CN110426211A - 一种风电机组加载装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种风电机组加载装置，包括机械加载装置、环境模拟装置和底座；风电机组的主机位于环境模拟装置内部，主机的主轴伸出环境模拟装置与机械加载装置连接，机械加载装置和环境模拟装置分别与底座连接，机械加载装置包括扭矩加载装置和五自由度加载装置，从而实现控制难度小，载荷解耦过程简单且大大提高了载荷加载的准确性；本发明具备实现温度、盐雾、淋雨、结冰等试验功能，所有液压执行器的布置方式均对应单一载荷分量，便于风电机组主轴受力向各个液压致动器正交分解，易于控制；且所有液压致动器与加载盘采用球形铰链连接，不会限制加载盘运动，当加载弯矩时，加载盘能够发生偏转从而保证顺利加载，加载精确。
Description
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，具体涉及一种风电机组加载装置。
背景技术
风能是世界上潜力最大的可再生能源，风电机组的性能提升、可靠性、状态监测、整体经济性能优化一直是风电机组技术的重要内容。由于现场试验无法创造可自由调节、可重复再现的载荷条件，改进和缩短风电机组新技术研发过程的一种有效途径就是在试验室内对整个主机进行地面试验，从而在系统级别上研究不同组件之间的交互作用和机组的整体性能。
水平轴风电机组包括主机、基础、塔筒、轮毂和叶片。塔筒安装于基础上，主机安装于塔筒顶部，叶片安装于轮毂上，轮毂通过主轴连接到主机的内部，主轴前段伸出主机。本装置适用于对水平轴风电机组的主机在地面试验室中进行机械和环境参数的加载。
风电机组在运行过程中，风轮叶片受力后会经由轮毂集中作用在主机的主轴上，分别是轴向力FX、横向力FY、竖向力FZ、扭矩MX、倾斜弯矩MY和偏航弯矩MZ共计6个自由度方向，坐标系见图1。风电机组主机全尺寸地面试验的目的是，将风电机组运行过程中的风况经过仿真计算，得到叶轮载荷作用在主轴上的六自由度集中力，通过特定机械加载装置，将这些力动态或静态施加到风电机组的主轴上，从而在启机、正常运行、刹车、急停、停机、故障等等设计工况下，对风电机组主机和传动部件的力学性能进行动态或静态测试。
风电机组加载装置可实现运行条件可控且不依赖于外部气候参数的强度和疲劳测试，大大缩短了试验时间，提高了研发效率。风电机组的全尺寸地面试验除了能够测试机械性能外，还可以研究电网故障条件下机组的运行特性，以及电气和机械部件之间的相互作用。
申请号为201510213572.2的发明专利公开了一种风电机组试验平台的加载系统，采用了平行于主轴的三个液压缸进行轴向力和弯矩加载的型式，载荷解耦过程复杂，不利于主轴载荷向液压缸进行分解和控制，同时液压缸与加载装置连接处为单向转动的铰链连接，运行过程中会限制加载装置在连接点转动平面外的运动，导致载荷加载不准确。申请号为20161047041.5的发明专利公开的加载装置通过液压缸致动端与油缸作用环接触进行加载，液压缸数量多，协同控制难度大，且油缸作用环与风载模拟盘之间采用滚子轴承连接，易发生滑移和错位，导致轴向载荷和弯矩无法有效传递，载荷加载不准确。且上述两件发明专利都不能完全模拟外部气候条件下的风电机组加载，载荷加载准确度低。
发明内容
为了克服上述现有技术中控制难度大、载荷解耦过程复杂且载荷加载不准确的不足，本发明提供一种风电机组加载装置，包括机械加载装置、环境模拟装置和底座；所述风电机组的主机位于环境模拟装置内部，所述主机的主轴伸出环境模拟装置与机械加载装置连接，所述机械加载装置和环境模拟装置分别与底座连接，机械加载装置包括扭矩加载装置和五自由度加载装置,从而实现控制难度小，载荷解耦过程简单且大大提高了载荷加载的准确性。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种风电机组加载装置，包括机械加载装置、环境模拟装置和底座；所述风电机组的主机位于环境模拟装置内部，所述主机的主轴伸出环境模拟装置与机械加载装置连接，所述机械加载装置和环境模拟装置分别与底座连接；
机械加载装置包括扭矩加载装置和五自由度加载装置。
所述扭矩加载装置包括电动机、齿轮箱、第一万向联轴器和第二万向联轴器；
所述电动机通过第二万向联轴器与齿轮箱连接，所述齿轮箱通过第一万向联轴器与五自由度加载装置连接。
所述五自由度加载装置包括加载轴、双锥滚子轴承、加载盘、保护壳、第一液压致动器、第二液压致动器、第三液压致动器、第四液压致动器、第五液压致动器和第六液压致动器；
所述保护壳包括第一盖板、第二盖板和套筒。
所述双锥滚子轴承套接在加载轴上，所述套筒套接在双锥滚子轴承上，所述加载盘固定在套筒上，所述第一盖板和第二盖板分别固定在套筒的两侧；所述第五液压致动器水平设置，所述第六液压致动器竖直设置，所述第一液压致动器、第二液压致动器、第三液压致动器和第四液压致动器与加载轴平行，所述第五液压致动器与第六液压致动器垂直，第五液压致动器和第六液压致动器均与加载轴垂直。
所述第一液压致动器、第二液压致动器、第三液压致动器、第四液压致动器、第五液压致动器和第六液压致动器各自的第一端均连接加载盘，所述第一液压致动器、第二液压致动器、第三液压致动器、第四液压致动和第五液压致动器各自的第二端均连接反力墙，所述第六液压致动器的第二端连接底座。
所述第一液压致动器、第二液压致动器、第三液压致动器、第四液压致动器、第五液压致动器和第六液压致动器各自的第一端与加载盘之间均通过球形铰链连接，所述第一液压致动器、第二液压致动器、第三液压致动器、第四液压致动器和第五液压致动器各自的第二端与反力墙之间均通过球形铰链连接，所述第六液压致动器的第二端与底座之间通过球形铰链连接。
所述第一盖板与套筒之间、第二盖板与套筒之间以及加载盘与套筒之间均通过螺栓固定。
所述套筒与双锥滚子轴承之间以及双锥滚子轴承与加载轴之间均过盈连接。
所述加载轴与主机的主轴之间通过扭矩法兰连接；
所述加载轴与扭矩法兰之间、扭矩法兰与主机的主轴之间均通过螺栓连接。
所述加载轴靠近第一万向联轴器的轴径小于靠近主机的轴径。
所述环境模拟装置包括封闭室以及位于封闭室内部的制冷设备、制热设备、盐雾设备和喷淋设备；
所述制冷设备布置于封闭室四周内壁，用于降低封闭室内温度；
所述制热设备布置于封闭室四周内壁，用于提高封闭室内温度；
所述盐雾设备安装于封闭室顶部，用于向封闭室喷洒中性盐雾或酸性盐雾；
所述喷淋设备安装于封闭室顶部，用于向封闭室内喷水，模拟淋雨环境。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的风电机组加载装置包括机械加载装置、环境模拟装置和底座；所述风电机组的主机位于环境模拟装置内部，所述主机的主轴伸出环境模拟装置与机械加载装置连接，所述机械加载装置和环境模拟装置分别与底座连接，机械加载装置包括扭矩加载装置和五自由度加载装置，从而实现控制难度小，载荷解耦过程简单且大大提高了载荷加载的准确性；
本发明提供的技术方案将各设计工况下的六自由度机械载荷和温度、盐雾、淋雨、结冰等环境参数施加到风电机组上，具备实现温度、盐雾、淋雨、结冰等试验功能，进而实现在地面上对风电机组主机和传动系统各零部件的运行情况进行验证，进而确定主机整体以及各部件的运行状况、极限载荷、疲劳强度，同时能够用于确定风电机组的电气性能；
本发明中沿传动轴的轴向在加载盘上左右布置第一液压致动器和第二液压致动器，并沿传动轴的轴向在加载盘上上布置第三液压致动器和第四液压致动器，在实现轴向力加载的同时，可实现偏航弯矩和倾斜弯矩的正交分解，易于控制，通过第五液压致动器和第六液压致动器实现水平和竖向集中力的同步加载；
本发明中的所有液压致动器与加载盘采用球形铰链连接，不会限制加载盘运动，当加载弯矩时，加载盘能够发生偏转从而保证顺利加载，加载精确。
附图说明
图1是现有技术中风电机组荷载坐标系示意图；
图2是本发明实施例中风电机组加载装置正面剖视图；
图3是本发明实施例中风电机组加载装置俯视图；
图4是本发明实施例中五自由度加载装置部分剖视图；
图中，1-环境模拟装置，2-主机，3-主机的主轴，4-扭矩法兰，5-五自由度加载装置，6-第一万向联轴器，7-齿轮箱，8-电动机，9-基础，10-底座，11-第二万向联轴器，12-加载轴，13-双锥滚子轴承，14-加载盘，15-第六液压致动器，16-第一盖板，17-第二盖板，18-套筒，19-反力墙，20-第三液压致动器，21-第四液压致动器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例提供一种风电机组加载装置，通过叶轮的空气动力学仿真得到作用于轮毂的集中载荷，包括：轴向力FX、横向力FY、竖向力FZ、倾斜弯矩MY、偏航弯矩MZ和扭矩MX等6个自由度的载荷。机械加载装置的作用就是将上述载荷向液压致动器进行解耦，等效成液压致动器的轴向力，并通过加载盘14施加到主机2上。
本发明实施例提供的风电机组加载装置包括机械加载装置、环境模拟装置1和底座10；风电机组的主机2位于环境模拟装置1内部，主机2的主轴3伸出环境模拟装置1与机械加载装置连接，机械加载装置和环境模拟装置1分别与底座10连接。
主机2通过的刚性法兰与底座10上的基础9连接，主机2的主轴3与水平面的安装角和风电机组的实际运行安装角相同。底座10上设有螺栓安装孔列阵，基础9通过螺栓孔与底座10刚性连接，并可通过选在不同的安装孔在底座10上调整位置。
机械加载装置包括扭矩加载装置和五自由度加载装置5，扭矩加载装置可把扭矩Mx加载到主机2上，五自由度加载装置5将轴向力FX、横向力FY、竖向力FZ、倾斜弯矩MY和偏航弯矩MZ加载到主机2上，具体是其中扭矩MX加载主要由电动机8通过适当的机械结构施加到主轴3上，扭矩值大小由控制器进行控制，使用扭矩法兰4进行测量。
扭矩加载装置包括电动机8、齿轮箱7、第一万向联轴器6和第二万向联轴器11；
电动机8通过第二万向联轴器11与齿轮箱7连接，齿轮箱7通过第一万向联轴器6与五自由度加载装置5连接。
五自由度加载装置5包括加载轴12、双锥滚子轴承13、加载盘14、保护壳、第一液压致动器、第二液压致动器、第三液压致动器20、第四液压致动器21、第五液压致动器和第六液压致动器15；
保护壳包括第一盖板16、第二盖板17和套筒18。
双锥滚子轴承13套接在加载轴12上，套筒18套接在双锥滚子轴承13上，加载盘14固定在套筒18上，第一盖板16和第二盖板17分别固定在套筒18的两侧；第一液压致动器、第二液压致动器、第三液压致动器20和第四液压致动器21与加载轴12平行即沿X轴布置，共同作用实现FX加载，其中上下两个配合实现MY加载，左右两个实现MZ加载；第五液压致动器水平设置，第六液压致动器15竖直设置，第五液压致动器与第六液压致动器15垂直，第五液压致动器和第六液压致动器15均与加载轴12垂直，第五液压致动器沿Y轴布置，用于实现FY加载，第六液压致动器15沿Z轴布置，实现FZ加载，所有液压致动器施加的载荷大小通过液压站进行协同控制。
第一液压致动器、第二液压致动器、第三液压致动器20、第四液压致动器21、第五液压致动器和第六液压致动器15各自的第一端均连接加载盘14，第一液压致动器、第二液压致动器、第三液压致动器20、第四液压致动和第五液压致动器各自的第二端均连接反力墙19，第六液压致动器15的第二端连接底座10。
第一液压致动器、第二液压致动器、第三液压致动器20、第四液压致动器21、第五液压致动器和第六液压致动器15各自的第一端与加载盘14之间均通过球形铰链连接，第一液压致动器、第二液压致动器、第三液压致动器20、第四液压致动器21和第五液压致动器各自的第二端与反力墙19之间均通过球形铰链连接，第六液压致动器15的第二端与底座10之间通过球形铰链连接。
第一盖板16与套筒18之间、第二盖板17与套筒18之间以及加载盘14与套筒18之间均通过螺栓固定。
套筒18与双锥滚子轴承13之间以及双锥滚子轴承13与加载轴12之间均过盈连接。
加载轴12与主机2的主轴3之间通过扭矩法兰4连接；
加载轴12与扭矩法兰4之间、扭矩法兰4与主机2的主轴3之间均通过螺栓连接。
加载轴12靠近第一万向联轴器6的轴径小于靠近主机2的轴径。
环境模拟装置1可采用装配式结构，主体结构(柱、梁、屋顶)一般都采用轻钢结构，保温墙体可采用聚氨酯双面彩钢板保温，也可采用其他保温材料，但应注意工作温度、耐腐蚀能力应满足本装置控制条件。环境模拟装置1将温度、盐雾、淋雨、结冰等载荷加载主机2上，具体包括封闭室以及位于封闭室内部的制冷设备、制热设备、盐雾设备和喷淋设备，其中制冷设备和喷淋设备同时启动即可实现将结冰载荷加载主机2上。
制冷设备布置于封闭室四周内壁，用于降低封闭室内温度，制热设备布置于封闭室四周内壁，用于提高封闭室内温度；通过制冷设备、制热设备可将环境模拟装置1的内部温度在-30℃与60℃之间自由调节和控制，这些温度范围足够覆盖风电机组工作环境要求；
盐雾设备安装于封闭室顶部，用于向封闭室喷洒中性盐雾或酸性盐雾，实现主机2的盐雾试验功能。
喷淋设备安装于封闭室顶部，用于向封闭室内喷水，模拟淋雨环境。
环境模拟装置1还设有排水管道，排水管道的排水口布置于封闭室底部，用于排出封闭室内的废水。
在本实施例中，主机2是发电装置，可以将主机2连接到电网模拟系统。电网模拟系统的电气设备可以由一个或多个转换变压器、变频器、整流器、电源缓冲器、电力电缆等组成。电网模拟系统可以模拟不同的电网情况，如极端过载情况、电网故障情况、短路、不对称相位振幅和相位，或其他独立或组合电网工况，用于向主机2施加电网载荷，从而实现主机2的电气性能测试。主机2也可以通过特定的电气设备连接到电网。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (11)
1.一种风电机组加载装置，其特征在于，包括机械加载装置、环境模拟装置和底座；所述风电机组的主机位于环境模拟装置内部，所述主机的主轴伸出环境模拟装置与机械加载装置连接，所述机械加载装置和环境模拟装置分别与底座连接；
所述机械加载装置包括扭矩加载装置和五自由度加载装置。
2.根据权利要求1所述的风电机组加载装置，其特征在于，所述扭矩加载装置包括电动机、齿轮箱、第一万向联轴器和第二万向联轴器；
所述电动机通过第二万向联轴器与齿轮箱连接，所述齿轮箱通过第一万向联轴器与五自由度加载装置连接。
3.根据权利要求2所述的风电机组加载装置，其特征在于，所述五自由度加载装置包括加载轴、双锥滚子轴承、加载盘、保护壳、第一液压致动器、第二液压致动器、第三液压致动器、第四液压致动器、第五液压致动器和第六液压致动器；
所述保护壳包括第一盖板、第二盖板和套筒。
4.根据权利要求3所述的风电机组加载装置，其特征在于，所述双锥滚子轴承套接在加载轴上，所述套筒套接在双锥滚子轴承上，所述加载盘固定在套筒上，所述第一盖板和第二盖板分别固定在套筒的两侧；所述第五液压致动器水平设置，所述第六液压致动器竖直设置，所述第一液压致动器、第二液压致动器、第三液压致动器和第四液压致动器与加载轴平行，所述第五液压致动器与第六液压致动器垂直，第五液压致动器和第六液压致动器均与加载轴垂直。
5.根据权利要求4所述的风电机组加载装置，其特征在于，所述第一液压致动器、第二液压致动器、第三液压致动器、第四液压致动器、第五液压致动器和第六液压致动器各自的第一端均连接加载盘，所述第一液压致动器、第二液压致动器、第三液压致动器、第四液压致动和第五液压致动器各自的第二端均连接反力墙，所述第六液压致动器的第二端连接底座。
6.根据权利要求5所述的风电机组加载装置，其特征在于，所述第一液压致动器、第二液压致动器、第三液压致动器、第四液压致动器、第五液压致动器和第六液压致动器各自的第一端与加载盘之间均通过球形铰链连接，所述第一液压致动器、第二液压致动器、第三液压致动器、第四液压致动器和第五液压致动器各自的第二端与反力墙之间均通过球形铰链连接，所述第六液压致动器的第二端与底座之间通过球形铰链连接。
7.根据权利要求4所述的风电机组加载装置，其特征在于，所述第一盖板与套筒之间、第二盖板与套筒之间以及加载盘与套筒之间均通过螺栓固定。
8.根据权利要求4所述的风电机组加载装置，其特征在于，所述套筒与双锥滚子轴承之间以及双锥滚子轴承与加载轴之间均过盈连接。
9.根据权利要求3或4所述的风电机组加载装置，其特征在于，所述加载轴与主机的主轴之间通过扭矩法兰连接；
所述加载轴与扭矩法兰之间、扭矩法兰与主机的主轴之间均通过螺栓连接。
10.根据权利要求3或4所述的风电机组加载装置，其特征在于，所述加载轴靠近第一万向联轴器的轴径小于靠近主机的轴径。
11.根据权利要求1所述的风电机组加载装置，其特征在于，所述环境模拟装置包括封闭室以及位于封闭室内部的制冷设备、制热设备、盐雾设备和喷淋设备；
所述制冷设备布置于封闭室四周内壁，用于降低封闭室内温度；
所述制热设备布置于封闭室四周内壁，用于提高封闭室内温度；
所述盐雾设备安装于封闭室顶部，用于向封闭室喷洒中性盐雾或酸性盐雾；
所述喷淋设备安装于封闭室顶部，用于向封闭室内喷水，模拟淋雨环境。
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