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基于ANSYS的兆瓦级风力发电机叶片结构动力学分析

2017-09-20颜爱平

科学中国人 2017年21期
关键词:风轮发电机组气动

颜爱平

湖南理工职业技术学院

基于ANSYS的兆瓦级风力发电机叶片结构动力学分析

颜爱平

湖南理工职业技术学院

叶片是风力发电机组的重要组成部分,也是影响风力发电机组发电效率和使用寿命的重要部件,加强对风力发电机叶片的结构动力学分析具有重要的作用。本文以1.2兆瓦级风力发电机叶片为例,建立了风力发电机叶片动力特征方程,并采用AN⁃SYS Workbench软件进行防真分析,了解兆瓦级风力发电机叶片结构动力学,旨在为人们提供一定的参考。

ANSYS;风力发电机;叶片结构动力学

引言

风力发电机组主要由机舱、塔架和叶片等构件组成,不同部件之间的弹性变形和空间运动会相互影响,使风力发电机组的结构动力学特性变得非常复杂。风力发电机组的叶片在机组运行过程中受到的力非常复杂,其为细长弹性体,非常容易发生振动,为了判断叶片运动的稳定性,就要加强对叶片结构动力学的研究。

1.基于ANSYS的兆瓦级风力发电机叶片有限元模型

利用ANSYS Workbench软件建立叶片有限元模型具有一定的局限性,因此在建模过程中先采用Pro/E建模软件建模,然后将得到的叶片实体文件生成的x-t格式导入到ANSYS Workbench软件中。在叶片建模过程中要结合1.2兆瓦级风力发电机叶片的气动参数来建模。气动参数包括1.2兆瓦级风力发电机的额定功率、额定风速、叶轮直径、叶片半径、叶尖速比、叶片质量、切出风速、切入风速、塔架高度等。采用自由网络划分的方式对叶片进行划分,建立叶片有限元模型。

2.兆瓦级风力发电机叶片结构动力学分析

建立了风力发电机的模型之后,进行模拟计算。模拟计算主要包括两个方面的内容,分别为动态模拟和静态模拟。其中动态模拟视模拟风力发电机组启动、正常运行、空转、正常停机、紧急停机和停机等工作状况的叶片变形量、力矩以及荷载等。静态模拟则是假设风力发电机组在理想状态和稳定的风况下,计算出风力发电机组的各种参数,在风力发电机组前期设计中这些参数能够发挥出重要的作用,可以为风力风力发电机组的参数设计和性能分析提供可靠的依据[1]。

2.1 系统的固有频率

风力发电机组的固有频率如果和外界激振力的频率保持一致,此时两者就会发生共鸣,发电机组就会受到巨大的破坏,这对于风力发电机组的使用寿命是非常不利的,因此对于系统来说一定要让系统的固有频率和外界激振力不同。采用软件计算,得到系统的共振图,如下图1所示:

图1 风力发电机组系统的共振图

由图1可看出系统固有频率和风轮转速之间的关系,叶片风力发电机组的频率不能为风轮激励的3倍频率和1倍频率,而图中系统在工作转速的范围之内没有与3倍频率和1倍频率相交,因此可以说明整个风力发电机组在工作转速区间之间是可以稳定运行的。

2.2 叶片振动位移

采用软件可以得到正常运行疲劳载荷工况下叶片的侧向和前后位移,位移图是采用标准的湍流风模型得到的,是在疲惫荷载的工作状况下,模拟时间10分钟,正常的风剪切指数为0.2,垂直风入流角为10度,荷载工况为切入风速到切出风速,间隔每秒2米。在这个工况下,如果风轮旋转并进行偏航运动,此时在叶片上就会产生一个和风轮旋转平面垂直的陀螺力荷载。叶片受到法向力,这个法向力会对叶片形成气动推力,并且这个气动推力比较大。叶片受到一个空气动力荷载,叶片受到的切向力同时也会对叶片产生一个升力。由于叶片受到的气动推力比较大,也是这个气动推力使风力发电机组产生振动,气动推力对风力发电机组的振动具有很大的影响,导致叶片的侧向振动幅度比较小,但是叶片的前后方向的振动幅度比较大。

对正常停机工况下叶片的侧向位移和前后位移进行分析,采用极限风模型,旋转极限荷载类型,设置垂直风入流角为10度,正常风剪切指数为0.2,模拟1分钟。当风力机从额定转速减速旋转,并达到停车状况时,叶片在前后方向上和侧向的运动都是在衰减的。当风力机组达到停机初期,此时叶片的位移呈现出周期性的变化,会出现一个比较大的振幅,然后慢慢衰减,最后到达零,机组停机[2]。

在启动模拟工况下对叶片的侧向位移和前后位移进行分析,可以采用定速风模型,模拟时间1分钟,在疲劳荷载的类型下。当风力机由停车的状态开始启动,通过加速选择达到额定的转速,风轮叶片的起始位移会产生非常大的波动。这主要是由于风轮叶片受到的气动增加,风轮转动的角速度也是增大的,当启动完成之后,风力机的旋转就会慢慢恢复平稳,最终达到额定的工作状况。

3.结语

采用ANSYS Workbench软件进行防真模拟,通过模拟三个不同工况下的风力发电机组的运行过程中叶片的振动位移,可以得出一系列的结论。在停车和启动的工况下,叶片在侧向和前后方向的运动都是逐渐衰减的。在停车过程中,叶片会受到刹车力矩、惯性力等的作用,影响叶片的运动平稳性。为了让叶片的运动在停车过程中也可以比较稳定的减少,就一定要对叶片进行校核。机组在正常的运行状况下,由于气动推力对风力发电机组会产生较大的影响,因此叶片的摆振振幅比较小,挥舞振动幅度比较大。

[1]司敏劼.基于ANSYS兆瓦级风力发电机叶片疲劳寿命分析[D].兰州理工大学,2015.

[2]胡国玉,孙文磊,董平.5MW风力发电机复合材料叶片结构力学特性分析[J].可再生能源,2015,33(6):871-875.

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