基于风力发电机高速轴制动器的研究综述-Microsoft-Word-文档

1、 基于风力发电机高速轴制动器的研究综述 基于风力发电机高速轴制动器的研究综述作者：李龙刚 学号：200702010317 日期：2012年03月15日【摘要】: 随着科学技术和世界经济的不断发展，煤炭、石油和天然气等常规能源已大规模进行开发利用和消耗，成为当今社会的主要能源。然而这些短期内难以再生的能源日渐频临枯竭，导致生产成本加大，资源性抢夺战争频繁，促使了人类不断寻找可以替代的新型能源。风能作为可再生能源,拥有低成本，零污染，可靠性高，资源广泛等特点，在如今能源强国的世界形势下广泛被应用到各个领域。就风力发电这一版块，发展尤为迅速，装机容量空前壮大。至2011年底，全球风力发电装机容量已达

2、到2亿kW，已有100多个国家开始发展风电项目，其中装机容量超过100万kW的国家有20个。我国（除台湾）累计风电装机容量已达4 400万kW，已成为装机容量世界第一的风电大国。同时，巨大的装机容量也带动了大批风力发电机整机制造企业和零部件配套加工企业，风电市场经济活跃，竞争日益激烈。而制造技术相对落后的中国也奋力挤进其中，部分方面已达到世界先进水平，但作为风力发电机运行安全的保障，应用在其上的制动器一大部分仍依赖于国外，国产的制动器在制造的精密程度，摩擦片材料性能，液压缸的稳定性等方面一直是个瓶颈。其中风力发电机的高速轴制动器是一个一种带有失效保护功用的常闭单缸浮钳盘式制动器，具有体积小，易

3、控制，制动力矩大，反应迅速等优点，主要应用于风力发电机高速轴的机械制动停机或减速，也可以配套应用到矿用提升机、卷扬机等机械的制动装置中。【关键词】: 风力发电机 高速轴制动器 液压钳盘式【引言】: 随着全球应对气候变化呼声的日益高涨，破解环境污染美化家园的问题迫在眉睫，及其煤炭、石油等常规能源的短缺匮乏，各国不断调整能源战略大力开发利用新型能源。风能作为可再生能源,拥有低成本，零污染，可靠性高，资源广泛等特点，在如今能源强国的世界形势下广泛被应用到各个领域。就风力发电这一版块，发展尤为迅速，装机容量空前壮大。至2011年底，全球风力发电装机容量已达到2亿kW，已有100多个国家开始发展风电项目

4、，其中装机容量超过100万kW的国家有20个。我国（除台湾）累计风电装机容量已达4 400万kW，已成为装机容量世界第一的风电大国。同时，巨大的装机容量带动了我国风电市场的异常活跃，并培育了一大批优秀的风电制造企业，除最初的将先进风电机组制造技术引入我国外，本土风电设备制造企业也不断壮大，制造技术不断提高，一大批整机生产企业和零部件制造企业纷纷挤进国际先进行列，成为中国风电行业发展的中坚力量。至今，我国风电机组制造能力已突破2 000万kW，并且掌握了兆瓦级以上的风电机组制造技术，标志着我国风电制造业开始向大型化规模化迈进。然而作为风力发电机运行安全的保障，应用在其上的制动器一大部分仍依赖于国

5、外，国产的制动器在制造的精密程度，摩擦片材料性能，液压缸的稳定性等方面一直是个瓶颈。【正文】:1. 课题研究的工程背景 人类数千年以来，以各种各样的形式利用风能。根据埃及和中国的历史文献记载，3000多年以前风力机就被使用过。阿尔·玛斯乌丹记录了第l0世纪东波斯的锡斯坦地区的风和风力扬水机；阿拉伯的冒险家伊斯塔库里在大约公元950年也记载了现在阿富汗和伊朗边境附近仍在使用的碾磨粮食的垂直轴风力机。1105年法国关于许可制造风力机的文件，证明了风力机在欧洲第一次被使用。欧洲最早的风力机是用来灌溉和扬水，1439年荷兰制造了最初碾磨粮食用的风力机，此后风力机又经过几个世纪才得到快速发展1

6、。 世界能源正面临矿物资源的枯竭和核能泄露的危害性，而风是人类最熟悉的一种自然现象，风能是一种最具活力的可再生优质能源，实质上风能是太阳能的一种转化形式。世界风能总量约为2 × 1013瓦，是目前世界总能耗的3倍左右23。在时间和空间分布上，风能有很强的地域性，要选择品位高的风电场址，可以考察已有的各地区气象资料，研究大气流动的规律。在我国西北、华北、东北、和东南沿海等区域有丰富的风能资源。大规模的风电开发和利用将会带动煤电、充电装备制造等相关产业的发展。风力发电被广泛认为是短期内最有机会与矿物燃料竞争的可再生能源，作为全球最大的二氧化碳排放国之一，中国需要推广可再生能源来减少化石燃

7、料的使用的空气污染和提高能源供应安全45。中国现代风电技术正在开发和利用，离网型风力发电机开始试验、示范、应用推广，并网型风力机组得到快速发展，面向兆瓦级产业化，国家提出了大功率风电机组的研究目标。2风力机组概述一般都认为风力发电的先驱者是丹麦的Paul la Cour教授。1891年他在丹麦成立了风力发电研究所，为风力发电王国丹麦奠定了基础。从19世纪末到20世纪初期实现的风力发电.无论哪一种都是小规模直流发电。直到20世纪前半期，才试图实现风力发电机组的大型化并且通过提高空气动力性能来增大输出功率。风力发电机组的功能是将风中的动能转换成机械能，再将机械能转换为电能。风力发电机组的形式多种多

8、样，一般来说可以按照叶轮转轴与风向的位置不同分为水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组。水平轴风力发电机组是指叶轮转轴与风向平行的风力发电机组。主要包括螺旋桨型、多翼型、荷兰型和风帆翼型等。对于水平轴风力发电机组来说，需要叶轮始终保持面向风吹来的方向。有些水平轴风力发电机组的叶轮在塔架的前面迎风旋转，称为上风向风力发电机组；而叶轮在塔架后面的，则称为下风向风力发电机组。上风向风力发电机组可以通过迎风控制装置的调节，来使叶轮时刻保持面向来风的方向。而对于下风向风力发电机组来说，由于叶轮旋转面会自动产生面向风的作用力，所以多数情况下，当风向改变时，并不需要迎风控制装置，尤其是小型风力发电机组。垂直

9、轴风力发电机组指的是叶轮转轴与风向成直角(大多数与地面垂直)的风力发电机组，主要包括达里厄型、直线翼垂直轴型和涡轮型等。由于垂直轴风力发电机组对于任何方向的来风都可以旋转，所以不需要迎风转向装置。风力组结构可分为叶轮、机舱、塔架和基础几大部分7叶轮是获取风中能量的关键部件，由叶片和轮毂组成。叶片具有空气动力外形，在气流作用下产生力矩驱动叶轮转动，通过轮毂将扭矩输入到传动系统。叶轮按叶片数可以分为单叶片、双叶片、三叶片和多叶片叶轮。其中三叶片叶轮由于稳定性好，得到广泛应用。按照叶片能否围绕其纵向轴线转动，可以分为定桨距叶轮和变桨距叶轮。定桨距叶轮叶片与轮毂固定连接，结构简单，但是承受的载荷较大。

10、在叶轮转速恒定的条件下，风速增加超过额定风速时，如果风流与叶片分离，叶片将处于“失速”状态，叶轮输出功率降低，发电机不会因超负荷而烧毁。变桨距叶轮的叶片与轮毂通过轴承连接。虽然结构比较复杂，但能够获得较好的性能，而且叶片承受的载荷较小，重量轻。机舱由底盘和机舱罩组成，底盘上安装除了控制器以外的主要部件。机舱罩后部的上方装有风速和风向传感器，舱壁上有隔音和通风装置等，底部与塔架连接。塔架支撑机舱达到所需要的高度，其上安置发电机和控制器之间的动力电缆、控制和通信电缆，还装有供操作人员上下机舱的扶梯。塔架结构一般有筒形和桁架两种形式。基础一般为钢筋混凝土结构，根据当地地质情况设计.成不同的形式。其中

11、心预置与塔架连接的基础部件，保证将风力发电机组牢牢固定在基础上。风力发电机组由传动系统、偏航系统、液压系统与制动系统、发电机、控制与安全系统等组成。传动系统包括主轴、齿轮箱和联轴节。轮毂与主轴固定连接，将叶轮的扭矩传递给齿轮箱。有的风力发电机组将主轴与齿轮箱的输入轴合为一体。大型风力发电机组叶轮的转速一般10-30r/min 范围内，通过齿轮箱增速到发电机的同步转速 11500r/min(或 1000r/min)，经高速轴、联轴节驱动发电机旋转。1.5MW风力发电机组的具体结构组成如图 1.1 所示。其中：1-叶片，2-导流罩，3-轮毂，4-变桨电机，5-变桨轴承，6-变桨控制柜，7-珠轴承座

12、，8-主轴，9-偏航电机，10-机舱地盘，11-齿轮箱，12-联轴器，13-电机，14-主电控柜，15-提升机，16-机舱罩，17-塔架，18-偏航轴承 ，19-液压站。具体技术参数详见附录。 图 1.1 1.5MW风力发电机组结构组成图3 钳盘式制动器概述3.1 钳盘式制动器的分类钳盘式制动器的固定摩擦元件是制动衬垫，装在与机架连接且不能绕高速轴线旋转的制动钳中。制动衬块与制动盘接触面很小，在制动盘上所占的中心角一般仅为30°50°，故这种盘式制动器又称为点盘式制动器。钳盘式制动器按制动钳的结构不同，有以下几种。图2-1 钳盘式制动器示意图3.1.1 固定钳式如图2-1(

13、a)所示，制动钳固定不动，既不能旋转，也不能沿制动盘轴线方向移动，因而其中必须在制动盘两侧装设制动块促动装置，以便分别将两侧的制动块压向制动盘。这种形式也成为对置活塞式或浮动活塞式。3.1.2 浮动钳式3.1.2.1 滑动钳式 如图2-1(b)所示，制动钳可以相对于制动盘做轴向滑动，其中只在制动盘的内侧置有液压缸，外侧的制动块固装在钳体上。制动时活塞在液压作用下使活动制动块压靠到制动盘。而反作用力则推动制动钳体连同固定制动块压向制动盘的另一侧，直到两制动块受力均匀为止。3.1.2.2 摆动钳式 如图2-1(c)所示，它也是单侧液压缸结构，制动钳体与固定于车轴上的支座铰接。为实现制动，钳体不是滑

14、动而是在与制动盘垂直的平面内摆动。显然制动块不可能全面均匀地摩擦。为此，有必要将衬块预先做成楔形（摩擦面对背面的倾斜角为6°左右）。在使用过程中，衬块逐渐磨损到各处残存厚度均匀（一般为1mm左右）后应即更换。3.2 钳盘式制动器的选择浮动钳盘式制动器的优点有：（1） 除活塞和制动块以外无其他滑动件，易于保证钳的刚度；（2） 结构及制造工艺与一般的制动轮缸相差不多；（3） 容易实现从鼓式到盘式的改型；（4） 能适应不同回路驱动系统的要求（可采用三缸或四缸液压缸结构）。固定钳式制动器存在着以下缺点：（1） 液压缸较多，使制动钳结构复杂；（2） 热负荷大时，液压缸和跨越制动盘的油管或油道中

15、的制动液容易受热汽化；（3） 若要兼用于驻车制动，则必须加装一个机械促动的驻车制动钳。这些缺点使得固定钳式制动器难以适应现代风力发电机、汽车等机械制动的使用要求，故逐渐让位于浮动钳盘式制动器。浮动钳式制动器的优点有：（1） 侧有液压缸，故轴向尺寸小，制动器能进一步靠近制动盘；（2） 没有跨越制动盘的油道或油管，加之液压缸冷却条件好，所以制动液汽化的可能性小；（3） 成本低浮动钳的制动块可兼用于停车制动。经过分析，浮动钳式与固定钳式制动器相比， 浮动钳式制动器的优点更为突出，成本低，冷却条件好。所以本次设计采用浮动钳式中的滑动钳式制动器。3.3 钳盘式制动器的功用和要求制动器是风力发电机部件中不

16、可缺少的一部分，它直接影响着风车的运行安全，它的功用是：在风车运行过程中能使叶轮以适当的减速度降速转动或者停车。 为保证离合器有良好的工作性能，对制动器的设计应满足如下要求：(1). 有足够的制动能力。风车制动能力，用一定制动初速度下的制动减速度和制动时间两项指标评定，；(2). 在任何速度制动，风力发电机都不应当丧失操纵性和稳定性；(3). 防止污垢进入制动工作表面；(4). 要求制动器制动能力的热稳定能力良好；(5). 操纵轻便，并具有良好的随动性。3.4 浮动钳盘式制动器的工作原理图2-2 风力发电机浮动钳盘式制动器风力发电机高速轴制动器是一种带有失效保护功用的常闭单缸浮钳盘式制动器，主

17、要应用于风力发电机高速轴的机械制动或减速，也可以配套应用到矿用提升机、卷扬机等机械的制动装置中。其结构主要包括底座、主制动钳体、被制动钳体、定位器、制动衬垫、连接螺栓、隔环等几大部分组成，与制动盘、液压站配套使用。其中，主制动钳体主要由缸盖、叉形架、活塞、推杆总成、液压螺塞、蝶形弹簧组、衬垫固定架、刮油器、弹簧回缩螺栓、调整环及各种密封垫圈等零部件组成。定位器由定位系统轴、定位系统销、定位系统油缸、支架、滑动轴承及各种螺母和垫圈组成。它的工作原理大致如下：1. 当风力发电机处于正常工作状态时，液压站对液压缸输入设定值油压，碟形弹簧组克服活塞推力收缩，此时推杆总成失去蝶形弹簧的弹力 ，仅受回缩弹

18、簧螺栓的推力远离制动盘，同时被制动盘亦失去主制动钳通过连轴底座的连带拉力远离制动盘；2.当风力发电机需要停车或控制过高转速时，当叶轮的转速通过偏航空气制动达到1r/min以下后，液压站检测到启动信号后停止对液压缸供油或减小油压，碟形弹簧组的弹力大于液压缸的压力，推动活塞向制动盘方向运动，而活塞又推动执行器推杆总成（制动衬垫在推杆总成轴端连接）顶向制动盘，同时被制动钳体在主制动钳体通过连轴底座的连带拉力下向制动盘方向运动，最后两个制动钳加紧制动盘，起到制动作用。制动器的整个夹紧过程和松开过程均控制在0.2S以内。当风力发电机正常工作时，制动钳体与制动盘的间距在1mm左右，精度可精确至0.01mm

19、。间隙调整可通过弹簧回缩螺栓、调整环和定位器配合进行。如图2-2所示，其制动钳可以相对与制动盘做轴向滑动，其只在制动盘的内侧置有液压缸。外侧的制动块固定在钳体上。制动时，油液被压入液压缸中，活塞在液压P1的作用下使活动制动块压靠到制动盘，而其反作用力P2则推动钳体连同制动块一起压向制动盘的另一侧，直到两制动块受力均等为止，两制动块共同作用使制动盘停止旋转。当不制动时，液压快速下降，制动块在弹力的作用下迅速向两边张开与制动盘分离。【结论】风力发电机的体型庞大，制造技术要求高，生产成本高，所以要求其维护方便，稳定性好，避免任何故障或事故。这就要求有性能可靠的一系列制动器来保障，否则出现故障或发生飞

20、车事故，人身财产损失巨大。风力发电机的制动器主要包括叶轮偏航空气制动，高速轴机械制动和停机转子锁锁死机构。而此次毕业设计主要研究的高速轴制动器一种带有失效保护功用的常闭单缸浮钳盘式制动器，其结构复杂，但可靠性高，维护方便，操纵性好，制动力矩大，制造成本较低，符合风力发电机制动的要求。作为一台风力发电机的保护神，相信它能出色的完成自己的光荣任务。参考文献: 【1】 王之烁，王大康主编.机械设计综合课程设计.北京.机械工业出版社，2007.08【2】 任清晨主编.风力发电机组工作原理和技术基础.北京.机械工业出版社，2010,02 【3】 任清晨主编.风力发电机组生产及加工工艺.北京.机械工业出版

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