兆瓦级风能发电机组整机及关键部件动态特性研究

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1、博士研究生学位论文新疆大学论文题目(中文)：兆瓦级风能发电机组整机及关键部件动态特性研究论文题目(外文)：StudyonMWWindTurbinesystemanditsKeyComponentsdynamicmechanicalanalysis研究生姓名：陶庆学科、专业：机械制造及其自动化研究方向：数字化设计与制造导师姓名职称：孙文磊教授教授论文答辩日期2015年5月29日学位授予日期年月日新疆大学博士学位论文摘要随着我国风力发电产业的迅速发展，我国在大型风力发电机组自主设计水平和制造能力方面将面临新

2、的挑战。目前，我国在大型风力发电机组的设计开发，整机自主研发能力，以及风力发电机的叶片、传动系统、塔架等重要零部件设计、优化等方面与国际风电技术水平仍然存在比较大的差距，在整机及关键部件动力学建模、整机动态特性研究等方面尚存许多问题没有解决。如何正确地建立大型风力发电机组的系统动力学模型，并通过仿真分析风力发电机组的性能及运动规律是风力发电机组系统设计的一个新兴研究热点。本文在国家自然科学基金项目“大型风能发电机组传动系统动力学分析及故障预测”和“兆瓦级风能发电机组叶片的动态特性研究与寿命预测”的支持下

3、，对大型风力发电机组整机及关键部件进行动力学分析与动态特性研究。采用Kane方法建立并分析了风力发电机组多体动力学模型，根据不同的状态变量，对模型的可控性和可观测性进行了分析；采用Euler-Bernoulli梁单元对叶片固有特性进行了数值分析，研究了叶片结构的动态特性与气动性能；结合有限元方法与集中质量法，建立了风电机组行星传动模型，求解了系统耦合固有特性，归纳了系统刚度对各阶固有频率的灵敏度；最后，研究了复杂环境与工况条件下，钢混凝土结构塔架动态特性。各个章节相互联系，形成一个较为完整的风力发电机组

4、关键零部件动态特性研究的方法。论文完成的主要研究工作和研究成果如下：分析了近些年来国内外风力发电发展趋势，阐述了国内外风力发电机组在空气动力学、整机建模仿真分析动力学研究方法。综述了叶片、塔架、齿轮箱等关键零部件优化技术的研究现状，引出了风力发电机组整机及关键零部件动态特性研究课题。在兆瓦级风力发电机组整机动力学建模与分析中，采用Kane方法建立了风力发电机组多体动力学模型。通过准确选择运行点和计算运行点的周期状态矩阵，提出了将非线性气动风力机模型进行线性化表示的方法，形成了简化的风力发电机组的线性化结

5、构动力学模型，开展了整机动力学分析。根据不同的状态变量，重点分析了3自由度和5自由度线性结构动力学模型的可控性和可观测性，计算了风力发电机组整机系统动态响应。介绍了现有大型风能发电机组叶片再设计的方法，依据叶片长度、弦长、厚弦比等I新疆大学博士学位论文关键指标，计算并生成出符合要求的叶片三维模型。采用Euler-Bernoulli梁单元对叶片固有特性进行了数值分析，获取了叶片结构固有频率，总结了叶片振型分布规律。从叶片的气动模型和流固耦合特性出发，将非定常空气动力特性和三维旋转效应进行结合，计算了三维紊

6、流风场作用下叶片气动载荷，研究了正常发电、伴有极限风、出现故障等非稳态载荷下柔性叶片动态特性，分析了交叉耦合刚度、惯性和气动扭角等对叶片动力特性的影响。采用有限元方法建立齿圈结构模型，依据啮合力与内齿圈的变形协调关系，建立了传动系统刚-柔耦合动力学模型。求解了系统固有频率与振型，阐述了耦合系统固有频率的分布规律，依据系统振动特征，将系统振型划分为六种振动模式。计算了系统刚度对各阶固有频率的灵敏度，可作为行星传动系统振动抑制的依据；分析了系统扭转振动随太阳轮扭转刚度和太阳轮与行星轮啮合刚度的变化规律，讨论

7、了齿圈厚度对系统固有频率分布、子系统耦合阶次与振动模式的影响，发现系统均会在齿轮子系统扭转振动频率位置出现了固有频率，但随着齿圈厚度的增加，与之耦合的齿圈振动模式则逐渐由高阶节径振动逐渐降低；系统一阶振型也会由圈节径振动模式转变为齿圈刚体振动模式。以风力发电机组钢-混凝土组合塔架为研究对象，采用壳单元、梁单元等进行等效，建立了塔架结构有限元分析模型，分析了塔架结构刚度与强度，得到了塔架结构柔性分布与危险截面位置。提出了利用模态叠加法求解塔架结构稳态动响应计算流程，计算了塔架结构稳态动响应，得到稳态风作用

8、下塔架结构动响应历程，分析了在湍流风、极限阵风、启动工况、正常停机等极端工况条件下塔架结构的动态特性。最后总结了论文的创新成果以及工作中所存在的不足，并展望了风机整机及关键部件动力学分析研究方面未来可能的发展方向和趋势。关键字：兆瓦级风力发电机；动力学模型；叶片；塔架；传动系统IIAbstractWiththerapiddevelopmentofwindpowergenerationinChina,thelargewindturbinesy