建模仿真軟件在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)中的應(yīng)用淺析

代長(zhǎng)明　顏庭煜　苗威震

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000;2.國(guó)電東北新能源發(fā)展公司彰東風(fēng)電場(chǎng)，遼寧 阜新 123200)

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建模仿真軟件在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)中的應(yīng)用淺析

代長(zhǎng)明1顏庭煜2苗威震1

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000;2.國(guó)電東北新能源發(fā)展公司彰東風(fēng)電場(chǎng)，遼寧 阜新 123200)

主要對(duì)風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了分析，并且對(duì)風(fēng)電機(jī)組實(shí)際設(shè)過(guò)程中，各個(gè)環(huán)節(jié)建模仿真軟件的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析并對(duì)常見(jiàn)的幾款風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)中應(yīng)用的建模仿真軟件進(jìn)行了介紹和應(yīng)用分析.

建模仿真；風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)；軟件；應(yīng)用

0　引　言

風(fēng)電機(jī)組的構(gòu)成與理論是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際設(shè)計(jì)的前提與基礎(chǔ)去，其設(shè)計(jì)內(nèi)容是涉及到的理論涵蓋了流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、電氣工程、機(jī)械工程等多中學(xué)科知識(shí)體系.因此在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，建模與仿真軟件的應(yīng)用對(duì)于提升設(shè)計(jì)效率、優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容、改善設(shè)計(jì)缺陷等有著重要的作用.

1　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容與設(shè)計(jì)原則

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是按照給定的《設(shè)計(jì)任務(wù)書》或有關(guān)技術(shù)要求資料、設(shè)計(jì)條件等，完成滿足用戶需求的風(fēng)電機(jī)組的外觀圖、部件圖、零件圖、電氣系統(tǒng)原理及連線圖等，以及如用戶手冊(cè)、安裝說(shuō)明等相關(guān)設(shè)計(jì)文件資料.

風(fēng)力發(fā)電是一門涉及電氣、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、氣象等多種學(xué)科的交叉學(xué)科.[1]因此在風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)過(guò)程中，技術(shù)人員需要用到涵蓋許多學(xué)科的知識(shí)、資料和信息.在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先要按照國(guó)家有關(guān)部門提出的如《電工術(shù)語(yǔ)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組》(GB/T2900.53-2001)等一系列技術(shù)名詞術(shù)語(yǔ)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)要求、安全規(guī)范、測(cè)試與試驗(yàn)方法等，對(duì)于國(guó)內(nèi)暫無(wú)的有關(guān)資料可以采用國(guó)際上通行的技術(shù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足風(fēng)電機(jī)組廣泛的應(yīng)用需求.其次，在設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組的過(guò)程中，還需要保證風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行可靠安全性、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)的先進(jìn)性、工藝和易維修性.

2　風(fēng)電機(jī)組常規(guī)設(shè)計(jì)步驟

風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)步驟應(yīng)包括方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)三個(gè)部分.由于施工設(shè)計(jì)主要是根據(jù)前兩部分的設(shè)計(jì)教過(guò)進(jìn)行荷載計(jì)算、強(qiáng)度剛度計(jì)算分析等，因此本文主要就建模仿真軟件在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的前兩個(gè)部分的應(yīng)用做簡(jiǎn)要分析.

風(fēng)電機(jī)組方案設(shè)計(jì)主要包括確定風(fēng)電機(jī)組的基本參數(shù)，結(jié)構(gòu)形式等，一般也應(yīng)包括對(duì)風(fēng)機(jī)整體進(jìn)行質(zhì)量預(yù)估和載荷分析，對(duì)于主要結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行初步選型，完成風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙的設(shè)計(jì)和機(jī)艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布局和模型設(shè)計(jì).

風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)設(shè)計(jì)是指根據(jù)方案設(shè)計(jì)的計(jì)算、仿真結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)資料，進(jìn)行整機(jī)部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，確定所需的技術(shù)要求，根據(jù)計(jì)算的載荷對(duì)關(guān)鍵不見(jiàn)記性進(jìn)一步計(jì)算與分析，設(shè)計(jì)滿足全部技術(shù)要求，保證安全可靠的電氣、安全與控制系統(tǒng).

3　Garrad Hassan在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

Garrad Hassan軟件是一款整機(jī)的計(jì)算仿真工具，它適用于陸上和海上的多種尺寸和型式的水平軸風(fēng)力機(jī)，進(jìn)行設(shè)計(jì)和認(rèn)證所需的性能和載荷計(jì)算.[2]軟件本身的可靠性已通過(guò)船級(jí)社認(rèn)證.Garrad Hassan具有多個(gè)功能子模塊，包括風(fēng)輪模型、葉片模型、塔架和機(jī)艙模型、外部環(huán)境模型等建模和計(jì)算模塊.通過(guò)各個(gè)模塊功能的設(shè)計(jì)、運(yùn)用與實(shí)現(xiàn)可以對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)的氣動(dòng)特性、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性及所受的載荷進(jìn)行計(jì)算和仿真.

圖1　GH Bladed分力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)軟件界面

3.1GH Bladed在風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組的葉片過(guò)程中，由于GH Bladed需要的算法關(guān)系，需要在軟件中輸入大量的前期數(shù)據(jù)，后改變各個(gè)參量，進(jìn)行葉片的仿真設(shè)計(jì).GH Bladed風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)軟件界面如圖1所示.其各部分參數(shù)均在表格中顯示出來(lái)，而葉片的受力與運(yùn)動(dòng)方向，力矩等在圖中給出.

3.2GH Bladed載荷計(jì)算分析與塔架設(shè)計(jì)的應(yīng)用

風(fēng)電機(jī)組的塔架需要承受整個(gè)機(jī)組的載荷，因此在塔架設(shè)計(jì)中要充分考慮塔架由于機(jī)組自身原因和外部因素導(dǎo)致的受力情況，在最大大氣動(dòng)工況和極限條件下，將風(fēng)電機(jī)組全部的受力情況輸入GH Bladed軟件的計(jì)算坐標(biāo)，進(jìn)行有限元分析，其分樣圖如圖2所示.從圖中可以看出，右圖為左圖中白色部分的放大.

4　ANSYS在風(fēng)電機(jī)組仿真設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

ANSYS軟件是由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS開(kāi)發(fā)的融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件.它能如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I-DEAS,AutoCAD等多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換.

4.1ANSYS在整機(jī)設(shè)計(jì)載荷的計(jì)算分析的應(yīng)用

在風(fēng)電機(jī)組整機(jī)載荷的計(jì)算中，采用ANSYS 12.0進(jìn)行載荷仿真計(jì)算，載荷計(jì)算包括邊界條件和外部或內(nèi)部作用力函數(shù)，在ANSYS軟件中，可以通過(guò)后期處理的功能模塊將計(jì)算結(jié)果或仿真結(jié)果以彩色等值線、矢量等多種直觀的形式進(jìn)行表述、顯示如圖3所示，也可以通過(guò)數(shù)值、圖表等數(shù)學(xué)信息進(jìn)行輸出，以便下一步計(jì)算和處理.

圖2風(fēng)電機(jī)組塔架與輪轂有限元模型的網(wǎng)格劃分樣圖圖3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的有限元分析

4.2ANSYS在風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

ANSYS 12.0版本，提供了旋轉(zhuǎn)機(jī)械葉片設(shè)工具，在ANSYS Workebench(協(xié)同仿真環(huán)境)下，提供了ANSYS BladeModeler也就是旋轉(zhuǎn)葉片三維設(shè)計(jì)工具和ANSYS TuboGrid即葉片設(shè)計(jì)六面體網(wǎng)格劃分工具.通過(guò)這兩個(gè)功能可以快速方便的進(jìn)行葉片的建模和分析過(guò)程，確保葉片的設(shè)計(jì)滿足上下游部件的需求.

5　eWind在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)載荷計(jì)算中的應(yīng)用

eWind是沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)在國(guó)家863課題基礎(chǔ)之上開(kāi)發(fā)的一款大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)軟件，涵蓋了風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的關(guān)鍵過(guò)程的仿真以及建模.在通過(guò)eWind進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組載荷計(jì)算過(guò)程中，首先需要輸入相關(guān)的參數(shù)，建立風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行核驗(yàn)，核驗(yàn)后進(jìn)行仿真調(diào)試，確定在需要功率下的槳距角、機(jī)械制動(dòng)力矩、該力矩下的轉(zhuǎn)速等相關(guān)參數(shù)信息，設(shè)定需要計(jì)算載荷的工況，最后處理和輸出結(jié)果，同時(shí)輸出機(jī)組性能的評(píng)估報(bào)告.

6　結(jié)　語(yǔ)

建模仿真軟件在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，通過(guò)軟件的使用和圖形等因素的直觀表現(xiàn)，極大的減小了技術(shù)人員的計(jì)算量，提高了工作效率，優(yōu)化了設(shè)計(jì)結(jié)果.但也存在由于算法存在差異，不同軟件公司存在數(shù)據(jù)交換仍存在問(wèn)題，國(guó)內(nèi)相關(guān)軟件開(kāi)發(fā)相對(duì)落后等問(wèn)題.

[1]代長(zhǎng)明,顏庭煜,杜春梅.風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)建模與控制的研究[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2014,2:033

[2]金大偉.兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué),2009

Application of Modeling and Simulation Software in Wind Turbine Design

DAI Chang-ming1,YAN Ting-yu2,MIAO Wei-zhen1

(1.Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 075000,China;2.Zhangdong Wind Power Plant,Northeast New Energy Development CO.LTD,State Grid,Fuxin 123200,China)

This paper mainly analyses the design process of wind turbines,the wind generator,and the application of modeling and simulation software in the actual process.In addition,a few wind turbines of such common design are introduced analyzed.

modeling and simulation;wind turbines design;software;application

2016-01-03

代長(zhǎng)明(1980-),男，副教授，從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究.

TM 7

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