大型风力发电机组轮毂强度数值分析

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1、2010年第2期圣言浇粉嵌51DONGFANGTURBINE邓良刘平(东方汽轮机有限公司，四川I德阳，618000)摘要：文章基于德国劳埃德(GL)认证规范，对某1．5Mw风力发电机组的轮毂做了强度及疲劳分析。通过计算分析，找到了轮毂在各种工况下的应力分布规律和疲劳影响因素。从而获得了风力发电机组关键零部件设计与分析的方法。关键词：风力发电机组；轮毂；GL强度；疲劳分析StrengthAnalysisofMWClassWindTurbineHubDengLiangLiuPing(DongfangTurb

2、ineCo．，Ltd．DeyangSichuan618000)Abstract：AccordingtoGermanGermanischerLloyd(GL)certificationguideline，thes~engthandfatigueof1．5MWwindturbine’Shubhavebeenanalyzed．Aftercalculationandanalysis，thestressdistributionruleandfatigueinfluencefactorsforhubunderdif

3、erentloadcaseshavebeenfound．ThedesignandanalysismethodologyhasbeenobtainedforkeycomponentsofwindturbineaccordingtoGL．Keywords：windturbine，hub，GLguideline，fatigueanalysis情况最为复杂且可靠性要求最高的关键部件之一0引言。它将风轮产生的扭矩等载荷传递给主轴，受到周期性载荷和随机性载荷的综合作用，设计寿现代兆瓦级风力发电机组设计、制造一般需命

4、为20年。要通过相关的认证，它是对风力发电机组的“合轮毂的失效形式有两类：格评审”。严格的风力发电机组认证在某些国家(1)极限工况下，在应力集中区域的材料塑性是法律强制要求的。目前，国际上通用的风电认变形或破坏；证规范有IECWT01认证规范和德国劳埃德(GL)认(2)随机载荷作用下的疲劳破坏。证规范。本文中根据GL规范的要求，采用有限元分析当前我国的风电产业的发展还处于引进消化的方法，对某1．5MW风力发电机组的轮毂进行多种吸收阶段，国内很多关键零部件需要根据GL认证工况下的极限、疲劳寿命计算，以建立

5、一套对轮规范进行设计和分析。毂设计有指导意义的结论和设计分析标准。风力发电机组关键部件中，轮毂是其中受力作者简介：邓良(1974一)，男，工程师，1997年l_=}三业于西安交通大学，主要从事风力发电机组设计开发与制造技术工作。52l索言汔盼按2O10年第2期IDONGFANGTURBINE1轮毂的几何结构由风力机设计时定义的运行工况确定。GL规范定义了8种设计情况，共32种工况，根据不同要求可以选择不同工况进行极限或疲劳计算。在确定轮1．1轮毂的几何结构毂极限强度分析采用的工况时，需要计算以上工风力发

6、电机组的轮毂具有较为复杂的三维几况下叶根处的载荷大小，并依据GL规范叶根坐标何形态，通常采用球墨铸铁铸造而成。图l为某轮系的X、Y、z三个方向上最大和最小力和力矩选取毂的三维实体模型。对应的工况。轮毂极限强度分析的有限元模型如图2所示。图11．5MW风力发电机组轮毂实体模型1．2轮毂受力分析图2轮毂极限强度分析有限元模型作用在轮毂上的载荷包括叶片上气动力在叶根处产生的弯曲力矩、重力和惯性载荷，以及主根据GL规范在变桨轴承端面中心建立叶片坐轴对轮毂的反作用力。标系，作为工况载荷施加的坐标系，采用MPC技术

7、风力机运行时，叶片上的气动力分为确定性将叶根处的工况载荷施加到叶片轴承端面。表l为分量和随机性分量。前者由稳态风速产生，在轮某工况的载荷。毂叶根法兰盘产生面内和面外弯曲力矩，若考虑风剪、主轴仰角和偏航误差的影响，面外弯矩呈表1叶片根部载荷(已考虑正弦变化，频率为风轮旋转角速度，在轮毂的前部产生张紧应力，在后部产生压缩应力。后者随机气动分量由紊流风速产生，产生的轮毂受力与确定性分量的情况类似，不过由于载荷处于随机在进行轮毂极限强度分析时，根据GL规范，变化状态，通常采用其统计特征描述。取载荷局部安全系数如

8、表2所示、金属材料局部叶片的气动力产生的面外弯曲力矩和风轮的安全系数取1．1，考虑轮毂材料QT400的铸件系数重力会引起主轴的悬臂弯曲力矩，它的反作用力取1．25，因此轮毂局部安全系数为：．矩是影响轮毂疲劳设计的重要因素之一。Y：1．25×1．1=1．375(1)表2极限强度分析采用的工况及局部安全系数2轮毂强度分析设计情况局部安全系数风力机停机或怠速运行1．352．1轮毂极限强度分析停机时突遇部件功能失效1．10根据GL规范，风力发电机组