风力发电机机舱底座模态及动态载荷分析.pdf

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1、第32卷第1期可再生能源Vo1．32No．12014年1月RenewableEnergyResourcesJan．2014风力发电机机舱底座模态及动态载荷分析龚宇琴，苗风麟，施洪生(北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心，北京100044)摘要：风力发电机机舱底座是机舱内最重要的承重部件，承受载荷情况复杂。利用有限元分析软件Samceffield对1．5MW机舱底座进行了模态分析，提取了前5阶固有频率和前3阶振型。基于SamcefforWindTurbine(SWT)软件，应用梁单元和超单元进行了高精度风机建模，分析了机舱底座上承受的主要

2、动态载荷，并再次应用有限元方法分析了动态载荷作用下底座上的应力分布和变形。建模和分析方法具有一定的普适性，能够对复杂构件动态载荷进行快速分析。关键词：风力发电机组；机舱底座：动态载荷；建模仿真；SwT中图分类号：TK83；TH12文献标志码：A文章编号：1671—5292(2014)01—0049—050引言能。风力发电机的机舱底座是主要承重部件，它1机舱底座模态分析及超单元创建支撑主轴，吸收非轴向载荷；支撑齿轮箱，承受扭1．1模态分析力臂载荷；支撑发电机，承受高速旋转产生的不平进行模态分析的目的在于找到机舱底座的固衡载荷。机舱底座在这些大载

3、荷激励下的响应必有频率及振型，防止风机运行时与其他部件产生将影响传动系统，所以分析底座的结构和动态负共振。底座的结构运动微分方程lI】为载至关重要。Mx+Cx+Kx=F(t)(1)随着MW级风机功率不断增大，机舱底座承其解的形式为受载荷已在百吨以上_l】，采用传统力学方法计算x=Xsin(wt+a)(2)无法得到底座载荷的准确结果[21。目前采用的计式中：为系统质量矩阵；C为阻尼矩阵；算方法多为有限元方法。但这种方法需要先得到为刚度矩阵；F为随时间变化的外部激励；为广底座在整机中受到的载荷，然后导入有限元分析义坐标列阵：为振幅列阵；W为频率。

4、软件中进行求解。由于整机模型精度问题，在获得机舱底座处于自由振动时，阻尼为零，所受外底座载荷时．容易忽略底座的几何外形及直接承部激励也为零l3l。对式(2)进行两次求导并代入式受载荷的作用点。导入导出数据的计算方法也影(1)就可得到未知量频率与振幅，它们就是底座的响底座与传动链的耦合效应，步骤繁琐，因此结果不同阶次的固有频率和振型。同样不够准确。本文中机舱底座的几何实体模型在CATIA本文利用SWT风机仿真软件。通过风机全耦中构建(也可以在Samceffield中完成)，然后将其合响应建模．研究1．5MW机舱底座的模态及动导入Samceffi

5、eld环境下采用四面体划分网格并态载荷SWT是LMSSamtech开发的针对风机建进行有限元计算。前底座为铸造件，材料为球磨铸模仿真的专用软件包，以三维CAD建模和成熟的铁QT400—15，后底座为焊接件，材料为合金钢有限元分析平台Samceffield为基础，集成了风机Q345一D。网格模型如图1所示，求出的前5阶固空气动力学、机械、控制等多领域的耦合以及符合有频率如表1所示。风轮额定转速为16．7r／rainIEC标准的各种工况，提供方便的参数化建模功(转频为0．278Hz)，可见各阶频率都未接近风轮收稿日期：2o13—07一lO。基金项

6、目：国家高技术研究发展计划项目(2O09AAO5z415—1)。作者简介：龚宇琴(1989一)，女，硕士研究生，研究方向为风力发电机组建模与控制。E-mail：11121592@bjtu．edu．cn通讯作者：苗风麟(1987一)，男，博士研究生，主要从事风力发电机组建模与控制的研究工作。E—mail：12117370@bjtu．edu．cn·49·龚宇琴，等风力发电机机舱底座模态及动态载荷分析风速逐渐达到额定值以下，桨距角开始减小，功率表2风机主要参数Table2Themainparametersofwindturbine∞册∞波∞㈣∞动∞

7、性∞回∞升∞。∞㈣o。参数数值额定功率／kW1550额定风速／m·s。12电机额定转速／r·min-1l750风轮转速范围，r·min8~20加斛风轮旋转方向上风向顺时针量商5塔高／m78匮桨叶长度／m37．50)lu1)202530354045，U556U齿轮箱变比104．8时间／s空气密度／kg·nl1．225图61．5MW风机动态响应Fig．6Thedynamicresponseof1．5MWwindturbine3机舱底座动态载荷分析底座的动态载荷主要包括主轴上的主轴承载荷、齿轮箱扭力臂载荷、电机4个支撑点载荷。在风机无偏航动作时，可

8、以认为底座与塔筒顶端以固定副连接，底座主要受塔筒的支撑力。本文所研究的风机主轴依靠两个主轴承固定在底盘上，两个节点x，Z方向受力分别如图7，8图4转矩一转速控制曲线