孫紅梅，高明

(1. 北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京100029; 2. 北京京城新能源有限公司，北京100040)

兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組是目前各風(fēng)機制造商研發(fā)的主流產(chǎn)品，然而由于這種機組性能的要求，其體積必然十分龐大。這樣就要求在生產(chǎn)和發(fā)電等過程中所需的動力系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)有大功率的輸出、可靠的控制精度、所占空間少等特點。液壓系統(tǒng)擁有符合上述要求的特性(單位體積小、質(zhì)量輕、動態(tài)響應(yīng)好、扭矩大并且無需變速機構(gòu))，所以在風(fēng)電行業(yè)中液壓變槳系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用［1－2］。目前，隨著國內(nèi)企業(yè)研發(fā)和加工水平的提高，葉片、軸承、齒輪箱、制動系統(tǒng)等很多部件都較好地實現(xiàn)了國產(chǎn)化，金風(fēng)、華銳等公司也已經(jīng)成功地實現(xiàn)兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組的生產(chǎn)和吊裝，且應(yīng)用情況良好。本文主要從風(fēng)機的實際低溫工作環(huán)境出發(fā)，介紹了工作介質(zhì)液壓油、電機泵組、蓄能器、油缸等幾個主要部件的設(shè)計計算和選型，從這幾個方面闡述風(fēng)機液壓變槳系統(tǒng)的國產(chǎn)化。

1 液壓變槳的優(yōu)勢

在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)比較發(fā)達的國家，如德國、丹麥等，在大型兆瓦級的風(fēng)力發(fā)電機組上普遍采用液壓變槳的控制方式。液壓變槳與電動變槳相比，具有如下優(yōu)勢［3－5］:

(1)驅(qū)動力矩大、變槳平穩(wěn)。對于兆瓦級的風(fēng)力發(fā)電機組，槳葉長度達40 m，需要的變槳力矩較大。液壓變槳系統(tǒng)通過油缸帶動槳葉轉(zhuǎn)動，最高工作壓力為16 MPa，最大輸出力達190 kN，使變槳過程平穩(wěn)可靠。

(2)變槳速度快。液壓變槳的油缸直接帶動槳葉轉(zhuǎn)動，沒有中間環(huán)節(jié)，變槳速度快。而電動變槳因為功率限制，電動機需要經(jīng)過多級減速才能驅(qū)動槳葉轉(zhuǎn)動，變槳速度慢。

(3)安全性高。液壓變槳系統(tǒng)使用蓄能器作為備用動力，當(dāng)電源失去時，依靠蓄能器內(nèi)儲存的能量驅(qū)動槳葉回到順槳位置。電動變槳無論使用蓄電池還是超級電容，可靠性差，易出現(xiàn)故障。

這些優(yōu)勢使得液壓變槳更適合應(yīng)用于大型兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組上。

我國的風(fēng)力發(fā)電主要是走引進技術(shù)國產(chǎn)化的道路。液壓系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電機組的關(guān)鍵部件，往往整套從國外采購，成本很高。另外，我國的風(fēng)力資源集中在北方地區(qū)，冬季極端氣溫很低，必須使用低溫型液壓系統(tǒng)。低溫型風(fēng)力發(fā)電機組的溫度要求為－30 ℃工作，－45 ℃生存，而國外的液壓系統(tǒng)基本上都只能滿足最低－20 ℃的工作要求。所以，低溫型變槳液壓系統(tǒng)的研制既可以打破國外對變槳液壓系統(tǒng)的壟斷，又能適應(yīng)我國風(fēng)機實際使用的需要，具有重要的現(xiàn)實意義和商業(yè)價值［6］。

2 液壓元件及其材料的理論分析與設(shè)計計算

2.1 液壓油的選擇

風(fēng)力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)工作環(huán)境在夏季和冬季溫差很大，對液壓油的要求很高，要求液壓油的黏度指數(shù)要高，即油的黏度不能受溫度影響太大。同時，液壓系統(tǒng)在低溫下工作，要求液壓油在低溫下具有良好的流動性，滿足液壓泵和液壓閥的工作要求。

根據(jù)這個要求，選擇3 種液壓油進行對比，其性能對比見表1。

表1 3 種液壓油的參數(shù)對比

通過比較3 種液壓油的各項參數(shù)，可知殼牌得力士Arctic32 最適合應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機組液壓系統(tǒng)。該液壓油既能保證低溫的啟動性能又能保證高溫時的潤滑性能，適應(yīng)溫度范圍廣。

2.2 電機泵組的選型要求

電機泵組用于輸出液壓系統(tǒng)工作所需的壓力油。一旦電機泵組出現(xiàn)故障，就會造成整套液壓系統(tǒng)停止運行。所以，電機泵組是液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，對可靠性要求很高。同時，電機泵組長期不間斷運行，對壽命也有很高的要求。

電動機采用特殊定制的低溫型電動機。電動機功率30 kW，工作電壓690 V、50 Hz，防護等級IP55，絕緣等級F 級。為了能在低溫下工作，該電動機還配有加熱帶、金屬風(fēng)葉及用于低溫的軸承潤滑脂。在電動機停止時加熱帶工作，避免低溫下電機因結(jié)露而燒毀?？紤]到低溫情況下液壓油的黏度比較高，要求油泵的自吸性能要好。選擇力士樂公司的內(nèi)嚙合齒輪泵作為液壓系統(tǒng)的主油泵，該油泵啟動黏度達2 ×10－3m2/s，可在黏度為5 ×10－4m2/s 的條件下長期工作，適合于在－30 ℃的溫度下連續(xù)工作。

2.3 蓄能器的設(shè)計計算

蓄能器對于風(fēng)力發(fā)電機組變槳液壓系統(tǒng)至關(guān)重要。系統(tǒng)中共有兩組蓄能器:一組為主蓄能器，負責(zé)向液壓系統(tǒng)提供壓力，保證油泵間歇工作;另一組為安全蓄能器，當(dāng)液壓系統(tǒng)失去動力時，利用蓄能器內(nèi)儲存的能量推動槳葉回到順槳位置。

選擇蓄能器時需要考慮在低溫下蓄能器的壽命和低溫對蓄能器有效容積的影響。對于普通的皮囊式蓄能器，皮囊材料為丁氰橡膠，當(dāng)溫度低于－10 ℃時，該橡膠件就會產(chǎn)生冷脆現(xiàn)象，在充油放油的過程中極易損壞。如果要在－30 ℃溫度下工作，皮囊必須選用耐低溫的ECO 材料或低溫丁晴橡膠。

下面比較一下不同溫度下蓄能器有效容積的變化。

把蓄能器充放油過程按照絕熱過程考慮，根據(jù)公式(1)計算蓄能器的有效容積:

式中:ΔV 為蓄能器的有效容積(當(dāng)壓力由p2變?yōu)閜1時蓄能器排出的油量);

V0為蓄能器容積;

K 為絕熱系數(shù)，K=1.4;

p0為蓄能器充氣壓力，系統(tǒng)中為6 MPa (20 ℃時數(shù)值);

p1為蓄能器最低工作壓力，系統(tǒng)中為6.5 MPa;

p2為蓄能器最高工作壓力，系統(tǒng)中為16.5 MPa。

在不同溫度下，根據(jù)公式(2)計算不同溫度下蓄能器的有效容積:

式中:T 為絕對溫度(K)。

計算結(jié)果如表2 所示。

表2 不同溫度下蓄能器的有效容積ΔV L

根據(jù)計算結(jié)果可知:在低溫下蓄能器的有效容積會減少。

主蓄能器采用3 個50 L 的蓄能器，在低溫下有效容積總共減少11.7 L，可以通過增加泵的啟動時間來彌補。而對于安全蓄能器，其儲存的能量用作停電狀態(tài)下驅(qū)動槳葉到順槳位置，功能十分重要。所以，低溫下需采用2 個24.5 L 蓄能器替代1 個35 L 蓄能器來作為安全蓄能器，以保證有足夠能量來推動安全油泵動作［7］。

2.4 油缸的設(shè)計

液壓系統(tǒng)共有3 個控制油缸和3 個安全油缸來完成變槳功能?？刂朴透资鼙壤y控制，根據(jù)功率輸出要求實時調(diào)節(jié)槳葉的角度;安全油缸接收風(fēng)機安全系統(tǒng)的信號，當(dāng)出現(xiàn)停機信號時，推動槳葉回到順槳位置［8］。

油缸的設(shè)計重點要考慮工作溫度和使用壽命。沖擊功是檢驗材料壽命的一個重要指標，經(jīng)過低溫測試，普通的碳鋼材料(如45 號鋼)在－40 ℃左右時，沖擊功下降，不適合用作油缸筒體的材料。而Q345E 材料，在－40 ℃的沖擊功大于27 J，故選擇Q345E 材料作為油缸筒的材料。

對于Q345E 材料制成的油缸筒體，強度校核如下:

油缸體壁厚按下面公式計算:

取:pmax=25 MPa

D=0.125 m

σs=345 MPa，取n=2，則［σ］=172.5 MPa

計算得，δ≥9.7 mm

設(shè)計中取δ =12.5 mm，可以保證足夠的安全系數(shù)。

對于活塞桿，選擇40CrNiMoA 材料?；钊麠U直徑d=65 mm，因為LB≥10d，所以要進行壓桿穩(wěn)定性校核。

式中:E=210 ×103MPa;

J=0.049d4;

K=1;

LB=0.9 m。

計算得，F(xiàn)K=2 238 121 N，取nK=3.5，得

F≤639 463 N

當(dāng)pmax=25 MPa 時，F(xiàn) =306 796 N ＜639 463 N，壓桿穩(wěn)定性符合要求。

3 試驗測試與使用考核

在消化吸收國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國風(fēng)場的實際使用情況，研制出低溫型的風(fēng)機變槳液壓系統(tǒng)樣機。為檢驗樣機的各項性能指標及考核使用效果，對樣機進行了性能測試和實際使用考核。

3.1 常規(guī)試驗

按照“液壓系統(tǒng)通用技術(shù)條件”的要求，在常溫下對風(fēng)機變槳液壓系統(tǒng)進行性能試驗。試驗內(nèi)容包括:耐壓試驗、油泵承卸載試驗、內(nèi)泄漏試驗、跑合試驗、加載試驗、控制閉環(huán)試驗等。經(jīng)過試驗，各項靜動態(tài)指標均達到了設(shè)計要求。

3.2 低溫試驗

風(fēng)機變槳液壓系統(tǒng)要求能在－30 ℃溫度下工作，－45 ℃溫度下生存。為檢驗低溫下的各項性能指標，對樣機進行了低溫工作試驗，就是將樣機置于低溫箱中，在低溫下完成各種動作試驗(如圖1)。低溫試驗過程如下:

(1)將常溫試驗合格的樣機置于低溫箱中，將環(huán)境溫度冷卻至－30 ℃;

(2)待到油溫達到－30 ℃后啟動電機，觀察壓力和溫度的變化;

(3)通過驅(qū)動各電磁閥，檢驗液壓系統(tǒng)的各個動作;

(4)比例閥、油缸、位移傳感器組成閉環(huán)回路，通過外加信號測量閉環(huán)運動曲線，與常溫狀態(tài)下的曲線進行對比;

(5)系統(tǒng)停機，將溫度冷卻至－ 45 ℃，保溫12 h 以上;

(6)將溫度恢復(fù)至－30 ℃，進行液壓系統(tǒng)的各種動作試驗，檢查各項指標及外泄漏;

(7)將溫度恢復(fù)到常溫，在常溫下重新進行試驗，將試驗數(shù)據(jù)與低溫試驗前數(shù)據(jù)進行對比分析。

圖1 低溫試驗

3.3 油缸壽命試驗

為考核油缸的長期工作性能，對油缸進行了20萬次動作試驗。

選取一套控制油缸和一套安全油缸，組成相互加載回路進行測試。測試壓力為10 MPa，動作速度為100 mm/s，油缸行程為450 mm。

經(jīng)過20 萬次動作試驗后，測試油缸的滯緩率曲線(如圖2)和內(nèi)泄漏量與測試前對比，滯緩率曲線沒有變化，內(nèi)泄漏量從0 增加到2 滴/min?？梢宰C明兩套油缸經(jīng)過長期工作以后，各方面性能指標都沒有下降。

圖2 控制油缸的滯緩率曲線

3.4 實際使用考核

完成各項試驗之后，樣機安裝在內(nèi)蒙古霍林河風(fēng)場，進行實際發(fā)電考核。經(jīng)過兩年的運行，國產(chǎn)化的變槳液壓系統(tǒng)各項性能指標完全能滿足風(fēng)機的使用要求，已經(jīng)超過進口產(chǎn)品的水平。

4 結(jié)論

結(jié)合我國風(fēng)場主要分布在內(nèi)蒙、東北、西北地區(qū)的實際情況，在消化吸收國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制的低溫型風(fēng)機變槳液壓系統(tǒng)能滿足風(fēng)機的使用需要，并通過了實際使用考核。這套液壓系統(tǒng)的研制，填補了我國兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組變槳液壓系統(tǒng)的空白，打破了國外供應(yīng)商壟斷的局面，大大降低了風(fēng)力發(fā)電機組液壓系統(tǒng)的采購價格，初步預(yù)計將降低30%，為國內(nèi)風(fēng)機設(shè)備供應(yīng)商生產(chǎn)成本的降低起到了積極的作用。

【1】胡東，趙湘文，蔡旭. 基于SimHydraulics 的兆瓦級風(fēng)機液壓型變槳系統(tǒng)仿真［J］. 機床與液壓，2009，37(10):205 －208.

【2】田亞平，劉紹杰.兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機槳距機構(gòu)設(shè)計及分析［J］.沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2005(4):43 －46.

【3】陳曉波，林勇剛，李偉.基于Bladed 的電液比例變槳距.風(fēng)力機半物理仿真平臺［J］. 機床與液壓，2006(12):l16 －l17.

【4】孟曉鳳，鄒文杰. 一種750 kW 風(fēng)力發(fā)電機組的液壓變槳機構(gòu)［J］.科技與生活，2010(16):137，170.

【5】王樹強，劉紹杰.兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機液壓變槳距系統(tǒng)設(shè)計及建模［J］.沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2004(3):32 －34.

【6】屈 圭，梅滬光，吳曉丹. 大型風(fēng)電機綜合液壓系統(tǒng)設(shè)計［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009(7):29 －31.

【7】葉航冶.風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2002.

【8】李永堂，雷步芳，高雨茁.液壓系統(tǒng)建模與仿真［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2003.