淺談水平軸變槳矩風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸機(jī)械制動(dòng)器選取

王碩

摘 要：該文首先從空氣動(dòng)力制動(dòng)、機(jī)械制動(dòng)兩個(gè)角度出發(fā)，對(duì)水平軸風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈制動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行了分析，并對(duì)主動(dòng)制動(dòng)器和被動(dòng)制動(dòng)器的特點(diǎn)對(duì)比和風(fēng)電機(jī)組對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的要求以及機(jī)械制動(dòng)器的主要作用展開(kāi)了探討，將主動(dòng)式機(jī)械制動(dòng)器在水平軸變槳矩風(fēng)電機(jī)組中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)，希望對(duì)我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的全面發(fā)展起到了促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：水平軸 變槳矩 風(fēng)電機(jī)組 傳動(dòng)軸 機(jī)械制動(dòng)器 選取

中圖分類(lèi)號(hào)：TK83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（b）-0042-02

1 水平軸風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈制動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 空氣動(dòng)力制動(dòng)

定槳距（失速型）機(jī)組在傳統(tǒng)幾百kW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組的典型代表，其擁有固定的槳葉角，擾流器被安裝在葉尖，其在同液壓缸活塞桿連接時(shí)，需要對(duì)不銹鋼絲繩進(jìn)行應(yīng)用，液壓缸活塞桿位于葉片根部，它們共同構(gòu)成了空氣動(dòng)力制動(dòng)機(jī)構(gòu)。正常運(yùn)行狀態(tài)下的風(fēng)電機(jī)組，受動(dòng)力源的推動(dòng)，將會(huì)有效地融合葉片主體部分與葉尖擾流器，從而提升葉片的完整性。

如果風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行的過(guò)程中，應(yīng)進(jìn)行脫網(wǎng)停機(jī)操作是，將會(huì)失去動(dòng)力源，在離心的影響下，擾流器將進(jìn)行80°～90°的旋轉(zhuǎn)，促進(jìn)阻尼板的形成，由于軸最遠(yuǎn)端點(diǎn)是葉尖部分的主要位置，那么葉片在運(yùn)行中將發(fā)揮杠桿的作用，促使氣動(dòng)阻力在擾流器中非常高，此時(shí)，盡管毫無(wú)磨損，風(fēng)電機(jī)組的速度也將銳減，這就是所謂的空氣動(dòng)力剎車(chē)[1]。風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行的過(guò)程中，典型的制動(dòng)器就是葉尖擾流器。

而目前廣泛使用的風(fēng)電機(jī)組如果在MW級(jí)以上，其通常都是變槳距機(jī)組，它擁有可調(diào)節(jié)葉片槳矩角的特點(diǎn)，空氣動(dòng)力制動(dòng)是在葉片順槳的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。此時(shí)“擾流器”是由整個(gè)葉片來(lái)充當(dāng)，所以此時(shí)將產(chǎn)生更大的氣動(dòng)阻力，并形成良好的制動(dòng)效果。

值得注意的是，作為一種失效保護(hù)裝置，空氣動(dòng)力制動(dòng)在定槳矩機(jī)組中，當(dāng)葉片運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧力、離心力在擾流器上會(huì)導(dǎo)致葉片主體上的葉尖擾流器產(chǎn)生相互脫離的狀態(tài)，在釋放動(dòng)力源的過(guò)程中，擾流器會(huì)在故障激發(fā)以及主動(dòng)激發(fā)的背景下而打開(kāi)，導(dǎo)致葉片不會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此其運(yùn)行過(guò)程中的安全性有效提升。

同時(shí)，針對(duì)變槳矩機(jī)組來(lái)講，在對(duì)一對(duì)一變槳控制進(jìn)行應(yīng)用的過(guò)程中，可以忽略故障葉片，而其他葉片能夠?qū)崿F(xiàn)安全順槳，變槳驅(qū)動(dòng)在備用電源系統(tǒng)的運(yùn)行下，會(huì)確保安全順槳在完全故障狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)[2]。由此可見(jiàn)，故障安全設(shè)計(jì)被應(yīng)用于變槳距機(jī)組和定槳距（失速型）機(jī)組中，盡管徹底中斷了輪轂供電，也可以促使自動(dòng)安全停機(jī)的現(xiàn)象產(chǎn)生于機(jī)組中。

1.2 機(jī)械制動(dòng)

通常需要在齒輪箱高速軸上設(shè)置機(jī)械制動(dòng)器，機(jī)械制動(dòng)裝置是由這一設(shè)備同制動(dòng)動(dòng)力設(shè)備、制動(dòng)盤(pán)共同構(gòu)成的。從制動(dòng)類(lèi)型的角度來(lái)看，被動(dòng)制動(dòng)器、主動(dòng)制動(dòng)器兩種類(lèi)型產(chǎn)生于高速軸制定器中[3]。也就是說(shuō)，在將動(dòng)力供應(yīng)給主動(dòng)制動(dòng)器時(shí)，制動(dòng)動(dòng)作是在制動(dòng)器卡鉗閉合的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的，而被動(dòng)制動(dòng)器正好相反，制動(dòng)動(dòng)作是在動(dòng)力供應(yīng)撤除時(shí)實(shí)現(xiàn)，彈簧為制動(dòng)動(dòng)力組件，同空氣動(dòng)力制動(dòng)相比，電機(jī)組傳動(dòng)鏈制動(dòng)中機(jī)械制動(dòng)處于次要地位。

2 主動(dòng)制動(dòng)器和被動(dòng)制動(dòng)器的比較分析

2.1 特點(diǎn)對(duì)比

在對(duì)主動(dòng)制動(dòng)器進(jìn)行應(yīng)用的過(guò)程中，其優(yōu)點(diǎn)如下：在制造過(guò)程中所需的資金相對(duì)較少，可以進(jìn)行便捷的維護(hù)和安裝。長(zhǎng)期運(yùn)行中的機(jī)組所消耗的成本相對(duì)較低等；但是其缺陷在于，機(jī)組斷電時(shí)，制動(dòng)功能在主動(dòng)制動(dòng)器徹底消失。從整體上來(lái)看，主動(dòng)制動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了被動(dòng)制動(dòng)器的相關(guān)缺陷。

“失電安全”的含義為：第一，當(dāng)給點(diǎn)工作正常時(shí)，其處于正常運(yùn)行狀態(tài)；第二，當(dāng)斷電現(xiàn)象產(chǎn)生于系統(tǒng)中時(shí)，動(dòng)力電在液壓由泵中喪失，無(wú)法再次有效建立系統(tǒng)壓力，UPS負(fù)責(zé)供應(yīng)電磁閥直流電，此時(shí)相關(guān)開(kāi)關(guān)處于不動(dòng)作狀態(tài)；同時(shí)，壓力在蓄能器中非常充足，可以促使其有效運(yùn)行，通常情況下，可以持續(xù)運(yùn)行2 d[4]。UPS在將電供應(yīng)給系統(tǒng)中以后，可以在主控程序的基礎(chǔ)上促使制動(dòng)器進(jìn)行剎車(chē)動(dòng)作；UPS持續(xù)進(jìn)行電能的提供，在30 min以后，為滿足主控程序動(dòng)作時(shí)間奠定良好的基礎(chǔ)。

2.2 風(fēng)電機(jī)組對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的要求及機(jī)械制動(dòng)器的主要作用

在對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行構(gòu)建的過(guò)程中，根據(jù)DS472和GL標(biāo)準(zhǔn)，要求制動(dòng)系統(tǒng)必須擁有兩套，且二者之間是相互獨(dú)立的。同時(shí)，根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，最少一套制動(dòng)系統(tǒng)必須存在于風(fēng)電機(jī)組中，其應(yīng)在低速軸或風(fēng)輪上，其中DS472明確規(guī)定空氣動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)是必不可少的[5]。在實(shí)際對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用的過(guò)程中，要求必須同時(shí)提供機(jī)械制動(dòng)與空氣動(dòng)力制動(dòng)，但是，如果獨(dú)立的空氣動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)被應(yīng)用于每個(gè)葉片中，同時(shí)，電網(wǎng)掉電時(shí)風(fēng)力機(jī)在每個(gè)空氣動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)中都會(huì)減速，那么就不需要對(duì)機(jī)械制動(dòng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，機(jī)械制動(dòng)器在運(yùn)行的過(guò)程中，最大的作用就是促使風(fēng)輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是實(shí)現(xiàn)停車(chē)的目標(biāo)，所以，風(fēng)輪不會(huì)在空氣動(dòng)力制動(dòng)的影響下而徹底停止運(yùn)行。因此，機(jī)械制動(dòng)在風(fēng)電機(jī)組中作為輔助制動(dòng)設(shè)備，其擁有以下功能和作用。

第一，維護(hù)作業(yè)期間制動(dòng)。正常停機(jī)狀態(tài)下的機(jī)組，空氣動(dòng)力剎車(chē)的實(shí)現(xiàn)需要對(duì)葉片順槳進(jìn)行充分應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)剎車(chē)以后，空轉(zhuǎn)狀態(tài)成為葉輪的主要狀態(tài)。在鎖定葉輪以后，如果需要工作人員進(jìn)入輪轂，才可以對(duì)機(jī)械剎車(chē)進(jìn)行啟動(dòng)，促使葉輪位于恰當(dāng)?shù)奈恢蒙希⒋_保有效動(dòng)作產(chǎn)生于葉輪鎖定裝置中。

第二，輔助緊急制動(dòng)。通常情況下會(huì)形成兩種緊急制動(dòng)情況，一種是啟動(dòng)空氣動(dòng)力剎車(chē)系統(tǒng)后，促使機(jī)械剎車(chē)處于運(yùn)行狀態(tài)，幾秒鐘后，逐漸增加制動(dòng)力，其在同氣動(dòng)剎車(chē)共同作用的背景下，可以促使停機(jī)狀態(tài)產(chǎn)生于機(jī)組中；另一種是當(dāng)多個(gè)故障產(chǎn)生于氣動(dòng)剎車(chē)系統(tǒng)中以后，那么機(jī)械剎車(chē)在緊急停機(jī)中將充分發(fā)揮復(fù)雜作用。

所以，制動(dòng)器在運(yùn)行的過(guò)程中，一個(gè)主要功能就是維護(hù)制動(dòng)，輔助功能為緊急制動(dòng)。對(duì)于變槳矩機(jī)組來(lái)講，三倍冗余由三葉片引起，“失電安全”的氣動(dòng)剎車(chē)在運(yùn)行的過(guò)程中，可以促使可靠制動(dòng)在機(jī)組中得以實(shí)現(xiàn)[6]。高速軸制動(dòng)器作為輔助設(shè)備，在運(yùn)行中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)的維護(hù)，那么傳動(dòng)系齒輪箱在緊急制動(dòng)的情況下就不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的損害。

由上述可知，在嚴(yán)格遵守IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)、GL規(guī)范和DS472的基礎(chǔ)上，傳動(dòng)鏈制動(dòng)系統(tǒng)中的機(jī)械制動(dòng)器功能可以充分體現(xiàn)，同時(shí)主動(dòng)和被動(dòng)制動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)都能夠得以充分體現(xiàn)，因此，最佳的選擇是將主動(dòng)制動(dòng)器應(yīng)用于變槳矩風(fēng)電機(jī)組中。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，同西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的風(fēng)電市場(chǎng)起步相對(duì)較晚，但是近年來(lái)的發(fā)展速度非?？?，只有應(yīng)用合理的水平軸變槳矩風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸機(jī)械制動(dòng)器，才能夠促使我國(guó)產(chǎn)品在風(fēng)電市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力有所提升，為我國(guó)風(fēng)電整機(jī)廠的全面發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)，在這種情況下，該文通過(guò)分析對(duì)比，對(duì)主動(dòng)式機(jī)械制動(dòng)器在水平軸變槳矩風(fēng)電機(jī)組中的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了全面分析，希望能夠?qū)ξ覈?guó)相關(guān)領(lǐng)域的全面起到促進(jìn)作用。

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