楊建秋

(蘭州電機(jī)股份有限公司，甘肅蘭州 730050)

風(fēng)電機(jī)組粘度對(duì)變距減速器功率損失的計(jì)算*

楊建秋

(蘭州電機(jī)股份有限公司，甘肅蘭州 730050)

針對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行于低溫環(huán)境下，變槳減速器對(duì)機(jī)組變槳距調(diào)節(jié)控制和變速恒頻控制的影響，分析、研究、計(jì)算減速器齒輪箱潤(rùn)滑油粘度造成輸出功率的損失，統(tǒng)計(jì)不同的低溫環(huán)境下的功率損失值，通過(guò)風(fēng)機(jī)WP4100控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，解決低溫環(huán)境下變距控制系統(tǒng)的性能對(duì)風(fēng)機(jī)的影響。

風(fēng)電機(jī)組;減速器齒輪箱潤(rùn)滑油粘度;功率損失

1 引言

風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能來(lái)發(fā)電，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正是用于將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)組最主要的部件，變槳距控制通過(guò)葉片和輪轂之間的軸承機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)葉片來(lái)調(diào)節(jié)迎角，由此來(lái)控制翼型的升力，以達(dá)到控制作用在風(fēng)輪葉片上的扭矩和功率的目的。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，葉片由于向小迎角方向變化而限制功率，一般變距范圍為0°～90°，從起動(dòng)角度0°到順槳。當(dāng)達(dá)到最佳運(yùn)行時(shí)，已達(dá)到額定功率，不再變槳了。功率輸出的好壞，與葉片變距速度有關(guān)［1］。葉片變距速度反應(yīng)快，從而產(chǎn)生很小的風(fēng)輪回轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力矩，近而調(diào)節(jié)質(zhì)量保持不變，保證風(fēng)機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

在不同地域運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組承受著十分復(fù)雜惡劣的交變載荷，除風(fēng)速隨時(shí)變化外，其它環(huán)境氣溫條件，如熱、太陽(yáng)光、機(jī)械、化學(xué)、電以及其它物理作用都會(huì)影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行［2］。甘肅景泰興泉風(fēng)大唐電場(chǎng)場(chǎng)地海拔1 713.4～1 883.5 m，年平均氣溫8.6℃，低于－20℃全年平均溫度的天數(shù)超過(guò)9天，溫度有15℃的偏差，特別是在極端環(huán)境條件下與其它因素共同作用會(huì)更加劇影響，下限溫度的變化，就需要考慮風(fēng)電機(jī)組的相應(yīng)改變。

特別是當(dāng)環(huán)境氣溫下降，變槳減速器潤(rùn)滑油受到外力(電機(jī)驅(qū)動(dòng))作用而發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，油分子之間產(chǎn)生的阻力，使?jié)櫥蜔o(wú)法順利流動(dòng)，其阻力增大，粘度隨之增大，對(duì)減速器齒輪箱輸出功率減小，從而造成低速重載傳動(dòng)潤(rùn)滑油攪拌損失，功率損失，常常造成使葉片變距系統(tǒng)動(dòng)力特性變化，使得變距速度降低，影響風(fēng)輪回轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力矩，進(jìn)而影響了功率調(diào)節(jié)和發(fā)電量［3］。需分析、研究、計(jì)算減速器齒輪箱潤(rùn)滑油粘度造成輸出功率的損失，統(tǒng)計(jì)出不同的低溫環(huán)境下的功率損失值，通過(guò)風(fēng)機(jī)WP4100控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，解決低溫環(huán)境下變距控制系統(tǒng)的性能對(duì)風(fēng)機(jī)的影響。

2 變距減速齒輪箱功率損失計(jì)算

計(jì)算理論依據(jù)如下:

(1)GB/Z 22559.2－2008/BS ISO/TR 14179－2: 2001齒輪－熱承載能力 第2部分 熱負(fù)荷能力計(jì)算［4］。

(2)潤(rùn)滑油粘度隨溫度變化特性的理論基礎(chǔ)等。

以蘭州電機(jī)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的FD65－1000風(fēng)電機(jī)組1.0 MW三葉片、水平軸、上風(fēng)向、變距變速、主動(dòng)偏航風(fēng)電機(jī)組為對(duì)象，進(jìn)行在低氣溫下潤(rùn)滑油粘度變化，計(jì)算齒輪箱功率損失值計(jì)算分析、研究，調(diào)節(jié)風(fēng)輪回轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力矩，以保持最佳運(yùn)行狀態(tài)。

2.1 風(fēng)電機(jī)組基本參數(shù)

基本參數(shù)為:額定功率1.0 MW;葉輪轂高度65.037 m;片長(zhǎng)度31 m;葉輪直徑64.42 m;切入風(fēng)速3.5 m/s;額定風(fēng)速12.5 m/s;切出風(fēng)(10 min均值)25 m/s;風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速21.5 r/min;切出極限風(fēng)速(5 s均值)35 m/s;抗最大風(fēng)速(3 s均值)59.5 m/s;風(fēng)輪工作轉(zhuǎn)速范圍12～21.5 r/min;變距范圍 －2°～95°;掃風(fēng)面積3 257 m2。

2.2 變距減速器參數(shù)

變距減速器制造廠家南高齒，傳速比1 100.001;尖峰輸入功率15 kW;輸入轉(zhuǎn)速0～2 500 r/min;正常輸出力矩3 200 N·m;最大輸出力矩20 000 N·m;減速機(jī)潤(rùn)滑油Mobilgear SHC 630;減速機(jī)潤(rùn)滑油粘度VG 460;減速機(jī)潤(rùn)滑油粘度ISO 150;累計(jì)傳動(dòng)誤差55.5°;變距電機(jī) SEW傳動(dòng)設(shè)備(天津)有限公司DFV112M4/SBM/TF/STH/PLG;交流3×230VAC，4 kW;額定電流15.2A;額定工作轉(zhuǎn)速1 420 r/min;剎車扭矩55 N·m。

2.3 計(jì) 算

根據(jù)GB/Z 22559.2－2008/BS ISO/TR 14179－2: 2001，齒輪箱總的功率損失PV公式:

式中:PVZ0為齒輪無(wú)載荷功率損失;PVZP為齒輪有載荷功率損失;PVL0為軸承無(wú)載荷功率損失;PVLP為軸承有載荷功率損失;PVD為密封件的獨(dú)立載荷損失;PVX為齒輪箱其他零件功率損失。

以上各項(xiàng)功率損失的計(jì)算中，PVZP和PVL0與潤(rùn)滑油粘度相關(guān)的有:

與潤(rùn)滑油粘度相關(guān)的扭矩?fù)p失Toil:

2.3.1 齒輪有載荷功率損失

式中:PA為輸入功率;μmz為平均摩擦系數(shù);HV為齒輪損失系數(shù)。

且當(dāng)Vt＞50 m/s時(shí)，取V∑=50 m/s;當(dāng)F/b≤150 N/mm時(shí)，取μmz=150 N/mm。按減速器齒輪箱內(nèi)齒輪型式選擇表1所示計(jì)算參數(shù)。

表1 齒輪型式

潤(rùn)滑油的動(dòng)力粘度ηoil查表2所示，動(dòng)力粘度u即運(yùn)動(dòng)粘度v與密度p的乘積值:u=vp，動(dòng)力粘度單位厘泊;Ra為齒輪表面粗糙度;XL為潤(rùn)滑油系數(shù)，XL為1.0時(shí)，用于礦物油，為0.8時(shí)，用于聚烯烴和脂類，為0.75［6/V∑］0.2，用于二醇類化合物，為1.3時(shí)，用于磷酸脂類，為1.5時(shí)，用于牽引油系列。

2.3.2 軸承無(wú)載荷功率損失公式

此時(shí)限制條件TVL0·n≥200 mm2/s。

其中:voil為潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)粘度。dm為軸承平均直徑;摩擦系數(shù)f0，查表3所知。

Mobil SHC 630的運(yùn)動(dòng)粘溫曲線如表2所示。

表2 運(yùn)動(dòng)粘溫曲線 /cSt

依據(jù)以上公式，風(fēng)輪變距減速器齒輪箱，一套三臺(tái)在不同的低溫下，計(jì)算出不同的變距減速器齒輪箱功率Pv損失數(shù)值表4所示。

表3 摩擦系數(shù)f0

表4 功率Pv損失

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在整個(gè)冬季氣溫變化不同，以及每天氣溫變化不同，使得變距減速器齒輪箱功率Pv損失數(shù)值不同，經(jīng)統(tǒng)計(jì)平均為0.23%，使得控制變距傳動(dòng)動(dòng)力特性發(fā)生了變化，影響機(jī)組輸出功率。

3 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)

風(fēng)電機(jī)組在變槳距控制系統(tǒng)，變槳距進(jìn)行調(diào)節(jié)功率。若退槳速度過(guò)慢則會(huì)出現(xiàn)過(guò)功率或過(guò)電流現(xiàn)象，甚至?xí)龤Оl(fā)電機(jī);若槳距調(diào)節(jié)速度過(guò)快，不但會(huì)出現(xiàn)過(guò)調(diào)節(jié)現(xiàn)象，使輸出功率波動(dòng)較大，而且會(huì)縮短變槳軸承的使用壽命。進(jìn)而會(huì)影響發(fā)電機(jī)的輸出功率，使發(fā)電量降低。由于環(huán)境氣溫下降，使變槳減速器輸出功率減小，需對(duì)機(jī)組采用不同的環(huán)境氣溫下降轉(zhuǎn)矩值，同時(shí)還需考慮三只變槳軸承啟動(dòng)摩擦力矩值，見(jiàn)表5所示。綜合各種因數(shù)，調(diào)節(jié)Mita WP4100控制系統(tǒng)參數(shù)，常溫和低溫轉(zhuǎn)矩參數(shù)見(jiàn)截屏圖片，如圖1、2所示。

表5 啟動(dòng)摩擦力矩實(shí)際測(cè)量值

圖1 常溫下轉(zhuǎn)矩參數(shù)

圖2 低溫下轉(zhuǎn)矩參數(shù)

4 總結(jié)

機(jī)組運(yùn)行的環(huán)境氣溫下降，變距減速器齒輪箱輸出功率損失，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，使輸出功率平穩(wěn)、減小轉(zhuǎn)矩振蕩、減小機(jī)艙振動(dòng)，優(yōu)化了輸出功率，穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的輸出功率的同時(shí)，改善了槳葉和風(fēng)機(jī)的受力狀況。

［1］ 姚興佳，宋 俊.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］ 熊禮儉.風(fēng)力發(fā)電新技術(shù)與發(fā)電工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)用手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)科技文化出版社，2005.

［3］ ［美］Tony Burton.武 鑫.風(fēng)能技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［4］ GB/Z 22559.2－2008/BS ISO/TR 14179－2:2001［S］.齒輪熱承載能力.

Power Loss Calculation for Wind Turbine Viscosity Related to the Variable Pitch Reducer

YANG Jian－qiu
(The office for wind power products，Lanzhou Electric Co.，Ltd，Lanzhou Gansu 730050，China)

When wind turbine is running at low temperature environment，the influence variable pitch reducer producing on adjustment of wind turbines pitch and VSCF is put forward，the power loss caused by reducer gear lubricating oil viscosity is analyzed，researched and calculated，the power losses at different low temperature environment are counted.The torque is adjusted by wind turbines WP4100，which can solve the influence that the performance of variable pitch control system on wind turbine.

wind turbines;reducer gear lubricating oil viscosity;power loss

TH123

A

1007－4414(2013)05－0065－03

2013－08－21

楊建秋(1964－)，男，甘肅蘭州人，工程師，主要從事風(fēng)電機(jī)組機(jī)械設(shè)計(jì)方面的工作。