CN105185206A - 一种风力发电机组风况载荷模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组风况载荷模拟器，包括安装架、加载回转轴和旋转组件，所述加载回转轴安装在所述安装架上，所述加载回转轴的一端与风力发电机组的输入轴相连，另一端与旋转组件相连，所述加载回转轴上套设有轴承组件，所述安装架上安装有多个用于向轴承组件的外圆周上施加压力的载荷加载器。本发明的风力发电机组风况载荷模拟器具有结构简单、可提供各个自由度载荷以及测试精准可靠等优点。

Description

一种风力发电机组风况载荷模拟器

技术领域

本发明主要涉及风力发电技术领域，特指一种风力发电机组风况载荷模拟器。

背景技术

风能作为一种新型能源已经被世界各国大力发展，而风力发电机组是风能利用的典型装置，它是一个复杂的机电一体化系统，且体积庞大，安装和维护成本很高，而其传动系统又是故障率最高的子系统。

随着风机功率等级的不断提高和海上风电的发展，为了在批量装机前获知风电机组存在的性能缺陷，往往需要将新开发的风电机组样机在测试风场进行实际试运行，此过程需要耗费极大的人力物力，包括测试机位租用、样机吊装与拆卸、风机维护、测试人员长期职守，而且为了获知其更为全面的性能，一般至少进行半年至一年的试运行测试时间，成本高昂，效率低下，而且难以获得实际测试所希望出现的工况条件。

目前国内外对风电机组进行实验室测试时，一般只加载传动转矩，虽然通过控制输入转矩的控制可以模拟部分风况带来的风机输入转矩载荷，但其他自由度载荷(包括轮毂中心的受力、力矩等)几乎都不能进行加载测试，因此难以在实验室状态下测试风机实际的工作状态。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、可提供各个自由度载荷、测试全面可靠的风力发电机组风况载荷模拟器。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种风力发电机组风况载荷模拟器，包括安装架、加载回转轴和旋转组件，所述加载回转轴安装在所述安装架上，所述加载回转轴的一端与风力发电机组的输入轴相连，另一端与旋转组件相连，所述加载回转轴上套设有轴承组件，所述安装架上安装有多个用于向轴承组件的外圆周上施加压力的载荷加载器。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述轴承组件包括两个面对面安装的圆锥滚子轴承。

所述轴承组件固定安装在一轴承座内，所述载荷加载器包括伸缩杆和液压油缸，所述液压油缸转动设置在安装架上，所述伸缩杆的活动端转动设置在所述轴承座上。

所述安装架包括水平设置的底板以及垂直设置的竖板，所述底板与竖板相连，所述竖板上开设有供加载回转轴穿过的安装孔，所述加载回转轴安装在所述安装孔内。

所述载荷加载器共六个，其中四个载荷加载器均匀分布在轴承组件的上侧、下侧、左侧和右侧，且与所述安装架的竖板相连，另两个载荷加载器分布在下侧载荷加载器的两侧且与安装架的底板相连。

上侧的载荷加载器和下侧的载荷加载器与竖板的夹角不相等；左侧的载荷加载器与右侧的载荷加载器与竖板的夹角不相等。

两个圆锥滚子轴承的作用点均位于加载回转轴的轴线上的O点。

所述伸缩杆与所述轴承座的转动点均位于O点所在的垂直于加载回转轴轴线的平面A内。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的风力发电机组风况载荷模拟器，通过载荷加载器对轴承组件进行各个方向上的施压，以使风力发电机组的输入轴上有多个方向上的自由度载荷，从而能够模拟现场实际环境对风力发电机组进行全方位的测试，保证风力发电机组的出厂性能，而且结构简单、加载精准。轴承组件采用面对面安装的圆锥滚子轴承，由于圆锥滚子轴承能够提供多个方向的力，而且加载刚度大，无浮动，提高了加载精度。另外载荷加载器结构简单、易于实现。

附图说明

图1为本发明的剖视结构示意图。

图2为本发明的侧视结构示意图。

图3为本发明的方框结构示意图。

图中标号表示：1、安装架；11、底板；12、竖板；2、加载回转轴；3、旋转组件；4、轴承组件；41、圆锥滚子轴承；42、轴承座；5、载荷加载器；51、液压油缸；52、伸缩杆。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1和图2所示，本实施例的风力发电机组风况载荷模拟器，包括安装架1、加载回转轴2和旋转组件3，加载回转轴2安装在安装架1上，加载回转轴2的一端通过转接法兰与风力发电机组的输入轴相连，另一端通过联轴器与旋转组件3相连，其中旋转组件3用于驱动加载回转轴2旋转，从而为待测风力发电机组提供旋转载荷，加载回转轴2上套设有轴承组件4，安装架1上则安装有多个用于向轴承组件4的外圆周上施加压力的载荷加载器5，从而向加载回转轴2各个方向上提供载荷，从而实现风力发电机组各个自由度载荷的测试。本发明的风力发电机组风况载荷模拟器，通过载荷加载器5对轴承组件4进行各个方向上的施压，以使风力发电机组的输入轴上有多个方向上的自由度载荷，从而能够现场实际环境对风力发电机组进行全方位的测试，保证风力发电机组的出厂性能，而且结构简单、加载精准。

本实施例中，轴承组件4包括两个面对面安装的圆锥滚子轴承41，圆锥滚子轴承41既可以承受径向载荷，又可以承受轴向载荷，承载能力强，可以模拟较大的风电载荷，通过合理选型以及内环隔圈的使用，使得两圆锥滚子轴承41的作用法线相交于加载回转轴2的轴线上O点，从而在加载过程中，各载荷加载器5的作用力将直接等效为作用于O点的载荷，且无附加置反力作用，因此能够获得比较精准的自由度载荷，而不受轴承支撑的影响。同时配对使用的圆锥滚子轴承41可以通过预紧控制，避免轴承游隙，使加载精确且迅速。

本实施例中，安装架1包括水平设置的底板11以及垂直设置的竖板12，底板11与竖板12相连，竖板12上开设有供加载回转轴2穿过的安装孔，加载回转轴2安装在安装孔内。

本实施例中，圆锥滚子轴承41固定安装在一轴承座42内，轴承座42则用于定位圆锥滚子轴承41，载荷加载器5包括伸缩杆52和液压油缸51，其中液压油缸51转动设置在安装架1上，伸缩杆52的活动端转动设置在轴承座42上的支座上，液压油缸51不仅可以提供推力，也可以提供拉力，安装架1则用于提供置反力，并保持非工作状态下各部件的稳定；其中各载荷加载器5的支座均位于O点所处的垂直于加载回转轴2线的平面A内，可以极大的简化风况载荷转化为各载荷加载器5压力的计算量。

本实施例中，载荷加载器5共六个，其中四个载荷加载器5均匀分布在轴承组件4的上侧、下侧、左侧和右侧，且与安装架1的竖板12相连，因此与竖板12(或平面A)呈一定夹角；而另两个载荷加载器5分布在下侧载荷加载器5的两侧且与安装架1的底板11相连，用于提供相同大小的同向液压力，在模拟风况时可提供Z方向上的力，在非加载工况下，也可对加载回转轴2进行支撑。因此，载荷加载器5的布置，可以为风力发电机组提供五个自由度载荷，实现风力发电机组的全方位测试，在其它实施例中，也可以根据需要对载荷加载器5的数量及布置方式进行调整。

本实施例中，上侧的载荷加载器5和下侧的载荷加载器5与竖板12的夹角不相等；左侧的载荷加载器5与右侧的载荷加载器5与竖板12的夹角不相等，因此可以通过各载荷加载器5的不同方向的液压力实现各自由度的力与力矩。因此在模拟某给定的五自由度载荷时，可以反推出各载荷加载器5所需加载的液压力，其中正值为推力，负值为拉力。

在实际进行风机风况试验时，根据载荷的理论计算，可以计算得到某一时刻风机在某一特定工况下的受载情况，而风机传动链受载的载荷也往往以轮毂中心载荷的形式给出，从而可以得到风机静止轮毂中心的理论载荷，理论载荷共包括六自由度载荷，分别为Fx、Fy、Fz、My、Mz、Mx，其中Mx为用于发电的扭转载荷，由旋转组件3(拖动侧试验机)提供，将加载回转轴2固定于被测风机输入法兰端，利用高强度紧固件进行刚性连接，此时则可通过液压油缸51压力的控制实现载荷的模拟。

若载荷加载器5的O点与被测风机理论的轮毂中心重合，则可以直接将理论的轮毂中心载荷作为目标载荷进行加载；若加载器O点与理论轮毂中心不一致，则可通过经典的理论力学公式进行等效。

确定好目标五自由度载荷后，通过控制各液压油缸51的实际加压压力实现载荷等效。

在进行模拟加载过程中，五自由度载荷的实现方式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_y=F_6\·\cos \mathrm{\α}-F_8\·\cos \mathrm{\β}\\ M_z=F_6\·\sin \mathrm{\α}\·r_6-F_8\·\sin \mathrm{\β}\·r_8\\ F_z=-F_7\·\cos \mathrm{\γ}+F_{10}\·\cos \mathrm{\δ}+2\·F_9-G\\ M_y=F_7\·\sin \mathrm{\γ}\·r_7-F_{10}\·\sin \mathrm{\δ}\·r_{10}\\ F_x=-\left(F_6\·\sin \mathrm{\α}+F_8\·\sin \mathrm{\β}+F_7\·\sin \mathrm{\γ}+F_{10}\·\sin \mathrm{\δ}\right)\end{array}\right.$

其中F_x、F_y、F_z、M_y、M_z为模拟风电机组静止轮毂中心载荷。F₆～F₁₀参数分别为各载荷加载器5对轴承组件4所施加的液压压力，r₆～r₁₀为加载半径，角度分别为各加载器5与轴承组件4剖面的夹角。其中F₆为图2所示左侧载荷加载器5提供的液压力，r₆为其加载半径，α为其加载角；F₇为图2所示上侧载荷加载器5提供的液压力，r₇为其加载半径，γ为其加载角；F₈为图2所示右侧载荷加载器5提供的液压力，r₈为其加载半径，β为其加载角；F₉为图2所示下部左右两个载荷加载器5分别提供的平行截面的液压力；F₁₀为图2所示下部中间一个载荷加载器5提供的液压压力，r₁₀为其加载半径，δ为其加载角；G为轴承组件4的重力。

在做结构设计时，使各载荷加载器5受力点在同一个圆周上，其作用力臂即可简化为r₆＝r₇＝r₈＝r₁₀＝r。在各双向液压油缸51压力为正值时，表现为推力，为负值时表现为拉力。表现推力时，由于油缸无杆腔加压，液压力P1＝F/S1；表现为拉力时，油缸有杆腔加压，液压力P2＝F/(S1+S2)。由于风机载荷主要由风引起，因此其载荷较少出现量值上的突变，从而可以通过液压控制实现载荷变化的模拟。根据数据转化所得到的加载作用力，通过统一的加载控制器，同时控制各液压加载器与拖动侧电动机的输出，即可完整的实现风机所受设计载荷的风况模拟。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种风力发电机组风况载荷模拟器，其特征在于，包括安装架(1)、加载回转轴(2)和旋转组件(3)，所述加载回转轴(2)安装在所述安装架(1)上，所述加载回转轴(2)的一端与风力发电机组的输入轴相连，另一端与旋转组件(3)相连，所述加载回转轴(2)上套设有轴承组件(4)，所述安装架(1)上安装有多个用于向轴承组件(4)的外圆周上施加压力的载荷加载器(5)。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组风况载荷模拟器，其特征在于，所述轴承组件(4)包括两个面对面安装的圆锥滚子轴承(41)。

3.根据权利要求2所述的风力发电机组风况载荷模拟器，其特征在于，所述轴承组件(4)固定安装在一轴承座(42)内，所述载荷加载器(5)包括伸缩杆(52)和液压油缸(51)，所述液压油缸(51)转动设置在安装架(1)上，所述伸缩杆(52)的活动端转动设置在所述轴承座(42)上。

4.根据权利要求3所述的风力发电机组风况载荷模拟器，其特征在于，所述安装架(1)包括水平设置的底板(11)以及垂直设置的竖板(12)，所述底板(11)与竖板(12)相连，所述竖板(12)上开设有供加载回转轴(2)穿过的安装孔，所述加载回转轴(2)安装在所述安装孔内。

5.根据权利要求4所述的风力发电机组风况载荷模拟器，其特征在于，所述载荷加载器(5)共六个，其中四个载荷加载器(5)均匀分布在轴承组件(4)的上侧、下侧、左侧和右侧，且与所述安装架(1)的竖板(12)相连，另两个载荷加载器(5)分布在下侧载荷加载器(5)的两侧且与安装架(1)的底板(11)相连。

6.根据权利要求5所述的风力发电机组风况载荷模拟器，其特征在于，上侧的载荷加载器(5)和下侧的载荷加载器(5)与竖板(12)的夹角不相等；左侧的载荷加载器(5)与右侧的载荷加载器(5)与竖板(12)的夹角不相等。

7.根据权利要求3所述的风力发电机组风况载荷模拟器，其特征在于，两个圆锥滚子轴承(41)的作用点均位于加载回转轴(2)的轴线上的O点。

8.根据权利要求7所述的风力发电机组风况载荷模拟器，其特征在于，所述伸缩杆(52)与所述轴承座(42)的转动点均位于O点所在的垂直于加载回转轴(2)轴线的平面A内。