基于有限元的风力发电机转子系统动特性分析

第9期2010年9月机械设计与制造MACHINERYDESIGNMANUFACTURE163文章编号10013997201009016303基于有限元的风力发电机转子系统动特性分析杨晓红葛海涛华北电力大学机械工程系，保定071003ANALYSISONROTORDYNAMICCHARACTERSOFAEROGENERATORROTORSYSTEMBASEDONFINITEELEMENTYANGXIAOHONG，GEHAITAODEPARTMENTOFMECHANICALENGINEERING，NORTHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY，BAODING071003，CHINA中图分类号TH12，TM315文献标识码A1引言近年，风力发电技术得到了很大的发展。作为可再生能源，风力发电技术的发展可以很大程度上缓解能源危机。对风力发电机组零部件的相关特性研究以保证机组的安全稳定运行具有积极意义。在风力发电机组中，发电机是实现能量转换的核心部件。风力发电机有同步式和异步式两种，其转子有内转子和外转子两种类型。在风力发电机转子系统的动特L生参数中，临界转速以及各阶振型是动特性参数中最为重要的部分。转子系统一般包括转子和转子端部风扇两部分。临界转速的实测要通过安装在轴承上的速度传感器或轴瓦附近的涡流传感器测取振幅和相位得到波特图后再获得，很不方便；而通过传统模态理论计算所得到的计算值不仅计算量大而且无法保证计算的精度。采用有限元方法计算发电机转子系统的临界转速与各阶振型不仅可以保证一定的精度，而且简单易行，可快速获得转子对应的各阶临界转速与振型，对于风电工作人员计算转子临界转速，确定具体切除风速和机组维护等有很大帮助。文献【对旋叶式空调压缩机转子进行了模态分析，得出了该转子前十阶的固有频率和振型；文献日计算了600MW汽轮发电机组低压转子一轴承系统的固有频率和临界转速；文献对某发动机齿轮转子进行了模态分析，并研究了螺栓过盈配合对齿轮转子模态的影响；文献对高速定转子均质机的转子叶片进行了模态R来稿日期20091115分析，总结了前十阶模态的分布规律。这些文献大多只关注转子本体的动特性参数，未考虑转子的附加元件。目前尚无对风力发电机转子系统进行动特性分析的相关文献出现。将在参考以上文献的基础上对风力电机转子进行有限元建模和模态求解分析。2风力发电机转子的运动方程根据文献，可将转子分布质量按一定规则聚散成个集中质量节点，节点之间用L1个不计质量的弹性轴段连接。各节点质量为M，各轴段长度为，J，截面惯性矩为，材料弹性模量为E，支撑处节点刚度为K，基于传递矩阵理论有M1000010000106，001M式中列阵右上角的R一该列阵为右端参数列阵；一为左端参数列阵；列阵下角对应于任意节点I均成立；扭转角；一弯矩；V扭矩；位移。结合转子左右两端边界条件，写成式2形式ML012LRIL0J同时由式1及式1计算结果余量，并得到结果的余量曲线R，为零的转速即为临界转速一一一一一一一一一164杨晓红等基于有限元的风力发电机转子系统动特性分析第9期3模型的建立与简化风力发电机有同步式和异步式两种，研究异步式风力发电机，为内转子结构，如图1所示。图1风力发电机总体结构对风力发电机转子系统采用通用有限元软件ANSYS进行模态分析。对于转子，采取自底而上的建模方法，先建立关键点，生成线后在梁单元截面控制中设置不同的截面尺寸分别对不同的轴段进行网格剖分。选用BEAML88二节点三维梁单元，该单元的每个节点有沿X,Y、轴平动、UY、1XZ和绕、Y、轴转动ROTX、ROTY和ROTZ共六个自由度，非常适合线性、大角度转动和非线性大应变问题。本例材料特性定义弹性模量为206EL1PA，泊松比为03，密度为7800KGM，。建模时选取Z轴为对称轴，生成有限元模型后共有27个节点，生成的有限元模型，如图2所示。图2风力发电机转子有限元模型对于轴承刚度的处理本文近似采用理论刚度支撑来对其模拟。定义边界条件时将约束分别施加在两侧两个轴承支撑轴段中间的两个节点上，一共约束一、UY、以及ROTX和ROTY共五个自由度，释放ROTZ自由度转子需绕对称轴Z轴旋转，这样便可使轴的约束条件与实际的约束状况对应起来，有利于保证后续分析的正确性。对于风扇，采取自顶而下和自底而上相结合的建模方法，为便于计算求解，建立14风扇模型。先以尺寸驱动生成风扇扇盘，然后生成扇叶关键点，连接形成面后拉伸成为扇叶。扇盘厚度为5MM，扇叶厚度为3MM。采用SOLIDI86单元，该单元每个节点只有沿X,Y、Z轴平动三个自由度，为模拟风扇的转动，添加ROTZ自由度。定义弹性模量为21E“PA，泊松比为03，密度为7800KGM，。生成的风扇有限元模型，如图3所示。图3风力发电机转子风扇有限元模型在定义风扇边界约束时，将扇盘上介于两个弧面之问的平面定义为轴对称约束，同时约束扇盘内弧面上所有节点的1I,X、UY自由度，释放和ROTZ自由度，最后约束扇盘正反两面上径值在40RAM以下节点的W自由度，释放AN、UY和ROTZ自由度。这样，风扇的边界约束便与实际约束情况相对应。4求解结果分析41求解方法选取在有限元通用软件中，对模态分析的求解方法有BLOCKLANCZOS分块兰索斯法、SUBSPACE子空间法、POWERDYNAMICS动力法、REDUCED凝聚法、UNSYMMETRIC非对称法以及DAMPED阻尼法等。通常采用的较多的为子空间法、分块兰索斯法和凝聚法三种，其中子空间法求解精度较高但计算速度慢，适用于大型对称特征值求解问题。凝聚法计算速度较快但精度较低，计算结果的精度和速度取决于所选取的主自由度的数目和位置。分块兰索斯法的求解精度较高，计算速度也较快，并且与子空间法有同等适用范围，被最为广泛的使用。分别采用分块兰索斯法来对发电机转子和端部风扇进行分析求解，并提取风力发电机转子及风扇的前4阶固有频率及其振型。42各阶固有频率计算得风力发电机转子前4阶固有频率如下SETTIMEFREQLOADSTEPSUBSTEPCUMULATIVE1365601LL236560L223483O0133456867L44转子端部风扇的前4阶固有频率结果如下SETTIMEFREQLOADSTEPSUBSTEPCUMULATIVEL11349L112L1395122311714L33432037L4443各阶振型计算得到风力发电机转子前四阶振型，如图4所示。为清楚地显示各阶振型对应的形变方向，将对应振型下各节点形变位移向量绘出，如图5所示。A一阶振型B二阶振型C三阶振型D四阶振型图4风力发电机转子各阶振型图NO9SEP2010机械设计与制造165A一阶节点形变位移B二阶节点形变位移A三阶节点形变位移B四阶节点形变位移图5转子各阶振型下的节点形变位移计算得到的转子风扇前四阶振型，如图6所示。为清楚地显示各阶振型对应的形变方向，绘出对应振型下各节点的形变位移向量，如图7所示。A一阶振型B二阶振型C三阶振型D四阶振型图6风力发电机转子风扇各阶振型图A一阶节点形变位移B二阶节点形变位移C三阶节点形变位移D四阶节点形变位移图7转子风扇各阶振型下的节点形变位移44结果分析由42可知，风力发电机转子的一阶临界转速为10968RPM发电机为二对极，而一般的风力发电机切除风速大多在25MS左右，对应的切除转速一般为2000RPM左右，因此，风力发电机转子本体在正常运行状态下是远离各阶临界转速的，不会引起大的振动。对应于风扇，它的一阶临界转速为34047RPM，所以在接近切除转速时，风扇可能会产生较大的振动。由图4和图5可知，风力发电机转子一阶模态下振型的形变方向为L，轴方向，二阶模态下振型的形变方向为轴方向，三阶模态下振型形变为弯扭耦合变形，四阶模态下振型形变方向为Y轴方向。虽然一阶模态下和四阶模态下转子振型形变方向都是Y轴方向，但一阶时形变部分位于两个轴承约束端内部，而四阶时变形部分为两个轴承约束端的外部。由图6和图7可知，转子端部风扇在前三阶模态下的振型形变方向都是垂直于风扇叶片和扇盘表面的，但阶数不同时，形变方向的正反不同，这一点可以从图7A一C中很明显地对比出来。到第四阶模态时，振型的形变才开始有不垂直于表面的分量出现。另外，各阶振型对应的扇盘形变量要比扇叶形变量小很多；扇盘在四阶模态振型下的形变量最大，而在三阶模态振型下的形变量最小。由于在模型建立分析时考虑的是理想情况，因此分析结果和实际结果会存在一定出入，例如对于刚度的处理，近似对轴承支撑采用理论刚度，而事实却并非如此。误差的大小取决于模型建立、边界约束及载荷施加情况与实际情况的符合程度和单元音分的细密程度。虽然存在一定误差，但因有限元方法的求解快速、结果细腻，对于制备运行维护方案等具备参考价值，仍值得大力推广。5结论应用有限元方法对风力发电机转子本体及转子端部风扇的固有频率和振型等动特性参数进行了分析，所得结果对于风电运行人员制定运行检修和维护方案具有参考价值。总结起来，可得结论如下1应用有限元方法可以对风力发电机转子系统进行快速建模分析，得到相关的动特性参数，为风电运行维护提供参考依据，较之传统方法具备优越性，值得推广。2风力发电机转子三阶振型形变为弯扭耦合形变，一阶、四阶振型形变沿Y轴方向，二阶振型形变沿轴方向。3各阶模态下风扇扇盘形变量要比扇叶形变量小很多，扇叶和扇盘前三阶振型对应的节点形变位移都垂直于扇盘和扇叶表面，到第四阶时才有不垂直于表面的形变分量出现。4应用有限元方法求解动特胜存在的误差取决于模型建立、边界约束及载荷施加情况与实际情况的符合程度和单元剖分的细密程度。参考文献1王加锋，王树林，朱岩旋叶式压缩机转子的有限元模态分析J机械设计，2009，26168702李玉锋，石