兆瓦级风力发电机组耦合振动仿真分析

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1、学兔兔www.xuetutu.com第4期(总第161期)机械工程与自动化NO．42010年8月MECHANICALENGINEERING&AUTOMAT10NAug．文章编号：1672—6413(2O1O)04一O005一O3兆瓦级风力发电机组耦合振动仿真分析王臻，王世杰，许增金(1．沈阳工业大学风电研究所，辽-7沈阳110178；2．沈阳鼓风机集团有限公司，辽宁沈阳110142)摘要：风力发电机组在自然条件下运行时，作用在叶片上的空气动力载荷、重力载荷、惯性载荷等交变载荷将使叶片和塔架产生耦合振动。为了得到其在额定工况下各阶模态振型，判断系统运行

2、的稳定性，以沈阳工业大学sUT—1000风力发电机组为例，对其进行动力学分析。将叶片和塔架进行离散化处理，在叶片上模拟施加气动载荷，应用MSCADAMS进行仿真分析，得到了系统的各阶模态。分析结果对风力发电机组的总体优化设计提供了理论依据。关键词：风力发电机；耦合振动；模态分析中图分类号：TK83文献标识码：A0引言轮转动角速度；，一为风轮半径。因此，叶素处的合成气随着社会经济的迅猛发展，人类对电能的需求飞流速度。可表示为：速增长，风能作为一种方便、洁净和安全的可再生能0一√口3+口一√(1--a)+r。(1+6)。源有待于我们大力开发和利用[1]。

3、经过多年的努力，世⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯OtQ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(2)界风力发电技术越来越成熟，但是我国落后的风电技叶素处的人流角和攻角分别为：术和丰富的风能资源很不相称]。为了开发利用我国的风力资源，掌握大型风力发~---arctan干。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(3)。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(3)电机组的关键技术，国家科技部和经贸委把“兆瓦级口一。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(4)变速恒频风力发电机组的研制”项目列人了“十五”期间重大专项“863”计划。本文以国家“863”技术研发项目(2003AA5120020)为依托，应用MSCADAMS对兆瓦级风力发电机组的风轮

4、转子／塔架系统进行了耦合振动分析。1载荷的确定方法将叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素[3]。对每个叶素来说，其速度可以分解为垂直于风轮旋转平面的分量和平行于风轮旋转平面的分量。，速度三角形和空气动力分量如图1所示。图1中为人流角，a为攻角，为叶片在叶素处的几何扭角。为来流速度，由动量理论可知，当考虑风轮后尾流图1作用在叶素上的力和气流流速旋转时有：求出攻角a后，就可根据翼型空气动力学特性曲』。z—v,(1--a)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一n)线得到叶素的升力系数和阻力系数。l"UOy—nr(1+6)⋯合成气流速度。引起的作用在长度为dr叶素上其中：n为

5、轴向诱导因子；b为周向诱导因子；为风的空气动力dF和切向力dF可分别表示为：*国家863计划项目(2003AA5120020)收稿日期：2009—10-28；修回日期：201O-02—27作者简介：王臻(1984一)，男，辽宁鞍山人，工程师，在读硕士研究生。学兔兔www.xuetutu.com·6·机械工程与自动化2010年第4期r●●●●／、●●●【dF一1以可将机舱简化成有一定质量的刚体，命名为lDfcdrNacalle。机舱内部模型如图5所示。dF一13cdr其中：ID为空气密度；C为叶素剖面弦长；C、Ct分别为法向力系数和切向力系数，C=co

6、s十Csin，—Csin一Cdcos9。2仿真分析的预处理2．1模型构建2．1．1塔架模型沈阳工业大学的SUT一1000风力发电机组塔架图3叶片模型的总高为57．19m，底端外径为3．62m，顶端外径为2．14m。将塔架进行离散化处理，简化成1O段刚性的圆柱体，命名为Towersection1~Towersection10，模型总高度为571．9mm，各部分直径见表1。表1塔架模型各部分的直径塔架各部分直径(mm)塔架第1部分362塔架第2部分345．6塔架第3部分329．2塔架第4部分312．8塔架第5部分296．4塔架第6部分280塔架第7部分2

7、63．6塔架第8部分247．2塔架第9部分230．8图4轮毂模型塔架第1O部分2l4．4塔架简化模型如图2所示。图5机舱内部模型图5中，1为模拟输人轴并命名为Lss，2为模拟联轴器，起到将载荷传递到塔架的作用，命名为Coup，3为模拟输出轴，命名为Hss，4是一个有一定质量的刚体，模拟风力发电机的负载，命名为Generator。图2塔架的简化模型集成上述模型，最后得到风力发电机组整体简化2．1．2叶片与轮毂模型模型。根据叶素理论将每只叶片离散化成15块板结构，2．2施加约束每个板结构的法向是实际叶片该处的扭角，将其命名主要约束实现如下：为Blade1

8、section1～Blade3section15，其中一只叶片模(1)在塔架的顶部建立一个Part，命名为型