3MW風(fēng)輪的動(dòng)力學(xué)特性

單麗君，李 慧

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

隨著風(fēng)力機(jī)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量迅速增加，尤其是對(duì)于兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組［1］，由于風(fēng)力機(jī)組整體尺寸增加，風(fēng)輪直徑的加大，導(dǎo)致風(fēng)輪及其他部件具有更大的質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這將導(dǎo)致風(fēng)輪及整機(jī)振動(dòng)增大［2］.為了避免振動(dòng)對(duì)風(fēng)輪及整機(jī)造成破壞，有必要建立風(fēng)力機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究.風(fēng)輪為風(fēng)力機(jī)中最為重要的部分，由葉片及輪轂組成，葉片為分段制造且柔性較大.以往對(duì)風(fēng)輪的研究中葉片模型一般為整段的柔性體或分段的剛體，動(dòng)力學(xué)模型不包含主傳動(dòng)鏈的增速器等部件，未考慮主傳動(dòng)件對(duì)風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)的影響，仿真結(jié)果不能完全反映風(fēng)輪的實(shí)際動(dòng)力學(xué)特性.

本文運(yùn)用動(dòng)力學(xué)分析軟件Simpack建立了葉片為分段柔性體的3MW風(fēng)力機(jī)整機(jī)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，施加隨機(jī)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，分析動(dòng)態(tài)載荷作用下風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)風(fēng)輪的頻域和時(shí)域仿真結(jié)果，獲得風(fēng)力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)輪上振動(dòng)較大的頻率范圍.

1 風(fēng)力機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的建立

風(fēng)力機(jī)動(dòng)力學(xué)模型是基于德國(guó)INTEC GMbH公司開發(fā)的著名多體動(dòng)力學(xué)分析軟件SIMPACK建立.SIMPACK是以多體系統(tǒng)計(jì)算動(dòng)力學(xué)(Computational Dynamics of Multibody Systems)為基礎(chǔ)，針對(duì)機(jī)械、機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)仿真分析的軟件包，包含多個(gè)風(fēng)力機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真相關(guān)的模塊專業(yè)模塊［3］.建模坐標(biāo)系參考 Germaischer Lloyd Wind Energie GmbH編寫的風(fēng)力機(jī)認(rèn)證規(guī)范［4］，建立準(zhǔn)確的風(fēng)電機(jī)組模型.

1.1 柔性葉片的建立

柔性體葉片采用Simpack軟件中的Rotorblade Generation模塊通過編輯后臺(tái)輸入文件生成，其中輸入的數(shù)據(jù)包括葉片的截面尺寸，弦長(zhǎng)、預(yù)彎、前掠、擺振剛度、揮舞剛度等主要參數(shù)和與空氣動(dòng)力學(xué)聯(lián)合所需要的氣動(dòng)節(jié)點(diǎn).氣動(dòng)節(jié)點(diǎn)即為氣動(dòng)力的作用點(diǎn)，定義了葉片氣動(dòng)力單元的中心.氣動(dòng)單元之間不能存在間隙，氣動(dòng)單元兩端點(diǎn)需與rbl文件中定義的葉片分段保持一致性.對(duì)于風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪振動(dòng)的研究，需要獲得葉片上易發(fā)生振動(dòng)破壞的具體位置，且葉片實(shí)際為分段制造，所以將葉片上距葉根9、18、24、30和38 m處將葉片分成6段.

運(yùn)用由葉片參數(shù)生成標(biāo)準(zhǔn)的rbl和rbx文件，通過Rotorblade Generation模塊即可生成分段柔性體葉片.

1.2 風(fēng)力機(jī)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h3>

風(fēng)力機(jī)的主傳動(dòng)鏈主要包括風(fēng)輪，低速軸，齒輪箱以及發(fā)電機(jī)［5］.風(fēng)力機(jī)通過齒輪箱實(shí)現(xiàn)增速，包含兩級(jí)行星輪傳動(dòng)以及一級(jí)斜齒輪傳動(dòng)，可以通過輸入幾何參數(shù)和材料屬性在Simpack中直接建模.風(fēng)電機(jī)組中零部件的建模標(biāo)準(zhǔn)在德國(guó)GL規(guī)范中均有明確要求，通過裝配和設(shè)置部件之間的約束關(guān)系，參考風(fēng)力機(jī)規(guī)范完成建模.

1.3 風(fēng)載的加載

根據(jù)風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)功率和風(fēng)輪直徑，考慮到傳動(dòng)誤差等因素，通過計(jì)算可得額定風(fēng)速.通過在風(fēng)場(chǎng)模擬軟件中輸入額定風(fēng)速，輪轂高度以及空氣基本參數(shù)，選定湍流模型，可生成隨機(jī)風(fēng)場(chǎng)，對(duì)動(dòng)力學(xué)模型加載.

(1)額定風(fēng)速

風(fēng)能是空氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，或每秒鐘在面積F從以速度V自由流動(dòng)的氣流中獲得的能量［4］，即:

式中，ρ為空氣密度，取ρ=1.225 kg/m3;W為風(fēng)能(W);V為風(fēng)速(m/s);F為掃風(fēng)面積，D為風(fēng)輪直徑;Cp為風(fēng)能利用率.

根據(jù)式(1)，代入采用新翼型WTNew的葉片及風(fēng)輪參數(shù)，可得3MW風(fēng)力機(jī)的理論額定風(fēng)速應(yīng)為V=11.19 m/s，考慮到傳動(dòng)誤差等因素，取額定平均風(fēng)速為12 m/s.

(2)風(fēng)場(chǎng)的模擬

根據(jù)計(jì)算所得額定平均風(fēng)速以及輪轂的設(shè)計(jì)高度，確定風(fēng)場(chǎng)的工況.設(shè)定的仿真時(shí)間為240 s，步長(zhǎng)0.05s，輪轂高度79 m，采用 Kaimal湍流模型，空氣密度為 ρ=1.225 kg/m3，空氣粘度為1.464E-5 m2/s.在TurbSim中通過逆傅里葉變換將頻域風(fēng)轉(zhuǎn)換為時(shí)域風(fēng)，從而模擬風(fēng)場(chǎng)的三維隨機(jī)全流場(chǎng)紊流風(fēng)況，為機(jī)組的氣動(dòng)載荷研究提供準(zhǔn)確的風(fēng)模型.風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)以力元的形式施加在風(fēng)力機(jī)葉片上.

運(yùn)用TurbSim模擬輪轂處平均風(fēng)速為12 m/s的隨機(jī)風(fēng)場(chǎng).Turbsim是美國(guó)國(guó)家能源實(shí)驗(yàn)室(National Resource Energy Laboratory)的開源風(fēng)力機(jī)全流場(chǎng)紊流風(fēng)仿真軟件［5］，可以模擬風(fēng)場(chǎng)的三維時(shí)間和空間關(guān)系的風(fēng)速度場(chǎng)，Turbsim通過逆傅里葉變換將頻域風(fēng)轉(zhuǎn)換為時(shí)域風(fēng)，并生成空間各點(diǎn)位置風(fēng)速時(shí)空相關(guān)參數(shù)文件［6］.

圖1所示為輪轂高度為79 m，平均風(fēng)速為12m/s仿真湍流風(fēng)隨時(shí)間變化歷程.圖2為此風(fēng)場(chǎng)模型風(fēng)向的變化情況，波動(dòng)范圍在-10°～5°之間.

空氣動(dòng)力學(xué)軟件AeroDyn是分析風(fēng)載的有力工具.通過Simpack與AeroDyn的接口把風(fēng)載導(dǎo)入成Simpack中的一個(gè)力元［7］.為了正確的將建立的風(fēng)力機(jī)動(dòng)力學(xué)模型與AeroDyn耦合，需要相應(yīng)的輸入文件，ipt文件，風(fēng)場(chǎng)文件和翼型文件.其中風(fēng)場(chǎng)文件已通過Turbsim軟件仿真生成，ipt輸入文件中需要輸入風(fēng)力機(jī)的工況以及氣動(dòng)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)單元長(zhǎng)度，弦長(zhǎng)，距離葉根的距離以及扭角，翼型文件除了需要翼型的升力系數(shù)，攻角，俯仰力矩系數(shù)和阻力系數(shù)，還需要翼型的失速特性.在AirfoilPrep中輸入翼型數(shù)據(jù)，計(jì)算生成翼型的失速特性.WTNew翼型族的失速特性如表1所示.

在動(dòng)力學(xué)模型中建立力元，力元類型為與AeroDyn有接口的241號(hào)力元，后臺(tái)自動(dòng)調(diào)用輸入文件，完成風(fēng)場(chǎng)的加載.

表1 WTNew翼型族的失速特性

2 動(dòng)態(tài)載荷特性和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析

對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析得系統(tǒng)的固有頻率，運(yùn)用Simpack后處理系統(tǒng)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行階次分析，得到平均風(fēng)速為的隨機(jī)風(fēng)載作用下風(fēng)輪的1、2、3、6、9 倍頻頻率，根據(jù) Campbell圖找出倍頻頻率與固有頻率的交點(diǎn)，找到風(fēng)輪有可能發(fā)生共振的頻率.對(duì)風(fēng)輪時(shí)域分析結(jié)果FFT變換(快速傅里葉變換)，將時(shí)域分析結(jié)果轉(zhuǎn)化到頻域范圍內(nèi)，與Campbell獲得的可能發(fā)生共振頻率范圍進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步甄別潛在共振頻率范圍.

2.1 風(fēng)力機(jī)的Campbell圖

經(jīng)過仿真得到風(fēng)力機(jī)輪轂的實(shí)際轉(zhuǎn)速范圍為.通過對(duì)風(fēng)力機(jī)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型模態(tài)分析得到風(fēng)力機(jī)的固有頻率，如表2所示.

表2 風(fēng)力機(jī)的固有頻率 Hz

對(duì)風(fēng)力機(jī)剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)時(shí)域仿真的結(jié)果進(jìn)行階次分析，得到輪轂轉(zhuǎn)速分別為12.39 r/min和15.02 r/min 時(shí)，對(duì)應(yīng)風(fēng)輪的 1、2、3、6、9 倍頻頻率，如表3所示.

表3 風(fēng)輪的倍頻頻率 Hz

根據(jù)得到的風(fēng)力機(jī)固有頻率以及風(fēng)輪的倍頻頻率，在Matlab中繪制系統(tǒng)的二維Campbell圖，如圖3所示.從圖3可以看出，風(fēng)輪的激勵(lì)頻率與風(fēng)力固有頻率有兩個(gè)交點(diǎn)，分別在固有頻率為1.258 3和1.754 9 Hz處，且可以看出激勵(lì)頻率與固有頻率交點(diǎn)附近激勵(lì)頻率與固有頻率曲線較接近，則在兩固有頻率附近風(fēng)輪有強(qiáng)烈振動(dòng)且可能引起傳動(dòng)鏈共振.圖4和圖5分別為1、2階固有頻率對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)各部件振動(dòng)的能量分布，由圖4和圖5可以看出，前兩階固有頻率時(shí)，能量主要分布在葉片上，少量能量分布在一級(jí)、二級(jí)行星架和低速軸上，可以判定在前兩階固有頻率范圍內(nèi)風(fēng)輪強(qiáng)烈振動(dòng)但不會(huì)引起傳動(dòng)鏈的振動(dòng).

2.2 時(shí)域分析

將動(dòng)力學(xué)仿真得到的風(fēng)輪葉片三個(gè)方向的振動(dòng)響應(yīng)即風(fēng)輪葉片的角位移和風(fēng)輪葉片分段角加速度分別進(jìn)行FFT變換，結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示.

由圖6可以看出，在頻率為1.258 3 Hz和1.754 9 Hz處，葉片角位移出現(xiàn)峰值，進(jìn)一步判定這兩頻率為風(fēng)輪的共振點(diǎn).由圖7可以看出，葉片的第一段在頻率為1.258 3 Hz處振動(dòng)響應(yīng)出現(xiàn)峰值.葉片的第二段在激勵(lì)頻率為1.754 9 Hz處振動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)生峰值，如圖8所示.兩個(gè)頻率剛好與頻域分析Campbell圖所得到的可能發(fā)生振動(dòng)的固有頻率范圍相近，進(jìn)一步證明了在這兩個(gè)頻率范圍內(nèi)，風(fēng)輪較易產(chǎn)生共振，且共振位置處于葉片中間位置到葉片弦長(zhǎng)最大的位置.

2.3 載荷分析

通過動(dòng)力學(xué)仿真，得到葉片受力矩圖9.x方向表示葉片揮舞方向力矩，y方向表示葉片擺振方向力矩.可以看出葉片在時(shí)域仿真范圍內(nèi)，葉片的揮舞力矩呈現(xiàn)周期性變化，葉片的擺振方向力矩震蕩變化，葉片的主運(yùn)動(dòng)形式為揮舞.

3 結(jié)論

(1)運(yùn)用動(dòng)力學(xué)分析軟件Simpack建立了葉片為分段柔體的風(fēng)力機(jī)整機(jī)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型.通過對(duì)風(fēng)力機(jī)的模態(tài)分析得到了風(fēng)力機(jī)的整機(jī)固有頻率;

(2)模擬了3MW風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速的隨機(jī)風(fēng)場(chǎng)，將風(fēng)場(chǎng)文件導(dǎo)入成力元加載在風(fēng)輪的動(dòng)力學(xué)模型中并仿真.通過仿真結(jié)果的階次分析，得到了風(fēng)輪的1、2、3、6、9 倍頻頻率，根據(jù)倍頻頻率和固有頻率運(yùn)用Matlab軟件繪制了Campbell圖，得到了風(fēng)輪可能發(fā)生共振的頻率范圍;

(3)對(duì)風(fēng)輪的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了時(shí)域分析，并進(jìn)行 FFT變換，進(jìn)一步驗(yàn)證了 1.258 3和1.7549 Hz兩個(gè)頻率為風(fēng)輪易發(fā)生共振的頻率，且產(chǎn)生共振的位置在葉片的中段到最大弦長(zhǎng)處.對(duì)風(fēng)力機(jī)擺振及揮舞力矩進(jìn)行分析，得到葉片的低階主運(yùn)動(dòng)方式為揮舞，且在1.258 3 Hz處為葉片揮舞引起的風(fēng)輪共振.

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