風力發電機液壓系統變槳中蓄能器的應用及皮囊材料的選擇

黨繼平，關寶峰

（中廣核新能源控股有限公司內蒙古分公司，內蒙古 呼和浩特 010000）

風力發電機液壓系統變槳中蓄能器的應用及皮囊材料的選擇

黨繼平，關寶峰

（中廣核新能源控股有限公司內蒙古分公司，內蒙古 呼和浩特 010000）

在新能源兆瓦級風機系統中，偏航及變槳系統有采用電驅動或液壓驅動，偏航制動系統主要對風機偏航齒輪平穩運行和風機塔架振動及壽命起著至關重要的作用。變槳系統主要對風力發電機組的整個運行保證風機充分地利用風能,提高效率,穩定地輸出功率。文章中以液壓系統驅動，著重介紹液壓系統中蓄能器的應用及皮囊材料的選用。蓄能器如何在液壓系統中定義儲存能量、吸收脈沖壓及在緊急情況下起到安全保護作用，并選用低溫工況下適合的橡膠材料。

風機的變槳系統；液壓系統機構；蓄能器；橡膠材料

1 偏航液壓制動系統概要

偏航系統的方案有多種，偏航系統可分為被動偏航系統和主動偏航系統。被動偏航系統偏航力矩由風力產生，下風向風力發電機和安裝尾駝的上風向風力發電機的偏航屬于被動偏航。主動偏航系統應用液壓機構來使風力發電機迎風，如阻尼式偏航系統、帶有偏航制動器的固定式偏航系統、軟偏航系統、阻尼自由偏航系統和可控自由偏航系統等。目前應用最為普遍的偏航制動器有兩種，一種是采用滑動軸承的阻尼式偏航系統，另一種是采用液壓力驅動的鉗盤式制動器。根據所選制動器型式配置液壓系統。偏航制動器主要用于吸收風向的不確定性對風機偏航齒輪造成的沖擊載荷。

2 液壓變槳系統概要

變槳分為定槳距和變槳距。定槳距角的迎風攻角時不能改變的，風機的功率調節完全依靠槳葉的氣動特性。

變槳距時指安裝在輪轂上的槳葉不時固定的，可通過控制技術改變其槳距角的大小。

在額定風速以上或以下時，通過液壓系統中通過風速計及轉速反饋信號給PLC，由PLC信號輸出給比例閥控制油缸推動槳葉變槳，控制槳葉的迎風攻角。

3 液壓系統中的蓄能器應用

常用蓄能器種類分為4種。彈簧式、皮囊式、隔膜式蓄能器、活塞式。

彈簧式:將液壓壓力轉換成彈簧的壓縮能,其結構簡單，響應較為靈敏，但其容積較小，一般用于小容量，低壓力。

皮囊式:皮囊內根據工況在內充一定的氮氣壓力，系統工作時，皮囊外部受液壓壓力，使皮囊內氮氣體積壓縮，內壓升高直至與外部壓力相等，響應靈敏，一般用于大容量，中高壓工況下。

隔膜式蓄能器：工作原理與皮囊式相同，響應極為靈敏，一般用于小容量，中高壓工況下。

活塞式蓄能器：工作原理利用缸筒內壁中浮動的活塞將液和氣分割開。優點為壽命長，更換密封件成本較低。缺點為響應靈敏差，氣液混合性較大，另需注意保持油液的清潔，因油液過臟會對活塞密封環造成損壞。

4 蓄能器的功能

蓄能器(A1)功能：主要在風機偏航制動時，可以吸收制動器與制動盤會產生震動頻率，起到吸收脈沖壓力，從而保持制動平穩性從而提高偏航的穩定性，增加偏航齒輪的使用壽命。同時還可起一定的存儲能量功能，能在發生故障時能提供足夠的制動壓力，提供滿偏航制動力。

蓄能器(A2)功能：液壓系統中主要起存儲能量，維持蓄能器A1壓力，液壓泵也采用始終處于保壓狀態，如此可起到減少電機啟動次數，達到延長液壓站電機和雙流泵的使用壽命目的。

蓄能器（A3）功能：安全缸主要功能在風機緊急，危險時，將槳葉順槳。如當液壓系統油管破裂、系統故障超速時，無法進行控制，此時緊急停機，風機將利用蓄能器油壓將槳葉順槳。

5 蓄能器選型

文章以北中2MW風機液壓系統為例，偏航蓄能器（A1）主要用于吸收高頻脈沖， 容積小，保持平穩性，如此選用隔膜式蓄能器。

液壓系統主蓄能器（A2）主要用于補充各油路因泄漏造成的壓力下降，避免電機頻繁起動工作，及使執行元件快速響應的功能，如此需選用大容積，響應靈敏的皮囊式蓄能器。

變槳蓄能器（A3）主要用于在變槳時，起安全保護使用，在系統工作時槳壓力能儲存起來，當系統發生故障無法控制時，蓄能器釋放壓能，將槳葉順槳，如此需選用大容積，響應靈敏的皮囊式蓄能器。

6 蓄能器皮囊材料選擇

丁腈橡膠（NBR）-丁二烯和丙烯晴的共聚體。特點是耐汽油和脂肪烴油類的性能特別好，僅次于聚硫橡膠、丙烯酸酯和氟橡膠，而優于其他通用橡膠。耐熱性好，氣現常用橡膠材料有3種：

密性、耐磨及耐水性等均較好，粘結力強。缺點是耐寒及耐臭氧性較差，強力及彈性較低，耐酸性差，電絕緣性不好，耐極性溶劑性能也較差。使用溫度范圍：約－20℃～＋100℃。主要用于制造各種耐油制品，如膠管、密封制品等.

氟橡膠（FPM）是由含氟單體共聚而成的有機彈性體。其特點耐溫高可達300℃，耐酸堿，耐油性是耐油橡膠中最好的，抗輻射、耐高真空性能好；電絕緣性、機械性能、耐化學腐蝕性、耐臭氧、耐大氣老化性均優良。缺點是加工性差，價格昂貴耐寒性差，彈性透氣性較低。使用溫度范圍：－20℃＋200℃。主要用耐高溫、耐化學腐蝕的密封材料、膠管或其他零件及汽車工業。

氯醚橡膠（ECO）由環氧氯丙烷均聚或由環氧氯丙烷與環氧乙烷共聚而成的聚合物。特點是耐脂肪烴及氯化烴溶劑、耐堿、耐水、耐老化性能極好，耐臭氧性、耐候性緊挨熱性、氣密性高。缺點是強力較低、彈性較差、電絕緣性不良。使用溫度范圍約-35℃～+140℃，可用作膠管、密封件、薄膜和容器襯里、油箱、膠輥，制造油封、水封等。

根據現風場低高溫溫度范圍-30℃～100℃，選用氯醚橡膠（ECO）主要避免低溫工作皮囊破損。

7 結語

采用蓄能器的計算方案，經過實際應用，可以滿足兆瓦級風機應用要求達到更高的安全運行可靠性。

蓄能器作為一種液壓系統輔助裝置，在液壓系統中起到安全保護作用，其帶來的效果是明顯，所以必要經一步完善蓄能器基本理論，為開發配套更大機型制動系統做好準備。

［1］魏喜新.x液壓技術手冊［M］.上海：上海科學技術出版社，2013.

［2］姚興佳.風力發電機組原理與應用［M］.北京：機械工業出版社，2009.

黨繼平（1985-），男，內蒙古人，大學本科，助理工程師，主要研究方向：電氣工程及其自動化。