兆瓦級風力發(fā)電機鑄造彎頭支座的強度分析

趙海波 李建功　張忠海

摘 要：彎頭支座是機艙內關鍵部件之一，也是整個直驅風機系統(tǒng)中受力狀態(tài)最復雜的零部件之一。通過分析風力發(fā)電機組在重力、離心力、風壓力及其組合作用時機艙彎頭支座的承載狀態(tài)，可以輕松求出最極端的受力。文中使用Samcef進行載荷計算，使用Ansys進行強度分析，系統(tǒng)明確的對風力發(fā)電機組彎頭支座進行了驗證，經過多次驗證得出最優(yōu)結構，取得了良好的效果。

關鍵詞：直驅風機；彎頭支座；力學分析

Strength Analysis of MW Wind Turbine Elbow Support

ZHAO Haibo

（Hebei United University.Tangshan063000，China）

Abstract： Elbow support is one of the key components in the cabin， one of the parts is the direct wind system in the most complicated state of stress. Through the analysis of bearing state of wind turbine cabin in the gravity， centrifugal force， wind pressure and combined effect of elbow support， you can easily find the most extreme stress. This paper uses Samcef to load calculation， using ANSYS for strength analysis， system of wind turbine elbow support is verified， after repeatedly verified the optimal structure， and achieved good results.

Keywords： Direct drive wind turbine； Elbow suppor； Mechanical analysis

鑄造彎頭支座作為直驅風機連接發(fā)電機和塔筒的主要承載件，承受復雜的交變載荷[1]，其承載功能，力學性能要求較高。所以設計時需要綜合考慮到彎頭支座的功能和力學要求，因此如何設計一個安全可靠的彎頭支座，對整個風力發(fā)電機組來說極其重要。

設計中使用Solid works建立彎頭支座的三維模型，通過Samcef Wind Turbines軟件在計算機上模擬出風力機在各種設計工況下彎頭支座的承載狀態(tài)，進而篩選出載荷計算報告中的極限值，以此作為極端載荷值， 再通過Ansys 強大的分析功能，對直驅風力發(fā)電機的鑄造彎頭支座進行有限元分析，確定其靜強度和動態(tài)特性是否滿足要求，如果不合適則反復修改驗證，最終得到最優(yōu)結構外形[2]。通過此方法縮短了設計周期，降低了設計費用，對彎頭支座的設計和風電機組部件的系統(tǒng)開發(fā)來說意義重大.

1.受力分析

風力發(fā)電機彎頭支座受力簡圖如圖1所示，其主要受力為風輪所承受的推力，還包括附加產生的彎矩、電機扭矩、前端部件重力以及其附加力矩等。所以其所受載荷較為復雜，實際設計要求較高，當然為了保證設計更加準確，載荷計算不使用工程經驗公式計算，而是直接使用專業(yè)的載荷分析軟件。

圖1 風力發(fā)電機組整體受力圖

Fig.1 Wind power generation unit by trying to whole

2.載荷計算

專業(yè)軟件基于動力學模型進行動態(tài)模擬來計算獲得風機承受的載荷。多數情況下，風機組件中發(fā)生臨界應力或應變的位置處往往同時受多軸載荷。在這種情況下，模擬輸出的正交載荷的時間序列有時可用作設計載荷。

首先進行使用Samcef Wind Turbines進行極限載荷計算，彎頭支座的極端狀態(tài)使用暴風載荷，根據二類風場參考風速計算暴風風速為59.5m/s，風剪切忽略即切變系數為0，葉片可以順利順槳，最終使風機完成停機過程。此過程所受載荷包含支座所受的最大瞬態(tài)力。而強度的校核以此極端載荷進行計算。

彎頭暴風工況分析結果：

根據以上10min的載荷仿真模擬，從圖2-7可以看出風力發(fā)電機組彎頭支座電機定子連接面上所受的力和彎矩的大小，綜合對其載荷數據表進行分析處理，從中提取各方向的最大受力來組成用于強度計算的極端載荷數據組，此數據雖然過于保守但是對于風電機組來說是合理的。處理數據結果如表1所示。

3.有限元分析

彎頭支座使用材料為QT350-22AL，抗拉強度350MPa，屈服強度220MPa，伸長率大于等于百分之22，布氏硬度HBW小于等于160，主要基體組織為鐵素鐵，剪切和扭轉為315MPa，彈性模量E=169GPa，泊松比=0.275，密度7.1g/cm3。

由于在Ansys上加載彎矩和扭矩較為復雜，所以設置一個理想的載荷施加點，文中使用MPC184單元與實體上部端面剛性連接來進行加載，由于MPC184具有六自由度，可以均勻加載彎矩轉矩等載荷，所以此處用MPC184單元定義受力點。

彎頭使用Solid185單元，其用于構造三維固體結構.單元通過8個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有3個沿著xyz方向平移的自由度.單元具有超彈性，應力鋼化，蠕變，大變形和大應變能力.還可采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑材料和完全不可壓縮超彈性材料[3]。

3.1.網格劃分

網格劃分的基本原劃：網格數的多少將影響到計算結果的準確與否。網格數量越高，計算精度會有越高，但計算花費時間和規(guī)模也會相應增加。載荷變化梯度較大的部位（如應力集中處），為了較好地反映結果變化規(guī)律，要采用密集的網格劃分。但是此結構外形尺寸巨大，所以網格劃分使用自動劃分，模型網格大小設置為6，從圖8中可以看出網格的劃分較為簡單均勻。

圖8 網格分布圖

Fig.8 grid pattern

3.2.極端狀態(tài)下應力應變分析

圖9 風力發(fā)電機應力圖

Fig.9wind turbine stress diagram

在剛性單元上加載極端載荷后進行求解，得出結果如圖9所示，從圖中可以看出最大應力為230MPa，出現(xiàn)在彎頭去除部分彎曲處，所以可知彎頭支座符合要求，已知其材質為QT350，所以抗拉屈服強度達到350MPa，所以安全系數達到1.52，所以實際的運行中應該是可靠的，即在極端狀態(tài)下其安全系數任然綽綽有余。

圖10 風力發(fā)電機應力圖

Fig.10wind turbine strain figure

從圖10中可以看出應變很小，主要發(fā)生在彎頭支座頂部上端，所以可知與實際情況是一致的，但是其大小基本可以忽略不計，所以變形的影響基本是沒有的。

綜合以上可知，風力發(fā)電機彎頭支座的主要承載受力區(qū)域在支座的前底部與偏航連接處，另外還包括頂部區(qū)域，后段受力基本很小，所以優(yōu)化中要加以考慮，進行加厚和減薄。

4.結束語

使用專業(yè)的軟件和方法進行風力發(fā)電機組的部件設計可以取得良好的效果，彎頭支座是較為關鍵的承載部件，文中使用Samcef和Ansys軟件對彎頭支座進行了載荷和強度分析，在準確性和系統(tǒng)性上有很大的提升，所以通過綜合運用多種方法能設計出更為合理的結構。

參考文獻

[1]European Wind Energy Association， Wind Energy—the Facts： A Guide to the Technology. Economics and Future of WindPower[M]. New York： Earthscan， 2009.

[2]苒曉明， 柳亦兵， 馬志勇. 風力發(fā)電機組設計[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2010：52-77.

[3]李援， 毛竹. 風力發(fā)電機組載荷計算中的極端風況分析[J]. 沈陽工業(yè)大學學報， 2008， 4

作者簡介：

趙海波（1975.11- ）男，漢 ，籍貫：河北樂亭，學歷：大學本科 職稱：工程師，研究方向：機械設計與制造