风力发电机轮毂加工工艺研究

风力发电机轮毂的制造工艺难度较大.文中通过对其结构特点的分析,优化加工工艺方案,利用先进的检验设备配合数控加工,确保了轮毂加工精度.     

风力发电机组轮毂结构优化

以中国自行设计的某MW级风机轮毂为研究对象,先对轮毂进行拓扑优化,验证拓扑结构,然后对轮毂进行自由尺寸优化,给出一种新型的轮毂结构,使得轮毂重量减少18.6%.优化后的轮毂不但节省材料的消耗,而且使得轮毂强度增加51.4%,疲劳寿命满足使用要求.     

2MW风力发电机低速轴轴承寿命分析

轴承是支撑轴转动的重要部件,其使用寿命关系着整个机器的运行安全。依据某2MW风力机传动系统中低速轴为例,通过BLADED软件分析出的60s载荷图,根据疲劳损伤累积原理和雨流计数方法,绘制出风力机主轴载荷谱,并根据行星轮传动原理和理论力学等基本知识得出低速轴载荷谱。采用圆柱滚子轴承NU0000型为算例,由载荷谱计算出轴承寿命,选用一般轴承寿命计算和SKF轴承寿命公式计算两种方法分别计算。其结果表明轴承的寿命满足要求,并且可以用于一般轴承的寿命计算方法。为以后风力发电机研究和相关机械的设计提供理论依据。     

MW级风力发电机组轮毂连接螺栓接触强度分析

根据认证(GL)规范,运用有限元分析软件,对某MW级风力发电机组轮毂与叶片螺栓连接、轮毂与主轴螺栓连接进行了接触分析.分析了该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.总结了基于GL规范对螺栓接触强度分析的方法.     

垂直轴风力发电机主轴结构优化设计

在全面分析垂直轴风力发电机主轴结构和受力的基础上,运用ANSYS Workbench建立垂直轴风力发电机主轴的参数化有限元模型。以主轴的强度和刚度为约束条件,以主轴质量最小为目标。对主轴的内径、支承跨距、轮辐与支承的距离和轮辐跨距进行了优化计算。并对优化前后结果进行了对比分析。计算结果表明:垂直轴风机主轴结构优化后,在保证各项力学性能的前提下,主轴质量得到较大幅度的减小。从而降低了主轴的生产成本,提高了垂直轴风力发电机的市场竞争力。     

2MW风力发电机关键零部件有限元分析

有限元就是用具有一定大小的单元对原来连续的物体力学模型进行离散。这些单元仅在为数不多的节点上相连接,然后将等效力代替实际作用于单元的外力并施加在节点上。为每个单元选择一个能够表示单元位移分布规律的形函数,根据弹性力学理论中的变分原理建立单元节点力和位移之间的方程。最后把这种所有的单元联立起来组成方程组(以节点位移为未知量),最后解这些方程组。对风力发电机的增速箱中行星架和输出齿轮轴进行了有限元分析,将建立的限元模型的部件进行静态强度分析,得出行星架、齿轮轴轴在载荷下的应力分布规律和位移分布规律。利用有限元动力学分析理论,对齿轮轴进行模态分析,确定各部件的固有频率、相应振型和承受动态载荷结构设计中的重要参数。在最后,通过有限元分析软件ANSYS的优化功能,对行星架进行拓扑优化,为行星架的进一步优化设计提供了依据。     

基于OptiStruct的风力叶片拓扑优化设计

基于OptiStruct的优化平台对二维薄板和风力叶片进行了不同目标的拓扑优化,给出了均匀材料和复合材料结构分别在最小位移和应力目标下的拓扑优化结构。结果表明拓扑优化方法能够对复和材料的风力叶片进行有效优化,并提供材料的优化布局方案。     

MW级风力发电机轮毂与主轴连接螺栓强度分析

针对MW级风力发电机轮毂与主轴连接螺栓强度设计问题,运用有限元软件ANSYS建立轮毂与主轴连接螺栓仿真模型;通过对轮毂与主轴连接螺栓的受力分析、螺栓有限元模拟方法的研究,基于GL规范,分别利用有限元方法和工程计算,对该连接螺栓进行了强度分析和接触面滑移分析。研究结果表明,螺栓强度和滑移面剪切力满足设计要求。该研究为风机轮毂与主轴连接螺栓强度校核提供了参考。     

风力发电机专用轴承

介绍了国内外风力发电机专用轴承设计、生产及应用的现况，展望了今后几年我国风机轴承可观的市场前景。     

1.5MW风力发电机行星齿轮机构动态特性研究

基于三维软件Pro-E,建立了1.5MW风力发电机行星轮系传动系统模型,并导入ADAMS进行刚体动力学仿真,通过接触力比较得知太阳轮易受损,通过ANSYS模态分析,得到其前十阶固有频率,为今后齿轮箱动态特性研究提供数据基础.     

基于MW级风力发电机塔架的有限元分析

讨论了MW级风力机塔架的有限元静力及稳定性建模分析和有限单元类型的选取及计算方法,并以1.5MW某风力发电机塔架为例,对风力发电机塔架结构进行了静力分析和稳定性分析.得出塔的截面按照变截面来进行设计是合理的,分段式塔架是一种合理的结构,各段塔架所受应力不等;塔架稳定性取决于其一阶屈曲临界载荷,荷载作用下塔架的应力最大处并不一定就是其屈曲薄弱点,而应力较大且挠度较大的薄壁部位,是发生屈曲失稳的危险点.     

基于GL规范对兆瓦级风力发电机组机架的分析计算

对机架的分析计算包括极限强度分析、疲劳强度分析和模态分析。由于机架的结构和承受的载荷复杂,利用有限元方法对兆瓦级风力发电机组机架进行极限强度分析。根据GL规范和EC3(1~9)等标准,对焊接结构的机架利用差值外推得到焊址处在单位载荷下的应力。对作用在机架上的疲劳载荷普,通过通道合并和雨流统计得到焊址处的等效疲劳应力,并结合GL规范进行疲劳损伤判断。使用有限元法计算了机架的固有频率,防止风机工作中机架在其它振源激励下发生共振。     

A model for yawing dynamic optimization of a wind turbine structure

A novel design optimization model for placing frequencies of a wind turbine tower/nacelle/rotor structure in free yawing motion is developed and discussed. The main aim is to avoid large amplitudes caused by the yawing-induced vibrations in the case of horizontal-axis wind turbines or rotational motion of the blades about the tower axis in case of vertical-axis wind turbines. This can be a major cause of fatigue failure and might severely damage the whole tower/nacelle/rotor structure. The mathematical formulation considers a single pole tower configuration having thin-walled circular cross section with constant taper along the tower height. The nacelle/rotor combination is modeled as a rigid mass elastically supported at the top of the tower by the torsional spring of the yawing mechanism. Adequate scaling and non-dimensionalization of the various parameters and variables are given in order to make the model valid for a variety of wind turbine configurations and types of the material of construction. The resulting governing differential equation of motion is solved analytically by transforming it into a standard form of Bessel's equation, which leads to the necessary exact solutions for the frequencies and mode shapes. Several cases of study are examined for different values of the yawing stiffness and inertia parameters by considering both conditions of locked and unlocked yawing mechanism. Useful design charts are developed for placing the frequencies at their needed target values with no penalty of increasing the total structural weight of the system. In all, the developed model guarantees full separation of the system frequencies from the critical exciting yawing frequencies by proper choice of the optimization design parameters.     

风力机齿轮箱布局的多目标可靠性优化设计

针对风力机齿轮箱布局设计中存在的问题,采用多目标可靠性优化设计方法,以风力机齿轮箱的箱体体积和齿轮体积最小化为设计目标,建立了风力机齿轮箱布局的多目标可靠性优化设计模型,分析比较了3种常见传动方案对风力机齿轮箱布局的影响,以某型号1.5 MW风力机齿轮箱为例进行了优化分析。研究结果表明,采用该设计方法得到的齿轮箱箱体体积和齿轮体积加权和值比以齿轮体积为目标的单目标设计方法更低。同时,分析结果表明,提高输入转速可大大降低齿轮箱成本。     

大型风力机叶片的耦合优化方法

为了降低兆瓦级风力机叶片的制造成本,通过耦合叶素动量理论与复合材料欧拉伯努利梁强度设计理论,综合考虑风能效率和成本,以叶片的风能效率成本最小化为优化目标,提出了大型风力发电机叶片的多学科优化设计方法。并基于该方法,对某50 m风力机叶片进行了优化设计。研究结果表明,该方法能够找到风能效率与成本的平衡设计点,叶片风能效率成本比传统设计方法设计的叶片减少了8.84%。     

风电叶片疲劳加载系统的运动分析及优化

采用两轴加载(翼面向共振)方式实现兆瓦级风电叶片疲劳寿命检测,并就关键部件——翼面向加载装置和翼弦向加载装置之间的运动耦合问题进行分析.对翼弦向加载机构的设计与分析,采用协调曲线法,利用MATLAB优化工具箱实现机构多目标函数的优化,得到翼弦向加载机构优化的偏心距、杆长及位移曲线,并得到同频和异频条件下叶片的运动轨迹.为后续的动力学分析、液压系统及控制系统设计等提供必要的理论分析基础,同时,也为该技术的实际工程应用提供理论依据.     

风力机叶片根部孔缺陷应力分析

大型风力发电机的叶片几乎都是复合材料加工而成,由于各种原因,叶片在加工过程可能会出现各种质量问题。以1.5MW根部T型螺栓孔打孔损伤叶片为例,应用ANSYS软件建立了叶片根部与T型螺栓的有限元模型。对其根部和T型连接螺栓进行了受力分析,并分别比较了正常结构和损伤结构两种情况下叶片根部T型螺栓孔和螺栓的应力。计算结果表明,叶片根部缺陷孔应力还处在可接受范围内,对T型螺栓的受力也影响不大,受损叶片可通过进一步补强后正常使用。     

兆瓦级风力发电机组叶片设计

研究兆瓦级风力发电机叶片翼型建模的方法,应用UG、Matlab建立叶片实体模型,并对叶片的翼型设计提出优化的方法。     

Blade number effect for a ducted wind turbine

Ducted wind turbine with multiple blades installed was believed to have a good wind power energy conversion effect. However, little information was available on how to design a good ducted wind turbine. In this paper the effects of blade number on a ducted wind turbine performance is studied. Numerical studies using CFD method to simulate the wind turbine performance were adopted. The duct is a converging-diverging nozzle with the turbine blades located at the throat. A rated output of a 1-kW turbine is adopted as the baseline design. It was found that the blade geometry, stagger angle, and number of blades have different duct blockage effects, and do affect the turbine performance (specifically the power coefficient and torque coefficient, etc.). The fewer number of blades has higher through flow speed, while the larger number of blades provides larger torque. The best power coefficient lies in between the two extremes. The appropriate number of blades is important to match the generator performance curve for optimal overall performance and efficiency. This paper was presented at the 9^th Asian International Conference on Fluid Machinery (AICFM9), Jeju Korea, October 16–19, 2007.