兆瓦级风电机组轮毂优化设计与分析

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1、46电力与能源第33卷第1期2O12年2月兆瓦级风电机组轮毂的优化设计及分析代鲁平，吕超，吕钢，李钢强，周庆丰(济南轨道交通装备有限责任公司，济南250022)摘要：应用有限元分析软件平台ANSYSWorkbench，对某兆瓦级风力发电机组的轮毂进行形状优化设计。经过3轮优化，刚性轮毂被设计成一个空心的似球体，轮毂的外形更加合理，轮毂的重量得以减轻。在减少球墨铸铁用量的同时，使轮毂的有效刚度达到最大化。验证结果表明，优化后的轮毂设计结构，完全满足静强度的设计要求。优化设计的方法简便可靠，适用于大型风电机组轮毂及其他

2、机械部件的设计及分析。关键词：风电机组；轮毂；有限元；优化分析中图分类号：TK83文献标志码：A文章编号：2095—1256(2012)01～0046—04OptimizationDesignandAnalysisofMegawattWindTurbineHubDaiLuping，LvChao，LGang，LiGangqiang，ZhouQingfeng(JinanRailwayVehiclesEquipmentCo．，Itd．，Jinan250022，China)Abstract：Finiteelementana

3、lysissoftwareANSYSWorkbenchisappliedtotheshapeoptimizationdesignofamegawattwindturbinehub．Afterthreetimesoptimization，thehubisdesignedintoahollowspheroidalshape，thestructureismorereasonableandtheweightislighter．Theusageofspheroidalgraphitecastironmaterialisred

4、uced，andthestiffnessismaximized．Theresultsshowthattheoptimizedhubstructurefullymeetthedesignrequirementsofthestaticstrength．Theoptimizationdesignmethodissimple，canbeusedforthedesignandanalysisofwindturbinehubandothermechanicalparts．Keywords：windturbine；hub；fin

5、iteelement；optimizationanalysis我国的风力发电制造业起步比较晚，国内许开发周期、提高产品质量和可靠性，还可以减少设多风力发电制造企业都采用了引进图纸的方式生计成本。产风电机组，在技术上受制于人。为了加快我国1材料的性能参数和轮毂的载荷边界风力发电设备产品的国产化，就必须在消化吸收国外引进技术的基础上进一步创新，包括对风电轮毂结构比较复杂，一般采用球墨铸铁铸造，机组的关键部件进行结构优化和设计创新，发展球墨铸铁的机械性能见表1l_1]。本文不把与轮毂有自主知识产权的风电设备产品。轮毂是风

6、电机相连的其他部件作为目标优化的对象，所以对这组中将叶片连接到风轮转轴上的固定部件，在风些部件的材料不做要求，为方便分析计算，取其与机运行过程中，叶片的载荷通过轮毂、主轴等传递轮毂材料一致。到机组的支撑结构上，最终传递到塔架上，因此轮表1球墨铸铁的材料性能毂总是不断受到交变载荷的作用，受力情况非常材料特性参数数值250(板厚≤60lTlm)复杂，是风电机组一个非常重要的部件。本文将屈服强度／(N·m一0)240(60n1m<板厚≤200Film)以某兆瓦级水平轴上风向三叶片机组的刚性轮毂弹性模量E／MPa2．06×

7、10为对象进行形状优化设计与分析。由于轮毂大多泊松比0．3属于大型铸造件，轮毂的大小对制造成本有较大密度p／(kg·m。)71OO影响，对轮毂进行合理的优化，在保证性能的基础采用GHBladed软件可以计算叶片根部的上减少轮毂的体积，对于减少风电机组产品的制载荷。本文以某兆瓦级的三叶片水平轴刚性造成本意义重大。在设计前期利用有限元分析，轮毂为研究对象，为了简化计算，只取叶根载荷最可以大大提高产品的质量设计水平、缩短设计和大时的工况进行分析。根据GL2003风电机组设代鲁平，等：兆瓦级风电机组轮毂的优化设计及分析47

8、计规范，采用GHBladed软件计算载荷，得到经过多次优化，可使F达到最小。叶根处的极限载荷结果见表2。3优化方法和结果表2载荷计算结果弯矩／(kN·m)1力／kN安全以某兆瓦级的三叶片水平轴刚性轮毂为优化MxlMllMx【FlFllF系数对象，分3轮，每轮在前一轮优化结果的基础上再4419．4l9346．769．3l10338．8【328．1l223．7l