1、第第5章主传动系统设计章主传动系统设计风力发电机组设计与制造风力发电机组设计与制造第1页，共68页。1.机舱底盘 2.变桨距驱动器 3.风轮轴 4.风轮叶片 5.轮毂 6.变桨距机构 7.主轴承 8.齿轮箱 9.制动装置 10.高速轴 11.发电机 12.测风系统 13.液压系统 14.电气控制系统5.1 主传动链设计概述主传动链设计概述5.1.1 主传动链的布局形式主传动链的布局形式第2页，共68页。5.1.1 主传动链的布局要求主传动链的布局要求 风电机组的主传动链是指将风轮轴功率传递到发电机系统所需的机构。典型的主传动链包括了风轮主轴系统、增速传动机构（齿轮箱）、以及轴系的支撑与连接（如
2、轴承、联轴器）和制动装置等。主传动链中的主轴（也称低速轴）连接风轮和齿轮箱的输入轴，高速轴连接齿轮箱输出端与发电机。1传动链布局设计的要求 传动链的布局形式对机组传动系统和机舱设计有决定性的影响，组成主传动链需要研究可靠的主轴支撑系统和轴系连接结构。对传动主轴及其支撑设计需要考虑的主要问题包括：如何使风轮载荷从风轮传递到塔架路径最短；结构尽可能更紧凑；尽可能使机械传动系统与承载轴承部件集成采用的结构，但部件集成可能与零件标准化和可维修性的要求矛盾，应综合考虑。第3页，共68页。2 主传动链中主要构件的支撑方式主传动链中主要构件的支撑方式2主传动链中主要构件的支撑方式 组成主传动链的主要构件包括
3、主轴、变速传动装置和其他轴系部件，而这些构件的结构设计均与风轮主轴的支撑结构形式密切相关。因此，需要首先讨论主要构件的支撑方式问题。（1）由独立轴承支撑的主轴（2）三点支撑式主轴第4页，共68页。（3）主轴集成到齿轮箱主轴集成到齿轮箱的传动布局的传动布局（4）轴承集成在机舱底盘轴承集成在机舱底盘的结构的结构（5）采用固定主轴支撑风轮的结构采用固定主轴支撑风轮的结构第5页，共68页。风电机组传动链中的主传动轴的径向与轴向支撑通常采用滚动轴承。主轴易产生弯曲变形，且主轴轴向位移可能引起轴承滚子磨损。5.1.2 主传动链的主要部件主传动链的主要部件1.轴承轴承（1）设计要求）设计要求第6页，共68页
4、。轴承轴承的径向基本额定寿命的径向基本额定寿命：610d1060hCLnP10hL径向基本额定寿命，单位是h；n转速，单位是rpm；C根据ISO281确定的基本额定动态载荷，单位是N；dP动态当量轴承载荷，单位是N；寿命指数，对球轴承取3.0，对滚子轴承取10/3。（2）轴承的设计计算）轴承的设计计算第7页，共68页。轴承轴承的最小径向基本额定寿命推荐值的最小径向基本额定寿命推荐值：第8页，共68页。轴承轴承的使用寿命计算的使用寿命计算：使用实测载荷谱计算时，其平均当量动载荷按下式计算1d01()NmPP dNN将当量动载荷带入寿命计算公式计算基本额定寿命，并根据失效概率系失效概率系数数a1、
5、材料和工作条件系数材料和工作条件系数a23，计算风电轴承的使用寿命Lna。mP平均当量动载荷；N总循环次数；dP作用于轴承上的当量动载荷。12310nahLa a L第9页，共68页。（1）仅考虑主轴传递转矩的初步结构设计）仅考虑主轴传递转矩的初步结构设计2.主轴主轴第10页，共68页。主轴转矩主轴转矩：P 功率，单位W角速度，单位Rad/s主轴截面所受剪应力主轴截面所受剪应力：r 求剪应力处距主轴中心距离，单位mmJ主轴的转动惯量由主轴截面所受最大剪应力求最小截面直径：由主轴截面所受最大剪应力求最小截面直径：主轴的最小截面直径主轴的最小截面直径PMsMrfJ0430022sMrMrMfrJr
6、30222sMDrf第11页，共68页。例：某机组主传动轴零件设计，已知所选电机额定功率为200kw，低速轴转速为40r/min，高速轴转速为1800r/min，假设所选实心钢轴推荐最大应力为55MPa，齿轮箱在额定条件下效率为0.94，电机在额定条件下效率为0.93，试确定低速轴和高速轴的直径。主轴直径设计算例主轴直径设计算例第12页，共68页。主轴承受载荷情况比仅扭矩作用的条件复杂。若考虑全部载荷作用，主轴直径通常为风轮直径的1%左右。22100prraaMMGWApMrMrGaWaA工作转矩，单位是Nm；风轮的陀螺力矩，单位是Nm；主轴承受重力，单位是N；轴端抗弯截面模数，单位是cm3；
7、主轴轴端截面积，单位是cm2。(2)考虑综合载荷作用综合的主轴强度计算考虑综合载荷作用综合的主轴强度计算第13页，共68页。3.轴系的连接构件轴系的连接构件为实现机组传动链部件间的转矩传递，传动链的轴系还需要设置必要的连接构件。为实现机组传动链部件间的转矩传递，传动链的轴系还需要设置必要的连接构件。第14页，共68页。齿轮箱的功能：齿轮箱的功能：将风轮所产生的转矩传递到发电机，并使其得到相应的转速。5.1.3主传动链齿轮传动特点与设计要求主传动链齿轮传动特点与设计要求第15页，共68页。1.传动传动条件条件 风电机组齿轮箱是一种大传动比、大功率的增速传动装置，需要承受多变的风载荷作用及强阵风的
8、冲击，且对运行可靠性和使用寿命的要求比一般机械要高得多，通常要求设计寿命为20年。设计过程往往难以确定齿轮箱所承受的动态载荷，在很大程度上也是齿轮箱故障的诱因。2运行条件与环境的影响运行条件与环境的影响 齿轮箱需要常年运行在酷暑、严寒和极端温差的自然环境条件，且安装在高空，维修困难。因此，除常规状态机械性能外，对构件材料还要求低温状态下抗冷脆性等特性。需考虑对齿轮传动装置的充分润滑条件，并具备适宜的加热与冷却措施，以保证润滑系统的正常工作。3设计空间与安装条件设计空间与安装条件 齿轮箱的体积和重量对机组其他部件的载荷、成本等都有重要影响，因而设法减小其结构和减轻重量显得尤为重要。但结构尺寸与可
9、靠性的矛盾，往往使齿轮箱设计陷入两难境地。4其他其他 一般需要在齿轮箱的输入端（或输出端）设置制动装置，配合风轮的气动制动实现机组的制动功能。巨大的制动载荷对传动系统会产生不良影响，应考虑防止振动和冲击措施，设置合理的传动轴系和齿轮箱体支撑。第16页，共68页。（1）箱体（2）传动机构（3）支撑构件（4）润滑系统（5）其他附件5.1.4齿轮箱的基本传动形式与构成齿轮箱的基本传动形式与构成1.齿轮箱的主体构成齿轮箱的主体构成第17页，共68页。定轴传动定轴传动行星传动行星传动组合传动组合传动2.齿轮箱的传动形式齿轮箱的传动形式采用三级行星传动的齿轮箱采用三级行星传动的齿轮箱第18页，共68页。常
10、用齿轮箱的传动形式及其特点常用齿轮箱的传动形式及其特点第19页，共68页。定轴轮系的传递比计算方法：定轴轮系的传递比计算方法：11kk111mnkink 从 轮到 轮之间所有从动轮齿数的连乘积从 轮到 轮之间所有主动轮齿数的连乘积1n首个齿轮的转速末轮的转速kn定轴轮系中的齿轮数量k5.2齿轮传动设计基础齿轮传动设计基础5.2.1 轮系的概念轮系的概念1.定轴轮系定轴轮系第20页，共68页。定轴轮系的传递比计算算例：定轴轮系的传递比计算算例：118006030i 218003060i 算例算例:若设平面定轴轮系单级齿轮传动的最大增速比为6：1，某风电机组的电机输入转速为1800r/min，而风
11、轮的输出转速分别为30 r/min和52.5r/min两种，考虑相应的传动轮系设计问题。3级定轴轮系：316mi216mi2级定轴轮系：尽量采用级数少的轮系，降低成本第21页，共68页。若轮系中至少有一个齿轮的轴线可绕其他齿轮的轴线转动，这样的轮系若轮系中至少有一个齿轮的轴线可绕其他齿轮的轴线转动，这样的轮系称为行星轮系。称为行星轮系。2.行星轮系行星轮系第22页，共68页。设计行星齿轮传动机构，首先需要了解传动要求、工况和所需齿设计行星齿轮传动机构，首先需要了解传动要求、工况和所需齿轮的机械特性等初始条件。轮的机械特性等初始条件。行星齿轮传动的设计计算步骤推荐如下：行星齿轮传动的设计计算步骤
12、推荐如下：（1）绘制传动方案分析简图）绘制传动方案分析简图（2）配齿设计计算）配齿设计计算（3）确定齿轮的基本传动参数）确定齿轮的基本传动参数（4）结构设计）结构设计（5)装配条件验算装配条件验算3行星齿轮传动的基本设计计算步骤行星齿轮传动的基本设计计算步骤第23页，共68页。行星轮系的传动比计算方法：行星轮系的传动比计算方法：反转分析法na、nb、nc:行星轮各齿轮转速。nx：系杆X的转速1(1)XXaaXcbbabXbbXacannnZ ZZipnnnZ ZZ p：齿圈b相对于 中心轮a的齿数比，也称为行星轮的特性参数的特性参数5.2.2行星轮系传动比行星轮系传动比第24页，共68页。5.
13、2.3 组合轮系组合轮系 轮系中同时具有定轴和行星齿轮传动时被称为组合轮系轮系中同时具有定轴和行星齿轮传动时被称为组合轮系,如图如图5-17所示。由于所示。由于组合轮系是由运动性质不同的轮系组成，计算其传动比时，须先将轮系分解成相组合轮系是由运动性质不同的轮系组成，计算其传动比时，须先将轮系分解成相应的行星轮系和定轴轮系，再分别按反转轮系和定轴轮系的传动比计算方法联立应的行星轮系和定轴轮系，再分别按反转轮系和定轴轮系的传动比计算方法联立求解。求解。第25页，共68页。例例5-2 如上图所示轮系，已知z1=20,z2=40,z2=20,z3=30,z4=60，均为标准齿轮传动，试求i1H.1.分
14、析轮系分析轮系2.分析轮系中各轮间的内在关系分析轮系中各轮间的内在关系3.分别计算各轮系传动比分别计算各轮系传动比行星轮系：行星轮系：234H行星轮系：行星轮系：124220,nnnHH43222 4H4432n60i=3n20HHz znnnnz z 1121221n40i=(1)2n20zz 定轴轮系：行星轮系：230HHnnn 122nn 118HHnin 第26页，共68页。GB/T 19073-2008风力发电机组风力发电机组齿轮箱齿轮箱：中国国家标准，：中国国家标准，风轮扫略面积40的齿轮箱的技术要求、试验方法、检验规则及标志、包装、运输、储存等提出概况性要求。2.其他相关设计标准
15、其他相关设计标准ANSI/AGMA/AWEA6006-A03:美国国家标准美国国家标准，40kW2MW风电齿轮箱设计、制造和运行等做出了完整规定。ISO81400-4:2005：国际标准：国际标准，由ANSI/AGMA/AWEA6006-A03而来。5.3 风力发电机组齿轮箱设计风力发电机组齿轮箱设计5.3.1 设计标准设计标准1.相关的设计标准相关的设计标准第27页，共68页。设计载荷：设计载荷：齿轮箱的构件强度及轴承寿命计算的重要依据，齿轮箱结构设计的重要参数之一。载载 荷荷 谱谱：反映风轮输出转矩及其相应特征，一般由风电机组寿命期间实测的风轮转矩变化与发生频率表示。齿轮箱设计要在载荷谱上
16、方留出足够余量。5.3.2 设计载荷设计载荷1.确定基本设计载荷的方法及其分析确定基本设计载荷的方法及其分析等效载荷等效载荷：以等效载荷作为齿轮箱设计计算依据(AGMA6006给出理想方法)。第28页，共68页。机械制动机械制动：紧急制动气动制动气动制动：正常制动2.制动载荷制动载荷第29页，共68页。3.设计载荷的工况系数设计载荷的工况系数 齿轮箱结构设计一般关注两方面内容，一方面是齿轮箱结构设计一般关注两方面内容，一方面是“内部内部”构件构件（如齿轮、轴、轴承等）的尺寸，这是结构设计中应考虑的主要的（如齿轮、轴、轴承等）的尺寸，这是结构设计中应考虑的主要的问题，另一方面，需要根据运行环境确
17、定问题，另一方面，需要根据运行环境确定“外部外部”载荷的准确信息，载荷的准确信息，作为重要的设计参数。作为重要的设计参数。第30页，共68页。1.初步确定总体结构参数：初步确定总体结构参数：是风电机组齿轮箱重要的设计依据，根据设计目标和各种限制条件，应反复比较寻得优化设计方案。可按下列方法之一，初步确定齿轮箱的总体结构尺寸。5.3.3 齿轮箱的结构设计齿轮箱的结构设计1）参照已有工作条件相同或类似的传动，用类比方法初步确定总体结构参数。2）根据齿轮箱在机舱上的安装和布置要求（如中心距、高度及外廓尺寸等），初步确定主要尺寸。3）采用专门的应用分析计算程序初步确定主要尺寸。第31页，共68页。2.
18、箱体的结构设计箱体的结构设计 箱体是齿轮箱基础部件，承受风轮和齿轮传动过程产生的各种载荷，应有足够强度和刚度，以保证传动的质量。箱体的设计一般应依据主传动链的布局需要，并考虑加工、装配和安装条件，同时要便于检修和维护。批量生产的箱体一般采用铸造成型，常用材料有球墨铸铁或其他高强度铸铁。用铝合金或其他轻合金制造的箱体，可使其重量较铸铁降低20%-30%。但当轻合金铸件材料的强度性能指标较低时，需要增加铸造箱体的结构尺寸，可能使其降低重量的效果并不显著。第32页，共68页。3.齿轮和传动轴结构设计齿轮和传动轴结构设计4.构件的连接构件的连接 根据传动要求，设计过程要考虑可靠的构件的联接问题。齿轮与
19、轴的联接可采用键联接或过盈配合联接等方式。键联接包括平键和花键两种基本联接方式，其中花键联接的承载能力高，对中性好，但制造成本高。由于传动构件的运转环境和载荷情况复杂，要求设计采用的材料除满足常规力学性能条件外，还应具有极端温差条件下的材料特性。由于传动构件的运转环境和载荷情况复杂，要求设计采用的材料除满足常规力学性能条件外，还应具有极端温差条件下的材料特性。第33页，共68页。鉴于齿轮传动效率与传动比、齿轮类型和润滑油粘度密切相关，设鉴于齿轮传动效率与传动比、齿轮类型和润滑油粘度密切相关，设计过程一般按经验值考虑传动效率：对于定轴传动齿轮，每级约有计过程一般按经验值考虑传动效率：对于定轴传动
20、齿轮，每级约有2%的损失，而行星轮每级约有的损失，而行星轮每级约有1%的损失。图的损失。图5-22基本可以反映不同类型基本可以反映不同类型齿轮箱的传动效率。齿轮箱的传动效率。5.3.4传动效率和噪声传动效率和噪声第34页，共68页。除了传动设计条件外，齿轮箱的传动效率还与额定功率PR与实际传递功率P有关。图5-23是根据某1.5MW机组2级行星齿轮箱实测值的传动效率与功率变化关系。从中可见，机组传动载荷较小时，效率会有明显的下降，其原因是此种条件下的润滑、摩擦等空载损失的比重相对增大，会使传动效率相应的下降。第35页，共68页。良好的润滑是保证齿轮箱可靠运行的必备条件良好的润滑是保证齿轮箱可靠
21、运行的必备条件，须重视齿轮箱润滑问题，配备可须重视齿轮箱润滑问题，配备可靠的润滑油和润滑系统靠的润滑油和润滑系统。润滑油的品质是润滑决定性因素之一，对润滑油的基本要求是考虑其对润滑油的品质是润滑决定性因素之一，对润滑油的基本要求是考虑其对齿轮和轴承的保护作用。齿轮和轴承的保护作用。2.润滑系统润滑系统对大型风力发电机齿轮箱而言，根据运行条件设计合理的润滑与冷却系对大型风力发电机齿轮箱而言，根据运行条件设计合理的润滑与冷却系统显得尤为重要。统显得尤为重要。5.3.5润滑与冷却润滑与冷却1.润滑油润滑油第36页，共68页。润滑、冷却系统及其使用方法：润滑、冷却系统及其使用方法：1）在机组每次启动之
22、前，先启动润滑与冷却系统，齿轮箱充分润滑后再投入工作。2）要求齿轮箱内的润滑油工作温度不低于-15C。低温使润滑油粘度大，系统压力升高，安全阀打开，润滑油需先由加热回路。3）当温度在-15C45C的工作范围，系统压力降低，润滑油不再经加热回路，经两级过滤器对齿轮箱实施润滑，但保证规定流量，确保充分润滑。4）当系统的油温超过一定值时，需冷却润滑油；油经过热交换器冷却，再流回齿轮箱进行润滑。第37页，共68页。；5.4 主传动链制动机构的设计主传动链制动机构的设计5.4.1 风力发电机组关机过程规划风力发电机组关机过程规划第38页，共68页。WMEddMMMJt风力发电机组关机过程的运动方程为5.
23、4.2 风力发电机组关机过程的运动方程风力发电机组关机过程的运动方程第39页，共68页。1.空气动力矩空气动力矩根据叶速动量理论，作用在风轮上的空气动力矩的计算公式为根据叶速动量理论，作用在风轮上的空气动力矩的计算公式为304(1)dRMv r aar气流诱导因子气流诱导因子切向气流诱导因子a轴向气流诱导因子aWMM第40页，共68页。2.机械制动力矩机械制动力矩M002MFR n 0FpA其中：式中 摩擦系数，设计计算中一般取=0.4；F制动器单侧闸体对制动盘的压紧力，单位为N；R0制动力臂，单位为m。n0制动器数。式中 p液压系统工作压力，单位为Pa；A0制动活塞有效作用面积，单位为m2。
24、第41页，共68页。3.发电机电磁力矩发电机电磁力矩式中 p 电机极对数；电机定子相数；定子角频率，即电网角频率，单位为rad/s；定子额定相电压，单位为V；s 转差率；定子绕组的电阻，单位为；定子绕组的漏抗，单位为；折算到定子侧的转子每相电阻，单位为；折算到定子侧的转子每相漏抗，单位为。1m22112220112eRm pUsMRRXXs 01U1R1X2R2X第42页，共68页。1.定桨距机组定桨距机组 定桨距机组空气动力制动主要由叶尖扰流器来实现（见图5-27）。叶尖扰流器一般由液压系统控制。叶尖扰流器的设计目标是扰流段的长度，作用在叶尖扰流器上的力矩可以由叶素动量定理求出，运动方程服从
25、式（5-11）。为了机组的安全，需要在液压系统中设置“突开阀”，在液压系统发生故障，风轮超过临界转速时，突开阀动作，叶尖扰流器弹开。2.变桨距机组 变桨距机组空气动力制动主要由顺桨来实现。在液压控制的统一变桨距系统中，液压系统的设计应该考虑到，即使控制动作失效，叶片也应该在空气动力的作用下自动顺桨，起到保护作用。5.4.3 空气动力制动的设计空气动力制动的设计第43页，共68页。(1)离心应力的限制离心应力的限制 制动盘的制动材料不同，离心应力要求不同。(2)摩擦速度的限制摩擦速度的限制 (3)摩擦片温升的限制摩擦片温升的限制树脂基材料300；铜基粉末冶金材料300400(4)制动盘温升限制制
26、动盘温升限制 制动盘过热会导致摩擦片损坏、液压油超高温；211.6MW/mQPV22ddddtktC x064600EDw w t5.4.4 机械制动的设计机械制动的设计1.一般限制条件一般限制条件第44页，共68页。2.高速轴制动设计高速轴制动设计（1）求设计制动力矩;（2）制动盘直径的选择（3）摩擦片的数量和尺寸（4）求制动时间和制动盘温升（5）求制动活塞有效作用面积第45页，共68页。5.5 变桨距执行机构的设计变桨距执行机构的设计5.5.1 风力发电机组变桨距过程的规划风力发电机组变桨距过程的规划1.起动起动 作为简单的例子，这里给出额定转速1000r/min的异步发电机起动过程的规划
27、：当风速高于起动风速时，使叶片桨距角变化到15。叶片转速逐步上升，若发电机的转速大于800r/min 或者转速大于700r/min持续1min，则桨距角继续变化到3位置。高速轴计数单元检测到的转速大于1000r/min时，发出并网指令。若桨距角达到3后2min未并网，则使桨距角退到15位置。2.功率调节功率调节 发电机并入电网后，当风速小于额定风速时，桨距角一般保持在0左右不变；当风速高于额定风速时，为了不超出额定功率，调节桨距角使功率维持在额定功率附近。为了防止频繁往复变桨距，当功率偏差的绝对值小于10kW时桨距角不变。另一个方案是在恒功率运行的过程中，首先根据平均风速粗略地变换桨距角，然后
28、再以实测的发电机功率为依据，对桨距角进行微调。3.主传动链制动主传动链制动 主传动链制动的规划已在前节介绍。第46页，共68页。CDWGRCddMMMMJt式中 驱动力矩，单位为Nm；旋转轴上的空气动力矩，单位为Nm；旋转轴上的重力矩，单位为Nm；旋转轴上的摩擦力矩，单位为Nm；叶片对旋转轴的转动惯量，单位为kgm2；变桨距角速度,单位为rad/s。5.5.2风力发电机组变桨距过程的运动方程风力发电机组变桨距过程的运动方程DMWMGMRMCJc第47页，共68页。1WW1NiiMMWM空气力矩iWM展向长度上第i叶素的空气动力矩叶片上分段总数1NWWiMLQWL空气力臂Q微元空气动力合力22(
29、)()QLD叶片在顺翼展方向L平行于相对合速度的阻力D212lLw cC r212dDw cCr1.空气动力矩空气动力矩第48页，共68页。1GG1NiiMMGM重力矩展向长度为 的叶素上产生的重力矩叶片上分段总数1NGGGiiiMLf重力力臂微元重力GifGiL2.重力矩重力矩iGMr第49页，共68页。摩擦力矩分两部分:（1）粘性摩擦力矩，与变距转速有关。（2）库仑摩擦力矩，与变距转速无关；RM摩擦力矩B粘性摩擦系数库仑摩擦力矩KLMRCKL()MBM 3.摩擦力矩摩擦力矩第50页，共68页。图5-31为单支风轮叶片的独立的电动变距机构的配置图例，该机构主要由电动机、减速器、驱动齿轮、变距
30、球轴承(其内环带内齿圈)、吊耳、连接件、支撑板、控制柜、编码器及蓄电池等构成。5.5.3电力驱动机构设计电力驱动机构设计第51页，共68页。驱动功率为驱动力矩和变桨距角速度的乘积，并考虑到安全余量DD fCPM rrf载荷安全系数MD/PPMP电动机额定功率传动系统总效率电电动变距机构设计计算动变距机构设计计算（1）驱动功率计算驱动功率计算（2）电动机的选择电动机的选择第52页，共68页。（3）确定变距轴承上齿轮副确定变距轴承上齿轮副的的传动比传动比变距轴承上齿轮副传动比GI小齿轮转动角速度11M11/MP小齿轮所需的最大驱动力矩1M1减速箱传动效率（4）减速箱基本参数的计算减速箱基本参数的计
31、算减速箱传动比M发电机转动角速度DM1/iDiG1C/i第53页，共68页。原原 理：理：以液压缸为驱动元件，变距机构设计成偏心曲柄滑块机构。由统一变桨距系统水平运动的液压缸活塞杆与同步盘连接，同步盘与三组偏心曲柄滑块机构相连，分别驱动三叶片同步旋转。偏心曲柄滑块机构的尺寸根据变桨距的极限角度确定5.5.4液压驱动机构设计液压驱动机构设计第54页，共68页。（1）液压驱动力的计算液压驱动力的计算DD3/FMh由3叶片的驱动力矩计算变距驱动力；h：曲柄长度DD/FF液压驱动力；222222112D12(cos(sin)1()2sin1()hlhlheeh lhel 取最小值（2）液压液压缸的设计
32、缸的设计/hAFpAh液压缸的有效工作面积p液压系统工作压力第55页，共68页。（3）蓄能器的设计蓄能器的设计要要 求求：蓄能器一次收缩所压出油液至少应满足液压缸一次满行程。第56页，共68页。（4）液压泵主要参数液压泵主要参数4p6 10Vqt液压泵实际流量(L/min)ppq1000qVn 泵的理论排量(mL/r),液压泵额定压力pp大于蓄能器最高压力p3n泵的转速q泵的容积效率pp60ip qPPP液压泵的输出功率(kW)液压泵的总效率Pp液压泵的出口压力(MPa)qp液压泵的实际流量pV第57页，共68页。（1）自动偏航自动偏航 当偏航系统收到中心控制器发出的需要自动偏航的信号后，连续
33、3min时间内检测风向情况，若风向确定，同时机舱不处于对风位置，松开偏航制动，起动偏航电动机运转，开始偏航对风程序，同时偏航计时器开始工作，根据机舱所要偏转的角度，使风轮轴线方向与风向基本一致。（2）手动手动偏航偏航 手动偏航控制包括顶部机舱控制、面板控制和远程控制偏航3种方式。5.6偏航偏航执行执行机构机构的的设计设计5.6.1 风力发电机组偏航过程的规划风力发电机组偏航过程的规划第58页，共68页。（3）自动解缆功能）自动解缆功能 自动解缆功能是偏航控制器通过检测偏航角自动解缆功能是偏航控制器通过检测偏航角度、偏航时间及偏航传感器，使发生扭转的电缆自动解开的控制度、偏航时间及偏航传感器，使
34、发生扭转的电缆自动解开的控制过程。当偏航控制器检测到扭缆达到过程。当偏航控制器检测到扭缆达到2.53.5圈（可随意设置）时，圈（可随意设置）时，若风力发电机组在暂停或起动状态，则进行解缆；若正在运行，若风力发电机组在暂停或起动状态，则进行解缆；若正在运行，则中心控制器将不允许解缆，偏航系统继续进行正常偏航对风跟则中心控制器将不允许解缆，偏航系统继续进行正常偏航对风跟踪。当偏航控制器检测到扭缆达到保护极限踪。当偏航控制器检测到扭缆达到保护极限34圈时，偏航控制圈时，偏航控制器请求中心控制器正常停机，此时中心控制器允许偏航系统强制器请求中心控制器正常停机，此时中心控制器允许偏航系统强制进行解缆操作
35、。在解缆完成后，偏航系统便发出解缆完成信号。进行解缆操作。在解缆完成后，偏航系统便发出解缆完成信号。（4）90侧风功能侧风功能 风力发电机组的风力发电机组的90侧风功能是在风轮过速侧风功能是在风轮过速或遭遇切出风速以上的大风时，控制系统为了保证风力发电机组或遭遇切出风速以上的大风时，控制系统为了保证风力发电机组的安全，控制系统对机舱进行的安全，控制系统对机舱进行90侧风偏航处理。侧风偏航处理。第59页，共68页。Fx 风轮上的推力Fy 风轮上的侧向载荷Fz 风轮重力Mx 风轮的驱动力矩My 风轮的倾覆力矩Mz 风轮的偏航力矩FN 机舱的重力xN 偏航轴到机舱重心的水平距离xR 偏航轴到风轮重心
36、的水平距离ZN 偏航轴承到机舱重心的垂直距离ZR 偏航轴承到机风轮重心的垂直距离MD 偏航轴上的驱动力矩偏航载荷分布情况偏航载荷分布情况5.6.2偏航设计载荷的确定偏航设计载荷的确定第60页，共68页。MT 偏航轴承上的倾覆力矩1xyRMMF z2yzRxRNNMMF xF zF x其中22ryxFFFFr 偏航轴承上的径向力azNFFFFa 偏航轴承上的轴向力作用在偏航轴承上的倾覆力矩为：作用在偏航轴承上的倾覆力矩为：2212TMMM第61页，共68页。WDWRMRKwddzyMMMF xMMMJt作用在机舱上的空气动力所产生的力矩，单位为Nm；机械制动力矩，单位为Nm；回转轴承上的摩擦力矩
37、，单位为Nm；回转效应（陀螺效应）所产生的力矩，单位为Nm；偏航轴上的转动惯量，单位为kgm2；偏航角速度,单位为rad/s。风力发电机组偏航过程的运动方程为风力发电机组偏航过程的运动方程为WMKMMMRMWJW第62页，共68页。222W111sinwMFLKALvLm作用在机舱上的空气动力矩211sinwFKv A作用在机舱上的空气动力K1机舱表面形状系数空气密度vw尾流风速A迎风面的面积风轮偏角221LLm空气动力的力臂L机舱旋转轴O到C点的距离m旋转轴O到迎风面的距离1.作用在机舱上的空气动力矩作用在机舱上的空气动力矩第63页，共68页。偏航过程中偏航过程中：机械制动力矩为阻尼力矩，液
38、压系统工作压力小；偏航制动时偏航制动时：机械制动力矩要足够大，液压系统工作压力要大。M002MFR n 0FpA2.机械制动力矩机械制动力矩第64页，共68页。RftarrrMaMbF DcF D 回转轴承上的摩擦力矩回转轴承上的摩擦力矩，不计粘性摩，不计粘性摩 擦力矩擦力矩f摩擦系数a、b、c比例系数t倾覆力矩Fr作用在偏航轴承上的径向力Fa作用在偏航轴承上的轴向力Dr轨道直径3.回转轴承上的摩擦力矩回转轴承上的摩擦力矩第65页，共68页。大型机组偏航速度一般小于1/s，此时，回转效应所产生的力矩所占比例较小。对于三叶片风轮，回转效应所产生的偏航力矩为零。4.回转效应所产生的力矩回转效应所产生的力矩第66页，共68页。偏航驱动机构与变桨距驱动机构类似，偏航驱动机构设计可以参照5.5节所述内容。应该注意的是：在确定电动机的驱动力矩时，由式（5-61）求出的偏航轴上的驱动力矩应折算到电动机的驱动轴上。5.6.4偏航制动机构设计偏航制动机构设计5.6.3偏航驱动机构设计偏航驱动机构设计 偏航制动机构与主传动链制动机构类似，偏航制动机构设计可以参照5.4节所述内容。第67页，共68页。谢 谢！第68页，共68页。
