直驅式風電機組發電機部件強度研究

2017-04-21 by:CAE仿真在線來源:互聯網

直驅式風電機組發電機部件強度研究

Strength Research on the Generator Part of Direct-driven WTGS

毛曉娥王維賢龍凱劉祥瑞

(華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室北京 102206)

摘要:為了實現某直驅式風電機組發電機部件的強度設計要求,應用有限元軟件和疲勞分析軟件, 研究有限元方法在極限強度與疲勞強度分析中的應用。基于 Altair 公司的 HyperMesh 軟件建立了直驅發電機的有限元模型,采用有限元軟件計算分析了發電機部件的極限強度。基于疲勞軟件,計算分析了發電機部件的疲勞損傷,并用 HyperView 軟件進行了結果后處理。

關鍵詞:風電機組直驅發電機有限元強度疲勞損傷 HyperWorks

Abstract:In order to realize strong designs for the generator components of direct-driven wind turbine generator systems (WTGS), finite element and fatigue analysis software was used to study and analyze the ultimate strength and fatigue strength. The FE model of the direct-driven generator was established using Altair Hyperworks, and FE software was also used to calculate the ultimate strength of the generator components. Then, fatigue damage was obtained with fatigue software and the results were post-processed with HyperView.

Key words: WTGS, direct-driven generator, FE, strength, fatigue damage, HyperWorks

1 引言

目前國內市場上已經出現了 2.5MW、3.0MW 和 5.0MW 等大型風電機組。隨著風電機組功率等級加大,其內部各零部件所承受的載荷明顯增大,風電機組發電機要在各種載荷工況下安全運行, 其重要部件必須滿足強度要求。發電機作為風電機組的重要部件,其強度對整機的可靠性至關重要。同時,風電機組設計須滿足 20 年的使用壽命,這使得發電機關鍵零部件的強度設計尤為重要。一方面,發電機部件設計需要滿足極限強度要求,另一方面,還需要綜合考慮零部件疲勞強度對發電機使用壽命的影響。

在此背景下,以有限元分析、動態設計和抗疲勞設計等為主要內容的現代設計方法在風電機組結構設計中日益得到重視。目前,國內學者在強度研究方面較為典型的研究包括:何玉林等運用風電機組空氣動力學、結構動力學、強度分析等理論和現代設計方法,利用有限元分析軟件對主機架結構進行了靜強度和疲勞壽命分析[1];杜靜等基于風電機組主軸有限元模型,對兆瓦級風電機組主軸疲勞損傷進行了研究,提出了將雨流循環計數法與 Palmgren-Miner 線性累積損傷理論相結合的主軸疲勞損傷計算方法[2];王平等應用有限元軟件對風電機組的輪轂進行了極限強度和疲勞強度分析,模擬了疲勞載荷和材料的 S-N 曲線[3];楊兆忠等以輪轂為例,從極限強度和疲勞壽命兩個方面, 結合有限元軟件對鑄件強度進行了校核[4];姚興佳等以 HyperWorks 作為分析平臺對輪轂結構進行了優化 [5];沃曉臨等采用有限元軟件對兆瓦級風電機組輪轂與主軸的連接螺栓做了強度分析,對連接螺栓本身, 在極限載荷與疲勞載荷下進行了仿真計算[6];李超等采用有限元商業軟件為工具,對某兆瓦級風電機組機艙罩的極限強度進行了計算分析[7]。

上述研究集中在風電機組主機架、主軸、輪轂和螺栓等零部件,對于直驅式風電機組發電機部件強度沒有做特定分析。發電機部件作為風電機組的重要組成部分,在大功率化趨勢下其部件強度研究對整機安全性和可靠性不可或缺。本文建立某 2.0MW 直驅式發電機的有限元模型,將綜合應用有限元軟件和疲勞分析軟件分析校核電機轉軸、定軸及轉子支架的極限強度和疲勞強度。根據 GL2010 認證規范,推導了電機轉軸、定軸及轉子支架的 S-N 曲線表達式。

2 發電機主軸極限強度分析

2.1 有限元模型建立

某 2.0MW 直驅發電機由轉軸、定軸及轉子支架等部分組成。利用三維建模軟件建立幾何模型, 在建模過程中,需對強度影響很小的特征,如小的倒角、凸臺等進行簡化。其后將幾何模型導入專業的有限元前處理軟件進行網格劃分,以建立分析所需的有限元模型。根據直驅發電機的結構特點, 基于 HyperMesh 軟件對發電機的主要結構采用實體單元離散。各部分均盡可能采用網格協調的方法連接。最終的有限元模型共包含 391246 個節點,323460 個單元,總體與零部件網格模型如圖 1 所示。在模擬回轉支承的端面全約束,以消除整個模型的剛體位移。根據 GL2010 認證規范設定工況和參數,由 GH Bladed 自動輸出極限工況和疲勞工況載荷數據,其中共包含 16 個極限工況和 89 個疲勞工況。

圖 1 直驅式發電機網格模型

設 x,y,z 坐標系滿足 GL2010 認證規范的輪轂坐標系要求[11],以 FX_min 工況為例,它表示在所有計算工況中,施加載荷部位的 x 方向的代數值最小,其他工況以此類推。各極限工況下主要部件的最大應力值如表 1 所示。

表 1 不同極限工況下主要部件最大應力結果統計(單位:MPa)

工況	轉軸	定軸	轉子支架
Mx_max	44.4	29.3	152.3
Mx_min	32.7	28.4	111.1
My_max	113.9	70.0	199.9
My_min	117.2	93.3	232.3
Mz_max	84.0	65.1	185.1
Mz_min	129.5	93.8	246.0
Myz_max	115.1	71.9	200.6
Myz_min	11.6	16.6	28.6
Fx_max	45.1	46.3	152.9
Fx_min	29.6	34.0	57.4
Fy_max	16.2	23.7	41.5
Fy_min	18.6	24.3	42.3
Fz_max	7.8	8.5	14.6
Fz_min	89.2	73.9	194.1
Fyz_max	89.2	73.9	194.1
Fyz_min	7.8	8.5	14.6

根據 GL2010 認證規范,選擇材料局部安全系數 γ m = 1.15 。發電機轉軸和定軸材料為鑄鋼, 屈服極限值隨結構尺寸增大而減小,這里取值為 300MPa。轉子支架為鍛件,屈服極限值取為235MPa。各極限工況下轉軸、定軸及轉子支架的安全系數如表 2 所示。

表 2 不同極限工況下主要部件安全系數

工況	轉軸安全系數	定軸安全系數	轉子支架安全系數
Mx_max	5.9	8.9	1.3
Mx_min	8.0	9.2	1.8
My_max	2.3	3.7	1.0
My_min	2.2	2.8	0.9
Mz_max	3.1	4.0	1.1
Mz_min	2.0	2.8	0.8
Myz_max	2.3	3.6	1.0
Myz_min	22.5	15.7	7.1
Fx_max	5.8	5.6	1.3
Fx_min	8.8	7.7	3.6
Fy_max	16.1	11.0	4.9
Fy_min	14.0	10.7	4.8
Fz_max	33.4	30.7	14.0
Fz_min	2.9	3.5	1.1
Fyz_max	2.9	3.5	1.1
Fyz_min	33.4	30.7	14.0

轉子支架的加強筋上設置的圓孔成為該結構的薄弱環節。由表 2 可知,轉矩是造成結構高應力的主要原因,最大應力值發生在 Mz_min 工況下,應力值為 246.0MPa,大于材料的屈服強度235MPa,轉子支架的安全系數小于 1,不滿足結構強度設計要求。

2.2.1 轉子支架結構改進

發電機轉子支架不滿足結構強度設計要求,故需進行結構優化以滿足設計要求。加厚加強筋輪轂側厚度,由現在的 17mm 加厚至 40mm。只考察轉子支架在不同極限工況下應力大小及分布情況。

表 3 不同極限工況下轉子支架分析結果

在轉子支架加強筋加厚的條件下,轉子支架所受的最大應力小于材料屈服強度,結構安全系數
大于 1,初步滿足發電機部件極限強度設計要求。

3 發電機轉軸、定軸及轉子支架的疲勞強度分析

3.1 發電機部件的 S-N 曲線

根據 GL2010 認證規范 5.B.2.1 所述,材料的典型 S-N 曲線應作為疲勞分析的基礎。但通常情況下,材料的 S-N 曲線都是用小尺寸光滑圓柱試件在實驗室中獲得的[10]。在風電機組大型化發展的趨勢下,利用小試件試驗得到的 S-N 曲線不能為疲勞壽命的估算提供合理的依據。

在 GL2010 認證規范中,材料的零件部件設計 S-N 曲線由三條線段組成,第一段是循環次數小于 N1 的低周疲勞直線段;第二段是指數斜率為 m1,終止于 ND 的斜線段;第三段是指數斜率為 m2 的高周疲勞斜線段。
本節將根據 GL2010 認證規范第五章附錄內容給出的風電機組鍛造鑄鋼材料和鍛造材料的設計
S-N 曲線合成方法,通過計算得到發電機各部件的 S-N 曲線如圖 2 所示。

其中,轉軸及定軸均為鑄鋼材料,其基本參數包括:轉軸壁厚 t=150mm,定軸壁厚 t=220mm,最小抗拉強度 500MPa,屈服強度 300MPa,表面粗糙度 Rz= 50μm ,應力比 R=-1。由于基于有限元法計算應力值,應力集中系數 α k= 1.0 ,缺口敏度系數 n=1.0。

轉子支架為鍛造件,其基本參數包括最大壁厚 t=100mm,最小抗拉強度 370MPa,屈服強度
235MPa,表面粗糙度 Rz = 50μm ,應力比 R=-1。由于基于有限元法獲得應力值,應力集中系數
α k = 1.0 ,缺口敏度系數 n=1.0。

3.2 發電機部件的疲勞強度

在風電機組零部件結構疲勞強度校核中,通常基于熱點(hotspot)法計算疲勞損傷,由于極限工況下的最大應力值點未必是最大累積損傷點,逐點計算難以確定結構的最大損傷位置,從而難以對疲勞分析結果做出合理評價。本節基于疲勞分析軟件進行發電機結構的全域損傷值計算,得到全域的損傷分布狀況,進而可以合理地對結構強度進行評價。由軟件自動進行雨流計數和線性損傷累積, 基于 HyperView 進行結果后處理,得到如圖 3 所示的部件的累積損傷分布圖。

從圖 3 可知,直驅發電機的轉軸、定軸及轉子支架在時序疲勞載荷作用下最大累積損傷值分別0.02847、9.349×10-6、0.05505,數值均小于 1。根據 Miner 線性累積損傷理論可知,轉軸、定軸及轉子支架滿足疲勞強度設計要求。

4 結論

本文研究了某直驅式風電機組發電機部件的強度分析方法。首先應用三維建模軟件建立了直驅式發電機的幾何模型,其后應用 HyperMesh 軟件對模型進行網格劃分,得到有限元模型。在此基礎上,應用有限元軟件分析了直驅式發電機轉軸、定軸及轉子支架的極限強度。在上述基礎上,對不滿足極限強度條件的轉子支架給出了結構優化方案。參考風電行業的 GL2010 認證規范計算得到了發電機部件的 S-N 曲線。基于疲勞分析軟件,得到了發電機部件的累積損傷值,并用 HyperView 軟件進行結果后處理。最終得到優化后的發電機部件設計滿足強度設計要求。

研究中,Altair 公司的 HyperMesh 軟件和 HyperView 軟件為研究分析提供了極大的方便。其中, HyperMesh 軟件提高了直驅式發電機結構的網格劃分的效率和質量。HyperMesh 在計算單元質量時,針對不同的求解器,有不同的要求和方法,這為得到高質量的網格單元提供了可能。HyperView 能快捷有效地進行極限強度和疲勞強度結果后處理,基于 HyperView 軟件,對其它軟件的有限元后處理計算結果進行方便查看而不需要任何設定,由此看出 HyperView 軟件與其它有限元軟件有較好

的接口。

5 參考文獻

[1] 何玉林,曾純亮,常慧英.永磁直取風力發電機組主機架強度分析[J].機械設計與制造,2011-9. [2] 杜靜, 牛興梅, 何玉林, 等. MW 級風電機組主軸疲勞分析[J].金屬鑄鍛焊技術, 2011, 40(23):211-216.

[3] 王平 , 曹家勇 , 張執南 .Finite element analysis for strength of wheel hubs of large wind turbines[J]華東電力,2009,07-1206-03.

[4] 楊兆忠,顏志偉,胡鵬,等.風力發電機組內鑄件的強度分析計算[J].機床與液壓,2012,22-011-2.

[5] 姚興佳,楊立東,單光坤. 基于 HyperWorks 3 MW 風電機組輪轂的結構優化[J]. 沈陽工業大學學報,2008,30(1):38-41.

[6] 沃曉臨,馬春翔. FEM Based Strength Verification of High Duty Bolts in MW Class Wind
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