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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。偏航制动盘涡流柱模型-新疆大学空气动力学论文偏航制动盘涡流柱模型摘要：根据水平轴风力机的特征参数建立了偏航致动盘的涡流柱面模型,用稳态偏航状态下的叶素动量理论计算出周向诱导流动因数。考虑了风轮的偏航角参数,建立计算水平轴风力机轴向诱导流动因数的计算模型。关键词：叶素动量理论水平轴风力机稳态偏航涡流柱面模型涡流制动器前言能源是人类生存的基本要素，国民经济发展的主要物质基础。由于化石资源的日益枯竭和人类对全球环境恶化的倍加关注，风力发电技术也随之得到迅猛发展。偏航控制机构是风力机特有的伺服系统，用于控制风电
2、机组跟踪变化的风向，并且当电缆发生缠绕时，能够自动解缆的功能,并能够定时润滑偏航机械机构。内容一、涡流制动器的结构涡流制动器主要由制动器外壳、铁芯、励磁线圈等构成。1、制动器外壳：由铁磁材料制成，也叫涡流圆筒，系由电动机带动旋转并和电动机同轴。2、励磁线圈：固定在电动机端盖的磁极上，磁擞交错排列，励磁线圈的引出线在电动机的接线盒内，工作时励磁线圈通直流电流。二、涡流制动器的工作原理励磁线圈工作时由于通入直流电流，在铁芯、磁极中便产生了方向恒定的磁场。磁场的大小随励磁电流的大小而变化。当电动机带动涡流圆筒旋转时，涡流圆筒便以相应的转速切割励磁绕组所建立的磁场。这时在涡流圆筒和绕组间便有磁通相链，
3、于是涡流圆筒上各点的磁通处在不断重复的变化之中，根据电磁感应定律可知，涡流圆筒上将出现感应电势，涡流圆筒在此感应电势的作用下将出现涡流。由涡流产生的制动转矩方向总是与电动机的转动方向相反，并且阻尼了电动机的转速，其值为转速的1/51/10。涡流制动器的制动转矩随励磁电流和电动机转速的增加而增加。但是当励磁电流过高以致铁芯磁路饱和后。制动转矩将不再有明显的增加。同样，当转速增加到一定值以后，由于电枢反应的去磁作用增加，制动转矩增加的速度也不再有明显的增加。此外，当拖动电动机转速为零时，涡流制动器制动力矩亦为零。因此，涡流制动器实质上可看作是一台电枢短路的制动发电机，它以与拖动电动机的合成机械特性
4、进行速度控制。三、风力发电机偏航制动器的结构设计形式目前，风力发电机偏航制动器的结构主要有两种形式。第一种是整体式（图1），它的摩擦片底座是一体的，摩擦片直接放置在周边封闭的凹槽中。这种结构的优点是：结构紧凑，制作工艺简单，成本低。这种结构的缺点是：、在更换摩擦片时，需要将整个制动器全部拆下，摩擦片更换之后，再重新安装，很不方便。尤其是1.5MW以上的风机，安装的是大规格的偏航制动器，通常重达二百多公斤，共有个安装螺栓，每个安装螺栓的紧固扭矩高达两千多牛米。加之风机机舱内的空间又很狭小，更换难度很大（如果拆卸或紧固一个螺栓的时间按分钟计算，那么光是拆卸和紧固十几个螺栓的时间就需要两三个小时）。
5、业主的维护工作量和维护成本都大为增加。、摩擦片与制动体之间的间隙不可调。随着摩擦片的磨损，时间长了摩擦片与制动体之间间隙就会逐渐增大。这时，活塞密封圈将会受到切向力，从而影响密封圈的寿命，增大了漏油的可能。图图法国西姆公司的偏航制动器采用的是另一种分体式结构（图）。这种结构在摩擦片的两侧设置了可拆卸、可调整的楔形挡块。与整体式结构相比，它的制作工艺复杂，成本高。但它却成功地解决了整体式结构所固有的上述两个问题：、更换摩擦片时，只要拆卸摩擦片两侧的楔形挡块即可，无需拆装整个制动器，即方便又省时省力。大大降低了维护工作量，减少了维护成本。、在摩擦片两侧的楔形挡块上还设置有调节螺丝，通过调节螺丝可以
6、消除摩擦片与制动体之间的间隙，提高了活塞密封圈的寿命。风力发电机上制动器的寿命通常在20年，每台风机上配置的偏航制动器少则4至6台，多则8到10台。日常维护的工作量和成本、风机关键部件的寿命是不容忽视的问题。随着风电行业的日益发展和成熟，越来越多的主机制造厂和业主都意识到了这一问题的重要性。四、 偏航制动系统的描述风力机的偏航系统也称为对风装置，其作用在于当风速矢量的方向变化时，能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能。偏航系统小微型风力机常用尾舵对风，它主要有两部分组成，一是尾翼，装在尾杆上与风轮轴平行或成一定的角度。为了避免尾流的影响，也可将尾翼上翘，装在较高的位置。其工作原理如下：
7、风向标作为感应元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机的控制回路的处理器里，经过比较后处理器给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航命令，为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴联接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对风，当对风完成后，风向标失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束.偏航系统安装在铸造架里，包括四点双排滚轴轴承，能够支撑6个偏航驱动，偏航制动器系统主要包括制动盘，液压制动钳，制动衬垫和液压站。偏航轴承的内环栓到铸造架的底面部分。偏航轴承的外环安装在塔顶法兰，二者之间有制动盘。偏航轴承的外环的外部齿轮部分有偏航驱动，安装在铸造架上。偏航驱动系统包括偏航齿轮盒外
8、壳，且由交流电机驱动，交流电机配有失事安全制动器。偏航系统的功能之一就是使机舱与风向平行。为了促进机舱的偏航运动，使用风力传感器且装载机舱顶部。如果风速超过2.5m/s,偏航系统开始使机舱对齐。如果主风向的角误差超过15，有关机舱位置超过30秒，偏航系统开始定位过程。偏航系统在有关小时内操作几次直到机舱对齐风向。在解开电缆过程中，偏航系统的最大持续操作。如，当电缆紧紧的缠绕，使得发电机停止运作，驱动偏航系统去合理的定位有风向的机舱。随着偏航制动盘放置在偏航轴承的外环合塔顶法兰间，制动盘的主动侧在塔内侧，制动钳放在塔内侧。主动式制动器系统包括四个以上的制动钳，制动钳安装在铸架底部件上，传送他们的
9、夹紧力到制动盘。每个制动钳中的摩擦制动衬垫把接触点建立在制动，转换夹紧力到制动力矩。当风力发电机不偏航时，全系统压力必须用在所有制动钳。如果栅极损耗，系统压力必须保持在制动钳上。在偏航过程中，通过系统压力减少到要求的最小设定点，需要减少制动力矩到更低液位面。五、偏航制动盘涡流柱模型因为作用在风轮盘上垂直于风轮盘平面的推力F使偏航风轮的尾流偏向一侧，所以总有一个分量垂直于气流方向。因此，作用在气流上的力与F风向相反，使气流在逆风向和侧向被加速。尾流的中心线与旋转轴有一个角度称作尾流偏斜角。二叶片偏航风轮偏转涡尾流没有尾流膨胀时的偏航风轮尾流图3图4奥-萨伐尔定律，推导出风轮盘上诱导平均速度为向在
10、偏航角和中心转轴夹角的平分线上，如图5。垂直于风轮平面的平均轴向诱导速度为与没有偏航的情况一样。在完全形成的尾流中，诱导速度是在风轮盘上的2倍。偏航制动盘和倾斜的涡流柱面尾流图5在圆盘上的平均诱导速度不在风轮的轴向上，所以在轴向方向作用在圆盘上的力F不是单独造成整个气流动量变化率的原因；在垂直于转轴的方向上，存在动量变化。在风轮盘上的速度分量定义的偏斜角为近似表达为根据图6和伯努利方程在上游在下游（Ud为圆盘中的合速度）两个方程相减，得到通过圆盘的压降为因此，在圆盘上的推力系数为风能利用系数为偏航制动盘引起的平均诱导速度定义图6图6比较动量推导、Glauert定理及制动盘涡流柱推导可知Cp最大值随偏航角的变化的比较图7图7六、总结本文主要是对风力发电控制系统中的偏航制动盘涡流柱模型进行介绍。观察Cp最大值随偏航角的变化。七、参考文献1叶杭冶.风力发电机组的控制技术.北京:机械工业出版社，20022廖明夫.风力发电技术.北京：中国电力出版社，20093肖劲松译.空气动力学.北京:机械工业出版社，20094王海云王维庆朱新湘梁斌风力发电基础2010-