兆瓦级风力发电机组风轮与低速轴系耦合效应研究

1、兆瓦级风力发电机组风轮与低速轴系耦合效应研究风轮与低速轴系耦合效应研究1报告内容报告内容1.课题意义与研究现状2.研究目标及研究内容 3.方法、技术路线及实验方案 4.课题创新性及前期积累 2中国风电行业飞速发展20112011年年中国新增安装风中国新增安装风电机组电机组1140911409台，台，装机容量装机容量17630.9MW17630.9MW，累计安装风电机累计安装风电机组组4589445894台，装机台，装机容容62364.2MW62364.2MW，年增长年增长39.4%39.4%。3带来的一系列问题带来的一系列问题并网不稳定、噪声大、主要零部件故障多等诸多问题并网不稳定、噪声大、主

2、要零部件故障多等诸多问题 其中，风轮与低速轴系作为风其中，风轮与低速轴系作为风机重要部件，它的振动故障问题机重要部件，它的振动故障问题1.1.叶片断裂叶片断裂2.2.风轮表面有浮冰风轮表面有浮冰3.3.低速轴轴承损伤等低速轴轴承损伤等被越来越多的研究人员所关注。被越来越多的研究人员所关注。1 12 23 34风轮低速轴系研究现状风轮低速轴系研究现状国内外学者大都采用多体系统动力学方法、有限元方法对国内外学者大都采用多体系统动力学方法、有限元方法对风轮与组件开展了相应的研究性工作风轮与组件开展了相应的研究性工作低速轴低速轴轴承风轮1.1.叶片强度分析叶片强度分析2.2.复合材料研究复合材料研究3

3、.3.动态响应分析动态响应分析等等1.1.低速轴强度分析低速轴强度分析2.2.安装误差影响安装误差影响等等1.1.轴承强度分析轴承强度分析2.2.动态响应分析动态响应分析等等5不足之处不足之处多数研究内容只限于单一零件的结构、强度、动多数研究内容只限于单一零件的结构、强度、动态响应分析。态响应分析。对风轮与低速轴系之间的耦合动力学效应研究较少对风轮与低速轴系之间的耦合动力学效应研究较少由于叶片在运行过程中的振动特性不仅受到外界由于叶片在运行过程中的振动特性不仅受到外界环境，以及自身的安装特点的影响，还要受到低速轴环境，以及自身的安装特点的影响，还要受到低速轴系统耦合关系的影响。风轮系统质量与安

4、装误差等自系统耦合关系的影响。风轮系统质量与安装误差等自身条件的改变也将会对低速轴系统的振动产生影响。身条件的改变也将会对低速轴系统的振动产生影响。因此，现阶段对风轮与低速轴系统的耦合动力学因此，现阶段对风轮与低速轴系统的耦合动力学分析显得尤为重要。分析显得尤为重要。6研究目标与内容以兆瓦级风力发电机组风以兆瓦级风力发电机组风轮与低速轴系为研究对象轮与低速轴系为研究对象耦合系统有限耦合系统有限元模型元模型耦合系统多体动耦合系统多体动力学模型力学模型虚拟样机模型虚拟样机模型7研究目标与内容目标一：目标一： 风轮与低速轴系振动耦合效应研究风轮与低速轴系振动耦合效应研究1.1.不同的风轮质量下低速轴

5、支不同的风轮质量下低速轴支撑轴承动力学特性变化撑轴承动力学特性变化2.2.当风轮在自由振动时对轴与当风轮在自由振动时对轴与轴承的影响轴承的影响3.3.不同刚度的浮动轴承在自由不同刚度的浮动轴承在自由振动时叶片的变形情况振动时叶片的变形情况有限元模型有限元模型8研究目标与内容1.1.不同风载下柔性叶片叶尖变不同风载下柔性叶片叶尖变形情况；形情况；2.2.不同风载下低速轴支撑轴承不同风载下低速轴支撑轴承与叶片之间动力学耦合效应；与叶片之间动力学耦合效应；3.3.不同风载下不同风载下叶片的翼型参数叶片的翼型参数对低速轴支撑轴承动力学特对低速轴支撑轴承动力学特性的影响。性的影响。多体系统动力学模型多体

6、系统动力学模型目标二：目标二：不同风载条件柔性叶片与低速轴系动力学特不同风载条件柔性叶片与低速轴系动力学特性的相互耦合关系性的相互耦合关系9研究目标与内容由于浮冰作用会引起叶片由于浮冰作用会引起叶片动平故障，进而对轴承动平故障，进而对轴承产生较大的振动影响。产生较大的振动影响。针对这一问题本课题将应针对这一问题本课题将应用虚拟机技术模拟进行用虚拟机技术模拟进行模拟分析，进而提出解模拟分析，进而提出解决此类问题的方法。决此类问题的方法。虚拟样机模型虚拟样机模型目标三：目标三：在特殊环境下叶片的动平衡对低速轴系统的影在特殊环境下叶片的动平衡对低速轴系统的影响响10构构建建叶叶轮轮系系统统低低速速轴

7、轴系系统统耦耦合合系系统统物物理理模模型型耦耦合合系系统统数数学学模模型型系系统统虚虚拟拟样样机机建建立立数数值值解解仿仿真真解解是是否否一一致致结结论论Y Y 模模型型修修正正N N搭搭建建叶叶片片有有限限元元模模型型数数值值验验证证是是否否一一致致N NY Y 模模型型修修正正有限元模型建立有限元模型建立虚拟样机模型虚拟样机模型技技术术路路线线11有限元计有限元计算得到数算得到数值解、多值解、多刚体动力刚体动力学思想得学思想得到模型数到模型数值解值解数值验证：数值验证：验证数值验证数值解与仿真解与仿真解是否一解是否一致致总结总结改进改进展望展望建立建立有限元模有限元模型、多体型、多体系统动

8、力系统动力学模型、学模型、虚拟样机虚拟样机模型模型研究方法与方案研究方法与方案12风轮与低风轮与低速轴系统速轴系统的混合单的混合单元有限元元有限元建模方法建模方法研究研究创新性创新性不同风载不同风载条件柔性条件柔性叶片与低叶片与低速轴动力速轴动力学特性的学特性的相互耦合相互耦合关系研究关系研究将虚拟样将虚拟样机技术与机技术与故障技术故障技术想结合用想结合用于解决风于解决风力机故障力机故障问题问题1314前期积累前期积累大量阅读文献，与相关书籍，模型进行深入了解大量阅读文献，与相关书籍，模型进行深入了解14图一图一 耦合系统物理模型耦合系统物理模型图二图二 等效后模型等效后模型14前期积累前期积累有限元模型有限元模型风轮固有频率与风机工作转速图风轮固有频率与风机工作转速图1514前