變槳距風(fēng)電機(jī)組空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析

1機(jī)組容量對(duì)變槳矩的影響隨著傳統(tǒng)有機(jī)能源的日益減少以及廢物對(duì)污染的加劇，世界各國(guó)都越來(lái)越重視屋頂技術(shù)，比如動(dòng)態(tài)儀表。動(dòng)態(tài)動(dòng)力發(fā)電技術(shù)，尤其是動(dòng)態(tài)儀表恒溫水力發(fā)電發(fā)電，可以實(shí)現(xiàn)通信能力和無(wú)功能能力的獨(dú)立調(diào)節(jié)，并迅速發(fā)展。隨著機(jī)組容量的增大,葉片也逐漸變長(zhǎng),從安全性和發(fā)電效率角度考慮,變槳矩系統(tǒng)顯得更加重要,對(duì)變槳力矩的分析研究也自然成為各位研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。本文首先總體介紹了變槳機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程,然后把變槳力矩分解開(kāi)來(lái)進(jìn)行獨(dú)立分析,最后結(jié)合1.5M瓦風(fēng)電機(jī)組模型繪制其變槳力矩曲線,確定變槳電機(jī)力矩范圍,為工程師變槳電機(jī)選型提供參考。2槳葉的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩從空氣動(dòng)力學(xué)角度,當(dāng)風(fēng)速過(guò)高時(shí),只有通過(guò)調(diào)整槳距角,改變氣流對(duì)葉片攻角,從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩,使功率輸出保持穩(wěn)定。同時(shí),風(fēng)力機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中也需要通過(guò)變距來(lái)獲得足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此,要想變槳電機(jī)即不被卡死又要保證其經(jīng)濟(jì)性,必須準(zhǔn)確確定槳葉在各個(gè)風(fēng)況下的力矩。下面是槳葉繞著變槳軸旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)微分方程:JLB為空氣加速度引起的氣流轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,為葉素的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,KDB為可忽略的結(jié)構(gòu)部分和占主要作用的氣動(dòng)阻尼部分的阻尼系數(shù),KRL為軸承的摩擦因數(shù),MST電機(jī)的折算到變槳軸側(cè)的轉(zhuǎn)矩(考慮了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,彈性阻尼特性和傳動(dòng)比),MBL為由離心力矩、氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩、回復(fù)力矩引起的載荷轉(zhuǎn)矩和重力引起的重力矩。在剛性葉片中,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量微分可以被忽略。另外,對(duì)于以確定的槳葉,KDB和KRL的導(dǎo)數(shù)也可以被忽略。以下是簡(jiǎn)化的運(yùn)動(dòng)微分方程:3槳葉擾動(dòng)力為了更詳細(xì)的分析槳葉繞著變槳軸的力矩(以下簡(jiǎn)稱為槳葉擾動(dòng)力矩),下面將其分解為離心力矩、起動(dòng)力矩、俯仰力矩、空氣加速度的慣性力矩和阻力矩、摩擦力矩和重力槳矩,并結(jié)合1.5MW風(fēng)機(jī)曲線進(jìn)行說(shuō)明。3.1風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸兩側(cè)離心變化離心力矩是槳葉質(zhì)心偏離變槳軸,在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中由葉素的離心力造成的。在槳葉繞變槳軸轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中,風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸兩側(cè)均會(huì)產(chǎn)生使槳葉趨于開(kāi)槳的離心力。上式假設(shè)質(zhì)心在弦線上,槳距角非變小。ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速,φ為風(fēng)輪錐角,am為質(zhì)心到變槳軸的距離,β為槳距角(風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面與弦線的夾角),fm為質(zhì)心系數(shù)(葉素前緣到質(zhì)心的距離與弦長(zhǎng)的比值,以下類同),fb為變槳軸心系數(shù)。3.2上式氣動(dòng)中心—?dú)鈩?dòng)力矩氣動(dòng)力矩是由于氣動(dòng)中心與變槳軸不重合,主要是氣動(dòng)力分量造成的。上式假設(shè)氣動(dòng)中心在變槳軸上,槳距角非變小。CL為升力系數(shù),Vr為相對(duì)風(fēng)速,aa為變槳軸到氣動(dòng)中心的距離,l為弦長(zhǎng),α為攻角,fa為氣動(dòng)中心系數(shù)。3.3推擠力類似氣動(dòng)力矩,俯仰力矩是由翼型的俯仰中心偏離變槳軸造成的。俯仰力矩是力矩平衡的重要參數(shù)。Cm為俯仰力矩系數(shù),方向與氣動(dòng)力矩相反。3.4空氣加速度的抗彎能力和阻力率β為槳距角,d為二分弦長(zhǎng),b為弦軸偏移系數(shù),f變槳軸心系數(shù),Ck為theordorsenfunction(動(dòng)態(tài)時(shí)Ck=1)。3.5載荷和載荷作用軸承的摩擦力矩包括與載荷無(wú)關(guān)部分和與載荷相關(guān)部分。與載荷無(wú)關(guān)部分是由潤(rùn)滑劑的流動(dòng)損失造成的,它受潤(rùn)滑劑的粘度、多少和軸的旋轉(zhuǎn)速度影響,一般在輕載快速的軸承運(yùn)動(dòng)中起主要作用。因槳距角變化很慢,軸承載荷很大,所以與載荷無(wú)關(guān)的摩擦力矩可以忽略不計(jì)。與載荷相關(guān)的摩擦力矩主要是由軸承接觸面的彈性形變和局部的滑動(dòng)造成的。這部分在軸承的慢速負(fù)載情況下起主要作用。fl2為軸承類型和載荷系數(shù),gl2為載荷方向系數(shù),pl2為靜態(tài)載荷當(dāng)量,dm為軸承平均直徑。靜態(tài)載荷當(dāng)量特性由軸承的軸向力和切向力決定。然而軸向力和切向力在變槳中隨變槳的角度而變化,所以靜態(tài)載荷當(dāng)量又是變槳角度的函數(shù)。對(duì)于任一個(gè)角度平均值偏差很小的靜態(tài)載荷當(dāng)量可以簡(jiǎn)化為常量。對(duì)于多(n)級(jí)軸承,3.6重臂重力矩是當(dāng)質(zhì)心與變槳軸不重合時(shí),槳葉自身的重力分量造成的。以上適合槳距角非變變小時(shí),變小時(shí)方向取反,曲線如圖5所示。4槳葉氣動(dòng)動(dòng)力學(xué)根據(jù)1.5MW風(fēng)機(jī)建立模型,計(jì)算出各個(gè)力矩如圖1~5所示。通過(guò)比較分析,離心力矩、氣動(dòng)力矩、俯仰力矩和重力距在變槳力矩中占的比重大,仿真時(shí)必須考慮。另外由于槳葉體積比較大、質(zhì)量比較重、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較大,仿真時(shí)也要考慮。因?yàn)樽儤鄨?zhí)行機(jī)構(gòu)在緊急關(guān)槳時(shí)出力比正常時(shí)大得多,故在此只計(jì)算風(fēng)速為24m/s,變槳速率為10°/s時(shí),傳動(dòng)比為1771.79∶1。槳葉順槳時(shí)的加到變槳電機(jī)上的擾動(dòng)力矩,如圖6所示。在關(guān)槳開(kāi)始時(shí),槳葉慣性力矩開(kāi)始起作用,這時(shí)力矩變大,隨著槳距角增大,氣動(dòng)力矩減小,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速也逐漸降低,離心力矩逐漸減小,槳葉力矩逐漸減小。由于存在風(fēng)剪切,槳葉氣動(dòng)力矩出現(xiàn)準(zhǔn)周期變化,表現(xiàn)在合力距中出現(xiàn)波谷。當(dāng)槳葉到達(dá)順槳位置,風(fēng)輪停止轉(zhuǎn)動(dòng),暫態(tài)合力距主要是重力矩和慣性力矩,穩(wěn)態(tài)時(shí)主要為重力矩,表現(xiàn)在圖6上是變槳即將到順槳位置時(shí)(8~12s)力矩的增大和停止后(12s之后)穩(wěn)定的力矩曲線。5槳葉擾動(dòng)力的考慮由上面的分析,可以得出結(jié)論:在計(jì)算槳葉擾動(dòng)力矩時(shí)可以忽略摩擦力矩、空氣加速度的氣動(dòng)力矩和阻力距的影響;槳葉位置突變時(shí),慣性力矩起主要作用;當(dāng)槳距角固定時(shí),由于風(fēng)的湍流作用,槳葉擾動(dòng)力矩還在波動(dòng),所以槳葉制動(dòng)力矩必須大于最大槳葉的最大波