（机械工程专业论文）风力发电机组sy7715动力学仿真与试验研究.pdf

摘要 风力发电机组是一个刚柔混合的多体系统。风力机系统复杂的动力学特性包 括复杂的载荷特性、各柔性部件的相互影响和耦合、刚体一柔体的连接与相互作 用、电气系统与机械系统之间的影响。 论文以1 5 m w 高速双馈风力发电机组s y 7 7 1 5 为研究对象，在理论、计算、 试验三个方面对风力机进行了动力学分析，建立了风力发电机组的动力学模型， 详细分析了风力机的载荷来源、在复杂载荷作用下引起的风机的振动以及对风机 产生的影响，并利用b l a d e d 软件对风力发电机组进行了建模和载荷计算；建立塔 架、叶片的部件模型和整机模型，基于a d a m s 软件进行了单部件模态分析和整机 的耦合模态分析，计算得到了整机的各阶模态，从整机的角度掌握了风机的固有 特性，绘制整机c a m p b e l l 图并与b l a d e d 软件的模态分析结果进行了对比，结果表明 这两种方式下得到的模态频率基本一致，叶片的频率约为1 9 1 h z ，塔架的频率约 为0 4 h z ；确立了风机的振动测试方案，对现场测试结果进行了幅值域分析和频 域分析，得到了风机运行过程中复杂的动力学特性，为风机的可靠运行与控制提 供了保障。 关键词：风力发电机组，动力学模型，动力学仿真，实验研究。 a b s t r a c t t h ew i n dt u r b i n eg e n e r a t i n gs y s t e mi sa m u l t i - b o d ys y s t e mi n c o r p o r a t i n gw i t h r i g i d i t ya n df l e x i b i l i t y i t sc o m p l i c a t e dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so r i g i n a t ef r o mi t s c o m p l e xl o a dc h a r a c t e r i s t i c s ，i n t e r a c t i o na n dc o u p l i n gf r o mv a r i o u sf l e x i b l e c o m p o n e n t s ，i n t e r c o n n e c t i o na n di n t e r a c t i o nb e t w e e nr i g i da n df l e xc o m p o n e n t sa s w e l la si n t e r r e l a t i o n s h i po fe l e c t r i c a ls y s t e ma n dm e c h a n i c a ls y s t e m t h es u b j e c ti n v e s t i g a t e di st h ed o u b l e - f e dh i g h - s p e e da s y n c h r o n o u sw i n d t u r b i n e ， p o w e rf o r1 5m w i t su n i q u ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r et ob ep r o v e d s i m u l t a n e o u s l yf r o mt h e o r y ，c a l c u l a t i o na n dt e s t i n g b yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h e d y n a m i cm o d e lo fw i n dt u r b i n ei se s t a b l i s h e d ，w h i c ha l l o w se l a b o r a t e da n a l y s i so n l o a ds o u r c e s v i b r a t i o na n di t si n f l u e n c eu n d e rc o m p l i c a t e dl o a de f f e c ta r es t u d i e d w i n dt u r b i n em o d e l i n ga n dl o a dc a l c u l a t i o ni sd o n ew i t hb l a d e ds o f t w a r e t h e m o d e l so ft o w e r , r o t o rb l a d e sa n do v e r a l lw i n dt u r b i n ea r ee s t a b l i s h e da n df u r t h e r a n a l y z e dt h r o u g ha d a m s t oo b t a i nt h ef i r s to r d e rm o d a lf o rt h ew i n dt u r b i n eb y p r o c e e d i n gr e s e a r c h e so nt h es i n g l ec o m p o n e n tm o d e sa n dt h eo v e r a l lw i n dt u r b i n e c o u p l i n gm o d e s ，d u r i n gw h i c h t h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i n dt u r b i n ei s t h o r o u g h l yu n d e r s t o o d ac o m p a r i s o no ft h er e s u l t si so b t a i n e db yc a m p b e l lc h a r ta n d m o d a la n a l y s i sb yb l a d e d t e s t i n gp r o c e d u r e sc o n c e r n i n gt h ew i n dt u r b i n ev i b r a t i o n i ss e tu p ；o ns i t et e s t i n gd a t af u r t h e rs t u d i e db yd o m a i n a n a l y s i sb o t ha m p l i t u d ea n d f r e q u e n c yt oi n v e s t i g a t eo p e r a t i o n a lp r o p e r t i e s c o m p l i c a t i o no ft h ew i n dt u r b i n e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si sr e v e a l e dd u r i n gi t so p e r a t i o np r o c e s s k e yw o r d s ：w i n dt u r b i n eg e n e r a t i n gs y s t e m ，d y n a m i cm o d e l ，d y n a m i cs i m u l a t i o n ， r e s e a r c hs t u d y 长安人学硕上学位论文 第一章绪论 随着社会经济的迅猛发展，能源与环境问题成为当今人类生存和发展所要解 决的紧迫问题，可再生能源的开发和利用越来越受到各国的高度重视。风能作为 一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，目前技术最成熟、最具规模化发展前景的 可再生能源，在能源供应日趋紧张、环境污染日益严重的形势下，风电发展越来 越受到各方的高度重视。近5 年来，全世界风电装机容量年复合增长率超过2 5 ， 成为发展最快的发电技术。 1 1 风力发电机组国内外发展现状 截止2 0 0 8 年底，全世界己投入运行的风力发电设备装机容量达到 1 2 0 7 9 1 m w ，其中在2 0 0 8 年新增了2 7 0 5 6 m w 。在世界风能利用迅猛发展的大背 景下，我国的风能利用在近年也发展迅速，装机容量在近几年以几何级数的速度 发展。截止2 0 0 8 年底，中国已投入运行的风力发电设备装机容量达到1 2 2 1 0 m w ， 占全世界装机总量1 0 1 ，仅次于美国( 2 0 8 ) 、德国( 1 9 8 ) 、西班牙( 1 3 9 ) 位居第4 ，其中在2 0 0 8 年新增了6 3 0 0 m w ，超过了截止2 0 0 7 年底装机容量的总 和，新增容量占全世界新增容量的2 3 ，仅次于美国( 3 1 ) n 1 。 国外尤其是欧美国家的风能利用技术目前已经比较成熟，具有比较完善的 设计理论和丰富的设计经验，并且在风力发电机组的开发和维护以及风力场的建 设和运行管理等方面已积累了相当经验，其商业化程度己具相当规模，目前在国 际风电行业中处于明显的优势和主导地位。 我国的商业化大型风力发电产业起步较晚，作为世界上的风能大国，我国 目前与其他风能大国之间还存在很大的差距，其中的关键因素是设计水平不高， 与此相关的基础技术研究、实验研究、新技术应用以及核心技术攻关等方面都明 显落后于国外。目前我国主流的大型风电机组大部分是依靠从国外引进生产技术 来仿制，这不但受到成本、运输、售前售后等方面的制约，还要消耗大量的资金， 而且将使我国对风电机组的研制水平日益落后于国际先进水平，从根本上来说不 利于我国风电产业的发展乜】。 提高风力发电机的设计水平，加强基础技术研究、实验研究、新技术应用 第一章绪论 以及核心技术攻关等方面工作的开展，对提高我国风机的技术水平至关重要心9 1 。 1 2 风力发电机组的动力学分析研究现状 相对于一般的工程机械的动力学分析而言，风力发电机组的动力学特性更为 复杂。为此，国外许多研究机构开展了大型风力发电机组动力学分析的方法研究， 主要分为两大类实验和计算呻1 0 3 。 实验方法是对叶片和塔架施加激励信号，然后通过测量输入信号和输出响应 的信号，用参数辨识的方法对其进行分析，从而得出风力发电机组的结构动力学 特性参数。这是一种对具体风力发电机组直接研究的方法，所以结果可靠，是最 有效的分析方法。但是，对于大型风力发电机组，叶片和塔架通常都在几十米以 上，要安装和运行满足实验条件的设备就有一定困难，而且从风力发电机组设计 的角度考虑也不现实。 经典的计算分析方法是对耦合的运动方程进行数值积分求解。用这种方法计 算往往非常困难，尤其对于多自由度耦合系统，求解复杂。近年来普遍用于风力 发电机组结构动力学分析的计算方法是模态法和有限元法。模态法是将耦合的运 动方程组解耦成为相互独立的方程，通过求解每个独立的方程得到各模态的特性 参数，进而预测和分析该系统的运动特性。有限元法的基本思想是，将连续的求 解区域离散为有限的、按一定方式相互联结在一起的单元的组合体，利用在每一 个单元内假设的近似函数来表示全求解域上待求的场函数。 目前进行大型风力发电机动力学分析的方法，主要是用多刚体动力学方法分 析叶片挥舞和塔架前后弯曲的耦合振动等问题；用有限元方法或假设模态方法， 分析部分结构如叶片、塔架和传动轴等的动力特性或力学响应。这种方法没有考 虑风力发电机各构件的空间运动与其弹性变形的互相耦合及其对风力发电机整 机运动形态的影响。现代大型风力发电机随着叶片和塔架柔性的逐渐增加，这种 运动和变形的耦合对风力发电机运动形态分析、对系统动力响应分析、气动弹性 稳定性分析等变得越来越重要。 我国风电产业发展与欧洲发达国家相比，起步较晚。但经过2 0 年的科技攻 关，在国家有关部f - 幂1 1 地方政府的支持下，我国风能利用技术有了很大提高，积 累了不少成功的经验。但在风力发电机组的动力学特性研究方面才刚起步，主要 2 长安大学硕t - 学位论文 是借鉴国外的经验进行建模和分析。 1 3 本文研究的主要内容 传统风力发电机组的动力学研究局限于单部件的动力学分析，如叶片、塔架， 或简单地耦合风轮、塔架进行动力学分析，在求解过程中，并不能真实完全的反 应风机各部件耦合的特性，未从整机环境下进行分析。动力学试验工作的开展严 重滞后，不利于动力学计算工作的开展。 本文针对这些问题，以1 5 m w 高速双馈风力发电机组s y 7 7 1 5 为研究对象， 对大型兆瓦级风力发电机组进行了动力学仿真和试验研究； 目的是从整机的角度对风机进行系统的研究，对风机形成系统的认识，建立 起完备的理论计算试验三位一体的风机研究模式： ( 1 ) 第二章对风力发电机组进行了动力学建模，详细分析了机组的载荷来源，分 析了引起风机振动的原因，从原理上掌握了风机的动力学分析。 ( 2 ) 第三章利用b l a d e d 风力发电机组专业设计软件对风力发电机组进行建模和 载荷计算。 ( 3 ) 第四章建立风机整机完整的虚拟样机模型，基于a d a m s 软件，对整机进行了 模态分析，得到风机整机的各阶模态，掌握了风机整机的固有特性，为试验 工作的开展提供了支持。 ( 4 ) 基于第四章的模态分析结果，第五章对整机开展了现场样机的振动测试，得 到了样机运行时风机的振动性能，提供了大量的试验数据，与计算结果形成 验证，对动力学分析提供了数据支持。 第二章风力发电机组的动力学建模 第二章风力发电机组的动力学建模 大型现代风力机的结构复杂，其叶片细长，机舱质量很大，安装在柔性的 塔架之上，这种结构易于振动。作用在其上的一系列动态载荷，例如风载、地震、 叶轮的转动、开关过程和控制过程都有可能激起风力机剧烈振动。风力机振动会 引起轴承、齿轮副、联轴器、叶片和塔架等部件的损坏，降低整机的可靠性，缩 短风机的寿命，为此对风机的动力学特性进行了研究，从而为减小风机各部件的 损坏，实现对风机的控制和可靠运行提供了依据。 2 1 风力发电机组的动力学特性 风力发电机组是一个同时包含刚性体和柔性体的多体系统，包含叶片、塔架 和机舱等部件。各部件之间的相对运动以及各部件弹性变形相互影响和耦合，形 成了风力机系统复杂的结构动力学特性。风力发电机组动力学问题是涉及多方面 因素的综合性问题，包括空气动力学、结构动力学、系统动力学等方面。风机的 动力学分析主要是风机的固有特性，载荷特性，以及风机在外载荷作用下的动态 响j 直。 风机复杂的动力学特性包含三个方面： ( 1 ) 复杂的空气动力特性 风力发电机组运行于开放的大气环境中，风轮叶片从来流获取风能的同时， 来流以其复杂的特性如切变、湍流、斜流，阵风等在风轮面形成复杂的空气动力 载荷。 ( 2 ) 复杂的结构动力学特性 叶片是风力发电机组中受力最复杂的部件，也是一个容易发生振动的弹性 体，风力发电机组的各种载荷和振动首先发生在叶片上，其气弹耦合特性使风机 复杂于传统机械。 塔架多为细长圆筒状结构，且承受质量较大的机舱和风轮，塔架的固有特性 对风轮的动态性能具有重要的影响。当风力发电机组运行时，塔架不仅承受风轮 旋转所产生的周期性激励，而且还要受到随机风载荷的作用力，与叶片相同，塔 架也是容易发生振动的弹性体。 除了叶片和塔架，传动系统是风机极易发生扭转振动的子系统，其扭转特性 4 长安大学硕上学位论文 直接影响风机的发电性能和机械性能。 风机各个部件之间不可避免会发生耦合，使风机的结构动力学特性异常复 杂。 ( 3 ) 复杂的系统动力学特性 风机的控制系统直接影响风机的载荷特性和动力学特性，对整机的运行特性 和机械结构的运行性能有着重要的影响。 2 2 风力机的动力学建模 动力学建模、仿真的基本思路：确立研究的对象系统；明确外界激 振力等因素激励；系统在外界激振力作用下的响应。 激励 响应 系统 ，盘各1 、，蛤l j l j 、 图2 - 1 动力学分析思路 在动力学系统分析，首先要确定系统，在初期阶段，为确定部件的动态特性， 有目的地从整机系统中选择分离的子系统来予以分析： ( 1 ) 塔架机舱系统，刚性叶片； ( 2 ) 根部刚性固装的叶片； ( 3 ) 传动系统。 本文是基于由子系统到整机的分析思路对风力发电机组进行动力学分析。 2 2 1 坐标系 1 叶片坐标系 叶片坐标系的原点位于叶根，见图2 2 。该坐标系随风轮一起旋转，其对风 轮轮毂的方向是固定的。 第一：章风力发 i z i o l c i ! 的动力学建模 x b ”基；i 杖轮誓乡蠢乃。l ；唾：z b 一i 6 ；：y b 一按f 窆t j 确定 图2 - 2 叶片坐标系 2 轮毂坐标系 轮毂坐标系的原点位于风轮中心，该坐标系不随风轮旋转，见图2 3 。 x n 一坂轮姻线办阳：z n l 勺i ：hi i i _ ：区j ：x 2 n - y n ，扳i jr 定则确定 图2 - 3 轮毂坐标系 3 风轮坐标系 风轮坐标系的原点位于风轮中心，该坐标系随风轮一起旋转，见图2 4 。 6 长安大学硕上学位论文 淑坂轮轴 宅办l 句： z r 给l 匀，- j 拧l ：4 k 轮训片t ：y r 掖彳i ：定刖确记 图2 - 4 风轮坐标系 4 塔架顶部坐标系 塔架项部坐标系的原点位于塔架中心轴与塔架顶部上缘的交点处，该坐标系 不随机舱罩旋转，见图2 5 。 巷m 取 一了 m x k x k 洽减轮物的承| ，汀i 幻；州记j ：蟮繁： z k 囔汽跳 ：y k - 援彳lf 定烫确定 5 塔架底部坐标系 图2 - 5 塔架顶部坐标系 塔架底部坐标系的原点位于塔架轴线与基础上缘的交点处，见图2 - 6 。该坐 标系不随机舱罩旋转，方向与塔架顶部坐标系相对应。 7 第一二章风力发电机绀的动力学建模 时 v ，f x f 农、乎矗翔：z f 。湃瞄架1 1 l ；缕艰“翔i ：y f 按彳ir 定铷谬定， 图2 - 6 塔架底部坐标系 2 2 2 塔架一机舱系统动力学方程 通常将塔架- 机舱系统简化成一个单自由度振系，分析各种激振力所激起的振 动。虽然这是一个极端简化的模型，但仿真结果与一个三叶片风机的真实振动很 相似。 q ( 1 图2 - 7 塔架一机舱系统模型不意图 假设叶片是刚性的。叶轮可视作为一个无质量的圆盘，盘心集中了叶轮和机 舱的质量，塔架在横向是弹性的，只考虑水平方向的振动，塔架的质量分为和地 基固连的部分以及参振的有效质量部分。 总的参振质量m ，横向刚度s 和阻尼系数d 确定之后，塔架机舱系统的振动 微分方程可写为： 聊历- , f 砌- - i - s 扰= f ( f ) ( 1 ) 其中u 为振系的位移，f ( t ) 为风机激振力。 囤 多一 长安人学硕上学位论文 2 2 3 传动系统动力学方程 风力发电系统的增速机构通常可以看成是由有限个惯性元件、弹性元件及 阻尼元件组成的系统，在建立风力发电机组的机理模型中，通常采用弹簧阻尼质 量系统作为其等效力学模型；同时认为低速轴和高速轴是柔性的，因此将低速轴、 齿轮箱和高速轴简化为轴系，采用等效力学模型将它们的转动惯量等效到风轮一 侧，同时等效得到轴系的扭转刚度和阻尼。 通过上述简化后，只有风轮和发电机两个扭转自由度，由此确立了传动链 子系统的两自由度模型，模型示意图如图2 8 。 w i n dt u r b i n er o t o rg e n e r a t o r i 护皖，+ 砭( 鼠护一) + 疋( 晚驴一) = z 护 l 吃一+ 砭( 一或护+ ) + 吃( 一既护+ 疗) = 一 ： 。 、， ( 2 ) t g e n 发电机转矩 9 第二章风力发电机组的动力学建模 发电机转动惯量 2 2 4 叶片动力学方程 叶片的振动需要借助与传递矩阵或有限元法计算，采用梁单元和壳单元就足 以达到要求。叶片振动特性的重要影响因素是叶片的重心线、弹性线、径向线以 及气动中心线。 叶片的动力学方程为 m ，谚+ c f 西，+ k 2f ( 3 ) 式中： m i _ 一叶片单元的质量矩阵。 c j 阻尼矩阵； k i 刚度矩阵； f i 一载荷矩阵； u i 啦移。 2 3 风力机载荷分析 2 3 1 惯性力和重力载荷 惯性力和重力载荷是由于振动、转动、地球引力等作用在风力机上的静态和 动态载荷。 ( 1 ) 不旋转部件，例如机舱、塔架以及地基受有自重产生的恒定静载。 ( 2 ) 由于机舱水平位移在塔架上产生附加弯矩。 ( 3 ) 旋转部件的自重，例如叶片的自重，产生的作用力与不旋转部件不同。 作用力相对于叶片的方向在不断的变化。由此，在叶片将产生1 倍频交 变载荷。重力在叶根产生的最大交变弯矩作用在旋转方向上。 ( 4 ) 转轴倾斜会在叶片根部产生1 倍频的交变载荷。 ( 5 ) 离心力在旋转的叶片中只产生稳态拉载荷。 ( 6 ) 当三个叶片质量存在偏差时，由于风轮的质量不平衡将产生l 倍频的激 振力，激起机舱和塔架的水平和垂直振动。塔架在垂直方向刚度大，产 生的振动很小，可不予考虑。 1 0 长安人学硕士学位论文 2 3 2 空气动力载荷 空气动力载荷是由气流与风力机的静止件和运动部件相互作用引起的静态 和动态载荷。气流取决于风轮转速、通过风轮平面的平均风速、湍流强度、空气 密度和风力机气动外形及其相互影响( 包括气动弹性效应) 。 1 风切变 风速随高度的增加而增加称为风切变，整个风轮表面受风切变影响载荷分布 不均，气动中心上移，在转轴上将产生1 倍频的交变弯曲载荷。 2 塔影效应 塔架对前方来流产生阻滞，通常成为塔架前扰或塔影效应，会对叶片和塔架 一机舱系统产生很强的激扰。 对于叶片，旋转一周，过塔架时叶片上的气动力在短时间内突减一次，由此 产生1 倍频为主的激振力。其中也包含2 倍频、3 倍频、4 倍频等高阶分量，但 高阶量衰减很快。 对于塔架一机舱系统，每一个叶片经过塔架时，就会产生一个作用力，对于 三叶片风机会使塔架一机舱系统产生3 倍频为主的振动，6 倍频、9 倍频、1 2 倍频 等高频分量也会出现。 3 斜流 吹向风轮的来流或多或少总有斜度，叶片上的载荷随着转频变化，塔架一机 舱系统则受叶片通过频率成分的激励。 4 气动不平衡 在安装或制造过程中，可能会使叶片攻角产生误差，会造成叶片上的气动力 不平衡。这种气动不平衡会引起塔架机舱系统在轴向和侧向发生1 倍频振动。 第一二章风力发电机绁的动力学建模 5 阵风 阵风的持续时间一般为3 - 2 0 s ，宽度约为1 0 1 0 0 米。其结构振动频率约为 o 2 1 0 h z ，阵风从风轮面局部吹过，则转子转一周每个叶片都有几次通过阵风区， 阵风引起1 倍频、2 倍频、3 倍频等激振力。 6 湍流 湍流指的是短时间( 一般少于l o 分钟) 内的风速波动，湍流产生的原因主 要有两个：一个是当气流流动时，由于地形差异造成的与地表的“摩擦”；另一个 是由于空气密度差异和气温变化的热效应空气气团垂直运动。 湍流激振力的宽带能量主要集中在1 倍频分量和高倍频分量上。湍流引起的 交变载荷的幅度很关键，其频率对风力机的强度寿命也是至关重要的。 7 瞬态气动载荷 在风机运行时，会出现极端的阵风条件，风速会在几秒钟内增加1 倍或更多， 气动载荷会增加数倍，另外，风向也发生急剧变化。这些极端风况都会产生瞬态 载荷对风机造成冲击。 2 3 3 由控制系统产生的瞬态载荷 冲击载荷是由风力机的运行和控制产生的，冲击载荷包括由风轮起动和停 转、发电机变流器接通和脱开、偏航和变距机构的激励及机械刹车等引起的瞬 态载荷。在各种情况的响应和载荷计算中，应考虑有效的冲击力的范围，特别是 机械刹车摩擦力、弹性力或压力，还应考虑温度和老化的影响h 1 5 1 。 2 4 风机振动原因分析 当风力机在自然风条件下运行时，作用在风力机上的空气动力、惯性力和弹 性力等交变载荷会使系统产生变形或振动，影响风力机的正常运行，严重时会导 致风力机损坏。上一节对风机的载荷源进行了详细的分析和总结，本章将针对风 力机子系统、整机在载荷作用下的响应哺羽。 1 2 长安人学硕上学位论义 2 4 1 塔架一机舱系统的振动 塔架一机舱系统的振动有以下三个类型： ( 1 ) 紧急停机后的自由振动； ( 2 ) 质量不平衡引起的周期振动； ( 3 ) 塔影效应引起的机舱振动。 1 紧急停机后的自由振动 风机带负荷运行时，风轮上的推力使风力机产生一定的位移，紧急停机后， 推力突然消失。风力机由初始位置开始绕平衡位置前后振动。振动的衰减时间与 风力机的阻尼相关，风力机的阻尼主要来自于塔架的连接部分、内部结构以及地 基。 2 质量不平衡引起的周期振动 当风力机的三个叶片质量存在偏差时，由于风轮的质量不平衡将产生一倍频 的激振力，激起机舱和塔架的水平和垂直振动。塔架在垂直方向刚度要大的多， 产生的振动很小，可不予考虑。因此，质量不平衡将主要激起塔架的水平振动。 3 塔影效应引起的机舱振动。 塔影效应对于塔架机舱系统将在轴向产生周期激振力，对于三叶片风机会使 塔架机舱系统产生3 倍频为主的振动，6 倍频、9 倍频、1 2 倍频等高频分量也会 出现。 2 4 2 叶片振动 根据之前的载荷分析，叶片振动可能会由风切变、斜流、塔影效应等1 倍频 及高倍频所激起。 叶片振动的三种形式： 挥舞方向振动，它是叶片在垂直于旋转平面方向上的弯曲振动； 摆振方向振动，它是叶片在旋转平面内的弯曲振动； 扭转方向振动，它是绕叶片变距轴的扭转振动； 第：章风力发i 乜机组的动力学建模 在风力机实际运行时，叶片的这三种振动还会发生耦合，产生挥舞摆振耦合、 扭转摆振耦合、挥舞扭转耦合以及颤振。 2 4 3 传动系统的振动 传动系统的激振源主要来自：叶片通过频率；湍流风；控制器的切入、 变桨以及发电机转矩的变化；齿轮啮合等等。 传动系统包含风轮、主轴、齿轮箱、高速轴、发电机五大主要部件和相关附 件，传动系统的振动对各部件的动态载荷和运行性能有很大的影响。 传动系统的扭转振动与三个参数有关：旋转部件的转动惯量；主轴的扭 转刚度；传动系统的阻尼。 2 4 4 子系统整机系统 以上通过对子系统的激励和振动形式进行了总结和归纳，实际上，大型风力 机的动态特性更为复杂，各子系统相互影响，发生耦合，同时子系统的模态将会 在整机系统发生变化。 1 4 长安大学硕十学位论文 第三章基于b l a d e d 软件的动力学计算 以1 5 m w 高速双馈风力发电机组s y 7 7 15 为研究对象，基于b l a d e d 软件对 这一机型进行了模态分析、载荷计算，其中模态分析是结构动力学分析的核心， 是进行风机动力学分析的基础。进行风机的动力学性能分析时首先要进行模态分 析，通过模态分析可以获得结构动态特性等方面的可靠数据，可以了解结构之间 的关系和整个系统的动特性。模态分析主要是求模型的固有频率和各固有频率下 的振型，防止风机运行时的频率与风机主要构件的固有频率一致而引起共振，对 风机造成损坏，保证了风机的可靠运行。 3 1b l a d e d 软件简介 g hb l a d e d 软件是由英国g a r r a dh a s s a n 伙伴有限公司推出的一款整合计算 仿真工具，它可以对风电机组的动力学特性及风机所受的载荷进行仿真与计算。 g hb l a d e d 支持风载荷和波浪载荷组合计算，采用全空气弹性和水弹性模型并考 虑地震励磁的影响。g hb l a d e d 具有多个功能模块，包括外壳稳定性分析、动态 负载模拟、负载与电能获取分析、批处理和报告自动生成、电网交互以及控制， 它是风力发电机组设计和验证的可靠工具，目前已在风机行业得到了广泛的应 用。 3 2 模态计算 模态计算的目的就是为了确定风机在无阻尼、自由振动条件下的固有频率 和固有振型，这是一种近似研究动力学特性的方法。模态是机械结构的固有振动 特性，每一个模态具有特定的固有频率和模态振型。这些模态参数可以由计算或 实验分析取得，这样一个计算或实验分析过程称为模态分析h 3 44 l 。振动模态是 弹性结构固有的特性。通过模态分析方法搞清楚了结构在某个易受影响的频率范 围内的各阶模态特性，就可以预言结构在此频段内部或外部各种振源的作用下的 实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计的重要方法。 进行模态分析主要是为了得到整个风机在运行过程中塔架和叶片的频率， 用b l a d e d 软件对整机进行模态分析时主要需要考虑叶片，塔架以及风轮等的参 第三章基于b l a d e d 软件的动力学计算 数2 钔陋6 | 。在分析中建立叶片模型时把叶片分成了9 段，每一段叫做一个叶素， 各个叶素的质量，刚度，阻尼等参数的设置如图3 - 1 所示。建立塔架模型时把塔 架分成了5 段，各个段的质量，弯曲刚度和阻尼等参数的设置如图3 - 2 所示。由 于在计算过程中风轮对载荷的影响不大，为此我们对风轮模型进行简化，只需要 指定出风轮重心的位置，风轮的质量和转动惯量就可以了。风轮的质量为 14 0 0 0 k g ，转动惯量为1 2 0 0 0 k g m ，具体参数设置如图3 3 所示。 图3 - 1 叶片参数设置图 图3 - 2 塔架参数设置图 1 6 长安人学硕士学位论文 图3 - 3 风轮参数设置图 按照上述参数设置方式对b l a d e d 软件进行参数设置后，就可以对风力发 电机组进行模拟计算，用b l a d e d 对塔架进行模态分析，塔架的各阶模态计算结 果如表3 1 所示。叶片的各阶模态计算结果见表3 2 所示。 表3 1 塔架模态 模态频率( h z ) 前后1 阶 0 4 0 前后2 阶 2 6 6 左右1 阶0 4 0 左右2 阶 2 3 9 表3 2 叶片模态 模态频率( h z ) 面外1 阶 1 1 0 面外2 阶 1 1 0 面外3 阶 1 1 0 面外4 阶 3 3 3 面外5 阶 3 3 3 1 7 第三章基于b l a d e d 软件的动力学计算 3 3 载荷计算 面内1 阶1 9 1 面内2 阶1 9 1 面内3 阶4 7 3 面内4 阶 6 7 0 面内5 阶 6 7 0 用b l a d e d 软件来模拟风机实际运行状态，首先生成湍流风，然后将湍流风 加载到风机的模型上，同时风机模型考虑上一节的模态计算结果，便可以得到实 际的载荷结果。进行载荷计算的目的是为了得到模型所受最大载荷和最小载荷， 为后续的零件设计与各个部件的校核验证提供数据。论文选取正常发电和紧急停 机两种工况计算风机的载荷情况。其中正常发电选取额定风速以下和额定风速以 上不同控制阶段的工况进行计算，s y 7 7 1 5 的额定风速为1 2 5 m s 。 3 3 1 额定风速以下正常发电工况 下图所示为额定风速以下风速与时间关系曲线图，从图中可以看出风速随着 时间的变化也在不断的变化，最小风速为6 5m s ，最大风速为1 2m s ，平均风 速约为9 m s ，湍流度为1 2 。将该图线图导入b l a d e d 中便可计算出轮毂坐标系 载荷和塔架顶部载荷m x 、m y 、m z 、f x ，如图3 - 5 ，3 - 6 所示。由此就可以确 定出在额定风速以下正常发电工况下的轮毂极限载荷和塔架顶部极限载荷。 1 8 01 o1 1 3 1 2 1 1 1 0 9 8 7 6 o t i m e ( s ) 长安大学硕上学位论文 t i m e ( s ) 4 图3 - 4 风速一时间曲线 2 0 03 0 0 4 0 0 5 0 0 t i m e ( s ) o 1 0 0 t i m e ( s ) 4 0 0 0l o o2 0 03 0 04 0 05 0 0 6 0 0 图3 - 5 轮毂坐标系载荷m x 、m y 、m z 、f x 1 9 t i m e ( 曲 s，cj)dmoqdc至 啪 湖 啪 枷 狮 。 一ez邑xz口，工芑co一1bls 哪鲫季|啪伽枷季|荨瑚瑚伽 一ez邑x：o，工言uo蔷历 抛 狮 脚 瑚 御 御 m 伽 伽 一z邑x止d3工j西uo萱历 啪 鲫 枷 狮 。 狮 一e z 5 n至n3工j舌ilbl 第三章基于b l a d e d 软件的动力学计算 妻 望 耋 0 1 2 3 0 0 4 0 0 5 湖 t i m e ( s ) o1 2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 t i m e ( s ) o1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0e 0 001 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 咖 time(s)time(b) 图3 _ 6 塔架顶部载荷m x 、m y 、m z 、f x 从轮毂和塔架顶部载荷随时间的变化曲线( 图3 5 ，3 6 ) 可以看出轮毂和塔 架顶部所受的载荷范围如表3 3 所示。 表3 3 轮毂和塔架顶部载荷 载荷类型m x ( k n m ) m y ( k n m )m z ( k n m )f x ( k n ) 轮毂坐标系最小载荷 1 7 50o1 1 0 载荷最大载荷6 0 09 0 07 0 02 5 0 塔架顶部载最小载荷 1 5 0 00o 荷最大载荷 5 5 09 0 0 6 5 02 2 0 3 3 2 额定风速以上正常发电工况 下图所示为额定风速以上风速与时间关系去曲线图，从图中可以看出平均风 速约为1 7 m s ，湍流度为8 ，风速在1 1i i l s _ - 2 0 5m s 范围内波动，将该图线 图导入b l a d e d 中便可计算出轮毂坐标系载荷和塔架顶部载荷m x 、m y 、m z 、f x 。 2 0 啪 瑚 。 狮 枷 鲫 晰 一ez邑xzi墅舌l 鲫 锄 啪 蚕 狮 伽 一：z芒x：1mo卜 鼬 狮 御 御 m 伽 啪 一z)ivli考卜 k 安人学硕士学位论文 1 2 01 0 02 0 03 0 0 t i m e ( s ) 图3 7 风速时间曲线 o1 瑚 3 0 0 4 0 0 t i m e ( s ) o1 2 3 0 04 锄 t i m e ( s ) z 一 l 正 3 3 - 01 0 0瑚3 4 0 0 t = m e ( s ) o1 2 0 03 0 04 0 0 5 t i m e ( s ) 图3 - 8 轮毂坐标系载荷m x 、m y 、m z 、f x 2 1 加 侣 侣 似 一、ujdoq勺c； 枷狮啪啪啪枷狮。撕枷啪啪 一：z兰：o：工一ez兰x：口丁工 期 啪 瑚 瑚 瑚 伽 脚 鲫 枷狮啪蛳啪伽撕。抛伽瞄啪咖 一ez善n：口j工 第三章基于b l a d e d 软件的动力学计算 1 0 0 0 5 e z 一0 z 霎5 0 0 1 2 1 0 0 d 1 5 0 0 01 2 3 0 04 0 05 0 06 t i m e ( s ) 01 0 02 0 03 0 04 0 05 6 0 001 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 time(s)time(s) 图3 - 9 塔架顶部载荷m x 、m y 、m z 、f x 从轮毂和塔架顶部载荷随时间的变化曲线( 图3 8 ，3 9 ) 可以看出轮毂和塔 架顶部所受的载荷范围如表3 4 所示。 表3 4 轮毂和塔架顶部载荷 载荷类型m x ( k n m )m e ( k n m ) m z ( k n m )f x ( k n ) 轮毂坐标系最小载荷 6 3 0008 0 载荷范围 最大载荷9 5 0 1 3 0 0 11 4 03 4 0 塔架顶部载最小载荷5 8 0 0 0 5 0 荷最大载荷 9 2 51 5 0 01 0 0 03 4 0 3 3 3 紧急停机工况 紧急停机工况是极限工况，是由控制系统产生的瞬态载荷之一，相对于启动、 正常停机、转速范围的切换、变桨以及偏航所产生的载荷要大得多。紧急停机对 塔架机舱系统产生极限载荷和较大的振动。主要作用方向轴向，主要作用 载荷f x 。 按照i e c 标准，设定紧急工况，在1 2 m s 稳态风的风况下，计算紧急停机。 渤 湖 抛 抛 恸 伽 一z邑【止jl，o一 |暑啪啪啪伽瑚。瑚啪枷删瞄 一ez邑n至-9毫5一 长安人学硕上学位论文 紧急停机工况下轴向载荷f x 随时间的变化曲线如图3 1 0 所示。从图中得知在突 然紧急停机时，轴向载荷会发生比较大的波动，在0 到15 s 阶段f x 在 一1 0 0 k n 2 0 0 k n 的范围内变化，随后f x 逐渐趋于稳定。 图3 - l o 紧急停机工况轮毂坐标系f x 抛 狮 伽 御 o 勘 仰 仰 z卫一x止d3z 第p q 章基于a d a m s jb 1 a d e d 软件的模态分析对比 第四章基于a d a m s 与b ia d e d 软件的模态分析对比 风力发电机组日益向大型化、柔性化方向发展，要使风力发电机组安全可靠 地工作，风力发电机组就需要具有良好的动态特性。模态分析用于确定设计中的 结构或机器部件的振动特性( 固有频率和振型) 。结构的振动特性决定了结构对在 各种动力载荷激振下的动态响应。 固有频率和振型是机械结构的固有特性，找到结构的固有频率，避免共振对结 构造成破坏是动态设计的重要环节，在风机设计中，同时为滤波器频率的选择提 供依据。掌握风机的固有特性也是风机长期运行后故障判断的依据之一。 以s y 7 7 1 5 高速双馈风力发电机组为研究对象，基于a d a m s 软件对这一机型 进行了部件模态分析和整机耦合模态分析，并与b l a d e d 的计算结果进行比较。 4 1 塔架的模态分析 论文根据1 5 m w 高速双馈风力发电机组的实际几何特征、运动特征以及装 配关系，在忽略次要部件及其结构的基础上，借助于a d a m s 平台，建立1 5 m w 风力 发电机的运动学模型，为其机电联合仿真提供可能。由于该模型中包含了机械系 统零部件的几何特征和质量特征，因此，也可以用于系统的刚体动力学分析。如果 将有关零部件用柔性体取代，就可以用于系统弹性动力学分析。 先用p r o e 建立风力发电机组的三维模型，将p r o e 中的模型导入到a n s y s 中，定义单元类型和材料属性，将模型划分网格后来定义刚性节点，之后定义刚 性区域，从而也就将模型柔性化，生成柔性体，然后将结果导入到a d a m s 系统， 再根据a d a m s 系统分析的需要，对模型进行处理，主要涉及到相关零件或实体之 间的约束关系、零部件或实体的命名、材料属性、载荷施加方式、运动零部件或 实体的驱动方式等，从而生成了风力发电机组的仿真数字模型7 1 ，也就可以用 a d a m s 对模型就行模态分析了，具体仿真流程如图4 1 所示。 2 4 长安人学硕上学位论文 图4 - 1 仿真流程图 对风机进行模态分析时不需要进行载荷加载，但需要添加各种约束关系，轮 毂与主轴采用固定副连接，叶片和轮毂采用转动副连接，塔架和底架采用转动副 连接，增速机里的各部件主要采用齿轮副连接，图4 2 为a d a m s 中的1 5 m w 风 力发电机组的仿真模型。 图4 21 5 1 v l w 风力发电机组仿真模型 兆瓦级水平轴风力发电机塔架多为细长的圆筒型、锥筒型和框架型的结构， 其顶端安装有大质量的机舱和旋转的风轮，塔架的固有动力特性对风轮的动态性 能有重要的影响。风力机塔架的动力特性最重要的是一阶前后摆动和一阶左右摆 动，其次是二阶频率和扭转。 本研究风力机塔架为锥筒型结构，约束塔架与地面固定点的六个自由度，塔 顶的风轮和机舱保持质量特性。表4 1 所示为基于a d a m s 模型仿真得到的塔架的 模态分析数据，即塔架的固有频率和振型，并将得到的结果与上一章中用b l a d e d 2 5 第阴常基十a d a m s jb 1 a d e d 软件的模态分析对比 软件得到的塔架的固有频率相比较。塔架的振型如图4 3 所示。 表4 1 塔架的固有频率 频率( h z )频率( h z ) 模态阶数 ( a d a m s )( b l a d e d ) 模态振型描述 10 4 00 4 0 一阶前后 2 0 4 0 0 。4 0 一阶左右 33 0 22 6 6 二阶前后 43 1 02 3 9 二阶左右 e 1 0 0 0 0 0 0 0 4 _ 口d 归 f r 鹎憎n c f a 明b f h 日 i 1 0 册加咖d 一f 哪舢忡24 9 4 5 0 - g 0 1 阶左右摆动自振频率2 阶左右摆动自振频率 1 阶前后摆动自振频率2 阶前后摆动自振频 图馅塔架振型 长安大学硕十学位论文 从表4 1 两种模型下塔架的频率对比可以看出基于a d a m s 计算得到的塔架一 阶前后、左右频率与b l a d e d 软件一致，二阶频率出现差异。 4 2 单叶片模态分析 叶片是风力发电机组中受力最复杂的部件，它不停地旋转，各种激振力几乎 都是通过叶片传递到风机内部。叶片是个展向长、弦向短的细长体，柔性较好， 是极易振动的弹性体，各种机械振动首先发生在叶片上。 风机叶片的主要振动形式是挥舞和摆振。 1 ) 挥舞叶片在垂直于旋转平面方向上的弯曲振动； 2 ) 摆振叶片在旋转平面内的弯曲振动。 表4 1 所示为基于a d a m s 模型仿真得到的叶片的模态分析结果，将结果与上 一章中用b l a d e d 软件得到的叶片的固有频率相比较。叶片的振型如图4 4 所示。 表4 2 单叶片模态分析计算结果 频率( h z )频率( h z ) 模态阶数( a d a m s )( b l a d e d )模态振型描述 1 1 0 91 1 0一阶挥舞方向振动 21 6 71 9 1 一阶摆振方向振动 33 0 23 3 3 二阶挥舞方向振动 45 0