風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)論文

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1風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)特性研究分析

風(fēng)電機(jī)組中發(fā)生共振的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，為了避免機(jī)組發(fā)生較大振動(dòng)，需對(duì)塔筒以及整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸系進(jìn)行共振裕度分析。塔筒為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，可采用梁模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理得到塔筒的1、2階彎曲頻率。軸系計(jì)算中，重點(diǎn)關(guān)心了機(jī)組的1、2階扭轉(zhuǎn)自振頻率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dòng)特性分析較為復(fù)雜。通過機(jī)組工作轉(zhuǎn)速與固有頻率的CAMPBELL分析以及機(jī)組的共振裕度分析表，從而可得出結(jié)論，該機(jī)組動(dòng)力特性良好。塔筒為細(xì)長(zhǎng)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(shí)發(fā)電機(jī)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(dòng)特性分析較為復(fù)雜。對(duì)于機(jī)組振動(dòng)特性的分析，可以通過機(jī)組CAMPBELL分析.

2強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)

為提高風(fēng)電產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，機(jī)組在保證性能的基礎(chǔ)上，要具備成本優(yōu)勢(shì)以及開發(fā)效率優(yōu)勢(shì)。基于以上目的，優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向和目標(biāo)大致分為以下幾個(gè)方面。

2.1以降低重量為目標(biāo)的多參數(shù)強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)

降低重量主要是要通過減小產(chǎn)品的尺寸來實(shí)現(xiàn)。在保證產(chǎn)品的剛強(qiáng)度各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足要求的前提下進(jìn)行，即優(yōu)化之后進(jìn)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(biāo)強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于產(chǎn)品某些加工部位的表面光潔度可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品成型工藝可進(jìn)行降本優(yōu)化改進(jìn)。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(jī)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(jì)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(biāo):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(jì)

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(qiáng)。借助計(jì)算軟件的先進(jìn)優(yōu)化算法，例如遺傳算法等，可以對(duì)結(jié)構(gòu)的重量、疲勞可靠性等進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化分析。

2.4基于軟件設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)，自主編程定制優(yōu)化

設(shè)計(jì)流程，縮短開發(fā)周期為了能夠滿足批量產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求，在大量分析計(jì)算經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，對(duì)于某些特定問題，借助軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)全參數(shù)的強(qiáng)度分析設(shè)計(jì)軟件。

3風(fēng)電機(jī)組中幾類特殊難點(diǎn)問題

3.1螺栓連接強(qiáng)度分析計(jì)算

風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)部件中，螺栓連接及焊縫連接是最常用的2種連接方式。對(duì)于此類問題的靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度分析，考核標(biāo)準(zhǔn)以歐洲的標(biāo)準(zhǔn)體系British、GermanorDNV或美國的ASME標(biāo)準(zhǔn)為主。對(duì)于塔筒分段的鏈接螺栓，有學(xué)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(jiǎn)單易行。對(duì)于塔筒與主機(jī)架、主機(jī)架與發(fā)電機(jī)主軸、輪轂與發(fā)電機(jī)等部位的連接螺栓，由于載荷較為復(fù)雜，采用上述經(jīng)驗(yàn)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(jì)算最終得到螺栓的疲勞損傷值。

3.2焊縫連接強(qiáng)度分析計(jì)算

關(guān)于焊縫疲勞問題，國際焊接協(xié)會(huì)IIW－2003、歐洲標(biāo)準(zhǔn)Eurocode3part1.9、英國標(biāo)準(zhǔn)BS7608、挪威船級(jí)社DNV的相關(guān)規(guī)范，以及美國機(jī)械工程協(xié)會(huì)ASME規(guī)范，均給出了相應(yīng)的計(jì)算方法。東方電機(jī)一般采用國際焊接協(xié)會(huì)中的熱點(diǎn)應(yīng)力法來分析焊縫疲勞。首先，在FEA分析模型中建立熱點(diǎn)應(yīng)力的參考點(diǎn)，單位載荷作用下，得到2個(gè)參考應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力分量，然后通過外推公式，最終得到熱點(diǎn)位置的應(yīng)力分量。通過查找和選取相應(yīng)的疲勞等級(jí)DC，計(jì)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(dòng)鏈疲勞分析難點(diǎn)

傳動(dòng)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(gè)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(diǎn)在于準(zhǔn)確模擬滾子與滾道的接觸應(yīng)力傳遞。

4結(jié)語

風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)設(shè)計(jì)雖然借助于較為完備的標(biāo)準(zhǔn)體系，但對(duì)于工程中出現(xiàn)的復(fù)雜多樣的事故及問題，有時(shí)卻沒有標(biāo)準(zhǔn)可供參考。所以，風(fēng)電機(jī)組的整機(jī)分析、機(jī)電耦合振動(dòng)分析、風(fēng)流場(chǎng)與復(fù)合材料耦合振動(dòng)響應(yīng)分析、機(jī)組應(yīng)力及位移響應(yīng)分析、機(jī)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(jì)也是一個(gè)多因素集成的工作，往往需將設(shè)計(jì)工藝制造難度、材料成本、電磁性能、通風(fēng)散熱性能、強(qiáng)度振動(dòng)性能、軟件計(jì)算性能等諸多因素予以綜合考慮，才能創(chuàng)造性價(jià)比高、具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(jī)有限公司