【導(dǎo)讀】風(fēng)能作為一種可再生能源越來越受到世界各國政府的重視。技術(shù)和裝備的研究開發(fā)也日益成為科技領(lǐng)域和企業(yè)界關(guān)注的熱點課題項目之一。由于風(fēng)力發(fā)電機工作環(huán)境的惡劣性，這就要求其各個部件的維護(hù)周期要長，從而。便于降低維護(hù)費用，延長工作時間。首先，采用葉素理論建立了風(fēng)電機組變槳距調(diào)節(jié)原理。設(shè)計了一套新型變距傳動機。構(gòu)——電動變槳距傳動機構(gòu)。構(gòu)建了基于CAXA的三維實體模型，施以正弦運動律，其。優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。器為絕對式數(shù)字角度傳感器，增加了系統(tǒng)的靈敏性。

　　

【正文】 總體設(shè)計方案 1 ）總體氣動布局方案設(shè)計 隨著風(fēng)電機 組單機功率的增大，系統(tǒng)氣動布局設(shè)計逐漸成為風(fēng)電機組設(shè)計重要方面。此階段的任務(wù)主要包括對風(fēng)場的風(fēng)況分析，有針對性地對各類可行的功能構(gòu)成形式和氣動布局方案進(jìn)行比較和選擇，并結(jié)合機組性能和氣動特性的分析和仿真技術(shù)，初步確定整機的和各主要部件（子系統(tǒng)）的基本形式，并提交有關(guān)的分析計算報告。 2 ）風(fēng)電機組總體參數(shù)設(shè)計 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX21 風(fēng)電機組氣動設(shè)計前須首先確定總體參數(shù)，如風(fēng)輪運行參數(shù)、葉片參數(shù)、設(shè)計風(fēng)速、尖速比、翼型分布及其氣動性能等，總體參數(shù)設(shè)計的基本要求是發(fā)電成 本最低、機組載荷最小 ， 發(fā)電量多且滿足電源品質(zhì)要求。 3 ）風(fēng)電機 組的總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計 此階段是需要從風(fēng)電機組的總體功能角度出發(fā)，分析各部件、子系統(tǒng)、附件和設(shè)備的布置形式與技術(shù)要求，開展對各部件和子系統(tǒng)的技術(shù)組成、原理分析、結(jié)構(gòu)形式和功能參數(shù)選擇等工作。同時需要對整機的結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件布置、承載形式和傳力路線進(jìn)行分析，選擇合理的設(shè)計分離面和接口形式，以便明確劃分各部件設(shè)計界面，保證總體設(shè)計的質(zhì)量。此階段的設(shè)計要求是盡可能的詳盡分析風(fēng)電機組各子系統(tǒng)構(gòu)成方案的可行性，使之布置合理、協(xié)調(diào)、緊湊，便于安裝，且能可靠保證 運行和維護(hù)三維數(shù)字模型，并編寫有關(guān)報告和設(shè)計說明文件。 4）載荷 分析與風(fēng)電機組基本性能的預(yù)評估 在設(shè)計初期，必須對載荷作預(yù)評估，以準(zhǔn)確確定風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)。風(fēng)電機組應(yīng)能夠承受正常運行中的任何載荷，同時也具備一定的承受極端載荷的能力。最重要的載荷產(chǎn)生于 風(fēng)輪及其葉片，且風(fēng)輪上的任何載荷都會對其他子系統(tǒng)產(chǎn)生影響。該階段要注意查閱并依據(jù)相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合具體的風(fēng)電機組運行工況要求，對所有載荷都應(yīng)予以仔細(xì)分析評估。 5）發(fā)電成本估算 是影響風(fēng)電成本的關(guān)鍵因素。在設(shè)計早期，可以通過功率曲線來預(yù)測風(fēng)電機組性能，這既是風(fēng)輪總體設(shè)計的重要功能目標(biāo)之一，同時也受到發(fā)電機類型、傳動系統(tǒng) 效率、運行方式（恒速或變速）以及控制方式的影響。 6）各部件和子系統(tǒng)的設(shè)計方案 根據(jù)整機總體結(jié)構(gòu)方案，開展包括對各部件和系統(tǒng)的要求、組成、原理分析、結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)及附件的選擇等設(shè)計工作。設(shè)計有關(guān)部件的結(jié)構(gòu)方案模型圖和有關(guān)系統(tǒng)的原理圖，并編寫有關(guān)的報告和技術(shù)說明。 7）配套附件 選擇和確定整機配套附件和備件等設(shè)備，對新研制的部件要確定技術(shù)要求和協(xié)作關(guān)系。提交協(xié)作及采購清單等有關(guān)文件。 總體設(shè)計階段將解決全局性的重大問題，必須精心和慎重的進(jìn)行，要盡可能充分利用已有的經(jīng)驗，以求總體設(shè)計階段中的重大決策建立在可靠的 理論分析和試驗基礎(chǔ)上，避免以后出現(xiàn)不應(yīng)有的重大反復(fù)，導(dǎo)致設(shè)計的失誤和延期。 their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX上述總體設(shè)計的各階段屬于靜態(tài)設(shè)計，設(shè)計結(jié)果是：風(fēng)電機組總體設(shè)計方案圖、總體布置圖和設(shè)計計算報告、風(fēng)電機組性能分析與載荷初步分析報告、各部件和子系統(tǒng)的初步技術(shù)要求與設(shè)計示意圖、系統(tǒng)原理圖、對制造方面的協(xié)作和采購要求清單等，以及對其他有關(guān)經(jīng)濟性和使用性能等均應(yīng)有明確的技術(shù)文件。 （ 2）風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析 在初步完成風(fēng)電機組總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步對風(fēng)電機組動特性進(jìn)行詳細(xì)的分析。動特性分析屬于風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)動力學(xué) 研究范疇，主要涉及動 載荷分析、振動及結(jié)構(gòu)動特性分析等方面的內(nèi)容。 1）動載荷問題 作用于風(fēng)輪葉片上的周期性氣動和機械載荷會引起葉片等構(gòu)件的動態(tài)響應(yīng)， 而此響應(yīng)反饋于外部氣動負(fù)荷。因此，這實質(zhì)上是一種流固耦合響應(yīng)問題，對風(fēng)輪等零部件的疲勞會產(chǎn)生影響。同時，葉片等構(gòu)件的動負(fù)載將合成為風(fēng)輪的動負(fù)載，也是風(fēng)電機組振動的主要振源。 2）振動 風(fēng)電機組的運行過程中，始終存在持續(xù)的周期性的振動，圖 31 所示為風(fēng)輪葉片的兩種振動形式。實際上，風(fēng)輪、發(fā)電機、傳動系統(tǒng)及其支撐結(jié)構(gòu)等零部件的設(shè)計都必須考慮振動問題。振動會引起結(jié)構(gòu)的損傷或破壞，影響設(shè)備 的可靠性和可用性。 3）穩(wěn)定性 風(fēng)電機組載荷存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，可能會導(dǎo)致各種動力穩(wěn)定性問題的產(chǎn)生。在風(fēng)電機組發(fā)展史上 ，運行中風(fēng)輪與其他機體耦合的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性問題造成了許多嚴(yán)重的后果。風(fēng)輪的動力不穩(wěn)定性，包括變距 /揮舞不穩(wěn)定性（經(jīng)典顫振）、變距 /擺振不穩(wěn)定性及揮舞 /擺振不穩(wěn)定性等。 （ 3）風(fēng)電機組的可靠性設(shè)計 風(fēng)電機組可靠性量化指標(biāo)，通常以其可利用率來度量。此種量化指標(biāo)屬于廣義可靠性范疇，因其同時包括了風(fēng)電機組可靠性和可維修性等方面的內(nèi)容。因此，可利用率實際上是一種反應(yīng)風(fēng)電機組固有可靠性和運行管理可靠性的綜 合度量指標(biāo)。 為保證風(fēng)電機組有較高的可利用率，在總體設(shè)計階段，對重要零部件和系統(tǒng)應(yīng)規(guī)定可靠性量化指標(biāo)的要求，可以采用串聯(lián)模型法，確定有關(guān)零部件的可靠性定量要求。對電控系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等應(yīng)考慮平均故障間隔 時間（ MTBF）或平均維修間隔時間（ MTBM）和平均維修時間，以滿足整機可靠性要求。對重要承載零部件，總體設(shè)計中還應(yīng)規(guī)定合理的使用壽命等技術(shù)指標(biāo)。為保護(hù)風(fēng)電機組的安全，對重要的蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX23 安全系統(tǒng)應(yīng)采取有余設(shè)計。 3． 3 風(fēng)電機組零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 （ 1）風(fēng)電機組部件結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 根據(jù)確定的總體氣動布局、總體技術(shù)參 數(shù)、設(shè)計載荷以及風(fēng)電機組的初步結(jié)構(gòu)方案 ，開展子系統(tǒng)和部件具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。 這些子系統(tǒng)或主要的部件有：風(fēng)輪（包括詳細(xì)的葉片結(jié)構(gòu)、輪轂、變槳距機構(gòu)等）、主傳動鏈（包括主軸、聯(lián)軸器、齒輪箱、制動裝置等）、發(fā)電機系統(tǒng)、機艙和主機架、偏航系統(tǒng)、塔架和基礎(chǔ)等。 （ 2）設(shè)計準(zhǔn)則 風(fēng)電機組的零部件很多，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)具體的設(shè)計要求，參照合理的設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計與校核。其中，有些部件（或構(gòu)件）應(yīng)采用剛度設(shè)計、強度校核的準(zhǔn)則；有些則應(yīng)首先考慮強度要求，并進(jìn)行必要的剛度分析。 （ 3）零部件強度與剛度分析 1）結(jié)構(gòu)的極限 強度設(shè)計 極限強度設(shè)計的基本準(zhǔn)則是在極端載荷作用下，保證構(gòu)件的應(yīng)力不超過材料許用應(yīng)力，避免發(fā)生靜載破壞。對于載荷的波動情況，一般需要通過增加許用安全系數(shù) 加以解決。 2）構(gòu)件剛度分析 構(gòu)件剛度一般是指其抵抗變形的能力，包括在動載荷和靜載荷作用的剛度。實際上，構(gòu)件的剛度分析與強度設(shè)計有密切聯(lián)系，應(yīng)根據(jù)主要構(gòu)件的具體工況條件和設(shè)計要求，考慮合理的剛度指標(biāo)，并結(jié)合強度分析使設(shè)計達(dá)到優(yōu)化。 3）結(jié)構(gòu)疲勞強度設(shè)計 疲勞破壞是影響承受交變載荷構(gòu)件的設(shè)計壽命的主要失效形式之一。有鑒于風(fēng)電機組的循環(huán)和隨機載荷作用條件，許多構(gòu) 件容易發(fā)生疲勞失效。因此，需要詳細(xì)分析主要零部件在風(fēng)電機組壽命期內(nèi)的循環(huán)應(yīng)力值和循環(huán)次數(shù)。 4）零部件的工程詳圖設(shè)計 根據(jù)風(fēng)電機組總體與部件結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，可以開展風(fēng)電機組的工程詳圖設(shè)計根據(jù)主要構(gòu)件的具體工作 。設(shè)計中需要解決設(shè)備總體和零部件的裝配、加工等具體技術(shù)問題，提供詳細(xì)的設(shè)計技術(shù)文件，形成設(shè)備制造工程的基礎(chǔ)。 3． 4 樣機測試與設(shè)計驗證 their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX風(fēng)電機組的原型設(shè)計完成后，一般需要制造樣機，以通過對樣機設(shè)計的測試試驗，驗證設(shè)計結(jié)果，確保設(shè)計的可用性，為日后的產(chǎn)品批量制造、裝配和可靠運行奠定基礎(chǔ)。 研制的樣機通常 需要一段時間的實際運行，參照有關(guān)的產(chǎn)品認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行必要的測試。測試項目主要包括功率特性、關(guān)鍵部件的動特性、實際載荷和溫升等。 基于樣機的試驗測試數(shù)據(jù)，應(yīng)進(jìn)一步完善和修改原設(shè)計，形成批量生產(chǎn)的工程竣工設(shè)計。還應(yīng)注意，批量生產(chǎn)的風(fēng)電機組與原型樣機的工程設(shè)計與制造方法通常會有差別，某些部分可能需要改進(jìn)；有些情況下，為降低批量生產(chǎn)的成本，風(fēng)電機組的某些部分可能需要基于原形設(shè)計原理，對設(shè)計結(jié)構(gòu)作出較大的調(diào)整，但其前提是確保設(shè)計的可靠性。 小結(jié) 風(fēng)電機組的設(shè)計在不同條件下對它的設(shè)計要求是不同的，本章詳細(xì)的介紹 了在設(shè)計風(fēng)電機組時可能遇到的情況以及如何設(shè)計。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX25 4. 風(fēng)電機組 變槳距 與偏航 系統(tǒng) 作為一種無污染的可再生能源，風(fēng)能開發(fā)有著巨大的經(jīng)濟、社會、環(huán)保價值和發(fā)展前景。隨著社會對能源的急劇需求，我國風(fēng)力發(fā)電的單機容量已發(fā)展到兆瓦級機組，控制方式從基本的定槳距失速型控制轉(zhuǎn)向變槳距控制，但與國際水平還有一定差距。風(fēng)力發(fā)電機設(shè)置偏航調(diào)向系統(tǒng)，可以使風(fēng)輪最大程度地保持迎風(fēng)狀態(tài)，從而高效地利用風(fēng)能，進(jìn)一步降低發(fā)電成本，有效地保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機，是風(fēng)力發(fā)電機組電控系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。 隨著 風(fēng)電技術(shù)的不斷成熟，變距控制型風(fēng)電機組以其優(yōu)越的性能越來越受到人們的青睞。采用變槳距機構(gòu)的風(fēng)力機可使葉輪重量減輕，并使整機的受力狀況大為改善。從今后的發(fā)展趨勢來看，在大型風(fēng)力發(fā)電機組中將會普遍采用變槳距技術(shù)。目前投入使用的風(fēng)電機組變槳距機構(gòu)主要有 2 種方案：液壓控制方案和電機控制方案。液壓執(zhí)行機構(gòu)以其響應(yīng)頻率快、轉(zhuǎn)矩大、便于集中布置等優(yōu)點占有主要的地位，總的來說其技術(shù)已較成熟，但由于其液壓驅(qū)動本身存在油泄露問題，且受溫度變化影響大，所以精度受到限制。電機執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能對槳葉進(jìn)行單獨控制，精度高，受 到許多廠家的青睞，但其動態(tài)特性相對較差，有較大的慣性，且如連續(xù)頻繁的進(jìn)行變槳調(diào)節(jié)，容易產(chǎn)生過量的熱負(fù)荷而損壞訓(xùn)。我們基于一種新型的變距驅(qū)動一電作動筒變槳的傳動機構(gòu)，進(jìn)行了分析與設(shè)計。 變槳距系統(tǒng) 變槳距系統(tǒng)基本工作原理 變槳距系統(tǒng)的硬件框圖如圖 41 所示。所有機艙的信號，如電源線、 Canopen 總線、安全鏈信號等，都從機艙經(jīng)過滑環(huán)進(jìn)入輪轂內(nèi)的變槳控制柜內(nèi)，實現(xiàn)機艙與輪轂動力和信號的傳輸。每個槳葉在減速齒輪箱的輸入端和輸出端分別配有一個旋轉(zhuǎn)變壓器（ resolver）和絕對值編碼器，用于 測量變槳的速度和位置，并將其作為速度閉環(huán)和位置閉環(huán)的反饋信號，用于實時的動態(tài)調(diào)節(jié)。備用電源是在電網(wǎng)或滑環(huán)故障，外部電源無法直接為變槳距系統(tǒng)供電時，通過電源切換電路，將備用電源接入到變槳控制柜，使其能夠為變槳距系統(tǒng)提供動力和控制用電，保證葉片能夠安全、快速的回到順槳位。位置開關(guān) 1 和位置開關(guān) 2 作為一個硬件開關(guān)，用于保證變槳距系統(tǒng)能夠在設(shè)定的范圍內(nèi)運行，避免超出工作范圍。 their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX 圖 41 變槳距系統(tǒng)硬件框圖 變槳距調(diào)節(jié)原理 風(fēng)流經(jīng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)子時，風(fēng)力機風(fēng)輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 2312 PC R vPTT??? ? ? （ 1） 式中，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩 T 是由負(fù)載決定的， R 為風(fēng)輪半徑， ? 為空氣密度。這樣，當(dāng)風(fēng)力機處于一定的風(fēng)速 v 下，對于一定的負(fù)載下， ? 、 ? 、 R 亦為常量，那么風(fēng)輪轉(zhuǎn)速就取決于風(fēng)能利用系數(shù) PC 的大小，即 PC?? （ 2） 根據(jù)葉素特性理論，分析風(fēng)輪起動后以某種速度穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)時葉片微元的受力情況，如圖 42 所示。 得出理想情況下氣流與葉片角的關(guān)系 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX27 ????? （ 3） 1ta n vvI ur ?? ? ?? sinv I? ? 其中， I 為傾角， ? 為攻角， ? 為槳距角， ? 為相對風(fēng)速， ? 為葉尖速比。 圖 42 葉片 微元的受力情況分析 圖 43 C1與 Cl/Cd隨 i的變化曲線 轉(zhuǎn)矩系數(shù) 21( s i n c o s )/sinl ldTC I ICCCI?? （ 4） 風(fēng)能利用系數(shù) ( , ) ( , )PTCC? ? ? ? ?? （ 5） 因此，對于一個在一定轉(zhuǎn)速 ?下運轉(zhuǎn)的風(fēng)力機，當(dāng)風(fēng)速和風(fēng)向一定時， ? 和 I 一定，如果增大槳距角 ? ，攻角 i 便減小，在失速點以前的工作區(qū)內(nèi)， lC 和升阻比將減小，由表達(dá)式 (4)知，其轉(zhuǎn)矩系數(shù) TC 也要減小，所以 PC 減小，最終導(dǎo)致風(fēng)輪輸出的機械功率 P 減小，從而限制了風(fēng)功率的吸收。為了提高風(fēng)功率的吸收率，需要變槳距調(diào)節(jié)。 變 槳 距機構(gòu)設(shè)計與實體建模 變槳距機構(gòu)分析 機械執(zhí)行機構(gòu)采用的是曲柄滑塊機構(gòu)，驅(qū)動系統(tǒng)采用的是電作動筒控制系統(tǒng)。電作動筒工作行程： (625~645)mm；作動筒作用力 (持續(xù)載荷 )： (69950~79720)N；作動筒重量(包括電機 )不大于 50kg，有專用的控制柜，重復(fù)定位精度：小于 ? ；作動筒活塞桿位移從 (0~180)mm，響應(yīng)時間： 。根據(jù)機構(gòu)運動學(xué)原理，考慮到作動筒的工作行 their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX程及 風(fēng)機組