中小型風電機組機械氣動式變槳距機構研究與設計﹡

文 | 鄔元，李凌銳，李安兵，包胡日查，任君，楊茂榮

變槳距機構作為風電機組控制部件之一，對風電機組的運行、功率調節具有十分重要的作用。中小型風電機組的調速方式主要依靠風輪葉片失速或尾翼側偏機構，這類風電機組主要的不足之處是當工作風速超過額定風速時，風電機組輸出功率遠大于額定值。近幾年，隨著中小型風力發電并網技術的發展，要求并網中小型風電機組的功率輸出平滑、穩定。這就要求中小型風電機組必須采用合適的功率調節方式來滿足中小型風電機組的并網要求。由于中小型風電機組整機成本的制約，不可能采用大型風電機組所應用的技術成熟的電動或液壓變槳距機構，在本文中，利用風輪自身的空氣動力學特性，研究、設計的機械氣動式變槳距機構是一種較為經濟且有效的風電機組功率調節方式。本文以中小型風電機組機械氣動式變槳距機構為對象進行了研究，以期為中小型風電機組提供一種新的功率調節方式。

變槳距機構調節原理

風電機組風輪在風能的驅動下旋轉，風電機組吸收的風能為：

式中，P為風能，ρ為空氣密度，Cp為風能利用系數，D為風輪直徑，v為風速，T為扭矩。根據葉素特性理論分析，風輪啟動后以某種速度穩定旋轉時葉片受力情況，如圖1所示，從而得出理想狀態下氣流與葉片各角的關系：

tanI為傾角正切，i為攻角，β為槳距角，Wr為相對風速，λ為尖速比。

根據力的平衡關系，葉片的扭矩為：

圖1 葉片微元受力及各角關系

圖2 風電機組葉片升力系數和升阻比

式（4）（5）（6）中：T為葉片扭矩，Cm為扭矩系數，A為風輪迎風面積，D為風輪直徑，Wr為葉片的相對風速，v為風速，I為傾角。由圖2可知，對于一定轉速下運行的風電機組，當風速、風向一定時Wr和I是定值。如果攻角i增大，在失速點以前區域內，升力系數CL將增大，升阻比CL/Cd也將增大，扭矩系數Cm也將增大；反之，攻角i減小，在失速點以前區域內，升力系數CL將減小，升阻比CL/Cd也將減小，扭矩系數Cm也將減小。

由公式（1）、（2）、（5）得 ：

可見Cp正比于Cm，當攻角i增大，風能利用系數Cp增大；反之，當攻角i減小，風能利用系數Cp減小。又由式（3）I＝i＋β可知，攻角i減小，槳距角β增大；反之，攻角i增大，槳距角β減小。所以，槳距角β增大，風電機組功率下降；槳距角β減小，風電機組功率增加，因此，通過改變葉片槳距角的大小可以對風電機組功率進行調節。

變槳距機構的設計

一、預期工作過程

根據空氣動力學原理，利用葉片承受的正面軸向壓力，通過三根拉桿將軸向力傳遞到變槳距機構。當工作風速在額定風速以下運轉時，風輪傳遞到變槳距機構的壓力不足以克服拉伸彈簧的預緊力，葉片槳距角保持不變；當工作風速達到額定風速時，風輪傳遞到變槳距機構的壓力與拉伸簧的預緊力剛好平衡，葉片槳距角仍然保持不變；當工作風速超過額定風速時，風輪傳遞到變槳距機構的壓力克服了拉伸簧的預緊力，變槳距機構進入工作狀態，隨著風速的增加，風輪上的壓力也不斷加大，拉伸彈簧的長度不斷變化，葉片的槳距角也隨之變化，使風輪吸收的風能基本保持恒定；當工作風速減小時，其變化過程與風速增加時相反。

二、風電機組模型參數

額定功率：5 kW，額定轉速：150 r/min，風輪直徑：5.2 m，風輪葉片數：3，額定風速：11 m/s，工作風速范圍：3.5 m/s－20 m/s，葉片翼型：NACA4415。

三、 風輪壓力的計算

當風速超過風電機組的額定風速（11 m/s）時，風輪壓力才能克服變槳距機構彈簧預緊力，變槳距機構進入工作狀態，因此，在計算風輪壓力時，只需計算風速在11 m/s－20 m/s范圍內的風輪壓力。風輪壓力計算公式為：

式中：F為風輪壓力，B為壓力系數，S為風輪掃掠面積，為空氣密度，v為風速。風速在11 m/s－20 m/s范圍內的風輪壓力見表1。

表1 風速與風輪壓力的關系

表2 彈簧設計計算表

四、變槳距機構拉伸彈簧的設計

（一） 拉伸彈簧設計要求

設計圓柱拉伸彈簧，該彈簧在隨機的交變載荷下工作，根據安裝要求彈簧自由長度約280 mm－310 mm，由表1可知，風輪最大的拉力為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＝1.81 kN。

（二） 拉伸彈簧設計計算

圖3 彈簧結構示意圖

圖4 變槳距機構結構示意圖

圖5 5kW風電機組功率曲線圖

因彈簧在隨機的交變載荷下工作，按Ⅱ類彈簧來考慮。彈簧的材料選用65Mn，假設彈簧絲直徑按5 mm、6 mm、7 mm三種尺寸進行試算，彈簧設計計算見表2，彈簧結構示意圖如圖3所示。

五、變槳距機構的結構設計

變槳距機構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。該機構連接方式是通過緩沖氣缸總成底部的法蘭盤與輪轂連接；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力中心處的拉桿螺栓相連接。當工作風速超過機組額定風速時，風輪壓力驅使變槳距拉伸彈簧產生一定的變形量，同時風輪葉片繞葉片軸旋轉一定角度，實現了葉片的槳距角的改變。風輪葉片最大的旋轉角度為90°，對應變槳距的機構最大行程200 mm。變槳距機構結構示意圖如圖4所示。

測試結果與結論

在野外風電機組試驗場，對安裝有機械氣動式變槳距機構的5kW風電機組進行功率測試。利用中小型風電機組野外測試系統，同步采集風速和風電機組電壓、電流，最終將采集到的數據進行分析并繪制機組功率和風速的曲線圖，如圖5所示。

通過對應用機械氣動式變槳距機構的5kW風電機組進行野外功率測試，得出：當工作風速超過機組額定功率時，該變槳距機構能夠有效地調節機組功率輸出并保持機組功率輸出的平穩性。