MW级风力发电机轮毂强度分析.pdf

收稿日期 2006 07 03 基金项目 国家 863 计划资助项目 2005AA512020 作者简介 孙传宗 1982 男 黑龙江大庆人 硕士 主要从事风力发电机等方面的研究 文章编号 1000 1646 2008 01 0046 04 MW 级风力发电机轮毂强度分析 孙传宗 姚兴佳 单光坤 陈 雷 金嘉琦 沈阳工业大学 风能技术研究所 沈阳 110023 摘 要 轮毂是风力发电机中连接主轴和叶片的关键部件 承担抵抗风载 传递转矩的作用 对轮 毂进行精确的强度分析尤为重要 采用联合分析的方法 利用 BLADE 风机分析软件和 ANSYS 有 限元分析软件对 SUT 1000型风机轮毂进行了强度计算 依据 IEC 风况标准得到了轮毂极限载荷 采用了 MPC 多点约束单元技术对结构作了等效简化处理 对连接螺栓进行了强度校核 分析结果 表明 该轮毂及螺栓满足设计要求 经样机运行验证 该方法能够准确地反映轮毂受力情况 与理 论估算相比具有计算精确 轮毂结构布局合理 重量轻等优点 关 键 词 风力发电机组 轮毂 螺栓 有限元 静强度 中图分类号 TM 614 文献标志码 A Strength analysis of MW wind turbine hub SUN Chuan zong YAO Xing jia SHAN Guang kun CHEN Lei JIN Jia qi Wind Energy Institute Shenyang University of Technology Shenyang 110023 China Abstract Hub is a key component linking principal axis with vane in wind turbines bearing wind load and delivering torsion Therefore it is important to analyze accurately strength of the hub The stress distribution of the hub in the SUT 1000 wind turbine was calculated using BLADE and ANSYS software T he ultimate loads of the hub were obtained based on IEC standard and an equivalent model was built by multipoint constraint elements and equivalent simplified technology in analysis The stress of the bolt was also checked The analysis results indicate that the hub and bolts satisfy technical requirements Experimental results show that the proposed scheme is valid and has the advantages of precisely optimizing structure and light weight compared with theoretical method Key words wind turbine hub bolt FEA static stress ANSYS 作为一种强大的有限元分析软件 已 广泛应用于机械 电子 航空航天 汽车 船舶等各 个领 域 是 现代 设计 中必 不 可少 的工 具 1 BLADE 是 Garrad Hassan and Partners Limited公 司研制的一款风力机大型设计软件 这套软件可 以对风力机设计中的各个部分 包括叶片翼型选 择与设计计算 传动链的配置形式 控制方式的选 择 载荷的计算 疲劳分析等进行有效的计算与验 证 是目前不可多得的功能较丰富的风力机设计 软件 2 本文基于 ANSYS 强大的分析功能 通过 BLADE 软件在计算机上建立风力机的数字化实 时仿真器 模拟出风力机在各种不同的运行情况 下叶片及轮毂的动态性能 进而筛选出载荷计算 报告中的极限值作为应力初始值 对沈阳工业大 学研制的 1MW 级风力发电机的轮毂进行有限元 分析 获得了比较好的效果 同时缩短了设计周 期 降低了设计费用 1 结构及载荷简介 本文以 1MW 机型 SUT 1000 的轮毂部分为 研究对象 分析轮毂的强度及轮毂与叶片间连接 第30卷 第1期 2 0 0 8 年 2 月 沈 阳 工 业 大 学 学 报 Journal of Shenyang University of Technology Vol 30 No 1 Feb 2 0 0 8 螺栓的强度校核 3 结构形式与载荷坐标系见图 1 轮毂构型见图 2 图 1 风力发电机组结构与坐标系 Fig 1 WEC structure and coordinate system 图 2 轮毂构型图 Fig 2 Sketch of hub 风力发电机的叶轮由三片叶片对称安装在轮 毂上构成 两片叶片间的夹角为 120 叶片与轮 毂依靠轴承连接 并用螺栓分别紧固在轴承的内 外圈上 通过液压驱动同步盘实现变桨距功能 叶 片产生的气动载荷以及由于风轮旋转和机舱对风 转动引起的离心力 惯性力和重力通过三片叶片 传递给轴承并最终通过螺栓传递到轮毂上 这些 载荷和轮毂自身的重力构成了轮毂载荷 4 5 由 于轮毂结构形状复杂 当轮毂承受叶片传来的各 种静载荷和交变载荷时 在轮毂法兰盘处很容易 引起应力集中 因此轮毂设计的好坏将直接影响 到整个风力发电机的正常运行和使用寿命 有必 要对轮毂进行受力分析以确定轮毂各个部位应力 分布 为轮毂的优化设计提供依据 6 7 2 载荷计算 风力 发 电 机 的 极 限 载 荷 计 算 是 依 据 IEC61400 1 指定的载荷工况 利用风力机大型设 计软件 BLADE 计算得到 安全系数取 1 35 BLADE 中模型的建立见图 3 图 4 叶片根部载荷 报告见表 1 图 3 轮毂 BLADE模型 Fig 3 BLADE model of hub 图 4 载荷输入模型 Fig 4 Model of loading on BLADE 表 1 工况 载荷表 Tab 1 Working condition and loading 最大载荷工况叶片 1叶片 2叶片 3 Fx1 8 i 143 1 144 5 148 2 Fy6 1 e154 7 183 5 158 2 Fz1 5 i521 3486 1522 2 Mx6 1 e2379 12 647 92 518 3 My1 8 i2313 92 294 32 334 2 Mz7 1 h 149 8 148 9 150 7 3 有限元分析 3 1 有限元模型 轮毂 有限 元模 型的建 立是 通过 SOLID WORKS 软件形成 PARASOLID格式的实体转入 ANSYS 中 再进行分网 轮毂模型采用 10 节点实 体单元 叶片与轮毂连接面的中心与螺栓中心及 螺栓长度用多点约束梁单元连接 应用有限元素法 静力分析方程可归纳为 KU F 1 式中 K 结构刚度矩阵 U 位移向量 47第 6 期孙传宗 等 MW 级风力发电机轮毂强度分析 F 外力向量 在ANSYS 中多点约束刚性梁有如下特性 ui uj 2 ei1 ej2 0 3 ei1 ej3 0 4 tan 1 ei2 ej3 ei3 ej3 0 5 式中 ui 节点 i 处的平动矢量 ei 节点 i 处的转动矢量 当前坐标系下的旋转角 由式 2 4 得到三个附加方程 8 故可以 处理实体单元与梁单元之间不同自由度数之间耦 合的问题 有限元模型见图 5 及图 6 共划分 57 098 个 单元 97 960 个节点 依据 BLADE 软件计算得到 的极限载荷值表 1 施加极限载荷 轮毂材料属性 见表 2 图 5 轮毂有限元模型 Fig 5 ANSYS model of hub 图 6 梁单元 Fig 6 Model of beam unit 表 2 轮毂材料参数 Tab 2 Material property of hub 密度 g cm 3 弹性模量 MPa 泊松比 屈服强度 MPa 7 2200 0000 3250 3 2 有限元边界条件 在轮毂与主轴连接螺栓处建立节点 并施加 Ux Uy Uz三个方向 以模拟轮毂真实约束情 况 叶片载荷在三片叶片与轮毂连接面中点 按叶 片局部坐标系分别施加 3 3 有限元计算结果及分析 有限元计算效果图见图 7 10 从有限元计算 结果可以看出 轮毂与叶片连接区域或轮毂与主轴 连接区域应力较大 最大应力出现轮毂与主轴连 接螺栓点处 最大单点等效应力为151 MPa 远小 图 7 载荷和约束 Fig 7 Load and restriction 图 8 最大主应力分布 Fig 8 Distribution of maximum main stress 图 9 等效应力分布 Fig 9 Distribution of equivalent stress 48 沈 阳 工 业 大 学 学 报第 30 卷 图 10 变形分布 Fig 10 Distribution of distortion 于材料的屈服强度 故该轮毂设计满足强度要求 从有限元计算结果中提取轮毂与叶片连接螺 栓载荷 以校核轮毂与叶片间螺栓的强度 这里载 荷输出为轴向力 轴向力受拉为正 受压为负 经 ANSYS 有限元提取叶片 1 上螺栓的最大轴向力 出现在前端 23 868 节点处 为 260 086 7 N 叶片 2上螺栓的最大轴向力出现在前端 25 260 节点 处 为 215 345 7 N 叶片 3 上螺栓的最大轴向力 出现在前端 22 428 节点处 为 230 742 9 N 本文 选取 238 686 节点处的螺栓为研究对象 选取危 险载荷状态进行强度校核 3 4 预紧联接单个螺栓的强度计算 当叶片旋转至水平位置时 叶片与轮毂连接 处的螺栓受横向载荷最大 载荷值为叶片的重力 G 44100 N 为保证接合面不出现间隙 在横向 力作用下 不滑移的条件为 Qp M A W z Fmax 6 式中 Qp 预紧力 M 翻转力矩 为 3 97 108Nmm A 接合面面积 为 511 506 mm2 W 截面抗弯模量 为 2 21 108mm3 Z 螺栓个数 为 50 Fmax 最大轴向力 为 260 086 7 N 则 Qp M A W z Fmax Qp 3 97 107 511 506 2 21 108 50 260 086 7 Qp 278 456 1 N 在剪切力作用下不滑移 即 Qp kf R f z Fmax 7 式中 kf 可靠性系数 为 1 2 R 横向外载荷 为 44 100N f 接合面摩擦系数 见文献 1 中表 6 1 为 0 13 因而 Qp kf R f z Fmax Qp 1 2 44 100 0 13 50 260 086 7 Qp 268 228 2 N 由以上 分 析可 知 螺栓 预 紧力 不 能 小于 278 456 1 N 故取 Qp 280 000 N 则 螺栓所受 的最大总拉力 Q 为 Q CL CL CF F Qp 8 对于刚性连接 由文献 3 中表 6 3 知 CL CL CF 0 25 因而 Q CL CL CF F Qp 0 25 260086 7 2 800 000 345 021 7 N 9 螺栓 10 9 级 b 1 040MPa 0 2 940 MPa 螺栓最小直径为 26 211 mm 则 0 4P d 2 1 4 345 021 7 3 14 26 2112 639 75 b kj tkcl 0 1 040 1 15 1 1 639 75 1 29 叶片与轮毂连接螺栓剩余强度系数为1 29 故安全 4 结束语 利用 BLADE 和 ANSYS 软件对轮毂进行受 力分析不仅可以缩短设计周期 而且能较真实地 反映轮毂的受力情况 为后续的轮毂设计和改进 提供了重要依据 参考文献 1 刘涛 杨凤鹏 精通 ANSYS M 北京 清华大学出 版社 2002 LIU T ao YANG Feng peng Proficiency in ANSYS M Beijing Tsinghua University Press 2002 2 Burton T Sharpe D Jenkins N et al Wind energy handbook M England John Wiley Sons Ltd 2001 330 340 3 高泽远 机械设 计 M 沈阳 东北大 学出版社 1997 82 105 GAO Ze yuan Machine design M Shenyang North eastern University Press 1997 82 105 下转第 107 页 49第 6 期孙传宗 等 MW 级风力发电机轮毂强度分析 2 毛新军 王怀民 陈火旺 等 Agent 计算的理论框架 J 计算机研究与发展 1999 36 11 1310 1314 MAO Xin jun WANG Hua i min CHEN Huo wang et al A theoretical framework of agent computing J Journal of Computer Research and Developments 1999 36 11 1310 1314 3 吴战杰 秦健 Agent 技术及其在网络教育中的应用 研究 J 电化教育研究 2003 3 32 36 WU Zhan jie QIN Jian Agent technology and applica tion and studying in network education J E Educatin Research 2003 3 32 36 4 范玉顺 曹军威 多代理系统理论 方法与应用 M 北京 清华大学出版社 2002 FAN Yu shun CAO Jun wei T heory method and ap plication of MAS M Beijing Tsinghua University Press 2002 5 杜芸普 周三元 一种基于多 went 的合作智能教学系 统模型方法 J 沈阳工业大学学报 2003 3 247 249 DU Yun pu ZHOU San yuan A kind agent based co operative intelligent tutoring system model J Journal of Shenyang University of Technology 2003 3 247 249 6 赵振宇 徐用 模糊理论和神经网络的基础与应用 M 北京 机械工业出版社 1996 ZHAO Zhen yu XU Yong Basis and application of misty theories and Neural Network M Beijing China Machine Press 1996 7 毛新军 王怀民 陈火旺 等 Agent 计算的能力理论 J 计算机研究与发展 1999 36 10 1158 1163 MAO Xin jun WANG Hua i min CHEN Huo wang et al Capacity theory of Agent calculation J Journal of Computer Research and Developments 1999 36 10 1158 1163 8 申瑞民 许彦青 张同珍 等 基于多代理的智能型远 程教学环境研究 J 计算机工程与应用 2002 4 253 256 SHEN Ru i min XU Yan qing Zhang Tong zhen et al Study on mult i agents based intelligent distance learning environment J Computer Engineering and Applications 2002 4 253 256 责任编辑 吉海涛 英文审校 陈立佳 上接第 49 页 4 姚兴佳 刘光德 邢作霞 等 大型变速风力发电机组 总体设计中的几个问题探讨 J 沈阳工业大学学 报 2006 2 5 11 YAO