風(fēng)力機(jī)變槳距控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

風(fēng)力機(jī)變槳距控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

0變槳距風(fēng)力機(jī)隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的成熟，風(fēng)力發(fā)電的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，波動(dòng)距離控制的海面徑流可靠性也越來(lái)越突出和必要。人們不僅滿足于提高風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的可靠性,而且要追求高的風(fēng)能利用系數(shù)和不斷優(yōu)化的輸出功率曲線,同時(shí)采用變槳距機(jī)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)可使葉輪重量減輕,并使整機(jī)的受力狀況大為改善。從今后的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中將會(huì)普遍采用變槳距技術(shù)。變槳距機(jī)構(gòu)作為變槳距控制型風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)變距控制的關(guān)鍵機(jī)構(gòu),正確選擇機(jī)構(gòu)各部件的參數(shù)是變槳距機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)之一。1風(fēng)能利用系數(shù)cp從能量轉(zhuǎn)換的角度看,風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,再通過(guò)轉(zhuǎn)軸、變速箱帶動(dòng)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。其中風(fēng)力機(jī)的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,設(shè)P為輸出功率;CP為風(fēng)能利用系數(shù);ρ為空氣密度;R為風(fēng)輪半徑;v為風(fēng)輪正面風(fēng)速,風(fēng)力機(jī)吸收風(fēng)能產(chǎn)生的輸出功率為:P=ρπCPR2v3/2對(duì)于變槳距風(fēng)力機(jī),風(fēng)能利用系數(shù)CP,與尖速比λ和槳葉的節(jié)距角β成非線性關(guān)系,尖速比λ即為槳葉尖部的線速度與風(fēng)速之比:λ=ωR/v=2πRn/v式中n——風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速據(jù)有關(guān)研究,風(fēng)能利用系數(shù)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由上述公式可歸納出2點(diǎn):a.對(duì)于某一固定槳葉節(jié)距角β下,存在唯一的風(fēng)能利用系數(shù)最大值CPmax。b.對(duì)于任意的尖速比λ,槳葉節(jié)距角β=0下的風(fēng)能利用系數(shù)CP相對(duì)最大。隨著槳葉節(jié)距角β增大,風(fēng)能利用系數(shù)CP明顯減小。以上2點(diǎn)為變槳距控制提供了理論基礎(chǔ):即變槳距控制是根據(jù)風(fēng)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整槳葉節(jié)距角,從而控制發(fā)電機(jī)輸出功率,使風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠盡可能多的吸收風(fēng)能并轉(zhuǎn)化為電能,同時(shí)在高風(fēng)速段保持功率平穩(wěn)輸出。2變距機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與單元建模2.1變槳連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)目前投入使用的風(fēng)力機(jī)組變槳距機(jī)構(gòu)主要有2種方案:液壓控制方案和電機(jī)控制方案。液壓控制以其響應(yīng)頻率快、扭距大、與制動(dòng)系統(tǒng)同一油源等優(yōu)點(diǎn)在變槳距控制中占很大的地位。本文所設(shè)計(jì)的變槳距機(jī)構(gòu)采用曲柄連桿機(jī)構(gòu),其原理如圖1所示。液壓缸的活塞桿通過(guò)中間連桿和風(fēng)力機(jī)葉片連接,以實(shí)現(xiàn)將液壓缸活塞桿直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為槳葉的轉(zhuǎn)動(dòng),并使液壓缸直線位移的變化與槳葉節(jié)距角變化成正比。2.2推盤(pán)裝裝體機(jī)構(gòu)根據(jù)上述對(duì)變槳距機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型分析,結(jié)合Pro/E軟件強(qiáng)大的三維建模功能,建立初步設(shè)計(jì)的變槳距機(jī)構(gòu)各部件(part)的實(shí)體模型,并將各部件按照一定的裝配關(guān)系組裝成裝配體(assemble),該機(jī)構(gòu)如圖2所示。推盤(pán)是通過(guò)推桿與液壓缸活塞桿連接,轉(zhuǎn)桿與槳葉根部相連,且推盤(pán)與轉(zhuǎn)桿之間通過(guò)中間連桿相連。推盤(pán)的運(yùn)動(dòng)是與液壓桿活塞桿運(yùn)動(dòng)是一致的,而轉(zhuǎn)桿支點(diǎn)是圍繞著槳葉中心轉(zhuǎn)動(dòng)。所以可以假定轉(zhuǎn)桿與槳葉中心有一連桿連接,整個(gè)機(jī)構(gòu)可以看成一個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)。推盤(pán)的水平移動(dòng)通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)傳遞至葉片的共同輪轂,輪轂克服阻力使轉(zhuǎn)桿支點(diǎn)繞槳葉中心轉(zhuǎn)動(dòng),最終改變槳葉節(jié)距角。3可變距離系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬和分析3.1模型導(dǎo)入adams為了使設(shè)計(jì)的變槳距機(jī)構(gòu)滿足改變槳葉節(jié)距角的要求,需要將機(jī)構(gòu)模型導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),考慮到只需優(yōu)化機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性,因而在模型導(dǎo)入ADAMS的過(guò)程中省去液壓缸、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸等對(duì)變槳距機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性影響不大的部件,以便在ADAMS中的仿真實(shí)現(xiàn)起來(lái)更為簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確。3.1.1裝體模型的標(biāo)記和約束采用Pro/E與ADAMS的專(zhuān)用接口軟件MECH/Pro實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,這是保證2個(gè)軟件無(wú)縫連接的關(guān)鍵。其中主要的步驟如下:a.定義剛體。在MECH/Pro中將裝配體模型中的各個(gè)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件分別定義成剛體(rigidpart),而無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件則可以定義為一個(gè)剛體,如推盤(pán)和推桿可定義為一個(gè)剛體。b.添加標(biāo)記和約束。在向ADAMS轉(zhuǎn)化模型時(shí)會(huì)丟失一些信息,比如軸線丟失、實(shí)體失真等,因此在MECH/Pro環(huán)境下,將后面分析需要的一些關(guān)鍵點(diǎn)所需要的標(biāo)識(shí)(markers)和各運(yùn)動(dòng)部件之間約束(轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副)定義好,設(shè)定要轉(zhuǎn)換模型的圖形質(zhì)量,然后生成.cmd文件,可實(shí)現(xiàn)在不退出Pro/E的前提下將機(jī)構(gòu)模型導(dǎo)入ADAMS中。3.1.2槳葉節(jié)距角度的調(diào)整將機(jī)構(gòu)導(dǎo)入到ADAMS中并添加必要的約束和驅(qū)動(dòng),其中以液壓缸通過(guò)推桿對(duì)推盤(pán)施加的驅(qū)動(dòng)作為仿真的驅(qū)動(dòng)。根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的仿真要求:在一個(gè)給定的進(jìn)給范圍內(nèi)以及槳葉節(jié)距角β在0°~90°范圍內(nèi),變槳距機(jī)構(gòu)能作出對(duì)應(yīng)的調(diào)整。因此,在葉片、推盤(pán)中心上分別設(shè)立2個(gè)標(biāo)記點(diǎn),以測(cè)量推盤(pán)的位移變化以及對(duì)應(yīng)的葉片節(jié)距角β的變化,包括角速度、角加速度等。通過(guò)上述設(shè)置,最終完成對(duì)變槳距機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的構(gòu)建。3.2機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真擬合好變槳距機(jī)構(gòu)在ADAMS/View中各剛體的相關(guān)屬性后,然后研究推盤(pán)以及槳葉的運(yùn)動(dòng)特性,包括速度、位移等。為了能清楚的顯示出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性,給推盤(pán)(液壓伺服系統(tǒng)推動(dòng)的對(duì)象)施加一個(gè)正弦的往復(fù)運(yùn)動(dòng),設(shè)定推盤(pán)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)為Function(time)=107ABS(sin(2*time)),仿真時(shí)間為15s,仿真步長(zhǎng)為0.04。通過(guò)對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,其仿真結(jié)果如圖3~圖6所示。由機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果來(lái)看,機(jī)構(gòu)各部件能很好地協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。且由以上仿真曲線可以看到,伺服機(jī)構(gòu)沿主軸方向的直線運(yùn)動(dòng)經(jīng)變槳距機(jī)構(gòu)傳遞至葉片,使葉片能夠繞自身軸線在0°~90°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)變化,滿足了變槳距機(jī)構(gòu)的功能要求。4實(shí)體模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真