CN101957882A - 一种风力机变桨距机构的优化方法 - Google Patents

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高文元
张舜德
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Abstract

本发明涉及一种风力机变桨距机构的优化方法，其特征在于：所述优化方法通过以下方式实现：第一步：确定推动风力机中桨叶绕桨叶轴转动所需的力矩：第二步：确定推动桨叶绕桨叶轴转动所需的驱动力；第三步：确定液压系统实际需要输出的推力：第四步：将第三步中确定的液压系统实际需要出的推力作为目标函数，设计变量选择曲柄的长度r、连杆长度a、偏心距e，变桨距初始安装角
Figure 201010296207.X_AB_0
选择等式约束条件或者不等式约束条件，对上述目标函数进行优化，根据设计变量的约束条件和目标函数，通过优化计算，得出优化结果。与现有技术相比，本发明的优点在于：对变桨距执行机构各零部件尺寸参数进行优化设计，得出最优值，减少了材料和加工成本。

Description

一种风力机变桨距机构的优化方法
技术领域
本发明涉及一种风力机变桨距机构的优化方法，适用于风机发电机的变桨距系统。
背景技术
变桨距机构是现代风力机中主要的调速装置之一，依据驱动力源来分，目前大型风电机组的变桨距机构主要有两种实施方案：伺服电机传动变距和液压驱动传动变距。液压驱动传动变距是利用液压缸作为源动机，通过曲柄滑块机构推动桨叶旋转，完成变桨动作。
目前针对液压驱动式风力机变桨距执行机构的设计研究主要集中在机构的虚拟设计、运动仿真、机构分析等，对其优化设计所涉及的内容较少，使得设计的风力机变桨距执行机构虽能满足加工要求，但各零部件尺寸参数并不是最优值，增加了材料和加工成本；同时作为动力源的液压系统提供的驱动力也未进行优化计算，增加了液压系统容量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种风力机变桨距机构的优化方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该风力机变桨距机构的优化方法，所述风力机变桨距机构包括作为动力源的液压系统，液压系统的动力输出通过推杆与同步盘联接从而推动同步盘作往复直线运动，同步盘与连杆相连，连杆与曲柄相连，曲柄与浆叶联接，通过同步盘的往复直线运动使曲柄绕其回转点作旋转运动，从而带动浆叶绕桨叶轴转动，其特征在于：所述优化方法通过以下方式实现：
第一步：通过以下方式确定推动风力机中浆叶绕桨叶轴转动所需的力矩M：
M＝Mo+Ma+Mg+Mf+Me，其中Mo为桨叶本身质量离心力作用而产生的惯性力矩；Ma为推动桨叶转动的驱动力产生的变距力；Mg为桨叶重心偏离桨叶变距轴而产生的重力矩；Mf为变桨机构各运动副摩擦力产生的摩擦阻力矩；Me为桨叶弹性变形引起的力矩；
第二步：确定推动桨叶绕桨叶轴转动所需的驱动力
Figure BSA00000288899700021
其中第一步中确定的推动风力机中浆叶绕桨叶轴转动所需的力矩M，r为曲柄的长度；
第三步：根据风力机变桨距机构各不见的受力情况，确定液压系统实际需要输出的推力F：
Figure BSA00000288899700022
其中r为曲柄的长度；a为连杆长度、e为偏心距，为变桨距初始安装角，F1为第二步确定的推动桨叶绕桨叶轴转动所需的驱动力；
第四步：将第三步中确定的液压系统实际需要输出的推力F与曲柄的长度r、连杆长度a、偏心距e，变桨距初始安装角
Figure BSA00000288899700024
F1推动桨叶绕桨叶轴转动所需的驱动力之间的函数作为目标函数，设计变量X选择曲柄的长度r、连杆长度a、偏心距e，变桨距初始安装角
Figure BSA00000288899700025
即
Figure BSA00000288899700026
约束条件根据不同型号的风力机组，选择等式约束条件或者不等式约束条件，对上述目标函数进行优化，根据设计变量的约束条件和目标函数，通过优化计算，可以得到当曲柄的长度r、连杆长度a、偏心距e，变桨距初始安装角
Figure BSA00000288899700027
处于某固定值时，能使液压系统实际需要输出的推力F值为最小。
与现有技术相比，本发明的优点在于：1、对变桨距执行机构各零部件尺寸参数进行优化设计，得出最优值，减少了材料和加工成本；2、优化结果获得了较小的载荷，减小了液压系统容量，提高了变桨距系统的可靠性，为风力机变桨距执行机构的设计提供了更好的基础和依据。
附图说明
图1为本发明实施例中风力变桨距机构优化过程示意图。
图2为本发明实施例中风力机变桨距机构的位置简图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
请参见图1所示，本发明提供的风力机变桨距机构的优化方法第一步是通过以下方式确定推动风力机中浆叶绕桨叶轴转动所需的力矩M：
风力机中浆叶受力情况很复杂，对桨叶能产生变距作用的力矩M本发明主要考虑以下五种：(1)由桨叶本身质量离心力作用而产生的惯性力矩Mo，在变桨力矩的计算中，由离心力引起的力矩对桨叶影响最大；(2)气动力产生的变距力矩Ma，大小与桨叶几何特性、风轮转速、桨距角等均有关系；(3)桨叶重心偏离桨叶变距轴而产生的重力矩Mg，由于桨叶重心与桨叶旋转轴距离很小，因此桨叶自身重力产生的变距力矩Mg相对于Mo数值较小；(4)变桨机构各运动副摩擦力产生的摩擦阻力矩Mf，变桨机构的摩擦阻力矩Mf主要和变桨距轴承有关，其它机构的摩擦阻力矩可以忽略不计；(5)弹性变形引起的力矩Me；即：
M＝Mo+Ma+Mg+Mf+Me，其中Mo为桨叶本身质量离心力作用而产生的惯性力矩；Ma为推动桨叶转动的驱动力产生的变距力；Mg为桨叶重心偏离桨叶变距轴而产生的重力矩；Mf为变桨机构各运动副摩擦力产生的摩擦阻力矩；Me为桨叶弹性变形引起的力矩；
第二步：确定推动桨叶绕桨叶轴转动所需的驱动力
Figure BSA00000288899700031
其中第一步中确定的推动风力机中浆叶绕桨叶轴转动所需的力矩M，r为曲柄的长度；
请参见图2所示，图中，r为曲柄的长度；a为连杆长度、e为偏心距，
Figure BSA00000288899700032
为变桨距初始安装角，F1为推动桨叶绕桨叶轴转动所需的驱动力，F为液压缸推力；其中，所述风力机变桨距机构包括作为动力源的液压系统1，液压系统的动力输出通过推杆2与同步盘3联接从而推动同步盘3作往复直线运动，同步盘3与连杆4相连，连杆4与曲柄5相连，曲柄5与浆叶6联接，通过同步盘3的往复直线运动使曲柄5绕其回转点作旋转运动，从而带动浆叶6绕桨叶轴转动，完成变桨动作。
第三步：根据风力机变桨距机构各不见的受力情况，确定液压系统实际需要输出的推力F：
其中r为曲柄的长度；a为连杆长度、e为偏心距，为变桨距初始安装角，F1为第二步中确定的推动桨叶绕桨叶轴转动所需的驱动力；
上式表明液压缸推力F是与曲柄长度r、连杆长度a、偏心距e和变桨距初装角
Figure BSA00000288899700041
四重自变量以及变桨距驱动力F1有关的函数。
第四步：将第三步中确定的液压系统实际需要输出的推力F与曲柄的长度r、连杆长度a、偏心距e，变桨距初始安装角
Figure BSA00000288899700042
F1推动桨叶绕桨叶轴转动所需的驱动力之间的函数作为目标函数，设计变量X选择曲柄的长度r、连杆长度a、偏心距e，变桨距初始安装角
Figure BSA00000288899700043
即
Figure BSA00000288899700044
约束条件根据不同型号的风力机组，选择等式约束条件或者不等式约束条件，对上述目标函数进行优化，根据设计变量的约束条件和目标函数，通过优化计算，可以得到当曲柄的长度r、连杆长度a、偏心距e，变桨距初始安装角
Figure BSA00000288899700045
处于某固定值时，能使液压系统实际需要输出的推力F值为最小；
上述优化方式可以采用现有技术中的常规数学优化方式，上述约束条件中，
等式约束hi(x)＝0              (i＝1，2，3，...，m)
不等式约束gj(x)≥0(或≤0)     (j＝1，2，3，...，m)
不同型号的风力机组，由于轮毂结构和空间尺寸等不同，会使得约束条件也不一样，在本发明实施例中中，变桨距执行机构优化的约束条件主要是变桨距系统中各零部件的尺寸长度受到所选风力机组的轮毂空间限制和曲柄滑块应避免死点的条件。

Claims (1)

1.一种风力机变桨距机构的优化方法，所述风力机变桨距机构包括作为动力源的液压系统，液压系统的动力输出通过推杆与同步盘联接从而推动同步盘作往复直线运动，同步盘与连杆相连，连杆与曲柄相连，曲柄与浆叶联接，通过同步盘的往复直线运动使曲柄绕其回转点作旋转运动，从而带动浆叶绕桨叶轴转动，其特征在于：所述优化方法通过以下方式实现：
第一步：通过以下方式确定推动风力机中浆叶绕桨叶轴转动所需的力矩M：
M＝Mo+Ma+Mg+Mf+Me，其中Mo为桨叶本身质量离心力作用而产生的惯性力矩；Ma为推动桨叶转动的驱动力产生的变距力；Mg为桨叶重心偏离桨叶变距轴而产生的重力矩；Mf为变桨机构各运动副摩擦力产生的摩擦阻力矩；Me为桨叶弹性变形引起的力矩；
第二步：确定推动桨叶绕桨叶轴转动所需的驱动力
Figure FSA00000288899600011
其中第一步中确定的推动风力机中浆叶绕桨叶轴转动所需的力矩M，r为曲柄的长度；
第三步：根据风力机变桨距机构各不见的受力情况，确定液压系统实际需要输出的推力F：
Figure FSA00000288899600012
其中r为曲柄的长度；a为连杆长度、e为偏心距，
Figure FSA00000288899600013
为变桨距初始安装角，F1为第二步中确定的推动桨叶绕桨叶轴转动所需的驱动力；
第四步：将第三步中确定的液压系统实际需要输出的推力F与曲柄的长度r、连杆长度a、偏心距e，变桨距初始安装角
Figure FSA00000288899600014
F1推动桨叶绕桨叶轴转动所需的驱动力之间的函数作为目标函数，设计变量X选择曲柄的长度r、连杆长度a、偏心距e，变桨距初始安装角
Figure FSA00000288899600015
即
Figure FSA00000288899600016
约束条件根据不同型号的风力机组，选择等式约束条件或者不等式约束条件，对上述目标函数进行优化，根据设计变量的约束条件和目标函数，通过优化计算，可以得到当曲柄的长度r、连杆长度a、偏心距e，变桨距初始安装角处于某固定值时，能使液压系统实际需要输出的推力F值为最小。
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PB01 Publication
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