变桨距风电机组空气动力学仿真分析

变桨距风电机组空气动力学仿真分析

1机组容量对变桨矩的影响随着传统有机能源的日益减少以及废物对污染的加剧，世界各国都越来越重视屋顶技术，比如动态仪表。动态动力发电技术，尤其是动态仪表恒温水力发电发电，可以实现通信能力和无功能能力的独立调节，并迅速发展。随着机组容量的增大,叶片也逐渐变长,从安全性和发电效率角度考虑,变桨矩系统显得更加重要,对变桨力矩的分析研究也自然成为各位研究人员关注的焦点。本文首先总体介绍了变桨机构的运动方程,然后把变桨力矩分解开来进行独立分析,最后结合1.5M瓦风电机组模型绘制其变桨力矩曲线,确定变桨电机力矩范围,为工程师变桨电机选型提供参考。2桨叶的起动转矩从空气动力学角度,当风速过高时,只有通过调整桨距角,改变气流对叶片攻角,从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩,使功率输出保持稳定。同时,风力机在起动过程中也需要通过变距来获得足够的起动转矩。因此,要想变桨电机即不被卡死又要保证其经济性,必须准确确定桨叶在各个风况下的力矩。下面是桨叶绕着变桨轴旋转的运动微分方程:JLB为空气加速度引起的气流转动惯量,为叶素的转动惯量,KDB为可忽略的结构部分和占主要作用的气动阻尼部分的阻尼系数,KRL为轴承的摩擦因数,MST电机的折算到变桨轴侧的转矩(考虑了转动惯量,弹性阻尼特性和传动比),MBL为由离心力矩、气动转矩、回复力矩引起的载荷转矩和重力引起的重力矩。在刚性叶片中,转动惯量微分可以被忽略。另外,对于以确定的桨叶,KDB和KRL的导数也可以被忽略。以下是简化的运动微分方程:3桨叶扰动力为了更详细的分析桨叶绕着变桨轴的力矩(以下简称为桨叶扰动力矩),下面将其分解为离心力矩、起动力矩、俯仰力矩、空气加速度的惯性力矩和阻力矩、摩擦力矩和重力桨矩,并结合1.5MW风机曲线进行说明。3.1风轮旋转轴两侧离心变化离心力矩是桨叶质心偏离变桨轴,在风轮旋转过程中由叶素的离心力造成的。在桨叶绕变桨轴转动的过程中,风轮旋转轴两侧均会产生使桨叶趋于开桨的离心力。上式假设质心在弦线上,桨距角非变小。ω为风轮转速,φ为风轮锥角,am为质心到变桨轴的距离,β为桨距角(风轮旋转平面与弦线的夹角),fm为质心系数(叶素前缘到质心的距离与弦长的比值,以下类同),fb为变桨轴心系数。3.2上式气动中心—气动力矩气动力矩是由于气动中心与变桨轴不重合,主要是气动力分量造成的。上式假设气动中心在变桨轴上,桨距角非变小。CL为升力系数,Vr为相对风速,aa为变桨轴到气动中心的距离,l为弦长,α为攻角,fa为气动中心系数。3.3推挤力类似气动力矩,俯仰力矩是由翼型的俯仰中心偏离变桨轴造成的。俯仰力矩是力矩平衡的重要参数。Cm为俯仰力矩系数,方向与气动力矩相反。3.4空气加速度的抗弯能力和阻力率β为桨距角,d为二分弦长,b为弦轴偏移系数,f变桨轴心系数,Ck为theordorsenfunction(动态时Ck=1)。3.5载荷和载荷作用轴承的摩擦力矩包括与载荷无关部分和与载荷相关部分。与载荷无关部分是由润滑剂的流动损失造成的,它受润滑剂的粘度、多少和轴的旋转速度影响,一般在轻载快速的轴承运动中起主要作用。因桨距角变化很慢,轴承载荷很大,所以与载荷无关的摩擦力矩可以忽略不计。与载荷相关的摩擦力矩主要是由轴承接触面的弹性形变和局部的滑动造成的。这部分在轴承的慢速负载情况下起主要作用。fl2为轴承类型和载荷系数,gl2为载荷方向系数,pl2为静态载荷当量,dm为轴承平均直径。静态载荷当量特性由轴承的轴向力和切向力决定。然而轴向力和切向力在变桨中随变桨的角度而变化,所以静态载荷当量又是变桨角度的函数。对于任一个角度平均值偏差很小的静态载荷当量可以简化为常量。对于多(n)级轴承,3.6重臂重力矩是当质心与变桨轴不重合时,桨叶自身的重力分量造成的。以上适合桨距角非变变小时,变小时方向取反,曲线如图5所示。4桨叶气动动力学根据1.5MW风机建立模型,计算出各个力矩如图1~5所示。通过比较分析,离心力矩、气动力矩、俯仰力矩和重力距在变桨力矩中占的比重大,仿真时必须考虑。另外由于桨叶体积比较大、质量比较重、转动惯量比较大,仿真时也要考虑。因为变桨距执行机构在紧急关桨时出力比正常时大得多,故在此只计算风速为24m/s,变桨速率为10°/s时,传动比为1771.79∶1。桨叶顺桨时的加到变桨电机上的扰动力矩,如图6所示。在关桨开始时,桨叶惯性力矩开始起作用,这时力矩变大,随着桨距角增大,气动力矩减小,风轮转速也逐渐降低,离心力矩逐渐减小,桨叶力矩逐渐减小。由于存在风剪切,桨叶气动力矩出现准周期变化,表现在合力距中出现波谷。当桨叶到达顺桨位置,风轮停止转动,暂态合力距主要是重力矩和惯性力矩,稳态时主要为重力矩,表现在图6上是变桨即将到顺桨位置时(8~12s)力矩的增大和停止后(12s之后)稳定的力矩曲线。5桨叶扰动力的考虑由上面的分析,可以得出结论:在计算桨叶扰动力矩时可以忽略摩擦力矩、空气加速度的气动力矩和阻力距的影响;桨叶位置突变时,惯性力矩起主要作用;当桨距角固定时,由于风的湍流作用,桨叶扰动力矩还在波动,所以桨叶制动力矩必须大于最大桨叶的最大波