淺析風(fēng)力發(fā)電液力機(jī)械傳動(dòng)裝置的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)

李永強(qiáng)

（中國電力工程顧問集團(tuán)投資有限公司 北京西城區(qū) 100011）

淺析風(fēng)力發(fā)電液力機(jī)械傳動(dòng)裝置的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)

李永強(qiáng)

（中國電力工程顧問集團(tuán)投資有限公司 北京西城區(qū) 100011）

風(fēng)力發(fā)電是一種新型能源，是信息化、工業(yè)化發(fā)展的重要支撐。現(xiàn)階段，我國已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電大國之一。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，液力機(jī)械傳統(tǒng)裝置十分關(guān)鍵。對此，本文首先介紹了風(fēng)力發(fā)電液力機(jī)械傳動(dòng)裝置的特點(diǎn)，然后對風(fēng)力發(fā)電液力機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)液力機(jī)械傳動(dòng)裝置的安全性和可靠性。

風(fēng)力發(fā)電；液力機(jī)械傳動(dòng)裝置；設(shè)計(jì)

1 引言

新能源包括太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、水能等等，與傳統(tǒng)能源相比，新能源具有污染少、儲量大等優(yōu)點(diǎn)，因此對于解決當(dāng)前世界嚴(yán)重的環(huán)境污染問題和能源短缺問題意義重大。

2 風(fēng)力發(fā)電液力機(jī)械傳動(dòng)裝置的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的液力變矩器具有傳動(dòng)效率低的缺點(diǎn)，而且能量損失較大，通常情況下，傳統(tǒng)效率很難達(dá)到90%。本文研究的新型風(fēng)力發(fā)電液力機(jī)械傳動(dòng)裝置最初起源于變速箱系統(tǒng)，通過多年的發(fā)展和改良，其基本結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生明顯變化，但是在實(shí)用性方面卻得到了很大的改進(jìn)，其基本原理如圖1所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電用液力機(jī)械傳動(dòng)裝置原理圖

新型風(fēng)力發(fā)電液力機(jī)械部分為可調(diào)式液力變矩器，其基本構(gòu)造與普通液力變矩器相同，主要包括泵輪、渦輪以及可調(diào)導(dǎo)輪，二者的最大不同在于新型液力變矩器可以在回路中增加調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，即：通過控制系統(tǒng)，能夠?qū)?dǎo)輪葉片進(jìn)行控制，并且可以調(diào)節(jié)至所需要的開度，從而有效控制液力回路中的液體的流動(dòng)狀態(tài)，使得液力變矩器能夠有效控制渦輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速，更好的滿足液力機(jī)械工作需要。

新型液力變矩器裝置的最大特點(diǎn)在于：液力變矩器不再是傳統(tǒng)的元件，而是作為調(diào)節(jié)元件。將風(fēng)輪功率輸入至液力變矩器位置，一般可以分為兩部分，其中一部分傳遞至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸，作為發(fā)電功率輸出，而另外一部分則作為機(jī)械構(gòu)件，并且與風(fēng)輪功率的輸入相交集。在這一功率流程中，當(dāng)效率較低時(shí)，能夠?qū)⒖偣β实囊徊糠謧魍ㄟ^液力變矩器，同時(shí)不會在較大程度上降低傳動(dòng)總效率。

3 風(fēng)力發(fā)電液力機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

3.1 液力機(jī)械傳動(dòng)裝置主要參數(shù)的確定原則

在風(fēng)力發(fā)電業(yè)力機(jī)械傳動(dòng)裝置中，主要參數(shù)包括α1和α2——行星排的結(jié)構(gòu)參數(shù)、irj——風(fēng)力機(jī)到行星排的主傳動(dòng)比；i*TB——變矩器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速比、D——循環(huán)圓直徑等等。

3.1.1 行星排的結(jié)構(gòu)參數(shù)α1和α2

液力變矩器渦輪的輸出轉(zhuǎn)速計(jì)算如下所示：

根據(jù)公式（1），可以計(jì)算出液力變矩器的轉(zhuǎn)速比，如下：

nrjmin指的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最小轉(zhuǎn)速，其所對應(yīng)的液力變矩器轉(zhuǎn)速比最大值為iTB2，nrjmax指的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速，其所對應(yīng)的液力變矩器轉(zhuǎn)速比的最小值為iTB1，根據(jù)此可以計(jì)算出變矩器轉(zhuǎn)速比的工作范圍，如下：

通過公式（3）可以得知，行星排的結(jié)構(gòu)參數(shù)α1會在一定程度上影響液力變矩器的轉(zhuǎn)速比范圍，如果α1越小，則轉(zhuǎn)速比的范圍也越小，同時(shí)變矩器可以在更高的效率范圍內(nèi)作業(yè)。

將變矩器泵輪轉(zhuǎn)速設(shè)定為1500r/min，主傳動(dòng)增速比irj=25，對于2MW的風(fēng)力機(jī)，通常情況下，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速nr在11.1～20.7r/min之間變化，變矩器轉(zhuǎn)速比范圍Π隨α1的變化關(guān)系可以通過計(jì)算得出，具體如圖2所示。

圖2 變矩器轉(zhuǎn)速比工作范圍

變矩器渦輪的輸出轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下所示：

圖3 渦輪功率和風(fēng)力機(jī)功率的比值

參考行星排結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理取值范圍，可以確定α1的取值范圍在1.33～1.70之間。由于α1的實(shí)際取值會對液力機(jī)械傳動(dòng)效率造成很大影響，因此對于α1的具體取值需要綜合考慮風(fēng)力機(jī)以及變矩器的特性。

根據(jù)上述公式（2）可知，轉(zhuǎn)速比與α2為正比關(guān)系，α2可以直接影響變矩器工作轉(zhuǎn)速比的具體位置。圖4表示轉(zhuǎn)速比iTB2隨α2的變化關(guān)系，如果Π=iTB2/iTB1不變，則iTB2越大，轉(zhuǎn)速比變化也會逐漸增大，如果變矩器的最高效率在iTB2附近，則在iTB1處，變矩器會達(dá)到最低效率。如果Π=3，則當(dāng)iTB2=0.9時(shí)，iTB1=0.3，（iTB2-iTB1）=0.6；如果iTB2=0.6，iTB1=0.2，則（iTB2-iTB1）= 0.4。但是，如果iTB2數(shù)值較小，則iTB1位置的效率也會較低。綜合考慮，確定iTB2=0.55～0.70，其所對應(yīng)的α2=1.40～1.71。

圖4 變矩器轉(zhuǎn)速比圖

3.1.2 主傳動(dòng)比irj

風(fēng)力機(jī)和行星排之間的主傳動(dòng)比irj也會在一定程度上對變矩器的轉(zhuǎn)速比范圍Π以及設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速比位置產(chǎn)生影響。隨著irj的增加，Π會不斷增大，而iTB2會不斷減小，具體如圖5所示（取α1=1.40、α2=1.50）。由于受到α1大小的限制，轉(zhuǎn)速比范圍Π不能過小，所以irj的可選擇范圍也比較小，通常irj可以取25。

圖5 變矩器轉(zhuǎn)速比

3.1.3 變矩器循環(huán)圓直徑D和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速比i*TB

如果風(fēng)力機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速大于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，同時(shí)變速風(fēng)力機(jī)的實(shí)際實(shí)際輸出功率仍然為設(shè)計(jì)功率Pr，則風(fēng)力機(jī)的實(shí)際輸出功率如下：

隨著風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速nr的增加，則轉(zhuǎn)矩Mr會不斷下降，通過公式（2）計(jì)算得知，轉(zhuǎn)速比iTB也會不斷減小。通過公式（7）可以計(jì)算出風(fēng)力機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩：

式中：Prd指的是設(shè)計(jì)功率，W；nrd指的是設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，r/min。

另外，變矩器渦輪的輸出最大轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方式如下公式（8）：

式中：ρ指的是變矩器工作油的密度大小，kg/m3；λB指的是變矩器設(shè)計(jì)工況泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)；g指的是重力加速度，一般取9.81m/s2；變矩器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速比i*TB=iTB2。

3.2 液力變矩器數(shù)學(xué)模型

在風(fēng)力發(fā)電液力機(jī)械傳動(dòng)裝置中，根據(jù)相關(guān)要求可以選擇低轉(zhuǎn)速比的雙渦輪液力變矩器。雙渦輪液力變矩器是由泵輪、渦輪1、導(dǎo)輪1、渦輪2和導(dǎo)輪2所構(gòu)成的。其中，泵輪理論能頭計(jì)算方式如下所示：

理論能頭計(jì)算方式如下：

渦輪1：

渦輪2：

根據(jù)變矩器循環(huán)圓內(nèi)工作液體的能量平衡條件如下：

式中：R指的是變矩器各葉輪的進(jìn)、出口半徑；β指的是變矩器各葉輪的進(jìn)、出口葉片角；q指的是循環(huán)流量；∑Hm指的是各葉輪沖擊損失與通流損失之和；B指的是泵輪、T1指的是渦輪1、T2指的是渦輪2、D1指的是固定第一導(dǎo)輪、D2指的是可調(diào)第二導(dǎo)輪；μB指的是泵輪有限葉片修正系數(shù)；Am指的是變矩器各葉輪的進(jìn)、出口軸面面積；ω指的是葉輪旋轉(zhuǎn)角速度。液力變矩器泵輪轉(zhuǎn)矩計(jì)算方式如下：

渦輪轉(zhuǎn)矩計(jì)算方式如下：

如果已經(jīng)明確得知液力變矩器泵輪以及渦輪轉(zhuǎn)矩，則可以計(jì)算出變矩比k以及泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)λB，其中，第二導(dǎo)輪的葉片角是可以調(diào)節(jié)的，而且進(jìn)出口半徑也會隨著葉片角的變化而不斷變化。導(dǎo)葉可調(diào)式雙渦輪液力變矩器原始特性如圖6所示，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速比i*TB=0.3，最高效率0.825。第二導(dǎo)輪的相對開度

圖6 導(dǎo)葉可調(diào)式雙渦輪液力變矩器原始特性

4 結(jié)語

（1）行星排的結(jié)構(gòu)參數(shù)α1會在一定程度上影響變矩器工作的轉(zhuǎn)速比范圍，如果α1越小，變矩器工作的實(shí)際轉(zhuǎn)速比范圍也會越小。α2則會在一定程度上影響變矩器工作轉(zhuǎn)速比的位置，如果α2較大，則變矩器就會在較高的轉(zhuǎn)速比條件下進(jìn)行工作。

（2）風(fēng)力機(jī)和行星排之間的主傳動(dòng)比irj可以在一定程度上影響風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速比的位置以及變矩器工作的轉(zhuǎn)速比范圍。隨著irj的增加，Π也會不斷增大，而iTB2則會不斷減小。

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[2]樂韻斐，顧超，張鴻喜.風(fēng)機(jī)液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化研究[J].機(jī)電一體化，2013（01）：22～25.

[3]宣安光.對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)的探討[J].電氣制造，2010（03）：176～177.

TM614

A

1004-7344（2016）05-0238-02

2016-2-5

李永強(qiáng)（1987-），男，助理工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)等工作。