風力發(fā)電機組振動優(yōu)化設(shè)計論文
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1風電機組振動特性研究分析
風電機組中發(fā)生共振的現(xiàn)象時有發(fā)生，為了避免機組發(fā)生較大振動，需對塔筒以及整個風力發(fā)電機軸系進行共振裕度分析。塔筒為細長結(jié)構(gòu)，可采用梁模型進行簡化處理得到塔筒的1、2階彎曲頻率。軸系計算中，重點關(guān)心了機組的1、2階扭轉(zhuǎn)自振頻率。風力發(fā)電機組的激振源較多，主要有轉(zhuǎn)頻、電網(wǎng)頻率以及葉片通過頻率，振動特性分析較為復(fù)雜。通過機組工作轉(zhuǎn)速與固有頻率的CAMPBELL分析以及機組的共振裕度分析表，從而可得出結(jié)論，該機組動力特性良好。塔筒為細長梁模型，一階彎曲固有頻率一般介于1倍工作轉(zhuǎn)頻至3倍工作轉(zhuǎn)頻之間，因此塔筒的頻率必須首先保證避免共振。同時發(fā)電機部件由于激振來源較多，主要來自轉(zhuǎn)頻、電網(wǎng)以及葉片通過頻率等，振動特性分析較為復(fù)雜。對于機組振動特性的分析，可以通過機組CAMPBELL分析.
為提高風電產(chǎn)品的市場競爭力，機組在保證性能的基礎(chǔ)上，要具備成本優(yōu)勢以及開發(fā)效率優(yōu)勢?；谝陨夏康?，優(yōu)化設(shè)計的方向和目標大致分為以下幾個方面。
2.1以降低重量為目標的多參數(shù)強度優(yōu)化設(shè)計
降低重量主要是要通過減小產(chǎn)品的尺寸來實現(xiàn)。在保證產(chǎn)品的剛強度各項性能指標滿足要求的前提下進行，即優(yōu)化之后進行。許用應(yīng)力值:σ≤［σ］疲勞損傷因子:D≤1，D＜0.5(焊縫)
2.2基于工藝成本控制的多目標強度優(yōu)化設(shè)計
對于產(chǎn)品某些加工部位的表面光潔度可進行優(yōu)化設(shè)計，對產(chǎn)品成型工藝可進行降本優(yōu)化改進。例如，在保證疲勞可靠性的前提下，由原來的表面光潔度2.5μm增至12.5μm，顯然降低了加工的難度，節(jié)約了加工成本。同樣，由原來的鍛造成型改為鑄造成型，同樣可降低機組的制造成本，并滿足批量產(chǎn)生的需求。在工藝優(yōu)化設(shè)計中，同樣需保證結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，需滿足以下疲勞性能指標:疲勞損傷因子:D＜1，D＜0.5(焊縫位置)。
2.3整體提高產(chǎn)品性能的全新優(yōu)化設(shè)計
上述2種優(yōu)化方式與方法，參數(shù)的調(diào)整系統(tǒng)性不強。借助計算軟件的先進優(yōu)化算法，例如遺傳算法等，可以對結(jié)構(gòu)的重量、疲勞可靠性等進行系統(tǒng)的優(yōu)化分析。
2.4基于軟件設(shè)計開發(fā)平臺，自主編程定制優(yōu)化
設(shè)計流程，縮短開發(fā)周期為了能夠滿足批量產(chǎn)品的設(shè)計需求，在大量分析計算經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)上，對于某些特定問題，借助軟件的設(shè)計開發(fā)平臺，開發(fā)全參數(shù)的強度分析設(shè)計軟件。
3風電機組中幾類特殊難點問題
3.1螺栓連接強度分析計算
風機和發(fā)電機部件中，螺栓連接及焊縫連接是最常用的2種連接方式。對于此類問題的靜強度與疲勞強度分析，考核標準以歐洲的標準體系British、GermanorDNV或美國的ASME標準為主。對于塔筒分段的鏈接螺栓，有學者提出了采用分段線性模擬螺栓在不同階段受力的方法，該方法簡單易行。對于塔筒與主機架、主機架與發(fā)電機主軸、輪轂與發(fā)電機等部位的連接螺栓，由于載荷較為復(fù)雜，采用上述經(jīng)驗公式已不能滿足要求，需要借助FEA分析方法。結(jié)合載荷譜，通過計算最終得到螺栓的疲勞損傷值。
3.2焊縫連接強度分析計算
關(guān)于焊縫疲勞問題，國際焊接協(xié)會IIW－2003、歐洲標準Eurocode3part1.9、英國標準BS7608、挪威船級社DNV的相關(guān)規(guī)范，以及美國機械工程協(xié)會ASME規(guī)范，均給出了相應(yīng)的計算方法。東方電機一般采用國際焊接協(xié)會中的熱點應(yīng)力法來分析焊縫疲勞。首先，在FEA分析模型中建立熱點應(yīng)力的參考點，單位載荷作用下，得到2個參考應(yīng)力點的應(yīng)力分量，然后通過外推公式，最終得到熱點位置的應(yīng)力分量。通過查找和選取相應(yīng)的疲勞等級DC，計算之后得到焊縫損傷。若損傷因子D＜0.5，可滿足抗疲勞的要求。
3.3傳動鏈疲勞分析難點
傳動鏈的疲勞問題較為復(fù)雜。主軸軸承的裝配，使得載荷在該位置的傳遞出現(xiàn)了較大的非線性因素耦合效應(yīng)，主要來自于3個方面:
(1)軸承軸向及徑向緊量裝配。
(2)軸承內(nèi)部滾子與滾道的接觸。
(3)螺栓預(yù)緊作用的非線性效應(yīng)。這使得FEA模擬仿真結(jié)果具有較大的不確定性，成功解決此類問題的難點在于準確模擬滾子與滾道的接觸應(yīng)力傳遞。
4結(jié)語
風電機組的研發(fā)設(shè)計雖然借助于較為完備的標準體系，但對于工程中出現(xiàn)的復(fù)雜多樣的事故及問題，有時卻沒有標準可供參考。所以，風電機組的整機分析、機電耦合振動分析、風流場與復(fù)合材料耦合振動響應(yīng)分析、機組應(yīng)力及位移響應(yīng)分析、機組疲勞斷裂損傷的深入研究等，均有待更為深入的研究逐步解決。此外，產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計也是一個多因素集成的工作，往往需將設(shè)計工藝制造難度、材料成本、電磁性能、通風散熱性能、強度振動性能、軟件計算性能等諸多因素予以綜合考慮，才能創(chuàng)造性價比高、具有市場競爭力的產(chǎn)品。
作者：李源 陳昌林 譚恢村 單位：東方電氣東方電機有限公司