偏航理論簡(jiǎn)介

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1、 偏航氣動(dòng)理論及偏航結(jié)構(gòu) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航狀態(tài)的空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 由于風(fēng)向的不斷變化，風(fēng)輪不能時(shí)刻保持其軸向與風(fēng)向平行，這種狀態(tài)稱之為偏航狀態(tài)。偏航狀態(tài)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行效率低于非偏航狀態(tài)。為了提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)都配有偏航裝置，用以改變風(fēng)輪的方向，時(shí)刻保持風(fēng)輪軸向與風(fēng)向平行，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。傳統(tǒng)的葉素-動(dòng)量理論只考慮了風(fēng)向與風(fēng)輪平行使的情況，并不適用于偏航狀態(tài)，因此需要對(duì)其修正以達(dá)到準(zhǔn)確效果。 偏航時(shí)的動(dòng)量定理 動(dòng)量定理通常用來(lái)研究風(fēng)速與風(fēng)作用在葉片上的力之間的關(guān)系，用以表現(xiàn)風(fēng)輪對(duì)風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題，為了便于該問(wèn)題的研究，現(xiàn)做出以下假設(shè) 1 風(fēng)輪為

2、一平面圓盤，不考慮傾斜角。 2 空氣無(wú)摩擦、無(wú)粘性 3流過(guò)風(fēng)輪的氣流均勻 4空氣不可壓縮，即空氣密度不變。 將動(dòng)量定理直接應(yīng)用于處于偏航狀態(tài)的風(fēng)輪時(shí)是存在一定問(wèn)題的。對(duì)于未處于偏航狀態(tài)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪來(lái)說(shuō)，實(shí)際上葉片在空間的誘導(dǎo)速度是不同的，在徑向方向上是有一定變化的，而動(dòng)量定理只能計(jì)算出平均的誘導(dǎo)速度。對(duì)于處于偏航狀態(tài)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言（見(jiàn)圖），由于葉輪與風(fēng)向間存在夾角，誘導(dǎo)速度將會(huì)在徑向角與方位角間產(chǎn)生變化，難以對(duì)葉輪的特性進(jìn)行估價(jià)?，F(xiàn)假設(shè)風(fēng)速大小穩(wěn)定，方向無(wú)變化（見(jiàn)下圖），由于風(fēng)向與葉輪間存在夾角r，隨著葉片的旋轉(zhuǎn)，每個(gè)葉片的攻角不斷發(fā)生變化。攻角的時(shí)刻變化會(huì)在風(fēng)輪葉片產(chǎn)生軸向推力

3、的同時(shí)還附帶徑向力引起偏航傾斜力矩。 當(dāng)風(fēng)向固定時(shí)，由動(dòng)量定理可知軸向的動(dòng)量變化率等于通過(guò)圓盤（致動(dòng)盤）的質(zhì)量變化率乘以垂直于風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航狀態(tài)見(jiàn)圖 推薦精選 風(fēng)中帶有的動(dòng)能為 E=12mv2=12ρAv3 由上式可知風(fēng)流過(guò)葉輪時(shí)帶來(lái)的機(jī)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(fēng)輪迎風(fēng)面與背風(fēng)面的壓力；A為風(fēng)輪的掃略面積；v∞為風(fēng)在無(wú)窮遠(yuǎn)處的速度；ρ為空氣的密度；a為軸向誘導(dǎo)速度；α為軸向

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

5、風(fēng)機(jī)最大僅能利用風(fēng)能的59.2%。實(shí)際在運(yùn)行時(shí)，由于風(fēng)向的變化，偏航角γ的存在，風(fēng)能的轉(zhuǎn)化率要比這個(gè)數(shù)值小很多，風(fēng)能利用少之又少，大約只占風(fēng)能的30%左右。 偏航時(shí)的葉素動(dòng)量理論 現(xiàn)時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉的載荷都是由葉素動(dòng)量理論計(jì)算出來(lái)的。葉素動(dòng)量理論根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)方法對(duì)槳葉翼型進(jìn)行載荷分析的一種簡(jiǎn)單方法。首先假設(shè)風(fēng)機(jī)葉片之間的氣流互不干擾，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片延軸向離散為無(wú)數(shù)個(gè)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(wú)數(shù)葉素上的力及力矩進(jìn)行積分，最終苛求出葉片上所受的力及力矩。 假設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片數(shù)目為N，葉尖處的風(fēng)輪半徑為R，則任意半r處的葉素簡(jiǎn)圖如下 推

6、薦精選 假設(shè)葉片的旋轉(zhuǎn)速度為ω，葉片前端的風(fēng)速為v1，則葉素的切向速度為ωr，其切向誘導(dǎo)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(dòng)量定理可知，在槳葉翼型不失速時(shí)，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(fēng)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(shí)，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(jì)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(shí)際應(yīng)用存在很大問(wèn)題。Theodorsen應(yīng)用升力缺損函數(shù)來(lái)修正二維升力，進(jìn)而解決葉片上攻角隨時(shí)間變化的問(wèn)題。忽略渦流的影響，在一個(gè)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(cè)量的葉片方位角 由于葉

9、片的攻角沒(méi)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(jì)算每個(gè)葉片的攻角，依據(jù)修正后的葉素理論便可以計(jì)算出葉素上的力和力矩。 葉素動(dòng)量定理 葉素-動(dòng)量定理是葉素理論與動(dòng)量定理的合稱，主要根據(jù)葉素理論與動(dòng)量定理研究葉片的綜合性能。根據(jù)動(dòng)能定理可知，氣流作用在葉素上的力的沖量與氣流帶來(lái)的動(dòng)量是相等的。 假設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航的角度為δφ，風(fēng)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(zhǎng)的實(shí)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(dòng)量定理可知，偏航時(shí)的軸向動(dòng)量變化率為 δMa=12Nρvres24afcosγ+tanχ2sinγ-afsec2χ2rδrδφ 將動(dòng)量定理應(yīng)用到整個(gè)風(fēng)輪葉片上，由于誘導(dǎo)因素a隨著風(fēng)輪半徑r處氣流的變化而變化，在圓形平面上，因此葉素動(dòng)量的大小還應(yīng)該在圓形平面上進(jìn)行積分，因此風(fēng)在葉素上產(chǎn)生的軸向動(dòng)量有 02πδMa=02π12ρv124afcosγ+tanχ2sinγ-afsec2χ2rδrdφ=02π12ρvres2Cxσrrδrdφ 因此有 8πafcosγ+tanχ2sinγ-afsec2χ2=σr02πvres2v12Cxδrdφ 對(duì)于整個(gè)葉片而言，

11、對(duì)葉片上的每個(gè)葉素所受的力進(jìn)行求和就可以的到該葉片所受的軸向力，因此對(duì)上式在半徑上進(jìn)行積分可得風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(duì)軸的轉(zhuǎn)矩為 δM=12ρvres2δrcosψsinχCx+cosχCyr2δrδψ 由動(dòng)量定理可知，葉素角動(dòng)量是 δMm=12ρv12λμ4a'fcosγ-afcos2ψ+cos2χsin2ψr2δrδψ 同理對(duì)上式進(jìn)行積分，有角動(dòng)量為 推薦精選 02π12ρv12λμ4a'fcosγ-afcos2ψ+cos2

12、χsin2ψr2δrdψ=02π12ρvres2δrcosφsinχCx+cosχCyr2δrdψ 對(duì)上式進(jìn)行積分運(yùn)算得到 λπu4a'fcosγ-af1+cos2χ=δr02πvres2v12cosψsinχCx+cosχCydψ 對(duì)于整個(gè)葉片而言，對(duì)葉片上的每個(gè)葉素所受的力矩進(jìn)行求和就可以的到該葉片的力矩，對(duì)上式在半徑上進(jìn)行積分可得風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪所受的相對(duì)軸的轉(zhuǎn)矩為 T=0R02πvres2v12NcosψsinχCx+cosχCydrdψ 以上公式就是基本的偏航時(shí)的葉素—?jiǎng)恿坷碚?。根?jù)以上公式可知，當(dāng)給定葉片位置u和偏航時(shí)的角度ψ時(shí)?？筛鶕?jù)黃色公式計(jì)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(dǎo)因素a與切向誘導(dǎo)因素a'。通過(guò)最后的紅色公式便可以求出風(fēng)力發(fā)電機(jī)在偏航狀態(tài)時(shí)風(fēng)機(jī)葉輪所受的軸向力與相對(duì)轉(zhuǎn)軸的的力矩。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 偏航系統(tǒng)是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要組成部分，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特有的私服系統(tǒng)【42】。所謂偏航，就是機(jī)艙和風(fēng)輪繞塔架的垂直軸旋轉(zhuǎn)，使風(fēng)輪掃略面與風(fēng)向保持垂直。通過(guò)偏航系統(tǒng)的準(zhǔn)確工作，可以使風(fēng)輪軸線時(shí)刻朝向風(fēng)向，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到最大的發(fā)電效率。主動(dòng)偏航系統(tǒng)的另外一個(gè)重要功能就是解纜，當(dāng)機(jī)艙在反復(fù)的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，極有可能在一個(gè)發(fā)向上轉(zhuǎn)動(dòng)很多圈，造成艙內(nèi)電纜扭

14、絞，甚至扯斷電纜，通過(guò)解纜裝置，可以自動(dòng)解除電纜纏繞，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行順暢。 偏航系統(tǒng)通常分為被動(dòng)偏航系統(tǒng)與主動(dòng)偏航系統(tǒng)。被動(dòng)偏航系統(tǒng)是指通過(guò)一系列機(jī)構(gòu)將風(fēng)力直接轉(zhuǎn)化為偏航動(dòng)力以達(dá)到偏航的目的，常見(jiàn)的有尾舵、舵輪和下風(fēng)向三種。這種系統(tǒng)多用于小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在中大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中較少采用。采用電力驅(qū)動(dòng)或液壓驅(qū)動(dòng)的方式拖動(dòng)偏航機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)向變化響應(yīng)以使風(fēng)輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的偏航方式稱為主動(dòng)偏航系統(tǒng)。對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，通常會(huì)采主動(dòng)偏航的用齒輪驅(qū)動(dòng)形式，以下主要介紹主動(dòng)偏航系統(tǒng)。 偏航系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 通常來(lái)說(shuō)，對(duì)于大型并網(wǎng)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)其主動(dòng)偏航系統(tǒng)機(jī)構(gòu)大體包括以下幾個(gè)部分：偏航軸承、偏航制動(dòng)裝

15、置、偏航驅(qū)動(dòng)裝置和偏航保護(hù)裝置等。 下圖所示為外齒式偏航系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝圖，該機(jī)構(gòu)通常用在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。軸承內(nèi)圈與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)艙通過(guò)螺栓緊固相聯(lián)，偏航軸承外圈通過(guò)螺栓與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔筒固定連接。當(dāng)風(fēng)向改變，需要偏航運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)安裝在減速機(jī)輸出軸上的小齒輪與偏航軸承上的外圈齒輪嚙合，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)艙繞塔筒軸線旋轉(zhuǎn)，使風(fēng)輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。在機(jī)艙底板上裝有盤式制動(dòng)裝置，用于偏航系統(tǒng)停止工作時(shí)，保持機(jī)艙固定不動(dòng)。 偏航載荷的確定 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的靜載荷包括機(jī)艙與風(fēng)輪的重量，作用在軸承上的軸向力。其動(dòng)載荷包括靜載荷與風(fēng)作用在風(fēng)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(jī)艙與風(fēng)輪上的側(cè)向載荷，單位 N； FyR——風(fēng)輪上的軸向推力，單位 N； FzR——風(fēng)輪重量，單位 N； MxR——風(fēng)輪上x軸力矩矩，單位 N?m； MyR——風(fēng)輪上y軸力矩，單位 N?m； MzR——風(fēng)輪上z軸力矩，單位 N?m； FN——機(jī)艙重量，單位 N； yN——到機(jī)艙

17、重心的水平距離，單位 m； yR——到風(fēng)輪重心的水平距離，單位 m； zN——到機(jī)艙重心的垂直距離，單位 m； zR——到風(fēng)輪重心的垂直距離，單位 m。 由以上公式可知風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航過(guò)程的運(yùn)動(dòng)方程式如式（所示） MD+MW+Mzr-FyrxR+MM+MR+MK=JWdωWdt 式中MW——作用在機(jī)艙上空氣產(chǎn)生的力矩，單位 N?m MM——機(jī)械制動(dòng)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(yīng)產(chǎn)生的力矩，單位 N?m JW——偏航軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)力矩方向?yàn)檎?，制?dòng)力

18、矩為負(fù)。實(shí)現(xiàn)偏航的條件就是等號(hào)左邊的力矩之和大于零（穩(wěn)態(tài)時(shí)是零）。偏航力矩的方向與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的方向和偏航角度的方向有關(guān)，偏航的驅(qū)動(dòng)力矩與偏航角度和風(fēng)速有關(guān)，偏航角和風(fēng)速增加，偏航力矩也相應(yīng)的增加。 偏航軸承 偏航軸承是支撐水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙與塔筒間的連接部件，傳遞來(lái)自機(jī)艙與塔筒間的風(fēng)載，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持關(guān)鍵運(yùn)行的關(guān)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(duì)來(lái)說(shuō)加工簡(jiǎn)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(diǎn)是嚙合受力效果較好，結(jié)構(gòu)緊湊節(jié)省較大空間。偏航軸承的齒圈結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖 風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航軸承的轉(zhuǎn)速很低，通常情況

19、下n≤10r/min。但是由于機(jī)組所受的載荷復(fù)雜，包括徑向力、軸向力和傾覆力矩，因此對(duì)軸承運(yùn)行的安全可靠性及穩(wěn)定性具有較高的要求。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)組特性，偏航軸承承受的載荷變化幅值很大，故在動(dòng)載條件下，對(duì)軸承的接觸和疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求較高。 我們知道標(biāo)準(zhǔn)滾子軸承的強(qiáng)度是用額定載荷C表示的，回轉(zhuǎn)軸承卻與它大不相同。回轉(zhuǎn)軸承的強(qiáng)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(guān)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(jì)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(diǎn)P，延長(zhǎng)線OP與軸承壽命曲線L相交。一般情況下，制造商都會(huì)以轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)算方法與滾子軸承相似，也是通過(guò)軸向載荷Fa以及徑向載荷Fr來(lái)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(yīng)用因子，推薦的適用范圍對(duì)偏航軸承室1.7~2.0； Ks——安全因子，等于相應(yīng)工況下對(duì)應(yīng)載荷的部分安全因子。 傾覆力矩的計(jì)算見(jiàn)公式 等效傾覆力矩的計(jì)算公式為為 Meq=MtKAKS 其中KA，KS針

21、對(duì)軸向載荷選取。 回轉(zhuǎn)軸承摩擦力的計(jì)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(fēng)力發(fā)電機(jī)多數(shù)采用外齒式偏航軸承開式齒輪傳動(dòng)，且軸承所受負(fù)載復(fù)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(jì)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(dòng)體破壞導(dǎo)致的。風(fēng)力發(fā)電機(jī)工況復(fù)雜，設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)載荷很難準(zhǔn)確無(wú)誤的掌握，傳動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度決定了軸承的質(zhì)量[43]。 偏航驅(qū)動(dòng) 偏航驅(qū)動(dòng)是為偏航系

22、統(tǒng)提供動(dòng)力的結(jié)構(gòu)，由偏航電機(jī)、偏航減速器以及偏航小齒輪組成。該機(jī)構(gòu)通過(guò)法蘭連接到機(jī)艙底部的機(jī)架上，用以拖動(dòng)機(jī)艙旋轉(zhuǎn)。該機(jī)構(gòu)如圖所示 由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙空間有限，偏航電機(jī)一般采用轉(zhuǎn)速較高的電動(dòng)機(jī)，以盡可能減小占用的空間。由于偏航結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速很低，因此需要選用傳動(dòng)比范圍大、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、傳動(dòng)效率高和輸入輸出同軸的減速器，在實(shí)際應(yīng)用中，多級(jí)行星齒輪變速箱應(yīng)用比較頻繁。 偏航驅(qū)動(dòng)裝置一般采用偶數(shù)組（2組、4組、6組等）對(duì)稱布置在偏航軸承齒圈周圍，以達(dá)到傳動(dòng)平穩(wěn)，防止受力不均的作用。圖（）某一風(fēng)力發(fā)電機(jī)4組偏航驅(qū)動(dòng)裝置的對(duì)稱分布圖。 偏航制動(dòng)裝置 偏航系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)一種制動(dòng)器，用以保

23、證在風(fēng)速較高時(shí)，機(jī)艙與塔筒間連接，機(jī)艙不出現(xiàn)擺動(dòng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)能正常工作時(shí)。制動(dòng)器在一定的負(fù)載下，制動(dòng)力矩穩(wěn)定，在偏航過(guò)程中，制動(dòng)器提供的阻尼力矩應(yīng)該保持平穩(wěn)，與設(shè)計(jì)值的偏差不應(yīng)大于5%，制動(dòng)過(guò)程噪聲??；制動(dòng)器在閉合時(shí)，摩擦面與制動(dòng)盤接觸面積大于50%。摩擦片周邊與制動(dòng)器的配合間隙小于0.5mm；制動(dòng)器設(shè)有自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，保證制動(dòng)力矩及偏航阻尼力矩穩(wěn)定。偏航系統(tǒng)制動(dòng)器有常閉式與常開式兩種形式，常閉式制動(dòng)器平時(shí)關(guān)閉，在有動(dòng)力條件下開啟，常開式 推薦精選 制動(dòng)器在有動(dòng)力的條件下鎖緊狀態(tài)。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用液壓拖動(dòng)的鉗盤式制動(dòng)器（常閉式制動(dòng)器），其結(jié)構(gòu)如下圖所示。 該制動(dòng)器體是由整體輕

24、合金制造，具有較高的剛度與強(qiáng)度。制動(dòng)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(qiáng)的抗衰退系數(shù)與穩(wěn)定性。制動(dòng)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(dòng)盤的連接具有較高的可靠性，保證制動(dòng)盤不動(dòng)，制動(dòng)盤應(yīng)具有較高的強(qiáng)度與韌性，長(zhǎng)期使用不出現(xiàn)機(jī)構(gòu)疲勞順壞。此外，在未制動(dòng)狀態(tài)下，制動(dòng)盤與制動(dòng)塊間應(yīng)具有一定間隙，保證機(jī)艙能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，因此制動(dòng)器安裝需要較高的精度。 偏航保護(hù)裝置 偏航計(jì)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(dāng)該圈數(shù)達(dá)到規(guī)定的處級(jí)解纜圈數(shù)或者終極解纜圈數(shù)時(shí)，該計(jì)數(shù)器會(huì)給控制系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信號(hào)，由控制系統(tǒng)控制機(jī)組進(jìn)行解纜，以防止偏

25、航同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)過(guò)多導(dǎo)致的電纜扭斷。計(jì)數(shù)器一般由帶控制開關(guān)的渦輪蝸桿裝置組成。 扭纜保護(hù)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(hù)的作用。該裝置由控制開關(guān)和觸點(diǎn)機(jī)構(gòu)組成，且獨(dú)立于主控系統(tǒng)。一般情況下，控制開關(guān)安裝在塔筒的內(nèi)壁上，觸點(diǎn)機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)組懸垂部分的電纜上，當(dāng)偏航系統(tǒng)的偏航動(dòng)作失效后，電纜扭絞達(dá)到威脅機(jī)組安全運(yùn)行的程度時(shí)，觸點(diǎn)機(jī)構(gòu)觸發(fā)控制開關(guān)該，裝置將被觸發(fā)，使機(jī)組緊急關(guān)機(jī)，以達(dá)到失效保護(hù)的目的。 本章小結(jié) 本章主要研究了偏航系統(tǒng)在偏航狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)。在偏航角的存在的情況下，應(yīng)用經(jīng)典空氣動(dòng)力學(xué)理論不能很好的反應(yīng)實(shí)際情況，因此需要對(duì)該理論進(jìn)行修正，進(jìn)而得到偏航時(shí)的動(dòng)量定理以及葉素—?jiǎng)恿坷碚?。在偏航狀態(tài)下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)特性存在很大的變化，本章從經(jīng)典的葉素—?jiǎng)恿慷ɡ砣胧郑ㄟ^(guò)實(shí)際情況分析，利用升力缺損函數(shù)來(lái)修正二維升力進(jìn)而求出風(fēng)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(zhǔn)備。此外，本章還介紹了偏航系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)以及它們?cè)谄竭\(yùn)動(dòng)中作用，為以后的建模仿真分析奠定基礎(chǔ)。 （注：可編輯下載，若有不當(dāng)之處，請(qǐng)指正，謝謝!） 推薦精選