中小型風電機組機械氣動式變槳距機構研究與設計

相學仁

大連尚佳新能源科技有限公司 遼寧大連 116000

變槳距機構作為風電機組控制部件之一，有著十分關鍵的作用，所以，我們要更加清楚中小型風電機組機械氣動式變槳距機構的設計思路，提高設計的水平，提升設計的質量[1]。

1 液壓變槳距系統

隨著“低碳”這個名詞走進人們的生活，大家對可再生能源的關注度日益增大。隨著煤、石油的大量開采，能源問題引起了世界各個國家的警惕，可再生潔凈能源尤其風能開始受到人們的重視，風力發電得到了飛速發展，風力發電機在結構和控制都在逐漸完善，變槳距風力發電機組占著主導地位并將慢慢取代定槳距風力發電機組。變槳距最常規的解釋就是調節槳距角。在風電機中，主動改變槳距角可以克服被動改變（定槳距）的許多缺點。

槳距角最重要的應用是在功率調節方面，控制槳距角還有其他益處。例如，當風輪開始旋轉時，采用較大的正槳距角可以產生1個較大的起動力矩；停機時，經常采用90°的槳距角，以使風電機制動時風輪的空轉速度最小。液壓變槳距系統由電動液壓泵提供工作動力來源，液壓油作為傳遞介質，電磁閥作為控制單元，通過將液壓缸活塞桿的徑向運動變為槳葉的圓周運動來實現槳葉的變槳距。液壓變槳距系統由液壓缸、控制閥塊、液壓缸液壓水泵站、蓄能器和管路構成。可使變槳控制器根據功率或者轉速信號給出1個電壓信號，再通過電液比例閥控制器轉換成一定范圍的電流信號，并控制流量的大小和方向。液壓變槳距控制系統具有結構相對簡單和元器件使用周期長的特點，同時，其不足之處是容易漏油；所以，要求在一定的周期內對液壓油和濾清器進行更換。

液壓變槳距控制系統的維護相對簡單和方便，從而其可靠性大大增強，該系統精簡且具備高度的安全性；同時該系統是一種動力系統，在緊急情況下能夠使其在無外部電力供應的情況下運轉，而且由于其內只有少量的非電動部件，非常容易進行安全操作。另外，該系統的抗振動和故障效果良好。由于具有維護保養價格低廉、使用周期長和系統安裝簡單等特點，液壓變槳距控制系統非常值得投資。無間隙運轉是液壓系統的一大優勢，因此，液壓變槳距控制系統的機械磨損大大減小；與此同時，阻尼的最大化使得該系統的運行效果有了最優的體現，特別是出現陣風或強氣流時，機械系統傳動引起的磨損在風輪葉片的快速變化中得到優化控制和有效阻礙。

液壓變槳距控制系統有下述幾個缺點：（1）變槳距控制大量地使用了電磁閥，大大增加了該系統產生故障的可能性；（2）當氣溫較低時，采用液壓變槳方式的風電機組，由于需要對液壓油進行加熱，導致該機組起動時間延長，甚至出現由于液壓油黏稠度高導致變槳距變槳角偏離設定值和功率控制錯誤的情況；（3）壓力內泄或系統能量遺失的情況下，液壓泵就會不斷地加壓，長此以往，接觸器的吸合次數就明顯加大了，直接導致的結果就是接觸器需要經常更換；（4）液壓系統受諸多外界因素影響比較大，對葉片角度控制精度相對較差，風電機功率曲線不盡理想；（5）該系統在大功率風電機上的實用性較差。

2 變槳距機構的設計

2.1 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[2]。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。

2.2 風電機組模型參數

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

2.3 風輪壓力的計算

當風速超過風電機組的額定風速（11m/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11m/s-20m/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。

3 變槳距機構拉伸彈簧的設計

3.1 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280mm-310mm，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=1.81kN。

3.2 拉伸彈簧設計計算

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5mm、6mm、7mm三種尺寸進行試算[3]。

4 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200mm。

5 結語

綜上所述，中小型風電機組機械氣動式變槳距機構的設計方法很多，我們要根據其具體的設計方案，采取更好的設計技術，本文總結了中小型風電機組機械氣動式變槳距機構的設計措施，可供今后參考和借鑒。