李永強(qiáng)
(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)投資有限公司 北京西城區(qū) 100011)
淺析風(fēng)力發(fā)電液力機(jī)械傳動(dòng)裝置的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)
李永強(qiáng)
(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)投資有限公司 北京西城區(qū) 100011)
風(fēng)力發(fā)電是一種新型能源,是信息化、工業(yè)化發(fā)展的重要支撐?,F(xiàn)階段,我國(guó)已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電大國(guó)之一。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,液力機(jī)械傳統(tǒng)裝置十分關(guān)鍵。對(duì)此,本文首先介紹了風(fēng)力發(fā)電液力機(jī)械傳動(dòng)裝置的特點(diǎn),然后對(duì)風(fēng)力發(fā)電液力機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述,驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)液力機(jī)械傳動(dòng)裝置的安全性和可靠性。
風(fēng)力發(fā)電;液力機(jī)械傳動(dòng)裝置;設(shè)計(jì)
新能源包括太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、水能等等,與傳統(tǒng)能源相比,新能源具有污染少、儲(chǔ)量大等優(yōu)點(diǎn),因此對(duì)于解決當(dāng)前世界嚴(yán)重的環(huán)境污染問題和能源短缺問題意義重大。
傳統(tǒng)的液力變矩器具有傳動(dòng)效率低的缺點(diǎn),而且能量損失較大,通常情況下,傳統(tǒng)效率很難達(dá)到90%。本文研究的新型風(fēng)力發(fā)電液力機(jī)械傳動(dòng)裝置最初起源于變速箱系統(tǒng),通過多年的發(fā)展和改良,其基本結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生明顯變化,但是在實(shí)用性方面卻得到了很大的改進(jìn),其基本原理如圖1所示。
圖1 風(fēng)力發(fā)電用液力機(jī)械傳動(dòng)裝置原理圖
新型風(fēng)力發(fā)電液力機(jī)械部分為可調(diào)式液力變矩器,其基本構(gòu)造與普通液力變矩器相同,主要包括泵輪、渦輪以及可調(diào)導(dǎo)輪,二者的最大不同在于新型液力變矩器可以在回路中增加調(diào)節(jié)環(huán)節(jié),即:通過控制系統(tǒng),能夠?qū)?dǎo)輪葉片進(jìn)行控制,并且可以調(diào)節(jié)至所需要的開度,從而有效控制液力回路中的液體的流動(dòng)狀態(tài),使得液力變矩器能夠有效控制渦輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速,更好的滿足液力機(jī)械工作需要。
新型液力變矩器裝置的最大特點(diǎn)在于:液力變矩器不再是傳統(tǒng)的元件,而是作為調(diào)節(jié)元件。將風(fēng)輪功率輸入至液力變矩器位置,一般可以分為兩部分,其中一部分傳遞至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸,作為發(fā)電功率輸出,而另外一部分則作為機(jī)械構(gòu)件,并且與風(fēng)輪功率的輸入相交集。在這一功率流程中,當(dāng)效率較低時(shí),能夠?qū)⒖偣β实囊徊糠謧魍ㄟ^液力變矩器,同時(shí)不會(huì)在較大程度上降低傳動(dòng)總效率。
3.1 液力機(jī)械傳動(dòng)裝置主要參數(shù)的確定原則
在風(fēng)力發(fā)電業(yè)力機(jī)械傳動(dòng)裝置中,主要參數(shù)包括α1和α2——行星排的結(jié)構(gòu)參數(shù)、irj——風(fēng)力機(jī)到行星排的主傳動(dòng)比;i*TB——變矩器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速比、D——循環(huán)圓直徑等等。
3.1.1 行星排的結(jié)構(gòu)參數(shù)α1和α2
液力變矩器渦輪的輸出轉(zhuǎn)速計(jì)算如下所示:
根據(jù)公式(1),可以計(jì)算出液力變矩器的轉(zhuǎn)速比,如下:
nrjmin指的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最小轉(zhuǎn)速,其所對(duì)應(yīng)的液力變矩器轉(zhuǎn)速比最大值為iTB2,nrjmax指的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速,其所對(duì)應(yīng)的液力變矩器轉(zhuǎn)速比的最小值為iTB1,根據(jù)此可以計(jì)算出變矩器轉(zhuǎn)速比的工作范圍,如下:
通過公式(3)可以得知,行星排的結(jié)構(gòu)參數(shù)α1會(huì)在一定程度上影響液力變矩器的轉(zhuǎn)速比范圍,如果α1越小,則轉(zhuǎn)速比的范圍也越小,同時(shí)變矩器可以在更高的效率范圍內(nèi)作業(yè)。
將變矩器泵輪轉(zhuǎn)速設(shè)定為1500r/min,主傳動(dòng)增速比irj=25,對(duì)于2MW的風(fēng)力機(jī),通常情況下,風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速nr在11.1~20.7r/min之間變化,變矩器轉(zhuǎn)速比范圍Π隨α1的變化關(guān)系可以通過計(jì)算得出,具體如圖2所示。
圖2 變矩器轉(zhuǎn)速比工作范圍
變矩器渦輪的輸出轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下所示:
圖3 渦輪功率和風(fēng)力機(jī)功率的比值
參考行星排結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理取值范圍,可以確定α1的取值范圍在1.33~1.70之間。由于α1的實(shí)際取值會(huì)對(duì)液力機(jī)械傳動(dòng)效率造成很大影響,因此對(duì)于α1的具體取值需要綜合考慮風(fēng)力機(jī)以及變矩器的特性。
根據(jù)上述公式(2)可知,轉(zhuǎn)速比與α2為正比關(guān)系,α2可以直接影響變矩器工作轉(zhuǎn)速比的具體位置。圖4表示轉(zhuǎn)速比iTB2隨α2的變化關(guān)系,如果Π=iTB2/iTB1不變,則iTB2越大,轉(zhuǎn)速比變化也會(huì)逐漸增大,如果變矩器的最高效率在iTB2附近,則在iTB1處,變矩器會(huì)達(dá)到最低效率。如果Π=3,則當(dāng)iTB2=0.9時(shí),iTB1=0.3,(iTB2-iTB1)=0.6;如果iTB2=0.6,iTB1=0.2,則(iTB2-iTB1)= 0.4。但是,如果iTB2數(shù)值較小,則iTB1位置的效率也會(huì)較低。綜合考慮,確定iTB2=0.55~0.70,其所對(duì)應(yīng)的α2=1.40~1.71。
圖4 變矩器轉(zhuǎn)速比圖
3.1.2 主傳動(dòng)比irj
風(fēng)力機(jī)和行星排之間的主傳動(dòng)比irj也會(huì)在一定程度上對(duì)變矩器的轉(zhuǎn)速比范圍Π以及設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速比位置產(chǎn)生影響。隨著irj的增加,Π會(huì)不斷增大,而iTB2會(huì)不斷減小,具體如圖5所示(取α1=1.40、α2=1.50)。由于受到α1大小的限制,轉(zhuǎn)速比范圍Π不能過小,所以irj的可選擇范圍也比較小,通常irj可以取25。
圖5 變矩器轉(zhuǎn)速比
3.1.3 變矩器循環(huán)圓直徑D和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速比i*TB
如果風(fēng)力機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速大于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速,同時(shí)變速風(fēng)力機(jī)的實(shí)際實(shí)際輸出功率仍然為設(shè)計(jì)功率Pr,則風(fēng)力機(jī)的實(shí)際輸出功率如下:
隨著風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速nr的增加,則轉(zhuǎn)矩Mr會(huì)不斷下降,通過公式(2)計(jì)算得知,轉(zhuǎn)速比iTB也會(huì)不斷減小。通過公式(7)可以計(jì)算出風(fēng)力機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩:
式中:Prd指的是設(shè)計(jì)功率,W;nrd指的是設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速,r/min。
另外,變矩器渦輪的輸出最大轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方式如下公式(8):
式中:ρ指的是變矩器工作油的密度大小,kg/m3;λB指的是變矩器設(shè)計(jì)工況泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù);g指的是重力加速度,一般取9.81m/s2;變矩器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速比i*TB=iTB2。
3.2 液力變矩器數(shù)學(xué)模型
在風(fēng)力發(fā)電液力機(jī)械傳動(dòng)裝置中,根據(jù)相關(guān)要求可以選擇低轉(zhuǎn)速比的雙渦輪液力變矩器。雙渦輪液力變矩器是由泵輪、渦輪1、導(dǎo)輪1、渦輪2和導(dǎo)輪2所構(gòu)成的。其中,泵輪理論能頭計(jì)算方式如下所示:
理論能頭計(jì)算方式如下:
渦輪1:
渦輪2:
根據(jù)變矩器循環(huán)圓內(nèi)工作液體的能量平衡條件如下:
式中:R指的是變矩器各葉輪的進(jìn)、出口半徑;β指的是變矩器各葉輪的進(jìn)、出口葉片角;q指的是循環(huán)流量;∑Hm指的是各葉輪沖擊損失與通流損失之和;B指的是泵輪、T1指的是渦輪1、T2指的是渦輪2、D1指的是固定第一導(dǎo)輪、D2指的是可調(diào)第二導(dǎo)輪;μB指的是泵輪有限葉片修正系數(shù);Am指的是變矩器各葉輪的進(jìn)、出口軸面面積;ω指的是葉輪旋轉(zhuǎn)角速度。液力變矩器泵輪轉(zhuǎn)矩計(jì)算方式如下:
渦輪轉(zhuǎn)矩計(jì)算方式如下:
如果已經(jīng)明確得知液力變矩器泵輪以及渦輪轉(zhuǎn)矩,則可以計(jì)算出變矩比k以及泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)λB,其中,第二導(dǎo)輪的葉片角是可以調(diào)節(jié)的,而且進(jìn)出口半徑也會(huì)隨著葉片角的變化而不斷變化。導(dǎo)葉可調(diào)式雙渦輪液力變矩器原始特性如圖6所示,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速比i*TB=0.3,最高效率0.825。第二導(dǎo)輪的相對(duì)開度
圖6 導(dǎo)葉可調(diào)式雙渦輪液力變矩器原始特性
(1)行星排的結(jié)構(gòu)參數(shù)α1會(huì)在一定程度上影響變矩器工作的轉(zhuǎn)速比范圍,如果α1越小,變矩器工作的實(shí)際轉(zhuǎn)速比范圍也會(huì)越小。α2則會(huì)在一定程度上影響變矩器工作轉(zhuǎn)速比的位置,如果α2較大,則變矩器就會(huì)在較高的轉(zhuǎn)速比條件下進(jìn)行工作。
(2)風(fēng)力機(jī)和行星排之間的主傳動(dòng)比irj可以在一定程度上影響風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速比的位置以及變矩器工作的轉(zhuǎn)速比范圍。隨著irj的增加,Π也會(huì)不斷增大,而iTB2則會(huì)不斷減小。
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TM614
A
1004-7344(2016)05-0238-02
2016-2-5
李永強(qiáng)(1987-),男,助理工程師,主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)等工作。