基于變速變槳距的MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建模研究

王 巖，董 雯，李成振

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012； 2.吉林省水文水資源局，長(zhǎng)春 130000； 3.中水東北公司科研院，長(zhǎng)春 130000)

0 引言

風(fēng)能是資源潛力大、技術(shù)基本成熟的可再生能源，在減排溫室氣體、應(yīng)對(duì)氣候變化的新形勢(shì)下，越來越受到世界各國(guó)的重視，并已在全球大規(guī)模開發(fā)利用。到2015年底，全球累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量約為2億kW，最近5年年平均增長(zhǎng)率約為30%左右，隨著風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)，風(fēng)電設(shè)備正朝著特性化和大型化方向發(fā)展，2～3 MW風(fēng)電機(jī)組已是市場(chǎng)主流產(chǎn)品，5 MW風(fēng)機(jī)也已經(jīng)開始應(yīng)用。

隨著風(fēng)電的發(fā)展，葉片展長(zhǎng)在增加，而葉片作為主要的能量轉(zhuǎn)換載體，其使用壽命就顯得極為重要，因此，需要對(duì)不同工作狀態(tài)下的葉片進(jìn)行性能分析。除了借助風(fēng)洞試驗(yàn)的方法外，隨著高性能計(jì)算機(jī)的普及，采用現(xiàn)有軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，可以克服試驗(yàn)條件不足和實(shí)體葉片截面復(fù)雜的問題，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

但虎在ANSYS中建立復(fù)合材料模型，并對(duì)葉片模態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算；張鎖懷等借助Solidwork平臺(tái)，建立MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的三維幾何模型；衣傳寶等在研究風(fēng)電機(jī)組變槳距控制時(shí)在Simulink里建立數(shù)學(xué)模型。

綜合查閱文獻(xiàn)后得出目前風(fēng)機(jī)建模存在有以下兩種問題：1)在有限元軟件中建模機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)困難或收斂較慢；2)以變槳距為主要研究對(duì)象的建模，忽略了葉片和塔架的柔性結(jié)構(gòu)，只進(jìn)行簡(jiǎn)化建模。

針對(duì)上述情況，筆者通過有限元軟件abaqus建立葉片及塔架的實(shí)體模型，在adams里建立齒輪箱、傳動(dòng)軸、變槳機(jī)構(gòu)等，并在adams中進(jìn)行整體組裝，建立完整的風(fēng)機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與機(jī)電控制的耦合。

1 風(fēng)機(jī)建?；緟?shù)

以目前應(yīng)用廣泛的Vestas V80型2 MW風(fēng)機(jī)為例進(jìn)行模擬，風(fēng)機(jī)基本參數(shù)為：風(fēng)機(jī)功率調(diào)節(jié)類型為變速變槳距；額定功率2 MW；切入風(fēng)速4 m/s；額定風(fēng)速16 m/s；切出風(fēng)速25 m/s；齒輪箱為兩級(jí)行星齒輪和一級(jí)斜齒輪；機(jī)艙質(zhì)量6.8×104kg；葉輪質(zhì)量3.8×104kg；葉片展長(zhǎng)39 m；單葉片質(zhì)量5.05 t；額定轉(zhuǎn)速16.7 r/min，葉片最大弦長(zhǎng)2.889 m；塔架高度78 m。

2 葉片參數(shù)及實(shí)體建模

風(fēng)力機(jī)葉片作為主要的能量捕捉裝置，其性能大大影響風(fēng)能的利用效率。風(fēng)力機(jī)葉片翼型是由飛機(jī)機(jī)翼發(fā)展而來的，因此，有標(biāo)準(zhǔn)翼型供參考。早期風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)首選比較成熟、升阻特性較好的傳統(tǒng)航空翼型，隨著葉片向大而長(zhǎng)的方向發(fā)展，傳統(tǒng)翼型的劣勢(shì)逐漸突出。目前，國(guó)外各風(fēng)電生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)加大對(duì)新翼型的研發(fā)力度，而國(guó)內(nèi)翼型研究才剛剛起步，而且具體數(shù)據(jù)極難獲得，筆者主要針對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析，因此，翼型研究適當(dāng)簡(jiǎn)化。

2.1 實(shí)體建模

目前，葉片建模常采用NACA4412、NACA23012等兩種常見的翼型。本次建模采用NACA4412翼型，使得葉片具有良好的氣動(dòng)性能，葉片截面翼型數(shù)據(jù)通過profili軟件得到，具體參數(shù)見表1。設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)葉片沿翼展方向的弦長(zhǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)NACA4412單位參數(shù)進(jìn)行縮放。

表1 翼型上下弦單位參數(shù)

葉片展長(zhǎng)39 m，最大弦長(zhǎng)2.889 m，葉片尖部弦長(zhǎng)0.05 m，葉片沿翼展方向分成24個(gè)葉素，不同位置剖面需依據(jù)實(shí)際弦長(zhǎng)對(duì)基本參數(shù)進(jìn)行縮放，葉片根部為同槳距軸承配合須做部分修改，使之漸變?yōu)閳A形。建立相應(yīng)的空間三維坐標(biāo)，排序并生成能以keypoint型式導(dǎo)入ansys的.txt文件。在ansys軟件中導(dǎo)入坐標(biāo)點(diǎn)，依實(shí)際線形將相鄰序號(hào)連成線，形成翼型上弧線和下弧線，將相鄰弧線生成曲面，依照點(diǎn)成線、線成面的方式，建立三維模型，具體模型如圖1所示。

圖1 葉片三維模型

2.2 材料參數(shù)設(shè)置

整個(gè)葉片在徑向和軸向的鋪層結(jié)構(gòu)和厚度存在不同。大型風(fēng)力機(jī)葉片多采用玻璃纖維復(fù)合材料或碳/玻混雜復(fù)合材料，同時(shí)加設(shè)防雷電網(wǎng)，聚氨酯膠衣等，蒙皮由雙向玻纖織物增強(qiáng)，空腔內(nèi)加設(shè)承剪腹板。為簡(jiǎn)化建模過程，材料設(shè)置為展向彈性模量24.2 MPa，徑向彈性模量9.87 MPa，泊松比0.39，單葉片質(zhì)量5.05 t。

2.3 網(wǎng)格劃分

在abaqus里進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于殼單元可劃分為四邊形和三角形。四邊形網(wǎng)格劃分對(duì)于局部扭曲面網(wǎng)格劃分過大，不滿足計(jì)算要求，因此劃分為三角形，采用三結(jié)點(diǎn)三角形通用殼S3單元。由于整機(jī)模型，自有度較多，網(wǎng)格劃分過細(xì)會(huì)產(chǎn)生龐大的計(jì)算工作量，因此，在滿足精度的基礎(chǔ)上，可以加大網(wǎng)格劃分，邊緣及全局網(wǎng)格尺寸控制在0.5 m。網(wǎng)格劃分后的葉片如圖2所示。

圖2 葉片網(wǎng)格劃分

3 塔架建模

塔架是重要的承重結(jié)構(gòu)，隨著風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量的增加，與之配套的圓筒形塔架也向高聳化發(fā)展。當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，隨著風(fēng)荷載、機(jī)組自重、機(jī)組振動(dòng)激勵(lì)等的影響，塔架頂會(huì)產(chǎn)生較大的位移，其剛度直接影響著風(fēng)力機(jī)組的穩(wěn)定性。

塔架除應(yīng)滿足對(duì)機(jī)組的支承作用，還設(shè)置一些輔助設(shè)備，入門洞、爬梯、通風(fēng)口等，過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)會(huì)降低仿真步長(zhǎng)，延長(zhǎng)仿真時(shí)間，因此需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。

1)建模及材料設(shè)置：本文研究對(duì)象為變截面錐桶型塔架，78 m高，材料為Q345鋼，底部直徑4.23 m，頂端直徑2.98 m，頂部壁厚18 mm，底部壁厚28 mm，彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，密度7 800 kg/m3。鑒于塔架壁厚逐段變化，將塔架從上至下分為4部分獨(dú)立建模：第一段長(zhǎng)度33 m，鋼管厚度18 mm；第二段長(zhǎng)度25 m，鋼管厚度23 mm；第三段長(zhǎng)度20 m，底部基礎(chǔ)20 m，厚度均為28 mm。在有限元軟件中建模，具體模型如圖3。

2)網(wǎng)格劃分：塔架形狀較規(guī)則，適合劃分為四邊形網(wǎng)格。網(wǎng)格尺寸控制在1.0 m以內(nèi)，單元類型為線性、有限薄膜應(yīng)變、四邊形殼單元S4R。

圖3 塔架網(wǎng)格剖分

4 傳動(dòng)鏈及變槳機(jī)構(gòu)建模

為模擬風(fēng)機(jī)在不同工作狀態(tài)下的工作特性，需建立傳動(dòng)鏈及變槳距模型。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可分為3個(gè)階段，當(dāng)風(fēng)速介于切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間時(shí)，為保證最優(yōu)葉尖速比以獲得最大風(fēng)能，發(fā)電機(jī)通過齒輪箱實(shí)現(xiàn)對(duì)葉輪旋轉(zhuǎn)速度的控制，為最佳葉尖速比運(yùn)行區(qū)；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，首先進(jìn)入恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)，葉輪轉(zhuǎn)速保持恒定；當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)加大，需減小葉片槳距角，使風(fēng)能利用率降低，從而實(shí)現(xiàn)輸出功率的恒定。

建模所用齒輪箱傳動(dòng)比為100.5∶1。在adams所建模型分為兩級(jí)傳動(dòng)，直徑比分別為10∶1和10.05∶1，利用圓柱體代替實(shí)際齒輪，通過建立齒輪副使齒輪咬合點(diǎn)產(chǎn)生相同速度，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)齒輪的連動(dòng)，此時(shí)右側(cè)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，左側(cè)發(fā)電機(jī)以傳動(dòng)比放大后的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

在adams軟件中，柔性體葉片與剛性輪轂之間設(shè)置傘狀剛性過渡圓盤及連接軸，連接軸與輪轂之間位置固定，并能以自身軸線為中心帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)葉片槳距角的變化。

圖4 齒輪箱模型

5 整機(jī)模型建立

大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片及塔架呈細(xì)長(zhǎng)狀，運(yùn)行過程中變形明顯，屬柔性體。adams軟件側(cè)重于剛性構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此，建立組合模型前，葉片及塔架應(yīng)在有限元軟件中進(jìn)行模態(tài)分析并生成可以讀入adams軟件中的MNF文件，以便進(jìn)行構(gòu)建間的組合安裝。進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，葉片及塔架取前六階模態(tài)，塔架基礎(chǔ)在生成MNF文件前，應(yīng)將基礎(chǔ)做固定約束。組合模型如圖5所示。

圖5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組合模型

6 結(jié)語

1)通過對(duì)原型機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立傳動(dòng)軸模型及變槳距模型；建立葉片及塔架的有限元模型，并生成可導(dǎo)入adams的MNF文件。

2)集有限元軟件及多體動(dòng)力學(xué)軟件的優(yōu)點(diǎn)于一體的組合模型，避免有限元軟件中模擬時(shí)動(dòng)態(tài)速度過慢的缺點(diǎn)，以及采取數(shù)學(xué)建模時(shí)，葉片過于復(fù)雜，簡(jiǎn)化困難的缺點(diǎn)。

3)便于開展氣動(dòng)分析，軟件adams與風(fēng)荷載軟件aerodyn有良好接口，便于開展接續(xù)工作。

4)便于實(shí)現(xiàn)變速及變槳距的機(jī)電控制，adams軟件與simulink具有兼容的接口，可以實(shí)現(xiàn)基于simulink的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速及槳距角的實(shí)時(shí)控制。

此次剛?cè)峄旌辖?，也便于?duì)運(yùn)行中的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究。