【《风电变桨距系统总体方案及机械结构设计案例》5400字】

风电变桨距系统总体方案及机械结构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u13806风电变桨距系统总体方案及机械结构设计案例 1191031.1变桨距风力发电机组的运行状态 192181.2风力发电机组传动系统布置 2213461.3变桨距系统机械结构设计 4196711.3.1轮毂 4233361.3.2主轴 5194151.3.3联轴器 5173631.3.4机械制动装置 6263581.3.5增速齿轮箱传动系统设计 6247611.3.6变桨距机构 9318971.4风力发电机组的润滑 13136801.4.1风力发电机组的润滑要求 13117101.4.2油品的选择 13173541.4.3风电增速箱润滑的特殊要求 13变桨距系统连接件多，且结构复杂，为了确保结构设计合理性，需先确定整体方案，再对各个部件单独进行分析。变桨距风力发电机组的运行状态依据变桨装置所发挥的功能，可将变桨距风力机的工作状态分为下列三种：（1）起动状态变桨距风电机组的风轮叶片在不动时，保持九十度的桨距角，此时空气流动对叶片没有切向作用，即叶片此时没有转矩。当风力发电机组达到起动风速时，桨叶受变桨距装置的控制慢慢向零度旋转，持续到气体流动对风力机叶片产生某一数值的迎角，此时风轮发生旋转。变桨距系统的桨叶距离上的夹角在发电机并网前，受其转动速度信号控制。调速器根据某一升速的倾斜程度计算出某一速度的参考量，变桨系统根据这一参考量来调整桨叶距离上的夹角，实现对转速的控制。变桨装置能够在某一时间内，使发电机的转动速度维持在同步转速左右，寻求最好的并网机会，以确保并入电网之后的稳定以及电网受到尽可能小的压力。（2）欠功率状态“欠功”状态说的是因为风速与额定风速相比较来说过低从而使发电机的运行功率达不到其额定数值。和速度控制一样，在以前的变桨距风力机中，也没有对此状态进行调控。此时变桨距风机与定桨距风机类似，风轮叶片的空气动力特性全部决定了其功率，目前采用了双馈式异步风力发电机，在此状态下可以借助风速采集的低频率分量作为指标来调整发电机的转差率，使之在最好的叶片尖端速度比上运行，桨距角只能借助于改变桨叶间距的策略来适当调整，使风轮尽可能朝着合适的叶尖速度比靠拢。（3）额定功率状态当风的速度大于等于其额定数值时，整机处于额定功率状态。这时风力机转换旋转速度的调控为做功快慢的调控，发电机做功快慢的指令是变桨系统做出调控的依据。调控指令给出的参考量保持不变，也就是做功快慢不变。与做功快慢反馈指令的参考量相比，当大于额定数值时，叶片向增大桨距角的方向旋转某一角度，反之则向相反方向(减小桨距角)旋转某一角度。风力发电机组传动系统布置常规风力机采用的是齿轮增速器，其传动方式主要包括以下四种[5]。（1）“两点式”布置风轮的主轴通过两个轴承基座来进行支承，一个轴承安装在轮毂附近当确定不动的一端，剩下一个轴承当不确定的一端，如图2.1。图2.1“两点式”轴系布置这种布置方式使得风轮的大部分载荷由主轴及其轴承来承受，减小了齿轮箱受风轮负荷突变的影响，并且最稳定；但也因此造成轴系比较长，使机舱体积、重量增加，而且越大的机组功率，主轴直径和长度越大，机舱布置吊装难度也就越大。（2）“三点式”布置这种方法实际上就是基于“两点式”，将主轴轴承省略，由主轴前端轴承和齿轮箱两侧的支承共同组成，如图2.2。图2.2“三点式”轴系布置此种方式将轴向尺寸进行了缩短，使结构简单化，但对于齿轮箱承载能力提出了更多的要求，同时产生的噪音比较大。（3）“一点式”布置“一点式”布置型式将风轮主轴进行了省略，借助较大滚动轴承将风机轮毂的法兰支承在机舱框架上，如图2.3所示。弯曲剪力造成的扭矩不会引起齿轮增速箱的低速轴改变形状。另一种“一点式”布置省去主轴，将齿轮箱的箱体与机舱支架一体化，如图2.4，更加紧凑化了整个传动装置，但与此同时加大了传动链前轴承、齿轮箱的设计难度，并且提出更高的关于零部件强度和性能的要求。图2.3“一点式”轴系布置图2.4紧凑型“一点式”轴系布置（4）“内置式”布置这种布局是把主轴、主轴承和齿轮箱结合在一起，齿轮箱内放置主轴，采用花键或过盈连接来连接主轴和第一级行星轮，箱体传递风轮的负荷给主机架，如图2.5所示。该传动方案的特点是结构比较紧凑，风轮和主轴之间的装配方便，齿轮箱内放置主轴，有良好的润滑表现，然而，此种布置导致齿轮增速箱的箱体直接受到来自风轮的负载，严重影响了齿轮以及轴承的运转。图2.5“内置式”布置结合尺寸及结构要求，本文将选用“三点式”布置型式来设计变桨距机组。变桨距系统机械结构设计轮毂轮毂将风轮叶片与主轴相连，其结构形式取决于方案设计，风力机有三种基本形式（图2.6）：刚性轮毂；连接叶片和主轴的连接部件可实现相对运动的跷跷板式叶片轮毂；两个叶片或一个叶片风力发电机组用得较多的是铰接式叶片轮毂。球形刚性风机轮毂适用于变桨距风力发电机，球铁件轮毂直接安装在主轴上[7]。本文采用三叶片变桨距，故采用的是刚性球形轮毂。图2.6三种轮毂形式主轴常规风力发电机的主轴作为风轮装置的转动轴，对风机轮毂有支承作用，还起到把风机轮毂所受的力矩传送到齿轮增速箱的作用，如图2.7所示。图2.7主轴除了风轮外部载荷影响作用于主轴上的载荷外，风轮（主轴）的支承形式和主轴支承的相对位置也会影响主轴载荷。当作用在主轴上的弯矩和轴向力可忽略的情况下，可按下式粗略计算主轴直径[8]。 d≥A公式中，A是物料相关系数，A取105;P是风轮主轴所传达的功率大小，单位是kW;n是风轮主轴的旋转速度，单位是r/min。设风轮主轴的旋转速度为18r/min，其从风轮接收到的功率为PⅠ=0.55kW，则d≥32.8mm。联轴器两传动轴由联轴器进行联接，联轴器一般包括两个半联轴节和连接件。他们之间一般采用键或者花键连接。风力机转速较低的那个轴的端口（风轮主轴和齿轮增速箱低速轴轴之间的连接地方）一般使用胀套式联轴器。其具有以下优点：制作过程和安装相对容易，对于该风轮主轴和相对应的孔的生产精确程度要求较低；可以承受较重的负载；可供使用的寿命长，强度高。机械制动装置机械式制动器是利用摩擦力使运动部件减停的装置。为了减小制动力矩并减小制动装置的尺寸，风力发电机中的机械制动装置通常安装在高速轴上[12]。本论文采用液压盘式制动器，它能沿制动盘施加轴向压力，有较小的径向尺寸，实现了被制动轴无弯矩，有较稳定的制动性能。增速齿轮箱传动系统设计考虑到风力发电机组在装机、传动效率、维修保养等方面的原因，提高风力机的可靠性是不容忽视的。根据有没有齿轮箱的结构形式，现代风力发电机组可以划分为带有增速齿轮箱的风力发电机组、直接驱动的风力发电机组和半直接驱动的风力发电机组。从其特点可以看出，虽然直驱风电机组可以简化传动结构，但由于风力机容量不断发展为大型化，太大的低速发电机造成了运输和吊装困难，再加上制造成本较高，人们不得不回头去考虑怎样减少机构的体积以及重量，并且降低成本。合理地使用齿轮增速器或功率分流器可以有效地解决这一问题。增速齿轮箱的工作位置要求其具有很高的可靠性以及使用寿命。基于上述分析，本次设计的增速箱采用行星轮系统的传动方式，参考图2.8为传动方案，参照《机械原理》《机械设计手册》计算行星轮系的传动比并计算齿轮与轴。风力机运行环境恶劣，受力比较复杂，除需满足机械强度外，还应具有抗低温冷脆，抗冷热温差影响等。且6级加工精度为外齿轮加工精度的最低标准。图2.8一级行星和两级平行轴传动简图按照设计所要求的，即发电机的转速必须在2000r/min左右。普通兆瓦级风电机组齿轮箱的传动比一般为100[10],根据上述分析，本文设计的传动比为1:100，因为速度增加较大，本文选用一级行星齿轮+两级平行轴齿轮传动。（1）传动比的分配根据设计参数，已知风轮转速为n发=18r/min，马达转动速度nm=1800r/min，那么总的传动比大小为 i=n在设计传动系统的过程中，很关键的一个步骤就是如何有效地划分传动比。通常为：高速级的传动比比低速级低。故选择二级定轴齿轮传动比 i定=一级行星齿轮传动比 iI=100÷（2）行星齿轮选用满足的几何条件每一行星轮能在太阳轮之间均匀分布： Zs+式中P为整数。（3）传输部件的参数计算各轴的转速n（r/min）高轴速Ⅳ轴、中轴速Ⅲ轴、、行星架的转速分别为 nⅣ= nⅢ= nⅡ= nⅠ=式中：nm为风力发电机的旋转速度；n风为风轮轴输入速度；i3为固定轴和平行轴之间的传动比；i2为低轴速Ⅱ轴和太阳轮之间的传动比。各个轴的输入功率风轮、低轴速Ⅱ轴、高轴速Ⅳ轴的输入功率分别为 PⅠ=0.55 PⅡ= PⅢ= PⅣ=式中：ηc为联接效率；ηg为两轴承之间的效率；ηm是齿轮啮合摩擦损失的效率；ηs为液力损失的效率；η1是低转速传动齿轮的效率；η2是高转速传动齿轮的效率[11]。各轴的输入转矩如下 TⅠ=9550 TⅡ=9550 TⅢ=9550 TⅣ=9550表2-1为计算得出的各参数。表2-1传动参数的数据表项目风轮轴Ⅰ低速轴Ⅱ中间轴Ⅲ高速轴Ⅳ功率P/kW0.550.520.510.50转矩T/（N·m）291.8044.1410.822.65转速n/（r/min）18112.54501800传动比6.2544（5）齿轮箱可靠性风力机的增速齿轮箱工作在不确定的风力作用环境中，可供使用时间不低于20年。在风力机工作环境十分特殊的情况下，经常受到较大的冲击荷载作用，因此风力机在设计时必须采用动态荷载谱。变桨距机构本文采用的是液压变桨方式，液压缸安装在齿轮箱后面，如图2.9，图2.10为参考的某型变桨距机构的二维图纸，推动丝杆与液压缸连接，其靠前部分和同步盘稳定连接，在同步盘上通过向心关节轴承装有三个同型号的连杆，其分别与轮毂上三个叶片的位置相对应，同时连杆和偏心盘也通过向心关节轴承连接，偏心盘固定在桨叶法兰上。图2.9变桨距机构二维图纸主视图·图2.10变桨距机构二维图纸左视图在风速变化时，风速仪向控制中心传达风速的状态信息，并对其发出指令控制液压驱动缸推动丝杆作来回直线运动，与推动丝杆相连接的同步盘也随之往复移动，借助与之相连的连杆带动偏心盘旋转，偏心盘和回转轴承内圈相固定，使固定在变桨轴承法兰上的叶片随之转动，完成桨距角的改变[13]。上述变桨距机构可简化为以下曲柄连杆机构（图2.11）。图2.11变桨距机构原理假定截面中有一个惯性轴与cx轴相吻合，如图2.12所示[14]。图2.12桨叶旋转时所受的离心力模型由此可得质量为dm dpc=由几何关系得 r=AB AB=a r=a由图2.12可以得到如下等式 dF=d对于桨叶轴的力矩 dTc其中 AC=asinψ故 dTc其中 dm=式中，r为桨叶的重度；ds为叶素微元面积；d xB= yB= dTc将坐标变幻 x=x y=x则 dJxy式中xyd假设，主惯性轴为x'y轴，故 dJxy式中 x'd y'd dJxy dTc叶素微元产生的离心力矩为 dTc因此，离心力产生的力矩 Tc=计算叶轮的整个叶轮因离心力作用而产生的力矩。重新编写了公式以方便数值计算 Tc=计算得到T取支撑回转支承的效率为0.98。则旋转桨叶绕桨叶轴的转矩为T1=T根据风力发电机的空间限制、安装检修等要求，为避免死点与极限位置压力角过大[15]，取曲柄长l1=300mm，连杆长则活塞位移 s=l桨叶驱动力 F1=变桨距速度 v=l变桨距加速度 a=l变桨距推力 F=F可以得出风力叶片的变桨距角度范围是-2~88°；变桨距的角速度为8°/s；活塞推动杆重量为2500kg，通过以上数据计算得到推动丝杆的行程是190mm。风力发电机组的润滑风力发电机组的润滑要求风力机分布范围十分广泛，不同地区的环境条件区别非常大。靠近海岸地区的空气湿润程度较大，盐雾比较严重，每年平均气温比较高；而北方温差大，冬天冷，风沙强烈。对封闭式润滑系统而言，温差因素需要首要考虑，而其他因素的影响相对较小。由于风力机工作温度通常不高于40℃，并且运行的时间不长。所以，除了发电机轴承特殊考虑以外，风力机使用的润滑油（脂）通常对其高温使用性能没有特定要求。对于油类产品的低温性能，不同工作环境温度的风力机的要求也不一样。油品的选择正确选用润滑油对保证风力发电机组可靠运行起着重要作用[16]。（1）风力发电机轴承通常不止一个润滑点，并且一般由人工来加注润滑油，少部分采用自动润滑的方式。全功率工作时，位于发电机的轴承会产生较