用比较频繁 偏航驱动装置一般采用偶数组 2 组 4 组 6 组等 对称布置在偏航轴承齿圈周围 以达到传动平 稳 防止受力不均的作用 图 某一风力发电机 4 组偏航驱动装置的对称分布图 偏航制动装置 偏航系统需要设计一种制动器 用以保证在风速较高时 机舱与塔筒间连接 机舱不出现摆动 风力 发电机能正常工作时 制动器在一定的负载下 制动力矩稳定 在偏航过程中 制动器提供的阻尼力矩应 该保持平稳 与设计值的偏差不应大于 制动过程噪声小 制动器在闭合时 摩擦面与制动盘接触面 5 积大于 摩擦片周边与制动器的配合间隙小于 制动器设有自动补偿机构 保证制动力矩及 50 0 5 偏航阻尼力矩稳定 偏航系统制动器有常闭式与常开式两种形式 常闭式制动器平时关闭 在有动力条件 下开启 常开式制动器在有动力的条件下锁紧状态 风力发电机一般采用液压拖动的钳盘式制动器 常闭式制动器 其结构如下图所示 该制动器体是由整体轻合金制造 具有较高的刚度与强度 制动块由背板与摩擦片压在一起 摩擦片 多为矩形或扇形 摩擦片材料具有较高的摩擦系数 较强的抗衰退系数与稳定性 制动盘通常位于塔架与 偏航轴承之间 大多数情况下为圆环状 制动盘的连接具有较高的可靠性 保证制动盘不动 制动盘应具 有较高的强度与韧性 长