劉作輝，金寶年，馬文勇

（華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司，北京 100872）

0 引言

風(fēng)能是目前最具規(guī)?；_發(fā)的可再生能源。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外風(fēng)電裝機(jī)量大幅攀升，與此同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也突飛猛進(jìn)，各種技術(shù)流派的新型風(fēng)電機(jī)組大量出現(xiàn)[1-2]。對(duì)于新型樣機(jī)，在實(shí)驗(yàn)車間內(nèi)搭建測(cè)試平臺(tái)，全面模擬其實(shí)際工作時(shí)所受載荷，并進(jìn)行嚴(yán)格的性能考核測(cè)試，不僅能發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患，還可根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)[3-4]。因此，該階段的測(cè)試工作是新型風(fēng)電機(jī)組尤其是海上風(fēng)電機(jī)組開發(fā)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。

風(fēng)電機(jī)組的工作載荷來(lái)自風(fēng)輪，由于大型風(fēng)電機(jī)組載荷情況復(fù)雜，且風(fēng)輪尺寸巨大，如何在實(shí)驗(yàn)車間內(nèi)有效模擬風(fēng)輪帶給機(jī)艙的各種載荷是樣機(jī)測(cè)試領(lǐng)域的主要難題。目前，多數(shù)新型風(fēng)電機(jī)組的廠內(nèi)測(cè)試僅施加用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的扭矩載荷，忽略了實(shí)際工作過(guò)程中風(fēng)輪帶給機(jī)組的推力、彎矩等非扭矩載荷。而上述非扭矩載荷對(duì)機(jī)組的性能與壽命影響重大。因此，本文針對(duì)全工況載荷施加技術(shù)展開研究，并提出一種含非扭矩載荷成分的新型載荷施加裝備。

1 總體技術(shù)方案

風(fēng)電機(jī)組在工作過(guò)程中通過(guò)風(fēng)輪吸收來(lái)自風(fēng)中的能量，并將風(fēng)載荷傳遞至機(jī)艙，如圖1所示。

按圖1坐標(biāo)系，可將機(jī)艙輸入軸A點(diǎn)所受載荷分解為6個(gè)分量：Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz。其中Mx是用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電的扭矩載荷，其余5個(gè)分量統(tǒng)稱為非扭矩載荷。

根據(jù)以上分析，本文采用扭矩載荷與非扭矩載荷先分別施加再最終耦合的總體技術(shù)方案。首先采用變頻電機(jī)與變速齒輪箱組合提供扭矩載荷Mx，再利用沿不同方向布置的多組液壓缸協(xié)同加載提供其余5個(gè)載荷分量，最后通過(guò)載荷耦合裝置將上述兩類載荷最終耦合并傳遞至被測(cè)機(jī)組。

實(shí)驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中：A為被測(cè)風(fēng)電機(jī)組；B為扭矩施加裝置（提供扭矩Mx）；C為非扭矩載荷施加裝置；D為載荷耦合裝置。

2 扭矩載荷施加

扭矩載荷Mx的模擬采用變頻電機(jī)與減速齒輪箱組合予以實(shí)現(xiàn)。為降低能耗測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置采用電閉環(huán)模式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)被測(cè)機(jī)組發(fā)電，產(chǎn)生的電能再回饋至驅(qū)動(dòng)端。扭矩載荷施加裝置除提供恒定扭矩載荷外，還需具備動(dòng)態(tài)載荷模擬能力。通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)側(cè)變頻器及被測(cè)機(jī)組的聯(lián)合控制，有效模擬各種湍流、陣風(fēng)帶給機(jī)組的瞬變載荷。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變頻器以及變壓器是構(gòu)成扭矩載荷施加裝置的核心電氣元件，這三者間的電氣參數(shù)匹配性直接決定整套裝置的性能水平。為此，需要進(jìn)行多輪聯(lián)合仿真，綜合考慮各方技術(shù)難度與成本因素，選取最優(yōu)參數(shù)組合。電氣拓?fù)鋱D如圖3所示。

此外，由于大型風(fēng)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)功率大，且受葉尖線速度限制，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速低，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)扭矩Mx數(shù)值巨大。因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)級(jí)數(shù)與齒輪箱的傳動(dòng)比亦需綜合考慮，選取最優(yōu)組合，以降低加工難度與制造成本。

3 非扭矩載荷施加

圖1 機(jī)艙載荷示意圖

攝影：段繼兵

圖2 總體方案簡(jiǎn)圖

圖3 電氣系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖4 非扭矩載荷施加原理圖

圖5 非扭矩載荷施加裝置結(jié)構(gòu)圖

實(shí)際工作過(guò)程中，推力、彎矩等非扭矩載荷是由旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪通過(guò)主軸作用在機(jī)艙上的。而在實(shí)驗(yàn)車間內(nèi)受占地、安全等因素限制，加載裝置不宜像風(fēng)輪一樣旋轉(zhuǎn)，須與基礎(chǔ)固接。因此，非扭矩載荷施加即轉(zhuǎn)化為在固定底座上對(duì)回轉(zhuǎn)元件的加載問(wèn)題。而加載機(jī)構(gòu)與受載元件間不可避免的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)則是影響該類載荷模擬精確實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素。

非扭矩載荷的模擬采用一端固支梁的受力模型。加載裝置以被測(cè)機(jī)組為固支端，通過(guò)協(xié)調(diào)x，y、z方向的液壓缸出力，來(lái)提供各方向的力與彎矩，其受力模型如圖4所示。

為解決加載機(jī)構(gòu)與受載元件相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)加載過(guò)程的影響，本文采用一個(gè)雙列圓錐滾子軸承作為載荷傳遞元件，該軸承能獨(dú)立承擔(dān)除扭矩外全部載荷。軸承內(nèi)圈與被測(cè)機(jī)組連接，軸承外圈與一剛性體連接，非扭矩載荷施加在剛性體上，經(jīng)軸承外圈通過(guò)滾動(dòng)體傳遞至軸承內(nèi)圈，再由內(nèi)圈傳至被測(cè)機(jī)組，具體如圖5所示。

其中：A為雙列圓錐滾子軸承；B為連接軸（連接軸承內(nèi)圈與被測(cè)機(jī)組）；C為剛性受載元件（與軸承外圈固接）；D加載油缸及底座（油缸出力點(diǎn)位于不回轉(zhuǎn)的剛性受載元件上）；E為載荷耦合裝置。

4 載荷耦合裝置

根據(jù)上圖2所示，兩類載荷施通過(guò)載荷耦合裝置實(shí)現(xiàn)最終耦合，并傳遞至被測(cè)機(jī)組。該裝置一方面將驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供的回轉(zhuǎn)扭矩Mx傳輸至風(fēng)電機(jī)組的主軸，同時(shí)還將多組液壓缸提供的力與彎矩匯集并傳遞至風(fēng)電機(jī)組的主軸。

由于被測(cè)機(jī)組在承受非扭矩載荷時(shí)將不可避免產(chǎn)生沿不同方向的結(jié)構(gòu)變形，載荷耦合裝置需能夠在傳遞載荷的同時(shí)自由補(bǔ)償這些角度以及位移形變，維持一端固支梁的加載模型。這其中以沿x軸方向的位移補(bǔ)償最為困難。因?yàn)榕ぞ剌d荷Mx的傳遞將給用來(lái)實(shí)現(xiàn)x方向位移補(bǔ)償?shù)幕瑒?dòng)構(gòu)件帶來(lái)很大的正壓力，進(jìn)而產(chǎn)生很大的摩擦力。不僅無(wú)法實(shí)現(xiàn)位移補(bǔ)償，還將破壞一端固支梁的加載結(jié)構(gòu)模型。

以6MW機(jī)組為例，若對(duì)其進(jìn)行滿功率測(cè)試，考慮效率損失因素，驅(qū)動(dòng)扭矩需達(dá)9000kNm。若采用常規(guī)花鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行x向位移補(bǔ)償，花鍵回轉(zhuǎn)直徑取1.5m時(shí)，鍵齒間的正壓力仍達(dá)12000kN。按摩擦系數(shù)按0.1計(jì)算，則鍵齒需克服1200kN的摩擦力才能實(shí)現(xiàn)伸縮補(bǔ)償，已經(jīng)破壞了非扭矩加載裝置的工作原理假定。

為解決以上問(wèn)題，本文提出一種新型載荷耦合裝置。該裝置以十字萬(wàn)向節(jié)為基礎(chǔ)，在萬(wàn)向節(jié)中部增加一液體靜壓花鍵裝置。被測(cè)機(jī)組在受載變形時(shí)，x方向的位移由靜壓花鍵裝置補(bǔ)償，其余各項(xiàng)角度與位移變形分量由萬(wàn)向節(jié)完成。如圖6所示。

根據(jù)具體傳遞載荷以及靜壓理論[5]可確定油墊、油膜等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。這樣在工作過(guò)程中，鍵齒間將以靜壓油膜分隔，保證無(wú)直接接觸。由于油膜的摩擦系數(shù)極低（可達(dá)0.001），有效抵消正壓力帶來(lái)的影響，使摩擦阻力可相對(duì)忽略不計(jì)，滿足裝置在傳遞較大扭矩時(shí)具備自由伸縮的要求。

圖6 載荷耦合裝載結(jié)構(gòu)圖

圖7 整機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型

5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

根據(jù)以上方案進(jìn)一步搭建了大型風(fēng)電機(jī)組整機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型，如圖7所示。該模型滿足單機(jī)容量15MW以下的大型風(fēng)電機(jī)組測(cè)試實(shí)驗(yàn)需求。其中，回轉(zhuǎn)扭矩由兩臺(tái)同步電機(jī)并聯(lián)提供，拖動(dòng)總功率達(dá)22MW；非扭矩載荷施加部分采用液壓比例系統(tǒng)，通過(guò)高頻響比例閥與高精度測(cè)力傳感器實(shí)現(xiàn)精確閉環(huán)控制，加載頻率可達(dá)1HZ。

6 結(jié)論

本文針對(duì)大型風(fēng)電機(jī)組整機(jī)廠內(nèi)測(cè)試所需的載荷模擬與施加技術(shù)展開討論，深入分析了扭矩載荷施加與非扭矩載荷的施加策略，及其二者間的耦合方案。在此基礎(chǔ)上提出具體解決措施，給出新型非扭矩載荷施加裝置與載荷耦合裝置的設(shè)計(jì)方案，并據(jù)此搭建了最大測(cè)試能力達(dá)15MW的整機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，突破大型風(fēng)電機(jī)組廠內(nèi)測(cè)試所遇到的載荷模擬技術(shù)瓶頸。

該測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可有效模擬風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際工作環(huán)境中所受各種載荷，進(jìn)而在實(shí)驗(yàn)車間內(nèi)安全、高效地完成樣機(jī)的全面性能考核，發(fā)現(xiàn)潛在故障與設(shè)計(jì)缺陷，降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

攝影：盧君平

[1] BTM咨詢公司.國(guó)際風(fēng)能發(fā)展報(bào)告[R].2012.

[2]全球風(fēng)能理事會(huì).全球風(fēng)能報(bào)告[R].2012.

[3]IEC61400-1.Wind Turbine-Part 1 Design Requirements[S].2005.

[4]Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH.Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2010[S].2010.

[5]陳燕生.液體靜壓支撐原理和設(shè)計(jì)[M].北京: 國(guó)防工業(yè)出版社,1980.