CN104535353A - 倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置，包括驱动系统、模拟风轮系统、齿轮箱传动系统、发电机系统、负载水泵、水平固定工作平台和倾斜角度可调工作平台，驱动系统安装在水平固定工作平台上，驱动系统与模拟风轮系统相连，模拟风轮系统与齿轮箱传动系统相连，齿轮箱传动系统与发电机系统相连，发电机系统与负载水泵相连，驱动负载水泵工作，齿轮箱传动系统和发电机系统安装在倾斜角度可调工作平台上。本发明能够对不同倾斜角度和机舱部分不同支撑刚度下风电机组的运行状态和动力学特性进行模拟。

Description

倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置

技术领域

本发明涉及风力发电机组动力学特性领域，特别涉及一种倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置。

背景技术

风力发电机组一般水平安装在塔筒上，在长叶片的重力和风载双重作用下，运转中的长叶片一般会产生较大的倾斜变形，一方面不利于叶片捕获风能，另一方面还有可能与风电机组的塔筒支撑结构发生碰撞事故。为了高效利用风能，提高风轮能量转化率，目前大多数风电机组在设计时将风电机组传动链倾斜一定角度安装在塔筒上。风电机组一般由叶轮、传动系统、发电机、机舱、偏航系统、冷却风机、控制系统、塔筒和基础组成，由多个零部件和复杂结构组成，设计寿命长、可靠性要求高，涉及机械、电气和磁场多个技术领域，往往在风沙、腐蚀、冰冻等苛刻环境下运行，加之风速风向随机不确定性，在内部结构激励和外部交变载荷等共同作用下，倾斜安装在塔筒上的风电机组各部件受力较水平安装情况要复杂得多，且在不同的风场中，由于塔筒类型和结构多样性，风电机组因塔筒所受的风载也很复杂，表现为典型的弯扭、电磁耦合作用以及间隙接触带来的冲击效应，机组极易出现构件裂纹、磨损、点蚀等结构件失效，激发电机振动过大、转子质量不平衡故障增多、减振垫动态特性变差、连接刚度不足、齿轮轮齿磨损加剧等多种故障。这些都将导致机组性能劣化、发电效率降低，严重条件下甚至导致整个发电机组瘫痪。

目前国内外对风电机组动力学特性和振动故障的研究以地面上水平安装的风电机组对象为主，而对模拟实际倾斜安装在塔筒上的风电机组研究较少，尤其是涉及安装角度和支撑刚度均可调的实验装置更少。因此，搭建一个能够有效模拟倾斜安装工况下风电机组模拟实验台，对安装角度和支撑刚度可调的风电机组动力学特性进行研究显得尤为重要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种能够对不同倾斜角度和机舱部分不同支撑刚度下风电机组的运行状态和动力学特性进行模拟的风电机组动力学特性模拟试验装置。

本发明解决上述问题的技术方案：一种倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置，包括驱动系统、模拟风轮系统、齿轮箱传动系统、发电机系统、负载水泵、水平固定工作平台和倾斜角度可调工作平台，驱动系统安装在水平固定工作平台上，驱动系统与模拟风轮系统相连，模拟风轮系统与齿轮箱传动系统相连，齿轮箱传动系统与发电机系统相连，发电机系统与负载水泵相连，驱动负载水泵工作，齿轮箱传动系统和发电机系统安装在倾斜角度可调工作平台上。

上述倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置中，所述倾斜角度可调工作平台包括上、中、下三层平台，齿轮箱传动系统和发电机系统安装在上层平台上，上层平台与中层平台之间通过多个弹性可调支撑结构连接，中层平台与下层平台之间设有倾斜角度可调装置。

上述倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置中，所述弹性可调支撑结构包括底座、弹簧和导向柱，底座用底座螺栓固定在中层平台上，弹簧的上端与上层平台固接，弹簧的下端固定在底座上，所述导向柱位于弹簧内，导向柱包括外六角螺栓和导向套筒，外六角螺栓的螺栓头位于上层平台上，外六角螺栓的螺柱穿过上层平台与所述底座螺纹连接，导向套筒套接在外六角螺栓的螺柱上。

上述倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置中，所述弹簧采用特性曲线为渐增型的圆锥弹簧。

上述倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置中，所述倾斜角度可调装置包括铰支座支撑结构和一个铰链支撑结构，铰支座支撑结构安装在下层平台的左端，铰支座支撑结构包括上、下两个固定的铰支座，铰链支撑结构安装在下层平台的右端，铰链支撑结构包括固定在中层平台上的上铰支座、固定在下层平台上的下铰支座和两铰支座中间的连接杆，连接杆包括上螺杆、下螺杆、调节螺母、上锁紧螺母和下锁紧螺母，上螺杆的上端固定在上铰支座上，上螺杆的中部与上锁紧螺母螺纹连接，上螺杆的下端与调节螺母的上部螺纹连接，调节螺母的下部与下螺杆的上端螺纹连接，下螺杆的中部与下锁紧螺母螺纹连接，下螺杆的下端固定在下铰支座上。

上述倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置中，所述上螺杆、下螺杆螺纹旋转方向相反。

上述倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置中，所述驱动系统包括变频器、驱动电动机，驱动电动机安装在水平固定工作平台上，变频器与驱动电动机连接，驱动电动机的输出轴通过联轴器I与模拟风轮系统连接。

上述倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置中，所述模拟风轮系统包括减速齿轮箱和叶片模拟装置，减速齿轮箱安装在水平固定工作平台上，齿轮箱传动系统包括增速齿轮箱和主轴，减速齿轮箱的前端通过联轴器I与驱动电动机，减速齿轮箱的输出轴通过联轴器II与叶片模拟装置相连，叶片模拟装置与主轴前端刚性连接，主轴后端通过联轴器III与增速齿轮箱相连，发电机系统包括发电机，增速齿轮箱的输出轴通过联轴器IV与发电机相连，所述增速齿轮箱、发电机安装在上层平台上。

上述倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置中，所述联轴器II、联轴器IV均采用膜片联轴器，联轴器III采用刚性胀套联轴器。

上述倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置中，所述水平固定工作平台和倾斜角度可调工作平台的上、中、下三层平台采用金属平板或者材质为角钢的框架。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的驱动系统为模拟风轮系统提供输入载荷，模拟风轮系统模拟叶片的径向载荷和横向载荷，然后通过齿轮箱传动系统增大转速实现发电要求；发电机系统输出的电能用于驱动负载水泵工作，通过改变负载水泵的流量来改变负载扭矩，进而模拟出不同风载下风电机组的运行情况；

2、倾斜角度可调工作平台的三层平台之间采用弹性可调支撑结构和倾斜角度可调装置的组合结构，可实现发电机组平台的安装角度可调和支撑刚度可调。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为图2中弹性可调支撑结构的结构示意图。

图4为图2中倾斜角度可调装置的结构示意图。

图中：变频器1、驱动电动机2、联轴器I3、减速齿轮箱4、联轴器II5、滚子轴承II6、叶片模拟装置7、滚子轴承I8、联轴器III9、增速齿轮箱10、联轴器IV11、发电机12、负载水泵13，水平固定工作平台14，上层平台15，弹性可调支撑结构16，中层平台17，铰支座18，倾斜角度可调装置19，下层平台20，底座21，弹簧22，底座螺栓24，外六角螺栓25，导向套筒26，上铰支座28，下铰支座29，上螺杆30、下螺杆31、调节螺母32、上锁紧螺母33和下锁紧螺母34。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明包括驱动系统、模拟风轮系统、齿轮箱传动系统、发电机系统、负载水泵13、水平固定工作平台14和倾斜角度可调工作平台，驱动系统安装在水平固定工作平台14上，驱动系统与模拟风轮系统相连，模拟风轮系统与齿轮箱传动系统相连，齿轮箱传动系统与发电机系统相连，发电机系统与负载水泵13相连，驱动负载水泵13工作，齿轮箱传动系统和发电机系统安装在倾斜角度可调工作平台上。

驱动系统为模拟风轮系统提供输入载荷，模拟风轮系统模拟叶片的径向载荷和横向载荷，然后通过齿轮箱传动系统增大转速实现发电要求；发电机系统输出的电能用于驱动负载水泵13工作，通过改变负载水泵13的流量来改变负载扭矩，进而模拟出不同风载下风电机组的运行情况。

如图2所示，所述驱动系统包括变频器1、驱动电动机2、联轴器，驱动电动机2安装在水平固定工作平台14上，变频器1与驱动电动机2连接，对驱动电动机2进行控制，所述模拟风轮系统包括减速齿轮箱4、叶片模拟装置7，驱动电动机2的输出轴通过联轴器I3与减速齿轮箱4连接，驱动电机机2输出动力拖动与其相连的减速齿轮箱4运转，通过减速齿轮箱4的减速增大转矩，模拟风电机组风轮的旋转状态。齿轮箱传动系统包括增速齿轮箱10和主轴，减速齿轮箱4的输出轴通过联轴器II5与叶片模拟装置7相连，主轴前端通过滚子轴承I8与叶片模拟装置7模拟轮毂刚性连接，滚子轴承8固定在倾斜角度可调工作平台上，主轴后端通过联轴器III9与增速齿轮箱10相连，其中，联轴器II5采用膜片联轴器，滚子轴承II6采用深沟球轴承，置于风轮一侧作为固定端，承受径向载荷和轴向载荷；滚子轴承I8采用调心滚子轴承，只承受径向载荷，可在轴向浮动。

增速齿轮箱10的前端通过联轴器III9与滚子轴承I8连接，增速齿轮箱10输出轴通过联轴器IV11与发电机12相连，所述增速齿轮箱10、发电机12安装在倾斜角度可调工作平台上，通过在增速齿轮箱10的前段布置滚子轴承I8，利用滚子轴承的缓冲作用，减少了异常载荷对增速齿轮箱10的影响。增速后发电机12输出的电流用于驱动负载水泵13工作，通过调节负载水泵13的出水量，进而调节风电机组所受的载荷。其中，联轴器III9采用刚性胀套联轴器，联轴器IV11采用膜片联轴器。。

考虑到工作平台的承重能力和弯曲变形要求，水平固定工作平台14和倾斜角度可调工作平台采用金属平板或者材质为角钢的框架。如图3所示，所述倾斜角度可调工作平台包括上层平台15、中层平台17、下层平台20，增速齿轮箱10和发电机12安装在上层平台15上，上层平台15与中层平台17之间通过多个弹性可调支撑结构16连接，中层平台17与下层平台20之间设有倾斜角度可调装置19，下层平台20固定在水平地面或者钢架上。

所述弹性可调支撑结构16采用弹簧支撑和导向柱相结合的形式，其包括底座21、弹簧22和导向柱，弹簧22采用特性曲线为渐增型的圆锥弹簧，其刚度随变形量的增大而增加，底座21用底座螺栓24固定在中层平台17上，弹簧22的上端与上层平台15固接，弹簧22的下端固定在底座21上，所述导向柱位于弹簧22内，导向柱包括外六角螺栓25和导向套筒26，外六角螺栓25的螺栓头位于上层平台15上，外六角螺栓25的螺柱穿过上层平台15与所述底座21螺纹连接，导向套筒26套接在外六角螺栓25的螺柱上，导向柱用于调整弹簧22的压缩量和进行导向，并且承受横向载荷，防止实验台横向倾覆。随着外六角螺栓25的左旋或者右旋转动，由于弹簧22的弹性支撑作用，上层平台15会相应的抬升和下降，上层平台15抬升，弹簧22压缩量减小，工作平台刚度降低，上层平台15下降，弹簧22压缩量增加，工作平台刚度增加。

所述倾斜角度可调装置19包括铰支座支撑结构和一个铰链支撑结构，铰支座支撑结构安装在下层平台20的左端，铰支座支撑结构包括上、下两个固定的铰支座18，铰链支撑结构安装在下层平台20的右端，铰链支撑结构包括固定在中层平台17上的上铰支座28、固定在下层平台20上的下铰支座29和两铰支座中间的连接杆，连接杆包括上螺杆30、下螺杆31、调节螺母32、上锁紧螺母33和下锁紧螺母34，上螺杆30的上端固定在上铰支座28上，上螺杆30的中部与上锁紧螺母33螺纹连接，上螺杆30的下端与调节螺母32的上部螺纹连接，调节螺母32的下部与下螺杆31的上端螺纹连接，下螺杆31的中部与下锁紧螺母34螺纹连接，下螺杆31的下端固定在下铰支座29上，为了限制中间调整螺母32的位置，上螺杆30、下螺杆31螺纹旋转方向相反；由于上螺杆30、下螺杆31采用了左右旋螺纹结构，随着调节螺母32的左旋或者右旋转动，上下两个螺杆分别受到向外的推力或向内的拉力，以实现连接杆的伸长与缩短，连接杆带中层平台17的运动，从而完成倾斜角度可调工作平台的倾斜角度的调整。由于上、下两个螺杆螺纹旋向相反，上、下螺杆的锁紧螺母受力始终相反，起到了自锁的作用，在操作过程中，需要先松动上、下两个锁紧螺母，才能旋转中间的调整螺母32。

Claims (10)

1.一种倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置，其特征在于：包括驱动系统、模拟风轮系统、齿轮箱传动系统、发电机系统、负载水泵、水平固定工作平台和倾斜角度可调工作平台，驱动系统安装在水平固定工作平台上，驱动系统与模拟风轮系统相连，模拟风轮系统与齿轮箱传动系统相连，齿轮箱传动系统与发电机系统相连，发电机系统与负载水泵相连，驱动负载水泵工作，齿轮箱传动系统和发电机系统安装在倾斜角度可调工作平台上。

2.如权利要求1所述的倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置，其特征在于：所述倾斜角度可调工作平台包括上、中、下三层平台，齿轮箱传动系统和发电机系统安装在上层平台上，上层平台与中层平台之间通过多个弹性可调支撑结构连接，中层平台与下层平台之间设有倾斜角度可调装置。

3.如权利要求2所述的倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置，其特征在于：所述弹性可调支撑结构包括底座、弹簧和导向柱，底座用底座螺栓固定在中层平台上，弹簧的上端与上层平台固接，弹簧的下端固定在底座上，所述导向柱位于弹簧内，导向柱包括外六角螺栓和导向套筒，外六角螺栓的螺栓头位于上层平台上，外六角螺栓的螺柱穿过上层平台与所述底座螺纹连接，导向套筒套接在外六角螺栓的螺柱上。

4.如权利要求3所述的倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置，其特征在于：所述弹簧采用特性曲线为渐增型的圆锥弹簧。

5.如权利要求2所述的倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置，其特征在于：所述倾斜角度可调装置包括铰支座支撑结构和一个铰链支撑结构，铰支座支撑结构安装在下层平台的左端，铰支座支撑结构包括上、下两个固定的铰支座，铰链支撑结构安装在下层平台的右端，铰链支撑结构包括固定在中层平台上的上铰支座、固定在下层平台上的下铰支座和两铰支座中间的连接杆，连接杆包括上螺杆、下螺杆、调节螺母、上锁紧螺母和下锁紧螺母，上螺杆的上端固定在上铰支座上，上螺杆的中部与上锁紧螺母螺纹连接，上螺杆的下端与调节螺母的上部螺纹连接，调节螺母的下部与下螺杆的上端螺纹连接，下螺杆的中部与下锁紧螺母螺纹连接，下螺杆的下端固定在下铰支座上。

6.如权利要求5所述的倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置，其特征在于：所述上螺杆、下螺杆螺纹旋转方向相反。

7.如权利要求1所述的倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置，其特征在于：所述驱动系统包括变频器、驱动电动机，驱动电动机安装在水平固定工作平台上，变频器与驱动电动机连接，驱动电动机的输出轴通过联轴器I与模拟风轮系统连接。

8.如权利要求7所述的倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置，其特征在于：所述模拟风轮系统包括减速齿轮箱和叶片模拟装置，减速齿轮箱安装在水平固定工作平台上，齿轮箱传动系统包括增速齿轮箱和主轴，减速齿轮箱的前端通过联轴器I与驱动电动机，减速齿轮箱的输出轴通过联轴器II与叶片模拟装置相连，叶片模拟装置与主轴前端刚性连接，主轴后端通过联轴器III与增速齿轮箱相连，发电机系统包括发电机，增速齿轮箱的输出轴通过联轴器IV与发电机相连，所述增速齿轮箱、发电机安装在上层平台上。

9.如权利要求8所述的倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置，其特征在于：所述联轴器II、联轴器IV均采用膜片联轴器，联轴器III采用刚性胀套联轴器。

10.如权利要求5所述的倾斜安装角度可调的风电机组动力学特性模拟试验装置，其特征在于：所述水平固定工作平台和倾斜角度可调工作平台的上、中、下三层平台采用金属平板或者材质为角钢的框架。