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1、 偏航氣動理論及偏航結構 風力發(fā)電機偏航狀態(tài)的空氣動力學基礎 由于風向的不斷變化，風輪不能時刻保持其軸向與風向平行，這種狀態(tài)稱之為偏航狀態(tài)。偏航狀態(tài)的風力發(fā)電機運行效率低于非偏航狀態(tài)。為了提高風力發(fā)電機的發(fā)電效率，水平軸風力發(fā)電機都配有偏航裝置，用以改變風輪的方向，時刻保持風輪軸向與風向平行，使風力發(fā)電機達到最佳的工作狀態(tài)。傳統(tǒng)的葉素-動量理論只考慮了風向與風輪平行使的情況，并不適用于偏航狀態(tài)，因此需要對其修正以達到準確效果。 偏航時的動量定理 動量定理通常用來研究風速與風作用在葉片上的力之間的關系，用以表現(xiàn)風輪對風能的轉(zhuǎn)換效率問題，為了便于該問題的研究，現(xiàn)做出以下假設 1 風輪為

2、一平面圓盤，不考慮傾斜角。 2 空氣無摩擦、無粘性 3流過風輪的氣流均勻 4空氣不可壓縮，即空氣密度不變。 將動量定理直接應用于處于偏航狀態(tài)的風輪時是存在一定問題的。對于未處于偏航狀態(tài)的風力發(fā)電機風輪來說，實際上葉片在空間的誘導速度是不同的，在徑向方向上是有一定變化的，而動量定理只能計算出平均的誘導速度。對于處于偏航狀態(tài)的風力發(fā)電機而言（見圖），由于葉輪與風向間存在夾角，誘導速度將會在徑向角與方位角間產(chǎn)生變化，難以對葉輪的特性進行估價?，F(xiàn)假設風速大小穩(wěn)定，方向無變化（見下圖），由于風向與葉輪間存在夾角r，隨著葉片的旋轉(zhuǎn)，每個葉片的攻角不斷發(fā)生變化。攻角的時刻變化會在風輪葉片產(chǎn)生軸向推力

3、的同時還附帶徑向力引起偏航傾斜力矩。 當風向固定時，由動量定理可知軸向的動量變化率等于通過圓盤（致動盤）的質(zhì)量變化率乘以垂直于風輪的速度變化率。其質(zhì)量變化率為ρAv∞cosγ-a，速度變化率為2av∞ 風力發(fā)電機偏航狀態(tài)見圖 推薦精選 風中帶有的動能為 E=12mv2=12ρAv3 由上式可知風流過葉輪時帶來的機械能為 E=12ρAv3=12ρAv∞3 葉片作用在圓盤上的力為F=Pa-PbA=2ρAv∞cosα-aav∞ FRF 式中，Pa和Pb分別為風輪迎風面與背風面的壓力；A為風輪的掃略面積；v∞為風在無窮遠處的速度；ρ為空氣的密度；a為軸向誘導速度；α為軸向

4、平均誘導因數(shù)。 由上式可知，令 CT=F12ρAv∞2=4acosγ-a 我們稱CT為風輪的推力系數(shù)，則 風輪產(chǎn)生的功率為 P=Fv∞cosγ-a=2ρaAv∞3cosγ-a2 現(xiàn)定義風輪的風能利用系數(shù)Cp為 Cp=PE=2ρaAv∞3cosγ-a212ρAv∞3=4acosγ-a2 現(xiàn)要使風能系數(shù)達到最大，對上式軸向平均誘導系數(shù)a求導，令其一階導數(shù)為0，即dCpda=0因此有 a=cosγ3 Cpmax=1627cos3γ 在理想狀態(tài)下，當風向與風輪軸之間的夾角為零度時，此時的風能利用系數(shù)最大 Cpmax=1627≈0.592 該數(shù)據(jù)表明

5、風機最大僅能利用風能的59.2%。實際在運行時，由于風向的變化，偏航角γ的存在，風能的轉(zhuǎn)化率要比這個數(shù)值小很多，風能利用少之又少，大約只占風能的30%左右。 偏航時的葉素動量理論 現(xiàn)時風力發(fā)電機槳葉的載荷都是由葉素動量理論計算出來的。葉素動量理論根據(jù)空氣動力學方法對槳葉翼型進行載荷分析的一種簡單方法。首先假設風機葉片之間的氣流互不干擾，將風力發(fā)電機的葉片延軸向離散為無數(shù)個單元，這些小單元成為葉素。葉素則近似為二維翼型，然后將這無數(shù)葉素上的力及力矩進行積分，最終苛求出葉片上所受的力及力矩。 假設風力發(fā)電機的葉片數(shù)目為N，葉尖處的風輪半徑為R，則任意半r處的葉素簡圖如下 推

6、薦精選 假設葉片的旋轉(zhuǎn)速度為ω，葉片前端的風速為v1，則葉素的切向速度為ωr，其切向誘導速度為a'ωr 該葉素總的切向速度為1+a'ωr 葉片上氣流的速度為 vres=v121-a2+1+a'2ω2r2 vres=v11-asinβ=1+a'ωrcosβ 合速度與葉片的旋轉(zhuǎn)平面的夾角φ（入流角φ<90°） φ=arctan1+a'ωrv11-a 攻角α α=β-φ 由動量定理可知，在槳葉翼型不失速時，半徑為r處的葉素翼型所受升力（與和速度方向垂直） δL=12ρvres2CLcδr 半徑為r處的葉素翼型所受阻力（與和速度方向相反） δD=12ρvres2CDc

7、δr 其中CL翼型的升力系數(shù) CD翼型的阻力系數(shù) 葉素的軸向力與與切向力為 δF=δLcosβ+δDsinβ=12ρvres2cCLcosβ+CDsinβδr δT=δLsinβ-δDcosβ=12ρvres2cCLsinβ-CDcosβδr 令Cx和Cy分別為 Cx=CLcosβ+CDsinβ Cy=CLsinβ-CDcosβ 其中Cx為法向力系數(shù)，Cy為切向力系數(shù) 由以上公式可知風輪受到的軸向力以及切向力分別為 F軸=Nr0R12ρvres2cCxδr F切=Nr0R12ρvres2cCyδr 在變槳系統(tǒng)不失速時，給定葉片的攻角及翼型升力系數(shù)與翼型阻力系數(shù)，就可

8、以根據(jù)上式計算出槳葉的載荷。但在偏航情況下，葉素上氣流的不穩(wěn)定性，葉素理論的實際應用存在很大問題。Theodorsen應用升力缺損函數(shù)來修正二維升力，進而解決葉片上攻角隨時間變化的問題。忽略渦流的影響，在一個葉素平面的速度分量如圖所示 其入流角φ由上圖可知 推薦精選 tanφ=v1cosγ-a1+FuKχsinψ+ωra'cosψsinχ1+sinψsinχωr1+a'cosχ1+sinψsinχ+v1cosψarctanχ21+FuKχsinψ-sinγ 其中r為葉素圓環(huán)半徑，u=rR，F(xiàn)u為氣流膨脹系數(shù)，Kχ為尾流偏斜角函數(shù)，ψ為旋轉(zhuǎn)方向上測量的葉片方位角 由于葉

9、片的攻角沒有改變，葉片的升力系數(shù)與阻力系數(shù)并未發(fā)生改變，根據(jù)公式計算每個葉片的攻角，依據(jù)修正后的葉素理論便可以計算出葉素上的力和力矩。 葉素動量定理 葉素-動量定理是葉素理論與動量定理的合稱，主要根據(jù)葉素理論與動量定理研究葉片的綜合性能。根據(jù)動能定理可知，氣流作用在葉素上的力的沖量與氣流帶來的動量是相等的。 假設風力發(fā)電機偏航的角度為δφ，風輪半徑r處的葉素所受軸向力分力為 δF=δLsinφ+δDcosφ=12Nρv12cCLcosφ+CDsinφδrδφ 定義弦長的實度為σr σr=Nc2πr 定義法向力系數(shù)為Cx Cx=CLcosφ+CDsinφ 考慮偏航和 Prand

10、tl 葉尖損失[41]，由動量定理可知，偏航時的軸向動量變化率為 δMa=12Nρvres24afcosγ+tanχ2sinγ-afsec2χ2rδrδφ 將動量定理應用到整個風輪葉片上，由于誘導因素a隨著風輪半徑r處氣流的變化而變化，在圓形平面上，因此葉素動量的大小還應該在圓形平面上進行積分，因此風在葉素上產(chǎn)生的軸向動量有 02πδMa=02π12ρv124afcosγ+tanχ2sinγ-afsec2χ2rδrdφ=02π12ρvres2Cxσrrδrdφ 因此有 8πafcosγ+tanχ2sinγ-afsec2χ2=σr02πvres2v12Cxδrdφ 對于整個葉片而言，

11、對葉片上的每個葉素所受的力進行求和就可以的到該葉片所受的軸向力，因此對上式在半徑上進行積分可得風力發(fā)電機葉輪所受軸向力為 F軸=0r02π12 Nρvres2Cxσrrdrdφ=0r02πvres2v12Cxσrdrdφ 根據(jù)葉素理論可知，葉素上所受的切向力相對軸的轉(zhuǎn)矩為 δM=12ρvres2δrcosψsinχCx+cosχCyr2δrδψ 由動量定理可知，葉素角動量是 δMm=12ρv12λμ4a'fcosγ-afcos2ψ+cos2χsin2ψr2δrδψ 同理對上式進行積分，有角動量為 推薦精選 02π12ρv12λμ4a'fcosγ-afcos2ψ+cos2

12、χsin2ψr2δrdψ=02π12ρvres2δrcosφsinχCx+cosχCyr2δrdψ 對上式進行積分運算得到 λπu4a'fcosγ-af1+cos2χ=δr02πvres2v12cosψsinχCx+cosχCydψ 對于整個葉片而言，對葉片上的每個葉素所受的力矩進行求和就可以的到該葉片的力矩，對上式在半徑上進行積分可得風力發(fā)電機葉輪所受的相對軸的轉(zhuǎn)矩為 T=0R02πvres2v12NcosψsinχCx+cosχCydrdψ 以上公式就是基本的偏航時的葉素—動量理論。根據(jù)以上公式可知，當給定葉片位置u和偏航時的角度ψ時?？筛鶕?jù)黃色公式計算出氣流的角度φ。根據(jù)葉片的

13、翼型，可以查到固定的升力系數(shù)與阻力系數(shù)。根據(jù)葉素的槳距角β，可以求得任意攻角α，利用公式求出軸向誘導因素a與切向誘導因素a'。通過最后的紅色公式便可以求出風力發(fā)電機在偏航狀態(tài)時風機葉輪所受的軸向力與相對轉(zhuǎn)軸的的力矩。 風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)的結構 偏航系統(tǒng)是水平軸風力發(fā)電機的重要組成部分，是風力發(fā)電機組特有的私服系統(tǒng)【42】。所謂偏航，就是機艙和風輪繞塔架的垂直軸旋轉(zhuǎn)，使風輪掃略面與風向保持垂直。通過偏航系統(tǒng)的準確工作，可以使風輪軸線時刻朝向風向，以保證風力發(fā)電機達到最大的發(fā)電效率。主動偏航系統(tǒng)的另外一個重要功能就是解纜，當機艙在反復的轉(zhuǎn)動過程中，極有可能在一個發(fā)向上轉(zhuǎn)動很多圈，造成艙內(nèi)電纜扭

14、絞，甚至扯斷電纜，通過解纜裝置，可以自動解除電纜纏繞，使風機運行順暢。 偏航系統(tǒng)通常分為被動偏航系統(tǒng)與主動偏航系統(tǒng)。被動偏航系統(tǒng)是指通過一系列機構將風力直接轉(zhuǎn)化為偏航動力以達到偏航的目的，常見的有尾舵、舵輪和下風向三種。這種系統(tǒng)多用于小型的風力發(fā)電機，在中大型的風力發(fā)電機中較少采用。采用電力驅(qū)動或液壓驅(qū)動的方式拖動偏航機構對風向變化響應以使風輪對準風向的偏航方式稱為主動偏航系統(tǒng)。對于大型風力發(fā)電機而言，通常會采主動偏航的用齒輪驅(qū)動形式，以下主要介紹主動偏航系統(tǒng)。 偏航系統(tǒng)的基本結構 通常來說，對于大型并網(wǎng)水平軸風力發(fā)電機來說其主動偏航系統(tǒng)機構大體包括以下幾個部分：偏航軸承、偏航制動裝

15、置、偏航驅(qū)動裝置和偏航保護裝置等。 下圖所示為外齒式偏航系統(tǒng)執(zhí)行機構的安裝圖，該機構通常用在大型風力發(fā)電機上。軸承內(nèi)圈與風力發(fā)電機的機艙通過螺栓緊固相聯(lián)，偏航軸承外圈通過螺栓與風力發(fā)電機的塔筒固定連接。當風向改變，需要偏航運動時，通過安裝在減速機輸出軸上的小齒輪與偏航軸承上的外圈齒輪嚙合，進而帶動機艙繞塔筒軸線旋轉(zhuǎn)，使風輪對準風向。在機艙底板上裝有盤式制動裝置，用于偏航系統(tǒng)停止工作時，保持機艙固定不動。 偏航載荷的確定 風力發(fā)電機的靜載荷包括機艙與風輪的重量，作用在軸承上的軸向力。其動載荷包括靜載荷與風作用在風輪上的載荷，如圖所示 由上圖可知，作用在偏航軸承上的偏航力矩Myaw

16、 Myaw=MzR+yRFxR+Mbrake+Mfriction 傾覆力矩Mtilt 推薦精選 Mtilt=M12+M22 M1=MyR+zRFxR M2=MxR-yRFzR-zRFyR+yNFN 徑向力Fr Fr=FyR2+FxR2 軸向力Fa Fa=FzR+FN 式中FxR——機艙與風輪上的側(cè)向載荷，單位 N； FyR——風輪上的軸向推力，單位 N； FzR——風輪重量，單位 N； MxR——風輪上x軸力矩矩，單位 N?m； MyR——風輪上y軸力矩，單位 N?m； MzR——風輪上z軸力矩，單位 N?m； FN——機艙重量，單位 N； yN——到機艙

17、重心的水平距離，單位 m； yR——到風輪重心的水平距離，單位 m； zN——到機艙重心的垂直距離，單位 m； zR——到風輪重心的垂直距離，單位 m。 由以上公式可知風力發(fā)電機偏航過程的運動方程式如式（所示） MD+MW+Mzr-FyrxR+MM+MR+MK=JWdωWdt 式中MW——作用在機艙上空氣產(chǎn)生的力矩，單位 N?m MM——機械制動力矩，單位 N?m MR——回轉(zhuǎn)軸承的摩擦力矩，單位 N?m MK——回轉(zhuǎn)效應產(chǎn)生的力矩，單位 N?m JW——偏航軸上的轉(zhuǎn)動慣量，單位 kg?m2 ωW——偏航角速度，單位 rad/s 公式中規(guī)定偏航驅(qū)動力矩方向為正，制動力

18、矩為負。實現(xiàn)偏航的條件就是等號左邊的力矩之和大于零（穩(wěn)態(tài)時是零）。偏航力矩的方向與風輪旋轉(zhuǎn)的方向和偏航角度的方向有關，偏航的驅(qū)動力矩與偏航角度和風速有關，偏航角和風速增加，偏航力矩也相應的增加。 偏航軸承 偏航軸承是支撐水平軸風力發(fā)電機機艙與塔筒間的連接部件，傳遞來自機艙與塔筒間的風載，是風力發(fā)電機保持關鍵運行的關鍵部件。偏航軸承一般可分為兩類包括外齒式偏航軸承和內(nèi)齒式偏航軸承。外齒式是輪齒位于偏航軸承的外圈上，相對來說加工簡單，安裝便捷；內(nèi)齒式是輪齒位于偏航軸承的內(nèi)圈上，其優(yōu)點是嚙合受力效果較好，結構緊湊節(jié)省較大空間。偏航軸承的齒圈結構見下圖 風力發(fā)電機偏航軸承的轉(zhuǎn)速很低，通常情況

19、下n≤10r/min。但是由于機組所受的載荷復雜，包括徑向力、軸向力和傾覆力矩，因此對軸承運行的安全可靠性及穩(wěn)定性具有較高的要求。由于風力發(fā)電機的機組特性，偏航軸承承受的載荷變化幅值很大，故在動載條件下，對軸承的接觸和疲勞強度的設計要求較高。 我們知道標準滾子軸承的強度是用額定載荷C表示的，回轉(zhuǎn)軸承卻與它大不相同?；剞D(zhuǎn)軸承的強度是以曲線的形式給出的，該曲線給出所了允許的等效軸向載荷和等效傾覆力矩之間的關系。該曲線如圖所示 推薦精選 圖中所示的軸承壽命曲線代表了等效傾覆力矩與等效載荷的組合，在給定的轉(zhuǎn)速下與載荷下，軸承失效概率為10%。如果計算出某一軸承的等效傾覆力矩與等效軸向載荷

20、，則可在曲線圖中描一點P，延長線OP與軸承壽命曲線L相交。一般情況下，制造商都會以轉(zhuǎn)動圈數(shù)的形式給出軸承壽命，可以將此圈數(shù)乘上OL/|OP|加以放大。 回轉(zhuǎn)軸承等效軸向載荷Feq計算方法與滾子軸承相似，也是通過軸向載荷Fa以及徑向載荷Fr來確定 Feq=XFa+YFrKaKs 式中X， Y——組合因子，取決于軸承類型與Fa/Fr的值，X與 Y的值通常由制造商提供； Ka——應用因子，推薦的適用范圍對偏航軸承室1.7~2.0； Ks——安全因子，等于相應工況下對應載荷的部分安全因子。 傾覆力矩的計算見公式 等效傾覆力矩的計算公式為為 Meq=MtKAKS 其中KA，KS針

21、對軸向載荷選取。 回轉(zhuǎn)軸承摩擦力的計算公式為 Myaw=uaMt+bFaDr+cFrDr 式中：Myaw——摩擦力矩 a、b、c——比例系數(shù) u——摩擦系數(shù) Mt——傾覆力矩 Fa——軸向力（重力） Fr——切向力 Dr——軸承滾道直徑 由于風力發(fā)電機多數(shù)采用外齒式偏航軸承開式齒輪傳動，且軸承所受負載復雜，受環(huán)境影響較大，其最基本失效形式表現(xiàn)為輪齒折斷和磨損。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，大多數(shù)偏航軸承故障都是由輪齒故障引起的，也有少部分是滾動體破壞導致的。風力發(fā)電機工況復雜，設計設計載荷很難準確無誤的掌握，傳動部分的結構設計強度決定了軸承的質(zhì)量[43]。 偏航驅(qū)動 偏航驅(qū)動是為偏航系

22、統(tǒng)提供動力的結構，由偏航電機、偏航減速器以及偏航小齒輪組成。該機構通過法蘭連接到機艙底部的機架上，用以拖動機艙旋轉(zhuǎn)。該機構如圖所示 由于風力發(fā)電機機艙空間有限，偏航電機一般采用轉(zhuǎn)速較高的電動機，以盡可能減小占用的空間。由于偏航結構的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)速很低，因此需要選用傳動比范圍大、結構緊湊、體積小、傳動效率高和輸入輸出同軸的減速器，在實際應用中，多級行星齒輪變速箱應用比較頻繁。 偏航驅(qū)動裝置一般采用偶數(shù)組（2組、4組、6組等）對稱布置在偏航軸承齒圈周圍，以達到傳動平穩(wěn)，防止受力不均的作用。圖（）某一風力發(fā)電機4組偏航驅(qū)動裝置的對稱分布圖。 偏航制動裝置 偏航系統(tǒng)需要設計一種制動器，用以保

23、證在風速較高時，機艙與塔筒間連接，機艙不出現(xiàn)擺動，風力發(fā)電機能正常工作時。制動器在一定的負載下，制動力矩穩(wěn)定，在偏航過程中，制動器提供的阻尼力矩應該保持平穩(wěn)，與設計值的偏差不應大于5%，制動過程噪聲小；制動器在閉合時，摩擦面與制動盤接觸面積大于50%。摩擦片周邊與制動器的配合間隙小于0.5mm；制動器設有自動補償機構，保證制動力矩及偏航阻尼力矩穩(wěn)定。偏航系統(tǒng)制動器有常閉式與常開式兩種形式，常閉式制動器平時關閉，在有動力條件下開啟，常開式 推薦精選 制動器在有動力的條件下鎖緊狀態(tài)。 風力發(fā)電機一般采用液壓拖動的鉗盤式制動器（常閉式制動器），其結構如下圖所示。 該制動器體是由整體輕

24、合金制造，具有較高的剛度與強度。制動塊由背板與摩擦片壓在一起，摩擦片多為矩形或扇形，摩擦片材料具有較高的摩擦系數(shù)、較強的抗衰退系數(shù)與穩(wěn)定性。制動盤通常位于塔架與偏航軸承之間，大多數(shù)情況下為圓環(huán)狀，制動盤的連接具有較高的可靠性，保證制動盤不動，制動盤應具有較高的強度與韌性，長期使用不出現(xiàn)機構疲勞順壞。此外，在未制動狀態(tài)下，制動盤與制動塊間應具有一定間隙，保證機艙能自由轉(zhuǎn)動，因此制動器安裝需要較高的精度。 偏航保護裝置 偏航計數(shù)器是一種能夠記錄偏航系統(tǒng)同一方向旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的裝置，當該圈數(shù)達到規(guī)定的處級解纜圈數(shù)或者終極解纜圈數(shù)時，該計數(shù)器會給控制系統(tǒng)發(fā)送一個信號，由控制系統(tǒng)控制機組進行解纜，以防止偏

25、航同一方向轉(zhuǎn)動圈數(shù)過多導致的電纜扭斷。計數(shù)器一般由帶控制開關的渦輪蝸桿裝置組成。 扭纜保護裝置也是偏航系統(tǒng)不可或缺的組成部分，其主要起到失效保護的作用。該裝置由控制開關和觸點機構組成，且獨立于主控系統(tǒng)。一般情況下，控制開關安裝在塔筒的內(nèi)壁上，觸點機構安裝在機組懸垂部分的電纜上，當偏航系統(tǒng)的偏航動作失效后，電纜扭絞達到威脅機組安全運行的程度時，觸點機構觸發(fā)控制開關該，裝置將被觸發(fā)，使機組緊急關機，以達到失效保護的目的。 本章小結 本章主要研究了偏航系統(tǒng)在偏航狀態(tài)下的運動學狀態(tài)。在偏航角的存在的情況下，應用經(jīng)典空氣動力學理論不能很好的反應實際情況，因此需要對該理論進行修正，進而得到偏航時的動量定理以及葉素—動量理論。在偏航狀態(tài)下，風力發(fā)電機的啟動特性存在很大的變化，本章從經(jīng)典的葉素—動量定理入手，通過實際情況分析，利用升力缺損函數(shù)來修正二維升力進而求出風輪在偏航狀態(tài)下的軸向力及切向力，為以后的分析仿真做準備。此外，本章還介紹了偏航系統(tǒng)的組成及結構以及它們在偏航運動中作用，為以后的建模仿真分析奠定基礎。 （注：可編輯下載，若有不當之處，請指正，謝謝!） 推薦精選