永磁直驱型风力发电机组轮毂及其连接螺栓有限元分析

论文摘要

风力机轮毂是风轮的连接和承力部件,它与叶片、主轴(转子)通过螺栓连接构成风轮。所有从叶片传来的载荷,都要通过轮毂传递到传动系统,再传到发电机,所以风力发电机组轮毂及其连接螺栓的结构强度和疲劳强度关系到风力机组的可靠性和安全性。为确保风力机在其设计寿命内能够正常运行,依据(GL)认证规范,本论文就某MW级水平轴式永磁直驱型风力发电机组的轮毂及其连接螺栓进行有限元分析,重点分析了该轮毂在极限载荷作用下的静强度和疲劳寿命,以及轮毂连接螺栓在预紧力工况和实际工作工况下的接触强度与疲劳寿命。总结了基于GL规范对轮毂及轮毂连接螺栓接触强度分析的方法。主要研究内容如下:①从水平轴式永磁直驱型风力发电机组的结构入手,依据叶素动量理论,借助风力发电机组专用载荷计算仿真软件GH Bladed对风力发电机组整机进行系统动力学仿真,计算得到轮毂的叶根处极限载荷和轮毂中心极限载荷。②按照轮毂几何建模、有限元模型网格的划分、边界条件的设定、载荷施加,提交运算等步骤,对轮毂结构静强度进行分析研究,重点就边界条件设定和载荷施加方式进行分析对比,使得施加的边界条件和载荷更加符合实际情况。③根据风力发电机组的受力特点,选择适合轮毂的疲劳分析方法,应用仿真得到的疲劳载荷谱,计算轮毂在某地风况下运行20年的疲劳损伤。④对轮毂连接螺栓进行接触强度分析,计算得到螺栓及轮毂的应力状况,从应力结果分析得出螺栓在轮毂连接方面起着至关重要的作用,且螺栓预紧力对轮毂应力贡献最大。⑤通过Bladed软件,利用通道合并和螺栓上所施加的载荷与其应力关系,生成螺栓应力时间历程,验证螺栓20年设计寿命内的累积疲劳损伤是否满足要求。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 发展风力发电的战略意义
• 1.2 风力发展技术及国内外研究现状
• 1.2.1 国外技术现状
• 1.2.2 国内技术现状
• 1.3 论文的研究意义及内容
• 1.3.1 课题的来源
• 1.3.2 论文研究的意义
• 1.3.3 论文的主要研究内容
• 2 永磁直驱型风力机基本结构及载荷来源
• 2.1 永磁直驱型风力发电机组基本结构
• 2.1.1 风轮
• 2.1.2 发电机
• 2.1.3 变桨装置
• 2.1.4 偏航装置
• 2.1.5 塔架
• 2.2 叶素动量理论
• 2.3 风电规范中对坐标系的规定
• 2.4 风力发电机组轮毂载荷计算
• 3 永磁直驱风力发电机轮毂静强度分析
• 3.1 轮毂三维几何模型的建立
• 3.2 轮毂模型的简化
• 3.3 部件之间连接关系
• 3.4 网格划分
• 3.5 风力发电机各组成部分材料属性
• 3.6 边界条件
• 3.6.1 约束转子端面的边界条件
• 3.6.2 梁单元模拟定子对转子的约束
• 3.6.3 比较分析
• 3.7 载荷施加与结果分析
• 3.7.1 所有载荷施加于叶根处的加载方式
• 3.7.2 变桨力矩施加于变桨孔处的加载方式
• 3.7.3 考虑变桨电机重力的加载方式
• 3.7.4 结果对比分析
• 4 永磁直驱风力发电机轮毂疲劳寿命分析
• 4.1 疲劳累积损伤理论
• 4.2 疲劳设计方法与疲劳分析方法
• 4.3 疲劳分析的基本步骤
• 4.3.1 载荷谱的获取与确定
• 4.3.2 疲劳特性确定
• 4.4 疲劳应力分析
• 4.5 S-N 曲线的确定
• 4.6 疲劳载荷谱的处理
• 4.7 疲劳寿命分析结果
• 5 轮毂连接螺栓接触强度分析
• 5.1 轮毂与变桨轴承连接螺栓接触强度分析
• 5.1.1 轮毂与变桨轴承连接螺栓接触分析模型
• 5.1.2 轮毂与变桨轴承螺栓接触分析参数设定
• 5.1.3 边界条件及载荷的设定
• 5.1.4 分析结果
• 5.2 轮毂与转子连接螺栓接触强度分析
• 5.2.1 轮毂与转子接触分析参数设定
• 5.2.2 边界条件及载荷设置
• 5.2.3 分析结果
• 5.3 螺栓连接强度计算结果分析
• 6 轮毂与转子及变桨轴承连接螺栓疲劳寿命分析
• 6.1 螺栓疲劳分析的载荷设置
• 6.1.1 轮毂与变桨轴承螺栓载荷设置
• 6.1.2 轮毂与转子螺栓载荷设置
• 6.2 S-N 曲线的设定
• 6.3 螺栓疲劳计算结果
• 6.3.1 轮毂与变桨轴承螺栓疲劳计算结果
• 6.3.2 轮毂与转子螺栓疲劳计算结果
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 后续工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录