【《风力发电机组轮毂的设计计算案例》2100字】

风力发电机组轮毂的设计计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u29418风力发电机组轮毂的设计计算案例 1321731.1轮毂几何模型的建立 130071.2轮毂材料 273351.3轮毂载荷计算 497371.1.1重力载荷的计算 4197801.1.3惯性载荷的计算 5262061.1.4轮毂载荷汇总 51.1轮毂几何模型的建立轮毂是连接叶片和发电机的中间部件，它承受的载荷比较复杂、应力较大，主要有叶片的气动载荷、叶片的气动载荷和离心力载荷，并且分布不均，重要集中在轮毂连接叶片到轮毂连接主轴这一段。根据阅读西华大学徐志坚的《水平轴轮毂的强度分析及其优化》本次设计采用轮毂有两个并非同心球体的设计方法，根据阅读内蒙古农业大学许明的《风力发电机组轮毂和塔架的载荷分析研究》了解到1.5MW风力发电机组轮毂壁厚设定为100mm，通过阅读新疆大学王良英的《2MW风机轮毂轻量化结构设计有限元分析》了解到2MW风力发电机组轮毂设计壁厚范围80~150mm。本次设计考虑到轮毂载荷分布特点，轮毂模型的基础构成采用两个并非同心圆球体组成的球壳，内部球体的球心偏离外部球体的球心20mm。2MW风力发电机组轮毂尺寸为：外面大圆的直径为3600mm，内圆的半径为3360mm，叶片连接轮毂处直径2600mm，主轴连接机舱处直径2000mm。轮毂最大的壁厚为140mm，最小的壁厚为100mm，且最大的壁厚位于轮毂与主轴连接端，最薄的壁厚位于轮毂的导流罩处。风力发电机组轮毂的三维模型如图1.1所示。图1.1轮毂模型1.2轮毂材料1.2.1轮毂材料属性轮毂的作用是连接叶片和低速轴，要求能承受较大和复杂的载荷，并且承受叶片上传递的各种载荷，然后传递到发电机转主轴上，轮毂是固定叶片和组成叶轮的重要部件，轮毂是叶片连接机舱的枢纽，也是叶根与主轴的连接体。叶片产生的动能通过轮毂传递到传动系统，再传递给发电机进行发电。并且，轮毂还是安装变桨系统控制叶片变桨的场所，如图1.2所示。图1.2风力发电机组结构风力发电机组主要有水平轴和垂直轴两种轴向不同的机组。本文中分析的是水平轴风力发电机组轮毂的静强度和疲劳，轮毂的制造工艺比较复杂，制造轮毂的材料要求也比较高。制造轮毂常见的材料主要由铸铁组成，如灰铸铁HT系列；球墨铸铁QT400、QT350系列等，其中使用比较多的球墨铸铁。轮毂是风力发电机组中，受力情况最为复杂的是轮毂，并且要具有很高的可靠性，它将叶片产生的力和扭矩等载荷吸收后传递到了主轴，受到的周期性载荷和不确定性载荷比较大，所以制造轮毂的材料性能要求很高，要有很强的材料属性和力学性能，本次设计轮毂选用的材料为材料属性和力学性能比较强的球墨铸铁QT400-182，材料的力学性能为：抗拉强度>400MPa，屈服强度>250MPa，延伸率为8%REF_Ref71666683\r\h[12]。球墨铸铁属性如表1.1所示。轮毂铸造使用的材料是球墨铸铁，球墨铸铁具有较高的塑性和韧性，并在减震方面具有比较突出的优点，其综合性能接近于钢，用球墨铸铁铸造风力发电机组的轮毂既满足了轮毂高强度和高韧性的要求，也降低了铸造的成本。表1.1轮毂材料属性名称材料杨氏模量N/m2泊松比μ密度kg/m2轮毂球墨铸铁1.71×10110.2970001.2.2轮毂材料安全属性在考虑材料强度的固有可变性、加工控制范围或加工方法等不确定因素时，可将材料局部安全系数分为若干个局部安全系数；德国船级社标准给出的材料局部安全系数为“一般材料系数”，它仅考虑强度参数的固有可变性，如果材料标准给出其他不确定性局部安全系数，则也应加以考虑，材料局部安全系数应根据充分有效地材料性能试验数据确定，考虑到强度参数的固有可变性，当使用95%置信度及95%存活率的典型材料性能时，所用的材料一般局部安全系数应不小于1.1；如果要获得其他存活率P和变异系数为10%或高于10%的典型材料性能，应根据表1.2选取有关的一般系数，当未规定材料性能存活率P和变异系数时，可假定P＝95%及＝10%，对于连接件及其接头强度分析，除采用上述局部安全系数外，还应采用1.15的接头系数，对受力铸件，还应采用1.25～2.0的铸件系数[13]。轮毂是一个受力铸件，取铸件系数为1.25，假定P＝95%及＝10%，一般材料系数为1.1。表1.2材料一般局部安全系数P%=10%=15%=20%=25%=30%991.021.051.071.121.17981.061.091.131.201.27951.101.161.221.321.43901.141.221.321.451.60801.191.301.441.621.82则材料的安全系数 (1.1)式中：一般材料系数为1.1；轮毂材料的铸件系数为1.25。1.3轮毂载荷计算1.1.1重力载荷的计算作用在带动叶片上的相应重力矩和相应载荷对于带动叶片高速运动时所产生的叶片摆振及其运动旋转方向的相应重力矩也称为弯矩。当风轮转动时，三个叶片各自作用于轮毂的重力不同，叶片在选择过程中作用在轮毂上的重力也在不断的发生变化；当轮毂旋转到如图2.11所示的时候，轮毂所受的重力载荷最大(极限载荷)，图中G为叶片1作用于轮毂的重力，F1为叶片2作用于轮毂的重力,F2为叶片3作用于轮毂的重力。图1.3重力载荷最大时的轮毂状态由于叶片是一个不规则的空心实体，且其质心的位置和规则体也不同。由于叶片叶根处弦长大于叶尖处，这就意味着叶片重量主要集中在叶片前半段，因此在本文假设叶片的质心在风轮的40%处，即质心距风轮中心L=22m。叶片的质量为m=0.9×104kg,重力加速度为g=9.8m/s2，则三个叶片作用于轮毂的重力及力矩分别为： (4.1) (4.2) (4.3) (4.4) (4.5)1.1.3惯性载荷的计算叶片的惯性载荷主要的来源为离心力，由于离心力的方向总是沿叶片向外，所以叶片作用于轮毂上的离心力Fp为： (4.6)式中m=0.9×104kg，ω=1.21rad/s。由公式(1.19)计算可得，轮毂所受的离心力=289891.8N。1.1.4轮毂载荷汇总此次轮毂的设计载荷考虑叶片承受的离心载荷、气动载荷、重力，通过第二章、第三章计算的载荷汇总得三个叶片安装处载荷如表1.4所示，叶片位置如1.5所示。表1.4轮毂所受载荷轮毂载荷位置(N)(N)(N)(N)(N.m)(N.m)(N.m)位置一71916.7830866.26289891.88