摘要：风力发电被全球公认可以有效减缓气候变化、提高能源安全、促进低碳经济增长的方案，风电技术相对成熟，且具有更高的成本效益和资源有效性。风力发电的原理是利用风力带动风轮机叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。叶片是风力发电设备的关键部件，叶片在制造完成后，由专门设备进行检测，以验证其是否满足疲劳设计要求。但需要叶片能够以各个角度旋转，检测设备无法实现旋转叶片的功能。本文的主要目的是提出一种叶片疲劳检测旋转装置，实现叶片按照规定的转速旋转，同时能够在指定位置锁止叶片。
关键词：风电设备；叶片疲劳检测；旋转装置；设计
1导言
风电技术在展现出其独特优势的同时也存在一些问题。由于风力发电场通常位于较偏远的陆地、海岸或者海上，环境恶劣且无人值守，其运行状态的监测面临较大挑战。目前已有的在线监测、控制、调度技术为风电场的正常平稳运行提供了一定的保障，但是由于风电系统的复杂性、可靠性以及环境等各方面因素的影响，现有在线监控系统在风机状态信息检测的实时性、完备性、准确性等方面仍显不足，其中一个突出问题表现在风电叶片疲劳状态检测方面。
2设计要求
叶片检测时，对叶片的要求是单向传送、载荷平稳、降载起动、间歇起伏工作,单次运行时间有限。叶片的转矩和转速要求为300000Nm和0.05r/min，要求检测设备上制作一个分度圆直径在4250mm左右的大齿轮，各级齿轮传动比在1～10之间，叶片摆动载荷23000KNm~25000KNm。
3设计方案
由于叶片的体积和重量比较大且需要实现按照规定转速旋转，综合各种传动方式比较，本方案采用二级直齿圆柱齿轮传动机构将经过减速机输出的转速和转矩传递给叶片，带动叶片旋转，如图1所示。
图1叶片旋转方案
2为测试的叶片，1为回转支撑装置和法兰，主要用于安装叶片，并带动叶片旋转。在回转支撑装置上设置了大齿轮，接受中齿轮传递过来的转矩和转速，中齿轮的转矩和转速由小齿轮提供，三个齿轮构成了二级直齿圆柱齿轮传动机构4，进一步使转速降低，满足叶片的检测转速要求。电机3选为变频电机，使用磁通矢量控制的变频器实现恒转矩输出。如图2所示，为更好地实现叶片在某一位置检测，采用接近开关准确定位叶片转过的角度，同时电机配有制动器以及在减速机构外设置有手动制动装置，有效地使叶片稳固停止在指定位置。手动制动装置由气缸驱动，当气缸动作时，推动限位挡块使大齿轮停止转动。电机、电机制动器和电机减速机由厂商产品手册直接选取，需要对二级直齿圆柱齿轮传动机构进行设计，经过分析计算，齿轮模数选择16mm，小齿轮:z1=18，分度圆直径d1=288mm；中齿轮2:z2=28，分度圆直径d2=448mm；大齿轮3:z3=265，分度圆直径d3=4240mm。齿轮材料选择42crmo，表面淬火，硬度HRC50。
图2二级直齿圆柱齿轮传动机构
3齿轮齿面强度校核
为保证齿轮传动的可靠性，需要对齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度进行校核。齿根弯曲疲劳强度校核参考下式：
其中KF为载荷系数；T1为转矩；b为齿厚（要求150mm）；d1为分度圆直径；m为模数；YFa为齿形系数；YSa为应力修正系数；Y着为重合度系数；σFlim为齿根弯曲疲劳极限；YN为寿命系数；YX为尺寸系数；SF为安全系数；σF为弯曲应力；[σF]为许用弯曲应力。
对于受双向弯曲的齿轮2，由于齿轮1作用的切向力（
）
大于齿轮3作用的切向力（
），故以齿轮1作用的切向力作为齿轮2的强度校核依据。三个齿轮齿根的弯曲疲劳强度计算结果如下：
由结果可知，各个齿轮的齿根弯曲疲劳强度满足要求。接触疲劳强度校核参考以下式子：
其中ZE为弹性系数；ZH为节点区系数；Z着为重合度系数；KH为载荷系数；T1为转矩；b为齿厚；d12为分度圆直径；u为传动比；ZN为寿命系数；σHlim为接触疲劳极限；SH为安全系数；σH为接触应力；[σH]为许用接触应力。
三个齿轮的接触疲劳强度计算结果如下：
由结果可知，各个齿轮齿面接触疲劳强度满足要求。
4法兰面疲劳强度校核
由于市面上多数叶片叶根节圆为φ3200和φ2800具体法兰技术方案如下：
方案1 方案2（1） 方案2（2）
表1 方案对比
对比分析
φ3200叶片静力最大挥舞试验载荷按25000KNm，φ2800叶片静力最大挥舞试验载荷按23000KNm，应力及位移结果见表3：
表3 极限载荷下法兰受力分析
附1：法兰受力图
方案1：T200，φ2300、φ3200、φ4200、φ2800、φ3600，20.29吨
图1 位移图 图2 应力图
方案2（1）：T220,φ4200，φ3200，15.7吨
图3 位移图 图4 应力图
方案2（1）：T220,φ3600，φ2800，10.9吨
图5 位移图 图6 应力图
附2：锻造法兰疲劳受力分析
法兰为120mm厚锻造法兰，内圈螺栓孔径φ2300，外圈螺栓孔径φ2600，疲劳受力4000kNm。
图1 120mm厚锻造法兰
图2 应力云图82MPa 图3 位移云图0.059mm
5、结语
为了实现风电设备叶片疲劳旋转检测，本文设计了叶片疲劳检测旋转装置，该装置主要由变频电机、制动器、减速机、二级直齿圆柱齿轮传动机构、手动制动装置和叶片安装法兰组成，可以实现叶片按照规定的转速进行旋转，依靠位置检测反馈，能够达到在指定位置停止，更好地服务于叶片检测。
参考文献:
[1]王建斌,许愿,解海华, 等.风力发电叶片结构胶黏剂制备技术[Z].烟台德邦科技有限公司.2016.
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[4]陈华华.风电叶片脱层的无损检测技术研究[D].江苏:南京航空航天大学,2015.
论文作者:范阳舟
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/19
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