风力机变桨距控制机构的设计

风力机变桨距控制机构的设计

0变桨距风力机随着风力发电技术的成熟，风力发电的自动化程度越来越高，波动距离控制的海面径流可靠性也越来越突出和必要。人们不仅满足于提高风力机运行的可靠性,而且要追求高的风能利用系数和不断优化的输出功率曲线,同时采用变桨距机构的风力机可使叶轮重量减轻,并使整机的受力状况大为改善。从今后的发展趋势来看,在大型风力发电机组中将会普遍采用变桨距技术。变桨距机构作为变桨距控制型风力发电机实现变距控制的关键机构,正确选择机构各部件的参数是变桨距机构设计的要点之一。1风能利用系数cp从能量转换的角度看,风力发电的原理是利用风轮将风能转化为机械能,再通过转轴、变速箱带动发电机将机械能转化为电能。其中风力机的功能是将风能转换为机械能,设P为输出功率;CP为风能利用系数;ρ为空气密度;R为风轮半径;v为风轮正面风速,风力机吸收风能产生的输出功率为:P=ρπCPR2v3/2对于变桨距风力机,风能利用系数CP,与尖速比λ和桨叶的节距角β成非线性关系,尖速比λ即为桨叶尖部的线速度与风速之比:λ=ωR/v=2πRn/v式中n——风轮的转速据有关研究,风能利用系数CP,可近似用以下公式表示:CP=(0.44−0.0167β)sin[π(λ−3)15−0.3β]−0.00184(λ−3)βCΡ=(0.44-0.0167β)sin[π(λ-3)15-0.3β]-0.00184(λ-3)β由上述公式可归纳出2点:a.对于某一固定桨叶节距角β下,存在唯一的风能利用系数最大值CPmax。b.对于任意的尖速比λ,桨叶节距角β=0下的风能利用系数CP相对最大。随着桨叶节距角β增大,风能利用系数CP明显减小。以上2点为变桨距控制提供了理论基础:即变桨距控制是根据风速和发电机转速来调整桨叶节距角,从而控制发电机输出功率,使风力发电机能够尽可能多的吸收风能并转化为电能,同时在高风速段保持功率平稳输出。2变距机构设计与单元建模2.1变桨连杆机构设计目前投入使用的风力机组变桨距机构主要有2种方案:液压控制方案和电机控制方案。液压控制以其响应频率快、扭距大、与制动系统同一油源等优点在变桨距控制中占很大的地位。本文所设计的变桨距机构采用曲柄连杆机构,其原理如图1所示。液压缸的活塞杆通过中间连杆和风力机叶片连接,以实现将液压缸活塞杆直线运动转化为桨叶的转动,并使液压缸直线位移的变化与桨叶节距角变化成正比。2.2推盘装装体机构根据上述对变桨距机构的运动学模型分析,结合Pro/E软件强大的三维建模功能,建立初步设计的变桨距机构各部件(part)的实体模型,并将各部件按照一定的装配关系组装成装配体(assemble),该机构如图2所示。推盘是通过推杆与液压缸活塞杆连接,转杆与桨叶根部相连,且推盘与转杆之间通过中间连杆相连。推盘的运动是与液压杆活塞杆运动是一致的,而转杆支点是围绕着桨叶中心转动。所以可以假定转杆与桨叶中心有一连杆连接,整个机构可以看成一个曲柄连杆机构。推盘的水平移动通过曲柄连杆机构传递至叶片的共同轮毂,轮毂克服阻力使转杆支点绕桨叶中心转动,最终改变桨叶节距角。3可变距离系统的动态模拟和分析3.1模型导入adams为了使设计的变桨距机构满足改变桨叶节距角的要求,需要将机构模型导入ADAMS中进行优化设计,考虑到只需优化机构的运动学特性,因而在模型导入ADAMS的过程中省去液压缸、风机转动轴等对变桨距机构的运动学特性影响不大的部件,以便在ADAMS中的仿真实现起来更为简单、准确。3.1.1装体模型的标记和约束采用Pro/E与ADAMS的专用接口软件MECH/Pro实现数据的转换,这是保证2个软件无缝连接的关键。其中主要的步骤如下:a.定义刚体。在MECH/Pro中将装配体模型中的各个有相对运动的部件分别定义成刚体(rigidpart),而无相对运动的部件则可以定义为一个刚体,如推盘和推杆可定义为一个刚体。b.添加标记和约束。在向ADAMS转化模型时会丢失一些信息,比如轴线丢失、实体失真等,因此在MECH/Pro环境下,将后面分析需要的一些关键点所需要的标识(markers)和各运动部件之间约束(转动副、移动副)定义好,设定要转换模型的图形质量,然后生成.cmd文件,可实现在不退出Pro/E的前提下将机构模型导入ADAMS中。3.1.2桨叶节距角度的调整将机构导入到ADAMS中并添加必要的约束和驱动,其中以液压缸通过推杆对推盘施加的驱动作为仿真的驱动。根据机构运动的仿真要求:在一个给定的进给范围内以及桨叶节距角β在0°~90°范围内,变桨距机构能作出对应的调整。因此,在叶片、推盘中心上分别设立2个标记点,以测量推盘的位移变化以及对应的叶片节距角β的变化,包括角速度、角加速度等。通过上述设置,最终完成对变桨距机构的运动学模型的构建。3.2机构动态仿真拟合好变桨距机构在ADAMS/View中各刚体的相关属性后,然后研究推盘以及桨叶的运动特性,包括速度、位移等。为了能清楚的显示出机构的运动状态和运动的准确性,给推盘(液压伺服系统推动的对象)施加一个正弦的往复运动,设定推盘的运动函数为Function(time)=107ABS(sin(2*time)),仿真时间为15s,仿真步长为0.04。通过对该机构进行运动仿真,其仿真结果如图3~图6所示。由机构的动态仿真结果来看,机构各部件能很好地协调运动。且由以上仿真曲线可以看到,伺服机构沿主轴方向的直线运动经变桨距机构传递至叶片,使叶片能够绕自身轴线在0°~90°范围内转动变化,满足了变桨距机构的功能要求。4实体模型的运动学仿真