基于風力發電機的動力學分析研究

摘要：隨著我國經濟的蓬勃快速發展，對電能的需求也與日俱增，而能源的短缺一直以來都是每個國家需要面臨的問題，結合我國的實際情況，對風能的利用有效的緩解我國的能源緊缺和不足。因此，對風力發電機的動力學研究是非常有必要的，并大幅度降低了對化石能源的依賴，有效的促進了我國的經濟的快速發展，為風力發電機的應用提供一定的參考依據。

關鍵詞：風力發電機；動力學；分析；能源

0.引言

隨著可再生能源的使用，使得其世界存儲越來越少，面對人們對可再生能源的不斷需求，使得對風能、太陽能等清潔能源的研究也越來越重視，尤其是風能的利用逐漸受到了研究學者的關注和研究[1-2]。與此同時，風力發電技術在發達國家趨于成熟，應用范圍也逐漸擴大。對于風力發電主要是利用自然界的風能使得葉片旋轉，進而帶動發電機，此時就可以將風能轉化成電能，輸送到需要的地區[3]。其中，在風力發電的過程中，需要用到齒輪箱對速度和扭矩進行變換，因此能否是使發電機到達預定的額定速度和發電的額定電壓，其齒輪箱作為傳動系統起著重要的作用。

由于自然界的風能具有不穩定、不定向等特點，因此風力對葉片的作用力也是出于隨機的狀態，這會使得齒輪箱的傳動長期處于變載荷且不穩定的環境，對其內部結構造成極大的破壞和損失，大大的降低了風力發電機的使用壽命[4]。本文基于風力發電機的動力學分析旨在對風力發電過程中的動態進行分析，以此減小其傳動過程的振動，降低其故障頻率，優化風力發電機的整體結構和使用壽命，對風力發電的拓展具有重要意義。1.風力發電機的理論基礎

風力發電機時，發電機的葉輪獲得風能，利用風的動能推動風輪的旋轉，并帶動發電機的運動，即風能轉化為機械能，最后通過葉輪的旋轉將機械能轉化為電能[5]。風力對葉輪的作用力是整個風力發電機的動力輸入，葉輪產生的機械能越多，則風力發電機獲得的電能也就越多。

風力發電機是通過風輪在風中獲得風的能量，此時經過葉片的風由于將其自身的動能轉化為風輪的動能，風的速度會下降。當風掃過葉片的圓周面積時，經過葉片所在的圓周面，將空氣和沒有通過風輪的空氣分離開來，就可以得到一個氣流管。其氣流管的示意圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，由于風力發電機葉片的存在，使得葉片上游的空氣在接近葉片時，出現衰減，與此同時，由于風速的降低會使得葉片下游的氣流管的膨脹，等同于空氣的靜壓上升，最終風力的一部分動能就會轉化為發電機葉片的機械能。上游的氣體經過葉片之后，其靜壓會降，使尾流的氣體的壓力小于大氣壓。因此，整個過程中，葉片的上游和下游遠處的空氣，靜壓始終是保持不變，僅僅減小了氣體的動能。

通過對風力發電的原理進行闡述之后，其中也會存在一些不足，總結幾點如下：

（1）隨著風力發電機組容量的不斷增大，相應的塔架高度也越來越高，這樣使得發電機的齒輪箱傳動受力情況變得復雜。尤其是在特殊地形的氣流對葉片影響較大，這樣使得風力發電機的傳動變得極其不穩定，再加上風力的或大或小，都會加速風力發電機的損壞。

（2）在風力發電機剛剛開始運行時，由于發電機的運動存在較大慣性，這種慣性力對葉片產生的作用力剛好相反，這樣對于傳動系統有很大的沖擊，尤其齒輪箱中嚙合的齒輪，大大降低了齒輪的使用壽命。另外，當風力發電機需要停止時，對齒輪箱的零部件承受較大的沖擊，直接會損壞齒輪箱的零部件。

（3）在寒冷的地區，比如我國的東北地區，冬季氣溫基本上處于零下，甚至到達零下40℃。由于風力發電機的設計所能夠承受的溫度在-20℃左右，特殊的發電機可以達到-30℃，這些因素主要有變速箱的內部結構決定，由于齒輪箱中齒輪嚙合會放潤滑油，來提高齒輪的壽命，但是在低溫環境下，齒輪箱的潤滑油就會變得粘稠，對齒輪的旋轉是一種阻礙，增加了發電機的阻力，這樣降低了風力發電機的發電效率。

（4）風力發電機中的齒輪箱，如果長時期且頻繁受到風載荷變化沖擊，勢必會增加齒輪之間的磨損，齒輪就會慢慢出現輕微的磨損，進而齒輪表面出現點燭，甚至斷裂等現象，使得風力發電機無法正常的工作。

由于風力發電的過程中，齒輪箱的運行環境相對復雜，承擔的變載荷變得極為復雜。再加上我國風力發電相對發達國家而言起步較晚，對風力的統計沒有及時的收集，尤其變載荷的數據文獻。結合我國遼闊的國土，對風能開發具有非常大的前景，對風能的利用也能緩解能源不足和環境污染的困境，因此，有必要對風力發電機的動力學進行分析研究，以此提高風能的利用，改善我國的能源結構，加速經濟的快速發展。

2.風力發電機的動力學分析

經過多年的發展，國內外的許多學者都對齒輪傳動系統動力學進行了深入研究分析。尤其是特殊環境下的模擬分析，比如：風力發電機的齒輪箱，都有著嚴格的分析，目前基本上對風力發電機的研究大方向得到很好的解決，但依然存在一些較小的問題，影響著風力發電機的運行工作，比如：使用壽命、重載、性能等。

風力發電機的工作過程，不可避免的會出現齒輪箱的振動，其振動的類型大致上可以劃分為三類：第一，由于齒輪傳動中負載是隨著齒輪的嚙合進行傳遞的，都是成對的出現，必然有齒輪的哨入、嚙出沖擊，這樣會造成單個齒輪上載荷的變化，引起所在軸的旋轉；第二，齒輪產生的嚙合力會隨著外界載荷的變化實時的調整，如果出現忽大忽小的變載荷和方向的改變，都會引起變速箱的振動，從而影響齒輪的正常嚙合，不利于變速箱的傳遞。第三，由于風力的不穩定性和變向性，使得零部件的精度變得越來越差，進而增大零部件的摩擦，引起熱變形，進一步破壞變速箱等零部件的磨損，產生更大的沖擊，陷入惡性循環。

本文以大型風力發電機齒輪箱傳動系統為研究對象，建立齒輪傳動系統的動力學模型，對其進行分析。在建立齒輪系統動力學模型時，作出如下假設：第一，齒輪、軸和軸承均為彈性體，箱體為剛箱體；第二，由于直齒輪沒有軸向力，假定每個構件都在垂直于軸線的平面內振動；第三，忽略輪齒哨合時齒間的摩擦力，系統中的阻尼都為粘性阻尼，并不考慮齒側間隙的影響，假定齒輪哨合力式中作用在哨合線上，各行星輪沿圓周分布，且質量質量、支撐剛度等參數均相等；其齒輪傳動系統的幾何模型的結構簡圖如圖2所示。

一般風力發電機組由三級齒輪傳動組成，第一級輸入級，由內齒圈、太陽輪和三對行星齒輪組成，是內哨合的直齒行星齒輪傳動；第二級為中間級，由一對小齒輪和大齒輪組成，是外哨合的斜齒圓柱齒輪傳動；第三級為輸出級，由一對大齒輪和小齒輪組成，是外哨合的直齒圓柱齒輪傳動。系統通過葉片把風能轉變成機械能，然后通過主軸傳遞給行星架，通過齒輪箱增速，由高速端輸出驅動發電機轉變成電能。其建立的三維空間動力學模型如圖3所示。

在完成風力發電機的整機建模后，皆可以對其進行計算和仿真，以此判定該模型存在的缺陷和不足，為后期的分析奠定良好的基礎。尤其是動力學分析，用科學的方法有效的分析了對風力發電機模型研究的重要性。

3.總結

通過以風力發電機為研究對象，從風力發電機存在的問題入手，合理分析其運行中的不足，并結合現代先進的技術手段，采取相應的措施和方法，以此提高風力發電機的發電效率和穩定性，以此降低風力發電的成本，與此同時，確保風力發電機的安全穩定運行，為我國風力發電的應用提供一定的理論依據。

參考文獻：

[1]石峰，侯作富.基于Adams的風力發電機偏航系統動力學仿真[J].機械研究與應用，2017，30（01）：18-20.

[2]金鑫，甘洋，楊顯剛，任海軍，唐帥，巨文斌.獨立變槳控制下的風力機齒輪箱動力學仿真分析[J].太陽能學報，2018，39（01）：218-225.

[3]王春光.基于動力學的兆瓦級風電齒輪增速箱可靠性靈敏度分析[J].機械強度，2018，40（04）：895-900.

[4]郇立榮，肖正明，陳甫，張恒，吳利榮.變載荷激勵下故障半直驅風電行星齒輪傳動系統的動力學特性[J].機械設計，2018，35（02）：16-22.

[5]王巖，董雯，李成振.基于變速變槳距的MW級風力發電機組的建模研究[J].長春工程學院學報（自然科學版），2018，19（02）：36-38+56.

作者簡介：孫宇（1989.05.27）男，漢族，遼寧省營口市人，本科學歷，中級職稱，從事風力發電工作。