淺析風力發電液力機械傳動裝置的特點及設計

李永強

（中國電力工程顧問集團投資有限公司 北京西城區 100011）

淺析風力發電液力機械傳動裝置的特點及設計

李永強

（中國電力工程顧問集團投資有限公司 北京西城區 100011）

風力發電是一種新型能源，是信息化、工業化發展的重要支撐。現階段，我國已經成為風力發電大國之一。在風力發電系統中，液力機械傳統裝置十分關鍵。對此，本文首先介紹了風力發電液力機械傳動裝置的特點，然后對風力發電液力機械傳動裝置設計進行了詳細闡述，驗證風力發電系統液力機械傳動裝置的安全性和可靠性。

風力發電；液力機械傳動裝置；設計

1 引言

新能源包括太陽能、風能、地熱能、水能等等，與傳統能源相比，新能源具有污染少、儲量大等優點，因此對于解決當前世界嚴重的環境污染問題和能源短缺問題意義重大。

2 風力發電液力機械傳動裝置的特點

傳統的液力變矩器具有傳動效率低的缺點，而且能量損失較大，通常情況下，傳統效率很難達到90%。本文研究的新型風力發電液力機械傳動裝置最初起源于變速箱系統，通過多年的發展和改良，其基本結構并沒有發生明顯變化，但是在實用性方面卻得到了很大的改進，其基本原理如圖1所示。

圖1 風力發電用液力機械傳動裝置原理圖

新型風力發電液力機械部分為可調式液力變矩器，其基本構造與普通液力變矩器相同，主要包括泵輪、渦輪以及可調導輪，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節環節，即：通過控制系統，能夠對導輪葉片進行控制，并且可以調節至所需要的開度，從而有效控制液力回路中的液體的流動狀態，使得液力變矩器能夠有效控制渦輪的實際轉速，更好的滿足液力機械工作需要。

新型液力變矩器裝置的最大特點在于：液力變矩器不再是傳統的元件，而是作為調節元件。將風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電機轉軸，作為發電功率輸出，而另外一部分則作為機械構件，并且與風輪功率的輸入相交集。在這一功率流程中，當效率較低時，能夠將總功率的一部分傳通過液力變矩器，同時不會在較大程度上降低傳動總效率。

3 風力發電液力機械傳動裝置設計

3.1 液力機械傳動裝置主要參數的確定原則

在風力發電業力機械傳動裝置中，主要參數包括α1和α2——行星排的結構參數、irj——風力機到行星排的主傳動比；i*TB——變矩器設計轉速比、D——循環圓直徑等等。

3.1.1 行星排的結構參數α1和α2

液力變矩器渦輪的輸出轉速計算如下所示：

根據公式（1），可以計算出液力變矩器的轉速比，如下：

nrjmin指的是風力發電機的最小轉速，其所對應的液力變矩器轉速比最大值為iTB2，nrjmax指的是風力發電機的最大轉速，其所對應的液力變矩器轉速比的最小值為iTB1，根據此可以計算出變矩器轉速比的工作范圍，如下：

通過公式（3）可以得知，行星排的結構參數α1會在一定程度上影響液力變矩器的轉速比范圍，如果α1越小，則轉速比的范圍也越小，同時變矩器可以在更高的效率范圍內作業。

將變矩器泵輪轉速設定為1500r/min，主傳動增速比irj=25，對于2MW的風力機，通常情況下，風力機轉速nr在11.1～20.7r/min之間變化，變矩器轉速比范圍Π隨α1的變化關系可以通過計算得出，具體如圖2所示。

圖2 變矩器轉速比工作范圍

變矩器渦輪的輸出轉矩計算公式如下所示：

圖3 渦輪功率和風力機功率的比值

參考行星排結構參數的合理取值范圍，可以確定α1的取值范圍在1.33～1.70之間。由于α1的實際取值會對液力機械傳動效率造成很大影響，因此對于α1的具體取值需要綜合考慮風力機以及變矩器的特性。

根據上述公式（2）可知，轉速比與α2為正比關系，α2可以直接影響變矩器工作轉速比的具體位置。圖4表示轉速比iTB2隨α2的變化關系，如果Π=iTB2/iTB1不變，則iTB2越大，轉速比變化也會逐漸增大，如果變矩器的最高效率在iTB2附近，則在iTB1處，變矩器會達到最低效率。如果Π=3，則當iTB2=0.9時，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數值較小，則iTB1位置的效率也會較低。綜合考慮，確定iTB2=0.55～0.70，其所對應的α2=1.40～1.71。

圖4 變矩器轉速比圖

3.1.2 主傳動比irj

風力機和行星排之間的主傳動比irj也會在一定程度上對變矩器的轉速比范圍Π以及設計轉速比位置產生影響。隨著irj的增加，Π會不斷增大，而iTB2會不斷減小，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 變矩器轉速比

3.1.3 變矩器循環圓直徑D和設計轉速比i*TB

如果風力機實際轉速大于設計轉速，同時變速風力機的實際實際輸出功率仍然為設計功率Pr，則風力機的實際輸出功率如下：

隨著風力機轉速nr的增加，則轉矩Mr會不斷下降，通過公式（2）計算得知，轉速比iTB也會不斷減小。通過公式（7）可以計算出風力機的最大輸出轉矩：

式中：Prd指的是設計功率，W；nrd指的是設計轉速，r/min。

另外，變矩器渦輪的輸出最大轉矩的計算方式如下公式（8）：

式中：ρ指的是變矩器工作油的密度大小，kg/m3；λB指的是變矩器設計工況泵輪轉矩系數；g指的是重力加速度，一般取9.81m/s2；變矩器設計轉速比i*TB=iTB2。

3.2 液力變矩器數學模型

在風力發電液力機械傳動裝置中，根據相關要求可以選擇低轉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、導輪1、渦輪2和導輪2所構成的。其中，泵輪理論能頭計算方式如下所示：

理論能頭計算方式如下：

渦輪1：

渦輪2：

根據變矩器循環圓內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、出口半徑；β指的是變矩器各葉輪的進、出口葉片角；q指的是循環流量；∑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指的是固定第一導輪、D2指的是可調第二導輪；μB指的是泵輪有限葉片修正系數；Am指的是變矩器各葉輪的進、出口軸面面積；ω指的是葉輪旋轉角速度。液力變矩器泵輪轉矩計算方式如下：

渦輪轉矩計算方式如下：

如果已經明確得知液力變矩器泵輪以及渦輪轉矩，則可以計算出變矩比k以及泵輪轉矩系數λB，其中，第二導輪的葉片角是可以調節的，而且進出口半徑也會隨著葉片角的變化而不斷變化。導葉可調式雙渦輪液力變矩器原始特性如圖6所示，設計轉速比i*TB=0.3，最高效率0.825。第二導輪的相對開度

圖6 導葉可調式雙渦輪液力變矩器原始特性

4 結語

（1）行星排的結構參數α1會在一定程度上影響變矩器工作的轉速比范圍，如果α1越小，變矩器工作的實際轉速比范圍也會越小。α2則會在一定程度上影響變矩器工作轉速比的位置，如果α2較大，則變矩器就會在較高的轉速比條件下進行工作。

（2）風力機和行星排之間的主傳動比irj可以在一定程度上影響風力機設計轉速比的位置以及變矩器工作的轉速比范圍。隨著irj的增加，Π也會不斷增大，而iTB2則會不斷減小。

[1]唐天李，吳坤林.淺論風力發電液力機械傳動裝置的特點及設計[J].中國機械，2014（09）：181～182.

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[3]宣安光.對風力發電機組機械傳動技術的探討[J].電氣制造，2010（03）：176～177.

TM614

A

1004-7344（2016）05-0238-02

2016-2-5

李永強（1987-），男，助理工程師，主要從事機械設計等工作。