（化工过程机械专业论文）达里厄型垂直轴风力发电机结构可靠性分析研究.pdf

浙汀火学硕l 学位论文摘要 摘要 风能是可再生的清洁能源，风力发电是缓解能源紧张和环境压力的重要手段。目 前在风力发电机组设计的主要技术上，我国尚处于较低的水平，尤其是对于垂直轴风 力发电机组而言，由于缺乏足够的工程实践可供借鉴，也没有成熟的规范可供参考， 其设计仍然停留在传统结构形式。本文运用空气动力学、结构力学等理论知识，重点 研究了达里厄型垂直轴风力发电机结构设计方法，并将c a d c a e 技术成功运用到样 机设计阶段，有效的缩短了设计的周期。 达里厄型垂直轴风力发电机风轮结构属于高柔性复杂非线性结构系统，结构可靠 性是机组的重要性能指标。本文开展的主要工作如下：垂直轴风力机结构设计方法探 索，其中重点研究了风力机结构设计流程、布置方案和叶片型线计算方法；运用 c a d c a e 技术重点研究了风轮的动态特性、静态特性、疲劳特性、稳定性等可靠性指 标。动态特性研究表明，风力机结构在随机风载荷和周期性空气动力载荷作用下具有 可靠的动态特性，重点分析了结构在冲击载荷激励下系统的有阻尼自由振动特性、随 机风载作用下系统的风振响应特性以及系统的非线性振动特性。静态特性研究表明， 风力机在各工况下具有良好的结构强度，特别是使用了t r o p o s k i e n 型线的风轮叶片结 构，叶片内部应力水平始终保持稳定，在运行过程中不会受到离心力作用的影响，也 不会由于应力集中而造成疲劳破坏。基于风轮结构的动、静态特性研究的基础，完成 了风轮结构的部件详细设计、疲劳分析和结构稳定性分析。研究分析的结果表明，该 结构能够达到国家标准规定使用寿命期间不发生失效，结构具有很高的可靠性。 本文提出的关于垂直轴风力发电机风轮的结构设计、强度分析和可靠性分析的研 究工作，思路和方法具有较大的通用性和工程实践价值。 关键词：垂直轴风力发电机，风轮结构、有限元分析，结构特性，可靠性 浙汀夫学硕l 学位论文摘要 a b s t r a c t w i n di sr e n e w a b l ea n dc l e a ne n e r g y , s ow i n dp o w e rg e n e r a t i o ni sa l li m p o r t a n tm e a n st o e a s e e n e r g ys h o r t a g e sa n de n v i r o n m e n t a lp r e s s u r e s a tp r e s e n t ，a b o u t t h em a i nd e s i g n t e c h n o l o g yo fw i n dt u r b i n e ，c h i n ai s s t i l la tar e l a t i v e l yl o wl e v e l ，e s p e c i a l l yf o rv e r t i c a la x i s w i n dt u r b i n e s i n c et h e r ei sn oa d e q u a t ee n g i n e e r i n gp r a c t i c et od r a wo na n dn om a t u r es t a n d a r d f o rr e f e r e n c e ，i t sd e s i g ni ss t i l ls t u c ki nt h et r a d i t i o n a ls t r u c t u r e t h i sp a p e re m p l o y st h et h e o r i e s o fa e r o d y n a m i c sa n ds t r u c t u r a lm e c h a n i c st od ot h er e s e a r c ho nf o c u s e so nt h ed e s i g nm e t h o d s o fd a r r i e u s - t y p ev e r t i c a la x i sw i n dt u r b i n es t r u c t u r e i na d d i t i o n , t h es t u d ys u c c e s s f u l l ya p p l i e d t h es t r u c t u r eo fd a r r i e u s - t y p ev a w tw i n db l a d e sb e l o n g st ot h em a s t r o t o rc o m p l e x s t r u c t u r es y s t e m , s oi t sr e l i a b i l i t yi sa l li m p o r t a n tu n i tp e r f o r m a n c e t h em a i nt a s k so ft h i sp a p e r a r ea sf o l l o w s ：d or e s e a r c ho nt h ed e s i g nm e t h o do fv e r t i c a la x i sw i n dt u r b i n es t r u c t u r e ， f o c u s i n go nt h es t r u c t u r a la r r a n g e m e n to ft h ew i n dt u r b i n ea n db l a d e - t y p el i n ec a l c u l a t i o n ；m a k e u s eo fc a d c a et e c h n o l o g yt od os t u d yo nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，s t a t i cp r o p e r t i e s ， f a t i g u ep r o p e r t i e sa n ds t a b i l i t yo ft h ew i n dt u r b i n eb l a d e ss t a t i cc h a r a c t e r i s t i ch a ss h o w nt h a t w i n dt u r b i n et h a tu s e st h ew i n dw h e e lb l a d e so ft r o p o s k i e n - t y p el i n es t r u c t u r eh a sag o o d s t r u c t u r a lr i g i d i t yi nv a r i o u so p e r a t i n gc o n d i t i o n s i nt h ep r o c e s so fo p e r a t i o n , i ti sn o td a m a g e d e i t h e rd u et ot h ee f f e c to fc e n t r i f u g a lf o r c eo rb e c a u s eo fs t r e s sc o n c e n t r a t i o nc a u s e db yf a t i g u e d a m a g e f i n a l l y , o nt h eb a s i so fd y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c ss t u d y , t h es t u d yc o m p l e t e so f t h ed e t a i l e dd e s i g no fc o m p o n e n t si nt h ew i n dr o u n ds t r u c t u r e ，t h e i rf a t i g u ea n a l y s i sa n d s t r u c t u r a ls t a b i l i t ya n a l y s i s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t r u c t u r ec a l lw i t h s t a n dt h ep r o v i s i o n so f t h en a t i o n a ls t a n d a r da n dd o e sn o to c c u rd u r i n gt h el i f eo ff a i l u r e ，s ot h es t r u c t u r eo w n sh i g h r e l i a b i l i t y t h i ss t u d yo ns t r u c t u r a ld e s i g no fv a w tw i n dt u r b i n eb l a d e sa n dt h ea n a l y s i so fs t r e n g t h a n d r e l i a b i l i t yh a v eg r e a t e rv e r s a t i l i t ya n dv a l u eo fe n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：v a w t , w i n d t u r b i n eb l a d e ss t r u c t u r e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， s t r u c t u r a lf e a t u r e s ，r e l i a b i l k y i i - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝、江苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：荔、勿 签字日期：少p 年弓月 f 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权逝婆盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：万、刀- - 秒 导师签名： 学位论文作者签名：。矽、 导师签名： 、 以私 签字日期：a ol o # - 专月 i o 日签字日期：知，p 年弓月i o 日 致谢 在浙江大学化工机械研究所攻读硕士学位期间，得到了童水光教授的精心指导 和热情鼓励。在课题研究和论文写作过程中，童老师自始至终给予我无微不至的关怀。 童老师渊博的知识、严谨的治学态度、忘我的科研热情、锐意进取的工作精神都是我 学习的榜样同时，还要感谢李鑫副教授、钟崴副教授对我的鼓励与帮助，他们治学 严谨，为人谦和诚恳，在科研和学习过程中给予了我很大的帮助，在毕业论文上提出 了许多宝贵的意见。 感谢化机c a d c a e 实验室的各位师兄弟，他们是：张响博士、赵科博士、徐立 博士、刘岩博士、周鸿波博士、闫胜昝博士、葛俊旭博士、余跃博士、吴燕玲博士、 谢金芳博士、周懿博士、赵琼博士、全营博士、费钟秀博士、魏超博士、李坤硕士、 马海波硕士、卢超硕士、林雪妹硕士、丁晟硕士；感谢“客车c a e ”项目组和吖舯 项目组的所有成员；这段难忘的求学时光以及共同攻克难关喜悦，我一生中铭记在心。 衷心祝愿他们在今后的学习、生活、工作中一帆风顺。 感谢我在华南理工大学就读期间对于我的学习和生活给予指导帮助的江楠教授， 郭崇志副教授，袁卫根老师，李华兵老师，在此，我谨向这些老师表示我最衷心的感 谢! 感谢我的室友张乾坤、钟越波、缪存坚，还有我的同窗好友翁创坤、许礼锦、 杨峰、韩凌鹏等，与他们相处让我的学习生活充满了欢乐和回忆。 感谢我的家人，感谢勤劳、朴实的父母，你们用世间最博大、最无私的爱，哺 育我成长、教我做人、育我成才! 感谢姐姐一直以来对我的鼓励和支持! 感谢我的女 朋友冯婧琨对我的理解和支持。正是家人和朋友的一如既往的理解与支持，鼓励我得 以顺利完成学业。 最后，衷心感谢百忙之中抽出宝贵时间参加论文评审和答辩的各位专家学者， 并致以崇高敬意! 本文得到了山东省济南市“泉城学者”项目建设工程课题经费的支持，在此表 示感谢。 2 0 10 年3 月于求是园 浙江大学硕士学位论文绪论 1 绪论 风力发电机组由风力机械、发电机、电能变换单元和控制系统组成，风力发电机组的 总体结构示意图如图1 1 所示。本文所研究内容限于风力发电机组的风力机械部分，不包 括发电机等其他系统单元。 图1 1 风力发电机组结构 风力机械是将风能转换为机械能的机械系统，主要由塔架结构、具有两片或者三片叶 片组成的风轮、带有机械结构的轴等部分组成【1 1 。风力机运行过程中，风以一定的速度作 用在风力机械上，风力机械结构不仅承受了静态时机械部分、发电机部分及其他附件本身 的自重载荷，同时还要经受运行过程中的动态风载荷，以及在风力机起动、制动和故障等 各种不规则载荷的作用。作为风能转换的关键部件，在满足空气动力性能的基础上，结构 可靠性是风力机设计的关键之一，也是影响风力机制造成本和运行经济性能的关键因素。 1 1 风力发电机 1 1 1 风力发电机的分类 ( 1 ) 风j j 机按照结构形式，可以分为水平轴风力机和垂直轴风力机两类： 水平轴风力机( h o r i z o n t a la x i sw m dt u r b i n e ，h a w t ) ，风轮的旋转轴与风向平行，如 图1 2 ( a ) 所示；h a w t 是目前国内外最常见的一种风力发电机，研制最多，技术成熟， 风轮叶片数一般为2 3 叶，叶片多采用翼型截面该类型风力机启动力矩大，风能 利用系数高，但需要随风向的变换调整叶轮方向。 垂直轴风力机( v e r t i c a l a x i sw 协dt u r b i n e v a w r ) ，风轮的旋转轴垂直于地面或气流 方向，如图1 2 ( b ) 所示；v a w t 在风向发生变化时无需调向，这一点相对于水平轴风 力机是一大优点，现多应用在中小型风力机中。除此之外，d a r r i e u s 风轮还具有平衡 的结构优势，风轮转一圈，叶片仅受到两次最大升力( 承受最大升力的次数过多会导 致设备过度振动1 。 1 芒。l ，矗日鼍_ _ _ 盔- - 畦 ( ) t 帆自nt t 日女n 留1 2 风力发电机按结构形式分类 ( 2 ) 按照风力发电机功率分类2 】 微型风力发电机，额定功率为00 5 1k w ； 小型风力发电机，额定功率为1 1 0k w ； 中型风力发电机额定功率为1 0 1 0 0 k w ； 大型风力发电机额定功率大干1 0 0k w 1 12 垂直轴风力发电机 垂直轴风力机的应用可以追溯到几千年前，人们利用垂直轴风力机进行提水用于 灌溉等生产活动垂直轴风力发电机按原理来分类，主要分为阻力型和升力型。阻力 型垂直轴风力发电机主要是利用空气漉过叶片产生的阻力作为驱动力的，而升力型则 是利用空气流过叶片产生的升力作为驱动力的由于升力型的垂直轴风力发电机叶片 在旋转过程中，随着转速的增加阻力急剧减小而升力反而会增大，其效率要比阻力 型的高很多，所以，风力发电机组多采用升力型结构本文主要研究的对象是大型升 力型垂直轴风力发电机m w 级达里厄( d a r r i e t t s ) o 型风力机。 冷霈 n)o里0)11e里( c ) h 蔓 圈1 3 遮里厄风鞋常见结构形武 2 - ， 4 i 寸 浙汀大学硕上学位论文 绪论 达里厄风轮是法国g j m 达里厄于1 9 世纪发明并于1 9 3 1 年获得专利。达里厄 风力机主要结构形式有中型、h 型、圆台型等多种( 图1 3 ) ，总体可以分为直叶片和弯 叶片两种形式，分别以h 型和中型( 图1 2 ( b ) ) 为典型代表。h 型结构简单，但是在运行 过程中由于离心力作用，叶片连接处会产生弯曲应力，克服弯曲应力的支撑结构会产 生空气阻力，从而降低风力机效率。型风轮看起来像一个打蛋器，弯曲叶片在运行 过程中只承受张力，不承受离心力载荷，所以叶片质量可以更轻，风力机可以更高的 转速运行弯曲叶片的型风轮叶片的启动力矩低，但尖速比可以很高，对于给定的 风轮重量和成本预算，能获得较高的功率输出。该型风力机多被设计为双叶片或三叶 战结桶。 1 2 风力发电现状及发展趋势 1 2 1 风力发电发展及其现状 人类很早就开始了风能的利用。记载最早的风力发电出现在波斯，在荷兰和英国的 风车磨坊大约从公元七世纪开始广泛应用，在中国对风能的利用至少不晚于1 3 世纪中 叶，主要用于磨面和提水灌溉。现代利用风力进行发电的设想始于1 8 9 0 年的丹麦，到 1 9 1 8 年，丹麦已拥有1 2 0 台风力发电机。1 9 3 1 年前苏联采用螺旋桨式的叶片建造了一 台大型风力发电机，随后，各国相继建造了一大批大型风力发电机。 但是随着石油技术的发展，以及火力、水力发电机的广泛应用，使风力发电机的发 展进程缓慢下来。2 0 世纪后期，能源危机初现，人类生存环境的进一步恶化，环境与 能源问题成为世界面临的两大难题，寻求无污染、可再生的能源成为科技界的一大目 标。风能这一丰富而古老的自然资源。易于获得、转换，且能够不断再生又分布广泛 无污染，因而被重新认识、开发和利用。主要的发达国家、发展中国家都已将发展风 能、太阳能等可再生能源作为新世纪能源应对和气候变化双重挑战的重要手段。除水 能之外，在可预见的时间( 2 0 3 0 2 0 5 0 年) 【3 1 ，风能都将是最有可能大规模发展的资源 之一 随着航空器设计的成熟理论在风力发电机设计中应用和计算机技术的日新月异， 促使现代风力发电机的能源转换效率比古老的风车提高了几倍乃至十倍。欧美发达国 家凭借其所拥有的先进科技，投入数以亿计的研制经费，设计并成功制造了兆瓦级风 力发电机，由此形成了风能工业，使风力机的概念由单机、离网，发展到多机、并网 运行，同时建成有一定规模的风田。据截止2 0 0 7 年底的报道材料统计，全世界风电新 1 浙汀大学硕士学位论文绪论 装机容量为2 0 0 0 0m w ，累计装机达9 4 0 0 0m w ，其中德国是目前风电装机最大的国家， 美国和西班牙紧随其后，印度是除欧洲和美国外装机容量最大的国家，达到6 0 0 0m w 。 面对新世纪的来临，美国、丹麦、荷兰、德国、日本和英国等国家纷纷制定出能源规 划的长远目标。 我国风力发电机组的研制工作开展较早，但是一开始并没得到足够的重视与支持， 因此发展缓慢。五十年代后期出现过一个兴旺时期，内蒙古、辽宁、吉林、云南、安 徽和江苏等省都研制过中小型的风力机。七十年代后，随着国民经济的快速发展出现 了能源紧张、环境污染严重现象，此外，随着科技意识日渐深入人心，可再生的风能 受到了足够的重视，在浙江、黑龙江、福建研制出了大功率的机组。内蒙古的有关单 位研制的小型风力发电机也已有批量生产，用于解决地处偏远的农牧民住户的生活用 电和少量生产用电。八十年代以来，风力发电在我国得到了相应的发展，目前微型、 小型风力发电机的技术日渐成熟，已经达到批量投入市场，同时大型风力发电机组( 0 6 m w ) 也成功研制并投入运行。 近年来，随着可再生能源法的实施，中国的风电产业十分迅猛的发展。市场 规模迅速扩大，截止2 0 0 5 年底，装机总量达1 2 6 0m w 。风电制造业发展迅猛，除了原 来的少数几家制造商继续加大投入，国外风电商业纷纷进入中国市场，截止2 0 0 7 年底， 中国风力机本土化制造能力已经突破了3 5 0 0m w ，基本可以满足我国市场的需要；同 时在政策和市场的拉动下，中国风电技术与国外的差距也在逐渐缩小。 我国从2 0 世纪7 0 年代开始研制大型并网风电机组，直到1 9 9 7 年在国家“乘风计 划”的支持下，才真正从科研走向了市场。我国风力发电机组的研发能力严重不足， 基本还处于跟踪和引进国外先进技术的阶段；而且，国产产品大多是基于“定桨定速” 技术设计，只相当于国际上2 0 世纪9 0 年代中期的水平，但就是这样的技术我们还没 有自主开发的产品。 一方面，国内风电技术基础薄弱，核心技术缺乏。由于我国风电设备制造起步较 晚，虽然采取了测绘仿制、合资生产或购买许可证国内组装等技术途径，但未能掌握 风电机组总体设计的核心技术。同时，开发中的测试、试验标准与规范极不健全。虽 然我国对风电机组的测试技术作过一些研究，但不够系统，技术标准、产品认证工作 滞后，而且没有风电设备的国家试验风场。 另一方面，风电技术发展滞后，创新能力不足。我国风电产业技术还没有达到国 外主流机型的技术水平，正在开发的机型也是应用国外相对成熟的技术。目前，风力 4 浙汀人学硕士学位论文 绪论 发电机组技术发展非常迅速，更大功率、更先进技术和新的设计理念不断涌现，部分 技术国内刚刚掌握就已经落后于国际主流技术。 1 2 2 风力发电发展趋势 国际风电技术的发展趋势，主要呈现在容量大小、浆矩变化、驱动方式、控制技术 等主要方面。 ( 1 ) 单机容量增大 单机容量越大，单位功率的造价越低。正是基于经济效益的优势，单机容量逐步 提高成为国际风电设备发起站的主要趋势之一。2 0 世纪末，风电机组主流规格在美 国是0 5m w ，欧洲是0 7 5m w ，进入2 1 世纪，主流机型已经达到1 5m w 。譬如丹 麦的新建风场的单机容量都在1m w ，德国在北海建设的风场的单机功率在5m w 。 目前，世界主要风力机制造商都提出要在2 0 1 0 年实现1 0m w 的计划。据报道，美 国已经研制成7m w 的风力机。 ( 2 ) 桨叶固定模式的变化 桨叶由固定模式，逐步发展为变桨矩模式。使用变桨矩调节技术，桨叶的安装角 可以根据风速的大小进行改变，气流的攻角可以始终保持在一定的合理范围内。也就 是当风速大于额定风速时，仍可以保持稳定的输出功率。 ( 3 ) 采用变速恒频技术 目前市场上的失速型风力发电机一般采用双绕组结构的异步发电机，实行双速运 行。在高风速阶段，发电机在较高转速上运行；在低风速段，发电机运行在较低转速 上。双速运行的优点是控制简单，可靠性好。缺点是由于转速基本恒定，而风速经常 变化，因此风力机经常在风能利用系数较低的工作点上运行，风能资源得不到充分利 用。近年来发展起来的变速风电机组一般采用双馈异步发电机或多极同步发电机。 双馈电机的转子侧通过双p w m 交直交型变换器连接到电网。该功率变换器的容量仅 为电机容量的1 3 ，并且能量可以双向流动，这是这种机型的优点。多极同步发电机 的定子侧通过功率变换器连接到电网，该功率变换器的容量要大于等于电机的容量。 变速运行风电机组通过调节发电机转速跟随风速变化，能使风力机的叶尖速比接近最 佳值，从而最大限度的利用风能，提高风力机的运行效率。 ( 4 ) 驱动方式 风力机械到发电机的驱动方式可以分为三种：第一种是通过多级增速箱驱动双馈 浙汀了：学硕上学f 专沦文绪论 异步发电机，简称为双馈式。第二种是风力机直接驱动多极同步发电机，简称为直驱 式。第三种是单级增速装置加多极同步发电机技术，简称为混合式。芬兰w m w m d 公 司已开发出容量1 1m w ，叶轮直径5 6m 的混合式风电机组。而从国际总体趋势看， 直驱式风力机由于具有传动链能量损失小、可靠性高、维护费用低等优点，在市场上 正在占有越来越大的份额。 1 3 课题的提出 1 3 1 风力机结构设计要求 风力发电机主要由风轮和塔架两个部分组成，风轮是吸收风能并将其转换为机械能 的部件，塔架是用来支承风轮正常运行的结构部件。风力发电机组启、停频繁，风轮转 动惯量大，一般情况下设计转速都在2 0 3 0r m i n ；塔架除了要承受结构自重外，还要承 受运行过程中产生的载荷。所以大型的风力发电机组对机械结构的可靠性要求很高，需 要挑战包括启动、发电运行时速度控制及应急状况下的停机。整机的性能与结构性能密 切相关，风力机结构的强度性能和使用寿命直接影响整机的安全及可靠性。i e c ( 国际电 工委员会) 、i s o 及我国标准均对风力发电机机械结构做出了详细的技术要求，其中，机 械零部件和连接件进行强度计算分析、传动系统振动特性分析、主要承受动载荷的零部 件和连接件疲劳分析是机械结构设计中最基本和最主要的计算分析项目。 技术角度讲，叶片的失速特性和疲劳分析是设计中的两大难题。当机翼的攻角增加 到一定数值时，升力不但不会增加反而会下降，这就是“失速”1 4 。风力机在风力太高 时可以合理利用失速来限制功率的输出，具体实施上存在很大技术难度。风电技术难度 的另一个表现是如何应对疲劳。风电场的年平均风速在5 1 1m s ，极端的瞬间风速可以 达到7 0m s ，因此，风力机的疲劳载荷不但其幅度要比其他旋转机械大得多，而且频谱 宽，严重影响设计寿命【5 1 。可以通过对风力机空气动力性能和结构性能的优化设计实现 提高风电装备的经济性、降低风电成本。在e l 益激烈的风电市场竞争中，结构轻量化、 低成本、高效率是众多企业所追逐的目标，论文的研究工作具有很大的现实意义。 1 3 2 国内风力发电机研制现状 中国开展风电机组研制历史较长，近年来才走上产业化发展道路。早在2 0 世纪8 0 年代，中国就通过政策引导陆续支持研制并网型风电机组，但绝大部分没有实现产业化、 规模化生产，“九五”和“十五”期间，国内部分企业初步掌握了6 0 0k w 和7 5 0k w 单 晰江丈学硕士学位论空绪论 机容量定桨矩机组的总装技术和部分关键部件的设计制遣技术嘲。 由于我国在风力机设计和制造的基础领域一直比鞍薄弱，国内风电场所装国产风力 机的可利用率水平普遍低干进口风力机据了解，早在2 0 0 4 年年底，国内风电产业市 场开启之初，国家兢提出引导风电产业发展的“引进一吸收一再创新”路鳗，寄望在与国 外风电厂商进行联合设计的基础上，实现自主创新但经过数年的发展，除少数龙头企 业拥有的自主知识产权不断增多外，多数企业特别是近两年新加入的企业仍处于垒盘引 进国外成套设备、技术阶段，自主刨新进展缓慢，由此造成我国水平轴风力机的技术发 展只能跟随国外的状况，一旦有新产品研制开发，进行大批量生产和销售的话，就会牵 扯到知识产权的问题，对整个风电产业的未来都将造成不利影响 1 33 有限元方法在风力发电机设计中的应用 在众多c a e 仿真分析技术中，有限单元法f e a f f i n i t ee l c m e m m e t h o d ) 是运用最为 成功最为广泛的方法 7 1 它的核心思想是结构离散化，运用离散概念，把弹性连续体 划分为一个由若干有限单元组成的集合体，通过单元分析和组合，得到一组代数方程组， 最后求得数值解有限单元法最先应用于航空工程，现己迅速推广到机械与汽车、造船， 建筑等各种技术领域，并从固体力学领域拓展到流体、电磁声振动等各学科近年来 随着计算机工业的迅速崛起，计算机及计算机技术的迅猛发展，有限单元法几乎在所有 工程问题上得到发展和运用有限单元法已经成为一个基础稳固并为大家所接受的工程 分析工具。制造行业c a e 的应用可以分为隐式有限元分析( i f e a 、显式有限元分析 ( e f e a ) 和计算流体动力学( c f d ) 三个子学科吐几乎所有的制造企业的有限元计算都依 赖于独立软件开发商提供的商业软件，只有流体动力学算题中结构网格计算类型的部分 软件是用户自己开发的 一 圈1 4 c a e 技术在且力机谩甘中的应用 工程领域主要运用的大型分析有： ( 1 ) i f e a 类应用软件：a b a q u s a n s y s 和m s c _ n a s t r a n n xn a s t r a n ； ( 2 ) e f e a 类应用软件：l s d y n a ，p a m c r a s h 和r a d i o s s ； 7 一 浙汀大学硕：上学位论文 绪论 ( 3 ) c f d 计算流体动力学软件：f l u e n t 、s t a r - c d 和p o w e r f l o w 。 国外风力机企业c a d c a e 技术的应用已经较为成熟，在风力机设计领域有限元方 法( f e m ) 的应用也很广泛。如采用c a d 技术进行产品的三维设计，采用c a e 技术计算 风力机关键结构的应力和变形、结构刚度和稳定性分析；采用多体动力学方法进行整机 运行稳定性和运行平稳性动态仿真计算；采用f e m 进行风力机噪声分析、结构疲劳分 析、振动模态分析、三维流场仿真、翼型空气动力学性能分析等。国内c a d 技术的运 用较为普遍，许多风力机整机以及相关部件制造企业早已开始使用u g 、p r o e 等计算 机辅助建模软件作为产品三维设计的主要工作；相比之下，c a e 技术对设计人员的知 识水平要求较高，因此应用范围不如c a d 技术广。 随着产业的发展，国内企业需要与国际风力机市场接轨，c a e 技术渐渐在国内企业 发展起来。大型风力机企业已经引进大型f e a 软件，实际运用表明，f e a 技术给企业 带来了许多实际效益。例如：设计人员在产品设计阶段进行模拟仿真，可以及时发现设 计中的潜在缺陷并予以修改，既可以保证产品的质量和可靠性，又可以有效的缩短产品 的开发周期，降低产品设计成本。有限元技术已经在风力机及其零部件的设计制造过程 中占有不可替代的地位。对提高和增强我国风力机自主研发能力和企业的国际竞争力有 着重要的意义。 1 3 5 课题来源与研究目的和意义 本课题是由浙江大学与山东齐鲁电机制造有限公司合作项目，经费来源为第二批 济南“泉城学者”建设工程课题经费。“泉城学者”建设工程，是济南市委、市政府树 立和落实科学发展观和科学人才观，实施人才强市战略，促进济南市经济发展、科技 进步、社会事业繁荣的重要举措。合作单位齐鲁电机是山东省和济南市重点支持的发 电设备开发、设计、推广的高新企业，其空内冷汽轮发电机的单机容量和产量已连续 多年位居国内同行业第一，获得业界的普遍认可。本着以技术创新为龙头带动企业持 续又好又快的发展的原则，通过“泉城学者”这一有力的平台支撑，将会实现企业创 新能力的不断提高，人才不断涌现和推动产业链不断升级和完善的新局面。 本课题旨在设计制造一种m w 级、各项性能参数不低于同级别水平轴风力发电机 的垂直轴风力发电机。课题目的是运用科学理论完成垂直轴风力机结构设计计算，使 其有效发挥气动性能；将c a d c a e 技术运用到风力机的设计过程中，在产品的样机 设计阶段对其进行三维实体建模和结构仿真分析，尽早发现设计中存在的结构问题， 浙汀大学硕上学位沦史绪论 并有针对性的进行修改和优化，提高产品可靠性的同时缩短研制周期、降低样机设计 成本。 1 4v a w t 结构设计研究现状 2 0 世纪“石油危机”之后，加拿大国家科学院和美国s a n d i a 国家实验室对型 d a r r i e u s 风力机进行了大量的研究【9 1 。8 0 年代中期，美国d o e 公司开始关注s a n d i a 实验室的研究工作，并给与资金支持，研究工作主要集中在空气动力学、结构动力学、 疲劳及可靠度等方面。美国s a n d i a 实验室于1 9 8 8 年建成了3 4m 实验样机，该样机 功率达o 5m w ，可以2 5 - 4 0r m i n 的风速范围内运转，而大多数的水平轴风力机只能 在一个固定的速度下运转。世界上最大的型垂直轴风力机是安装在加拿大魁北克的 e o l e ，其功率达到4m w ，风力机高度达1 0 0m ，风轮直径为6 0m ；目前该领域的研 究主要集中在使用计算机模型来预测和分析运转过程中对结构产生的影响，计算各工 况下产生的应力。 2 0 0 6 年7 月2 2 日，中国垂直轴风力发电机试验基地在内蒙古化德县启动，该基地 由国务院三峡办牵头组织，哈尔滨工程大学、中国航天研究三院，哈尔滨电机集团公 司，河南许继电器等单位参与研制，开发的垂直轴风力发电机组是我国自主研发、拥 有自主知识产权的新型风力发电机组。与常规的水平轴风力发电机组相比，每千瓦所 需投资可下降5 0 左右，且具有地面维护，易检修，寿命长等特点。目前，5 0k w 小 样机组已建成投入运行开始发电，实用型1 5m w 的大型样机也于2 0 0 7 年底在化德县 试验基地投入总装。2 0 0 7 年9 月，由西峡瑞发水电设备公司和哈尔滨发电设备研究中 心联合开发设计的1 5m w 垂直轴永磁风力发电机研制成功，并在张家口风电场安装调 试。该发电机使用变速恒频直联技术，改变了目前风力机齿轮高速易损坏，难维护等 缺点，单位造价可节省4 0 。上海麟风风电设备公司主导产品为h 型垂直轴风力发电 机，该公司在大型垂直轴风力机上采用了变“攻角”技术，使垂直轴风力发电机的风 轮在转动过程中，根据风速，风向的变化情况，叶片的“攻角”受控变化，使其始终 处在最佳的“攻角”位置，从而达到最大的风能利用掣1 0 1 。 1 5 本文工作的主要内容 本课题以m w 级d a r r i e u s ( 达里厄) m 型垂直轴风力机为研究对象，研究重点在于：掌 握v a w t 的工作原理、d a r r i e u s 型v a w t 的结构设计理论以及结构基本设计参数的分析计 算方法；在此基础上完成v a w t 结构动、静态特性及其数值计算，为m w 级v a w t 结构 9 浙汀人学硕上学位论文绪论 的优化提供理论依据；同时，以提高v a w t 结构在使用寿命期内的可靠性为目标，建立 v a w t 的数学模型并完成数值计算，为v a w t 的样机制造、整机系统性试验研究提供理论 依据。 本文主要章、节内容安排如下： 第1 章绪论 阐述本文的选题背景与研究意义，介绍了风力机常识和风力发电产业发展的国内外现 状和优势，重点介绍和分析v a w t 风力机的优势及特点，详述f e a 技术在v a w t 结构设 计工作中的应用现状；介绍了本文的研究方向以及主要研究内容。 第2 章v a w t 结构参数化设计 主要介绍v a w t 结构参数化设计及其特性分析整体流程，详细介绍v a w t 空气动力 性能计算理论和结构性能计算理论；重点就型d a r r i e u s 风轮叶片t r o p o s k i e n 型线方程进 行了计算分析；提出基于有限元方法的v a w t 结构设计分析方法，最终完成m w 级v a w t 结构的设计及整机布置方案设计。 第3 章v a w t 结构动态特性分析 进行动态特性分析计算，建立v a w t 风轮结构有限元离散模型，在此基础上结合模态 缩减理论，完成v a w t 结构模态分析，提取结构的关键振型和频率进行分析和比较，为后 续的动态响应分析提供依据。对v a w t 结构在冲击载荷激励下系统的有阻尼自由振动特性 随机风载作用下系统的风振响应特性以及系统的非线性振动特性进行分析计算。掌握 v a w t 结构的基本受迫振动特性。为样机制造及整机系统性试验工作提供依据。 第4 章v a w t 结构静态特性分析 进行静态特性分析计算，重点研究v a w t 结构的静力分析问题域并建立整机分析方案， 针对整个方案，完成风力机结构关键载荷和结构安全系数的分析计算，分析风轮结构基本 工况下的静态可靠性、确定风轮结构的薄弱点；同时，结合动态特性分析结果，对型 d a r r i e u s 风力机叶片的变形和位移情况进行专项研究，以掌握该结构的受力特性。为保证 结构可靠性设计要求，针对风轮关键部件进行了详细静力分析，完成关键结构部件的强度 可靠性校核 第5 章v a w t 结构可靠性分析 阐述v a w t 结构可靠性设计的基本理论，通过先进的数值模拟仿真技术，对v a w t 的关键结构部件进行了疲劳可靠性、稳定性分析。根据复合材料疲劳特性及疲劳累积损伤 准则，运用名义应力法、f e m 分析预测风轮结构的疲劳寿命寿命；对主轴结构进行了屈曲 1 0 浙汀大学硕上学位沦文绪论 稳定性计算，研究主轴结构在正常运行条件和极端条件下屈曲失稳振型，初步判别最容易 出现屈曲失稳的位置。 第6 章总结与展望 对本论文的研究工作、研究成果进行了总结，讨论该课题研究工作中存在的不足， 展望了课题后续研究工作的方向和重点。 浙；丁大学硕十学位沦文、衍结构参数化设计 i i i i i 2v a w t 结构参数化设计 2 1 结构设计及其特性分析流程 设计流程 初始设计参数 动态特性分斩 静态特性分斩 部件详细设计 结构可靠性校孩 设计内容 空气动力拳数缓计雾纺襞 罐镳钢络约理论诗髯 i 粒棚吸建筑络梅设计椽准 鼠耱有黢元援委 ”# ， 日“”- ” ”- ”“”。_ h _ _ ”h h ”_ m 日“n 十“q * * “ “w 聂轻霜翕模菸分辑 n “_ q 。_ h * _ _ _ _ h h _ _ 。“。“”“。“+ “。“_ _ v h * w _ _ - h * _ ”一 觅耱动态嚷应分析 “，o“ph_一 歪髫工猊臻力捩辕 援狠工毵承赣链铑分析 童轴强度设计计舅 ：二! 茎垂薹墓塑童竺篓： ：二：。呸砸黟蓼 雾壤辩侮逶型( 裁辜，联锸器、轺承， 魂定毽及裁辔分辑 图2 1 设计方法及结构特性分析流程 本文研究涉及的垂直轴风力发电机结构设计、特性分析的整个过程可以分为五个阶 段( 图2 1 ) ：设计参数确定阶段、动态特性分析阶段、静态特性分析阶段、部件详细设计 阶段及结构可靠性验证阶段。 首先根据风力机的性能参数进行空气动力学计算，确定风力机的结构的基本形式参 数及基本尺寸参数，依据相关标准进行理论计算并确定结构的具体参数和整机布置形式。 其次，基于f e m 完成风力机系统固有频率和动力学特性分析，以保证风力机运行过程 中的刚度可靠性，避免共振等问题的发生。如果结构的动态可靠性能不符合风力机运行 要求，须返回第一阶段对基本参数进行优化，然后再进行结构可靠性校核。至此，风力 浙汀大学硕十学位论文 v a w r 结构参数化设汁 机结构参数完全确定。 参数确定以后，进入结构静力特性分析阶段。该阶段针对运行工况和极限工况等进 行强度校核，保证风力机在运行过程中不发生强度破坏。静强度可靠性校核合格后，进 入风力机部件的详细设计阶段，此阶段完成主要连接件及受力部件的强度校核，保证其 结构在运行期间的完整性和可靠性。 最后，完成风力机结构的整体及部件的可靠性分析，该部分主要包括两部分的内容： 疲劳寿命预测分析和稳定性( 屈曲) 分析。 2 2 设计理论基础 叶片是风力机最主要的能量转换部件。为了能够很好的理解垂直轴风力机的设计原 理，特别对有关翼型和风轮的空气动力学基本知识以及风轮结构设计的基本理论做简单 介绍。 2 2 1 型d a r r i e u s 空气动力计算理论基础 2 。2 1 1d a r r i e u s 风轮转动原理 d a r r i e u s 的叶片翼型多采用具有升力效应的双凸叶型。风力机转动截面流入风速v 是恒定的，风力机转动截面上各翼型的切向速度大小相等，方向不同。它们与相对速 度w 一起构成了各翼型的速度三角形( 图2 2 ) n 玎： 图2 2 翼型速度三危形 在风速矢量和切向速度矢量已知时，就可以确定相对速度矢量并得到叶片翼型承受 的空气动力，计算公式为： 谚= 五+ w 一 ( 2 1 ) 将各叶片翼型所受切向力与其半径的乘积进行叠加，即可得到该截面处叶片对风力 机的驱动力矩，将每一个断面产生的力矩沿叶轮型线高度进行积分，即可得到整个风轮 所受推动力矩。根据叶片三角形受力分析结果，在3 6 0 。圆周范围的绝大部分区域内， 1 3 浙汀大学硕十学位论文v a w t 结构参数化设计 除叶素翼型的对称面与风向平行或是接近平行时，叶片都将由空气动力产生驱动转矩， 从而可以驱动风力机转动。 2 2 1 2 风轮t r o p o s k i e n 曲线计算 型风轮叶片使用t r o p o s k i e n 曲线( 以下简称t 曲线) 形状，类似于一根两端固定 的柔性绳索，不计重力时，在离心力作用下自然形成弯曲形状，故叶片主要承受展向张 力，极大地减小了弯曲应力。下面简要地给出t r o p o s k i e n 曲线方程表达式【1 2 1 ： z r 一 。 、 、 、 、 n 、 jj i r ：- j ： ：； ” d 、 上，喜l ， + 1 ：l 一1 一一i i 。一 。 图2 3t r o p o s k i e n 曲线 设叶片总长厶，单位长度质量m 口的柔性绳索两端固定，以角速度( c ，绕固定轴旋 转，受离心力作用自然弯曲形成t r o p o s k i e n 曲线，取p p o 段为研究对象( 图2 。3 ) 。 将p p o 段的载荷进行坐标轴正交分解，得到： f t s i n ( 6 = ) = f + c i rc o s ( a ) g 。 ( 2 2 ) = + g 。 卜“ 式中：弘_ p 点处绳索的张力； g 却p o 段总重量； r 卜系统离心力； 6 张力丁与垂直方向的夹角，单位d e