风力发电机组的变桨距系统.docx

摘要本文主要介绍了风力发电机组的变桨距系统，其中，主要是液压系统由电器控制用来推动机械机构对桨叶进行变距。能源问题是目前人类所面临的重大课题之一。当今我们正处在新旧能源交替发阶段，以前的旧式能源，如煤炭、石油等不可再生资源已经越来越少，已经不能满足目前人类的生产生活需要，这就需要我们找到可以替代他们的新资源。风能作为绿色资源，早在几千年前就为人类所利用。时至今日，风能在多种可再生资源中是技术上最成熟，最具竞争力的可开发资源。国外600KW以下的机组已经大量生产，故障率从80年代初的50%下降到当前的2%以下。目前MW级机组的份额明显增大，2003年的机组平均单机容量达到1.2MW。以前的风力机主要是通过偏航来调整转速，可是这种方法对风能的充分利用十分不利，而且响应速度很慢，所以风力机的变距机构具有很高的开发价值。液压系统的响应速度快，力质量比大，控制精度高，可控性能好。故本设计采用液压系统，用比例阀控制液压缸可以对液压缸进行时时控制。液压缸推动同步盘经由连杆把运动传递给偏心盘进而实现变桨距。本设计融合了机-电-液一体化的设计理念，寻求更为有效的设计理论和方法来实现桨叶的快速变距。该系统实现了设计目标，具有较高的自动化程度，运行稳定可靠，性能价格比较高，非常适合于现代化生产实际的需要。因此，该产品的推广具有十分广阔的前景。关键词：风力发电机 液压系统 能源 新资源Abstracthis paper mainly introduced the wind power machine set changes the oar to be apart from the system, among them, mainly is hydraulic system to be use by the electric appliances control to push the machine organization to the oar the leaf carries on change to be apart from.The energy problem is one of the important topics that mankind face currently. Nowadays we are being placed in the new old energy alternation hair stage, the old type energy of the past, if coal, petroleum.etc. cant the reborn resources is less and less already, have already cant satisfy the mankinds production life needs currently, this needs us to find out new resources that can act for them. The wind energy is the green resources, as early as and several thousand year ages are as the behavior type make use of. Up to now, the wind energy is the technique in variety can reborn resources up the most mature, have most the competition ability and can develop the resources.The machine set of the foreign 600 KW the following has already mass-produced, the breakdown rate descends current 2% from 50% of the beginning of 80s the following. Currently the quota of the MW class machine set is obvious to enlarge; an equally single machine capacity of machine of 2003 attains the 1.2 Maws.The wind force machine of the past mainly is to pass to be partial to the sail to adjust to turn soon, but this kind of method is very disadvantageous to the full exploitation of the wind energy, and respond to the speed very slow, so the wind force machine changes to be apart from the organization to have the very high development value.The liquid presses the system to respond to the speed quick, the dint- quantity compare greatly, control the accuracy is high, can control the function good. Past origin design adoption the liquid presses the system, control the liquid to press the urn and can press the urn to carry on to the liquid to control always with the comparison valve. The liquid presses an urn of dish with synchronous push through connect the pole to deliver the sport to lack of impartiality the dish to then carry out to change the oar to be apart from.This design blended the machine- electricity- the design principle that the liquid integral whole turn, look for the more valid design theories and methods to carry out the oar the quickly change of the leaf be apart from. That system carries out to design the target, having the higher automation degree, circulating the stable credibility; the function price is higher, very suitable for the modernization produces the actual demand. Therefore, the expansion of that product has the very vast foreground. the wind power machine hydraulic system energy new rescouce第1章引言现代化的机械设备的控制技术手段是多种多样的，电器方法、机械方法、液压方法、电气液压方法以及气动方法等等，均可以用来实现自动控制。其中，机电液一体化设计已成为当代机械工业技术和产品发展的主要趋向，沿用已久的分工脱节，各管一段的设计方法，不仅耗时，而且难以获得一体化系统的最佳设计结果。本设计引入了机、电、液一体化系统的设计理念，寻求有效的设计理论和方法来实现桨叶的快速变距。变桨距调节有全桨叶变距与仅叶尖局部变距两种。变距系统控制叶片的转动，从而使风力机具有最佳的刹车性能。变桨距系统还能够起到主动调节（保持额定功率）和优化(在小于额定风速时优化功率)的作用；在高风速段保持额定功率。无论安装地点的空气密度多少，桨距控制系统都能使叶片角度调到最佳值，从而达到额定功率。这意味着変桨距风电机组对温度和海拔高度的变化而引起的空气密度的变化并不敏感。机械装置设计的重点是同步盘、连杆和偏心盘。其中同步盘上的推杆与液压缸上的出杆的连接很关键。液压缸的驱动控制由液压系统控制，在液压系统中应用了电磁换向阀、蓄能器、单向阀和液控单向阀。电磁换向阀、单向阀和液控单向阀和电动机的控制均由电气控制系统实现。整个装置组成简单，结构精巧，控制方便，性能可靠，有很好的应用前景。由以上分析可见，変桨距风力发电机组有很多优越性，而変桨距风力发电机组核心便是変桨距系统，因此使得对変桨距系统的研究具有重要的现实意义。第2章液压系统设计液压系统作为変桨距系统的重要部分，设计时必须满足系统工作循环所需的全部技术要求，且静动态性能好，结构简单，工作安全可靠、寿命长，经济性好，使用维护方便。为此，液压系统要与总体设计（包括机械、电气设计）综合考虑，做到机、电、液的相互配合，保证整个装置的性能最高。2.1 液压系统的方案设计一、回路方式的选择本设计中选用了开式回路，即执行元件的排油回油箱，油液经过沉淀、冷却后再进入液压泵的进口。二、执行元件的选择选用活塞液压缸实现直线运动，因为要求液压缸两个方向工作，正向关桨，反向开桨，应选用双作用液压缸。三、调速方式的选择采用三位四通电磁比例阀实现速度的调节与换向，这样能保证系统的实时控制。在本设计中选用了O型比例阀。四、调压方式的选择在先导型溢流阀的遥控口上远接一个二位二通电磁换向阀。当电磁换向阀通电时，系统卸荷。溢流阀调定泵的出口压力。整个系统需要稳定的恒压源，所以此溢流阀为保压阀。五、换向回路的选择本设计的液压设备要求的自动化程度较高，因此应该选用电动换向，即应选择电磁换向，所以选用了三位四通的电磁换向阀。当阀芯处于中位时截断对液压缸供油，使桨叶不动；阀芯处于左位时，液压缸活塞缩回，桨叶开桨；处于右位时，液压缸活塞伸出，桨叶关桨。六、动作转换控制方式在本液压系统的动作控制中，均采用了位置传感器及工控机来控制液压缸的动作。当活塞的位置达到一定值后，工控机就会发出讯号，使油路中的执行元件的动作停止。2.2 截止式换向阀的选取 这种换向阀可绝无泄漏地直接控制执行元件及作为先导阀用于其他液压系统的控制（先导式控制）。此种阀为弹簧加载球式截止结构并由角度杠杆和推杆克服弹簧压力和液体压力进行换向。装在进油口上的滤网能防止较大杂质的侵入。 经过平磨阀板上的油口均设有O型密封圈。对于管式连接可自己制作底板或阀块。 该阀密封性能极好，绝无内泄漏。即使高压下工作，阀芯也不会卡死，而且动作十分可靠。由于杠杆与操纵力之间具有极佳的比率，故该阀换向平稳，无冲击现象。为了避免不利的影响，绝大多数的换向阀均可组装插装式单向阀与背压阀或在进油口组装插装式节流阀。在管接式单只阀的地板可集成旁通单向阀及桥式回路形式的单向阀。2.3液压系统的参数设计和拟定液压原理图2.3.1 选取液压泵a. 确定液压泵的最大工作压力Pp Pa 式中 P1-取液压缸或液压马达最大工作压力 从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。的准确计算要待元件选定并绘出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取：管路简单、流速不大的，取=（0.20.5）MPa;管路复杂，进口有调速阀的，（.51.5）MPa 本设计的系统压力为15MPa,故液压泵的出口压力Pp为16 MPa。 b. 确定液压泵的流量Qp 多液压缸或液压马达同时工作时，液压泵的输出流量应为： m3/s式中 K-系统泄漏系数，一般取K=1.11.3- 同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量，对于在工作过程中用节流调速的系统，还须加上溢流阀的最小溢流量，一般取0.510-4 m3/s系统使用蓄能器作辅助动力源时 式中 K-系统泄漏系数，一般取K=1.2 Tt-液压设备工作周期 s Vi-每一个液压缸或液压马达在工作周期中的总耗油量 m3 z-液压缸或液压马达的个数 m3/s =21.1 L/min所以，QP=23.21 L/min系列叶片的额定压力为16MPa，该系列泵的结构类似于系列泵，该泵采用减薄叶片厚度（最小厚度仅1.6mm）的措施，减小叶片在中、高压下对吸油区定子的压紧力以降低磨损；同时提高定子强度，使该系统适应中高压力的要求；定子曲线为高次曲线，降低了泵的噪声。2.3.2 选取电动机一、电动机选用的一般原则在选择电动机的类型时要根据工作机的要求来选取。负荷平稳且无特殊要求的长期工作制机械，应首先采用鼠笼型异步电动机。电动机的结构有开启式、防护式、封闭式和防爆式，应根据防护要求及环境条件进行选择。选用电动机的类型，除满足工作机械的要求外，还需满足电网的要求。如启动时能维持电网电压水准，保持功率因数在合理的范围内等。电动机功能应有适当的备用容量。通常对在变载荷作用下，长期稳定连续运行的机械，所选用的电动机额定功率应稍大于工作机的功率。二、选取电机： =16106(23.2110-3/60)=6.2103kw本设计选用了电动机功率7.5KW，转速，同步转速，电流，该电动机的特性：系列电动机是封闭风扇自冷式鼠笼式三相异步电动机。我国统一设计的取代系列的更新换代产品。系列电动机效率高、节能、启动转矩高、噪声低、振动小、运行安全可靠。安装尺寸和功率等级完全符合国际标准（IEC）系列电动机为一般用途的电动机，适用于驱动无特殊性能要求的各种机械设备，如金属切削机床、鼓风机、水泵等。2.3.3 设计液压系统图由以上各个单独回路与阀的组合，我们可以组合成本液压系统的原理图，如图所示。第3章 机械设计与计算3.1原始数据及设计要求 最大输出力为6吨。 行程小于600毫米。 系统响应速度为0.01秒。 系统压力为16 兆帕。 活塞的运动速度为0.1米每秒。3.2拟定设计方案机械机构主要包括推杆、同步盘，连杆和偏心盘。活塞杆通过一个套与推杆相连，因为推杆与活塞杆之间存在相对转动，在传递轴向力的同时推杆还要沿轴线转动，所以在轴套中采用两组轴承深沟球轴承和推力球轴承。推杆与同步盘采用键连接，用螺栓固定。因风电机有三个桨叶，故同步盘有三个角，成120度排列。每个角都是相同的，所以只设计一个角就可以。同步盘与连杆用一销轴连接，其与同步盘之间用螺纹固定连接，与连杆之间用一关节轴承连接，可以有一定的振动。连杆由两个螺纹轴和一个螺纹套组成，可以实现一定的尺寸补偿。偏心盘与桨叶用螺栓固定。安装时桨叶与推杆之间有相位要求，故安装精度要求较高。3.3确定系统的机械参数本机构主要是传动轴向力，所以只要校核推杆就可以了。液压缸输出的最大力为6吨，推杆最小的面积为第4章 液压装置的结构设计.1 滤油器4.1.1 滤油器的功用和安装滤油器的功用是滤去油液中的杂质，维护油液的清洁，防止油液污染，保证液压系统正常工作。一、液压传动系统中工作介质含有各种杂质，其主要来源有：虽经清洗仍残留在液压系统中的机械杂质，如水锈、铸砂、焊渣、铁屑、涂料、油漆皮和棉纱丝等；外部进入液压系统的杂质，如经注液口、防尘圈等进入的灰尘；工作过程中产生的杂质，如密封件受液压作用形成的碎片、运动件相对磨损产生的金属粉末、液体因氧化变质产生的胶质、沥青质、碳渣等。上述杂质将起到破坏作用，严重防碍液压系统的正常工作。如：使节流口卡死或堵塞；加剧介质的化学作用，使工作介质变质。据统计，液压系统中的故障，有75%以上是因为工作介质中混入杂质造成的。为此，应维护工作介质的清洁，防止其污染。二、过滤器在液压系统中的安装位置：安装在液压泵的吸油管路上，主要目的是保护液压泵，防止吸油时将较大颗粒的杂质吸入泵内。为了不影响液压泵的吸油能力，装在吸油管路上的过滤器的通流能力应大于液压泵流量的两倍。吸油过滤器的压差受液压泵吸油特性的限制，使用中最大压差一般不大于0.02MPa，最高过滤精度不超过3050m。安装在压油管路上，在压油管路上可以安装各种型式的精过滤器，用来保护液压泵以外的其他液压元件。过滤精度一般为320m，工作时滤芯的最大压差一般为0.350.5MPa，且过滤器要有一定强度。安装在回油路上，在系统回油路上安装过滤器是比较理想的。在系统油液流回油箱前，过滤器将外界浸入系统和系统内产生的污染物滤除，为液压泵提供清洁的油液。回路上过滤器承受的压力为回油路的背压。一般不超过1MPa，因而结构尺寸可适当加大，以提高纳垢容量。回油路过滤器可采用高精度滤芯，最大允许压差一般为0.35MPa。4.1.2选取滤油器本液压系统共使用了三个滤油器：吸油滤油器，压力管路滤油器，回油滤油器。其中吸油滤油器要有足够的通流能力。因为需经常清洗过滤器，所以在油箱结构上要考虑拆卸方便。本设计选用了YLX-6380箱上吸油过滤器，用于油泵吸油口处滤除油液中的杂质，用以保护油泵及其他液压元件，有效地控制液压系统污染。本滤油器的吸油能力大，阻力小。可直接安装在油箱的盖板上，筒体伸入油箱的油液中。当滤芯堵塞需清洗或更换时，只须打开过滤器上盖，即可取出滤芯进行清洗或更换，十分方便。压力管路滤油器采用了ZU-H4020L型纸质过滤器。本过滤器适用于液压系统压力管路上精过滤。用以滤除油液中的机械和化学杂质，从而防止阀芯卡死，节流小孔间隙和阻尼孔的堵塞，减弱液压元件的磨损。其主要的性能特点有：过滤器直接安装在系统的压力管路上，进出油口均采用螺纹连接，安装简单，更换滤芯方便。滤芯采用纸质和新型化纤滤材，具有过滤精度高，通流能力大，压力损失小，纳污量大等优点。本液压系统的回油滤油器选用了LHN-253L型微型直回式回油过滤器。该过滤器安装在油箱的顶部，筒体部分浸于油箱内并设置旁通阀，扩散器等装置。.2 油箱和压力表辅件.2.1油箱一、油箱的用途及选择油箱在液压系统中的功能，主要是储油和散热，也起着分离油液中的气体及沉淀物的作用。本系统选用了开式油箱。因为开式油箱应用广泛，箱内液面与大气相通。为防止油被大气污染，在油箱顶部设置空气滤清器，并兼作注油口用。二、油箱的构造与设计要点油箱必须有足够的容量，以保证系统工作时能保持一定的液位高度。此外，还要考虑到液压系统回油到油箱不至溢出。底部做成适当斜度，并在油箱底部最低位置安设放油塞，以便于换油时油液和污物能顺利地从防油孔流出，油箱内沉淀物的定期清理。油箱上盖上应安放空气滤清器，其通气流量不小于泵流量的1.5倍，以保证具有较好的抗污能力。油箱侧壁安装油位指示器，以指示最低、最高油位。为了防锈、防凝水，新油箱内经喷丸、酸洗和表面清洗后，可涂一层与工作油液相容的塑料膜或是耐油清漆。油管及回油管要用隔板分开，增加油液循环的距离，使油液有足够的时间分离气泡，沉淀杂质。隔板高度一般取油面高度的3/4。GB766-85中5、2、3a规定：“油箱的底部应离地面15mm以上，以便于搬移、放油和散热。”三、空气滤清器在液压系统中，净化工作油液是相当重要的环节。空气滤清器能防止空气中的污染颗粒进入油箱，起到延长油液及元件的工作周期和使用寿命的作用，从而保证了液压系统的正常工作。此外，液压系统工作时，空气滤清器能维持油箱内的压力和大气压力平衡，以避免可能出现的空穴现象。本设计中采用了EF4-50空气滤清器，其结构由空气过滤和加油过滤两部分组成，直接安装在油箱盖板上，既可以滤除液压系统工作时由空气中带入油箱内的尘埃，又可以滤除加油过程中带入油箱的颗粒杂质，从而简化了油箱的结构，有利于油液的液化。.2.2压力表辅件主要包括压力表及压力表开关。一、压力表液压系统各工作点的压力一般都用压力表来观测，以调整到要求的工作压力。一般机械设备液压系统采用1.5-4级精度等级的压力表。在选用压力表的量程时，应选比液压系统压力要高，即压力表量程均为系统最高工作压力的1.5倍左右。压力表安装在调整系统压力时能直接观察到的部位。压力表接入压力管道时，应通过压力表开关，以防止系统压力突变或压力脉动而损坏压力表。二、压力表开关压力表开关用于切断和接通压力表与油路的通道，压力表开关相当于一个小型的截止阀。.3管接头管接头是油管与液压元件、油管与油管之间可拆卸的连接件。管接头必须在强度足够的前提下，在压力冲击和振动下要保持管路的密封性、连接牢固、外形尺寸小、加工工艺性好、压力损失小等要求。 液压系统选用了焊接式管接头。焊接式管接头利用接管与管子焊接。接头体与管子之间用形密封圈端面密封。这种管接头结构简单，易制造、耐压高（可达32MPa或更高）、密封性好、而对管子的尺寸精度要求不高。但是要求焊接质量高。在本设计中采用了端直通焊接式管接头、直角焊接式管接头、四通焊接式管接头。.4阀集成块当液压控制阀采用板式连接时，将阀集中安装在专用的阀块，不仅便于集中管理，而且可以减少连接管路，提高液压系统的工作可靠性。一、阀集成块的设计原则选择集成阀的个数，若集成阀的个数太多，会使阀块的体积过大，设计、加工困难；集成阀太少，集成的意义又不大。在阀块设计时，块内的油路应尽量简捷，尽量减少深孔、斜孔。阀块设计时还要考虑有水平或垂直安装要求的阀，必须符合要求。二、 阀集成块的结构设计液压阀位置的确定在认真分析液压系统原理图的基础上，根据油口就近连通的原则，应将有互通关系的阀安装在相邻的表面。布置阀的位置时，除需保证阀的互通油口位于同一层，互通的油道有足够的壁厚外，还必须考虑阀的上、下、左、右安装空间，保证阀与阀之间，阀与安装底板之间不得有相碰的情况。视图及尺寸标注阀块加工图一般用六个视图表示，每个视图表示一个面的阀的安装螺孔和油口的尺寸。在标注尺寸时一般以主视图的左下角为尺寸标准标注阀安装螺孔的坐标尺寸，再以螺孔为基准标注该阀其它孔口的位置尺寸。标注阀的一组尺寸时应严格按照安装底板尺寸图。一般安装螺孔之间的位置偏差为mm，油口的位置尺寸偏差为mm。然后在阀块加工图中列表标注：孔号孔径孔深相交孔号。为便于对照，还在阀块加工图中绘制了集成阀的油路原理图。45 蓄能器及其附件一、蓄能器的功用蓄能器是液压系统中一种储存油液压力能的装置，其主要功用如下：（1）作辅助动力源 在液压系统工作循环中不同阶段需要的流量变化很大时，常采用蓄能器和一个流量较小的泵组成油源。（2）保压和补充泄漏 有的液压系统需要较长时间保压而液压泵卸载，此时可利用蓄能器释放所储存的压力油，补偿系统的泄漏，保持系统的压力。（3）吸收压力冲击和压力脉动 由于液压阀的突然关闭或换向，系统可能产生压力冲击，此时可在压力冲击处安装蓄能器起吸收作用，使压力冲击峰值降低。二、蓄能器的分类和选用蓄能器有弹簧式、重锤式和充气式三类。其特点、用途及安装要求如下表：蓄能器的种类及特点气体加载式气囊式 油气隔离，油不易氧化，油中不易混入气体，反应灵敏，尺寸小，重量轻；气囊及壳体制造较困难，橡胶气囊要求温度范围（2070）折合型气囊容量大，适于蓄能；波纹型气囊用于吸收冲击一般充惰性气体（如氯气）。油口应向下垂直安装。管路之间应设置开关（为充气、检查、调节时使用）活塞式 油气隔离，工作可靠，寿命长，尺寸小；但反应不灵敏，缸体加工和活塞密封性能要求较高有定型产品蓄能、吸收脉动气瓶式 容量大，惯性小，反应灵敏，占地小，没有磨擦损失；但气体易混入油内，影响液压系统运行的平稳性，必须经常灌注新气；附属设备多，一次投资大适用于需大流量中、低压回路的蓄能器重锤式 结构简单，压力稳定；体积大，笨重，运动惯性大，反应不灵敏，密封处易漏油，有磨擦损失仅作蓄能用，在大型固定设备中采用。轧钢设备中仍广泛采用（如轧辊平衡等）柱塞上升极限位置应设安全装置或信号指示器，应均匀地安置重锤弹簧式 结构简单，容量小，反应较灵敏；不宜用于高压，不适于循环频率较高的场合仅供小容量及低压p 112MPa系统作蓄能及缓冲用应尽量靠近振动源 设计总结在机械行业,液压传动技术的应用越来越广泛,液压设备在整个机械设备中所占的比重也越来越大。现代化的机械设备的控制技术手段是多种多样的，电器方法、机械方法、液压方法、电气液压方法以及气动方法等等，均可以用来实现自动控制。其中，机电液一体化设计已成为当代机械工业技术和产品发展的主要趋向。能源问题是目前人类所面临的重大课题之一。风能作为绿色资源，早在几千年前就为人类所利用。时至今日，风能在多种可再生资源中是技术上最成熟，最具竞争力的可开发资源。本文主要介绍了风力发电机组的变桨距系统，其中，主要是液压系统由电器控制用来推动机械机构对桨叶进行变距。整个装置组成简单，结构精巧，控制方便，性能可靠，有很好的应用前景。由以上分析可见，変桨距风力发电机组有很多优越性，而変桨距风力发电机组核心便是変桨距系统，因此使得对変桨距系统的研究具有重要的现实意义。从本次设计得出，在现代化生产实际中，机械、电气、液压技术一体化的设计，能够更加有效的实现设计功能，能够更加准确的达到设计要求的精度。而且设备更具有一定的柔性，为后期的改型留有一定的余地。参考文献1 陈卓如. 低速大扭矩液压马达理论、计算与设计. 北京：机械工业出版社，1990.7582 2 Hydraulic Motors, Staffa,U.S Patent .3828400 3 High Press Compact Motors. staffa Technical bulletin T74,19804 官忠范. 液压传动系统. 北京：机械工业出版社，1989 5 许福玲. 液压与气压传动. 北京：机械工业出版社，2003 6 徐灏.机械设计手册第5卷. 北京：机械工业出版社，1988 7 warring,R.H. 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