風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸的疲勞損失仿真研究

內(nèi)蒙古龍?jiān)疵蓶|風(fēng)力發(fā)電有限公司 于重陽

新疆是我國面積最大的省份，地處內(nèi)陸，四季變化明顯，風(fēng)能資源十分豐富，風(fēng)電發(fā)展優(yōu)勢得天獨(dú)厚。然而風(fēng)資源豐富的同時也會有較為惡劣的極端天氣出現(xiàn)，在極端天氣出現(xiàn)時地面風(fēng)速分布極為復(fù)雜和不均勻，易造成較嚴(yán)重的風(fēng)力發(fā)電機(jī)各部件的疲勞損傷，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)難以持續(xù)工作，當(dāng)風(fēng)力機(jī)長期遭受25m/s切出風(fēng)速的大風(fēng)時，即使風(fēng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，也易造成葉片根部承受的彎矩、轉(zhuǎn)矩、剪切強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度超過極限，嚴(yán)重時可導(dǎo)致整個葉片飛出。因此，風(fēng)力機(jī)不同結(jié)構(gòu)在各種條件下運(yùn)行的損傷程度對于風(fēng)力機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行極為重要。

國內(nèi)外學(xué)者已開展對風(fēng)力機(jī)葉片、塔架、軸系在不同工況下?lián)p傷程度的理論及實(shí)驗(yàn)研究[1-3]，薛占璞、趙元星等人[4-5]基于葉素動量理論對風(fēng)力機(jī)整個葉片在不同風(fēng)載荷下風(fēng)力機(jī)葉片損傷性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，理論計(jì)算顯示風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行過程中葉片根部應(yīng)力最大，但不會造成葉片結(jié)構(gòu)斷裂現(xiàn)象，因此在制造葉片根部時需要進(jìn)行強(qiáng)化處理。高慶水、劉中勝等人[6-7]利用有限元方法對塔架和葉片在風(fēng)和近斷層強(qiáng)烈地震耦合作用下動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，通過理論數(shù)值仿真可獲得風(fēng)力機(jī)塔架的地震倒塌易損性曲線，為風(fēng)力機(jī)塔架的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。田寬引[8-10]利用仿真軟件對不同次同步振蕩時長下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸系齒輪部分疲勞損傷進(jìn)行了理論計(jì)算，理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度相近，理論預(yù)測方法可有效預(yù)測風(fēng)力機(jī)軸系齒輪系統(tǒng)安全可靠性，現(xiàn)有研究中對于風(fēng)力機(jī)在不同條件下葉片、塔架、軸系齒輪的損傷程度較多，并且形成了較為完善的理論預(yù)測體系。

綜上所述，現(xiàn)有研究中對風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸系在不同工況下扭振造成的疲勞損傷較少，主要是由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)測試手段難以實(shí)現(xiàn)在風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行現(xiàn)實(shí)情況下對軸系損傷的測試。本文通過多物理場耦合仿真軟件建立風(fēng)力機(jī)軸系扭振模型，理論計(jì)算獲得風(fēng)力機(jī)在不同運(yùn)行工況下的對軸系疲勞損傷程度的影響，理論仿真計(jì)算方法可為風(fēng)力機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供預(yù)測指導(dǎo)。

1 理論模型

1.1 物理模型

風(fēng)力機(jī)軸系物理模型依據(jù)國內(nèi)常規(guī)的單機(jī)發(fā)電量在1.5MW的實(shí)體風(fēng)力機(jī)建立的物理模型，其主要結(jié)構(gòu)尺寸如下：內(nèi)徑10cm，內(nèi)徑長度40cm，外徑16cm，外徑長度20cm，利用COMSOL建立二維圖形經(jīng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變成三維軸實(shí)體模型，經(jīng)網(wǎng)格劃分將實(shí)體劃分為90萬個網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

1.2 數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力機(jī)在正常運(yùn)行時葉片帶動軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動，可假設(shè)軸的遠(yuǎn)葉端為固定端，風(fēng)力機(jī)軸的材料采用鉻鎳鋼，材料的彈性模量E=100GPa，泊松比ν為0.25，材料的軸向張力的疲勞極限為700MPa，純張力的疲勞極限為560MPa，應(yīng)力振幅是為560MPa～700MPa。在單軸載荷下Findley準(zhǔn)則可以寫為：為應(yīng)力振幅，σmax為在一個疲勞循環(huán)周期中承受的最大應(yīng)力，由此可知綜合三式可得f為440MPa，k為0.23。

1.3 邊界條件

風(fēng)力機(jī)所在地區(qū)的風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)直接影響風(fēng)力機(jī)軸系的疲勞損傷程度，本文采用數(shù)據(jù)為新疆達(dá)坂城風(fēng)電場年平均風(fēng)速和極端風(fēng)速作為仿真計(jì)算的初始條件，近30年當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速、極端風(fēng)速分別為8.61m/s，40.7m/s，風(fēng)向多為偏北風(fēng)和西北風(fēng)，該風(fēng)速、風(fēng)向作用在1.5MW風(fēng)力機(jī)軸上的應(yīng)力為1.94kN，扭矩為28.7Nm，相當(dāng)于作用在在軸的近葉片端施加了兩個與時間有關(guān)的載荷，分別是橫向力和一個隨時間變化的扭力，橫向力從0～1.94kN之間變化，扭矩從-28.7～28.7Nm之間變化，其橫向力和扭力的變化趨勢如圖1。

對所建立的物理模型進(jìn)行應(yīng)力和扭矩作用下的理論計(jì)算，分別獲得軸在橫向力、扭矩、以及橫向力與扭矩的耦合作用下軸向應(yīng)力的變化。利用Findley準(zhǔn)則和Matake準(zhǔn)則數(shù)對橫向應(yīng)力和扭矩作用下的疲勞損失系數(shù)進(jìn)行計(jì)算并與前期相關(guān)研究結(jié)果進(jìn)行對比分析。

2 結(jié)果討論

圖2和圖3顯示了兩種基本載荷在單一作用情況下的應(yīng)力分布。圖2為橫向應(yīng)力產(chǎn)生的軸向應(yīng)力云圖，在應(yīng)力作用下近葉端產(chǎn)生形變，并且在直徑突變的圓角表面中產(chǎn)生最大有效應(yīng)力，集中應(yīng)力的半徑略大于軸的最小半徑。圖3為風(fēng)力機(jī)軸在扭矩條件下產(chǎn)生的有效應(yīng)力云圖，由扭矩產(chǎn)生的集中應(yīng)力在軸徑突變出并形成一個圓環(huán)狀應(yīng)力集中區(qū)域，其中圓環(huán)狀應(yīng)力集中區(qū)主要集中在軸的外徑處和軸的變直徑處。

圖4為應(yīng)力與扭矩耦合作用下的有效應(yīng)力分布圖，由仿真結(jié)果可知，橫向力和扭矩同時作用在軸上時軸的近葉端發(fā)生了較大程度的偏移，同時在變直徑上下兩側(cè)都產(chǎn)生了較強(qiáng)的集中應(yīng)力，集中應(yīng)力最大值位于軸的上表面，理論計(jì)算值為9.49×108N/m2，為使風(fēng)力機(jī)軸具有更好的使用壽命需對變直徑出進(jìn)行強(qiáng)度再處理工藝。

利用Findley準(zhǔn)則和Matake準(zhǔn)則對軸在極端應(yīng)力和扭矩作用下的疲勞系數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，圖5為依據(jù)Findley準(zhǔn)則對軸進(jìn)行的疲勞系數(shù)計(jì)算結(jié)果，理論計(jì)算獲得的疲勞使用系數(shù)為0.98，與文獻(xiàn)中得到的疲勞使用系數(shù)1較接近[9-10]，可基本驗(yàn)證利用Findley準(zhǔn)確數(shù)進(jìn)行理論求解更準(zhǔn)確，但該方法在軸的頂面和底面之間疲勞使用系數(shù)差異很大，需對模型進(jìn)一步優(yōu)化。軸的頂面與底面的疲勞使用系數(shù)差異較大，這與兩面之間所受的應(yīng)力有直接關(guān)系，由圖3、4可知，即使在相同位置上有相同有效應(yīng)力，但兩處疲勞使用系數(shù)確不同，這主要是拉應(yīng)力之間的差異處于臨界點(diǎn)的狀態(tài)，而壓應(yīng)力處于軸的另一側(cè)。

圖6為使用Matake準(zhǔn)則對軸的疲勞使用系數(shù)進(jìn)行的仿真計(jì)算結(jié)果，最大疲勞使用系數(shù)已由0.98降至0.90，這表明在相似的模型基礎(chǔ)上利用不同準(zhǔn)則數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到的疲勞使用系數(shù)會有顯著差異，這主要是Matake模型中計(jì)算的臨界平面不同于Findley中使用的臨界平面模型，臨界面上的最大法向應(yīng)力與Findley相比具有更顯著的差異，因此在理論計(jì)算風(fēng)力機(jī)軸系受到應(yīng)力與扭矩耦合作用時的疲勞使用系數(shù)建議選擇Findley模型。

3 結(jié)語

通過對風(fēng)力機(jī)軸的在應(yīng)力、扭矩作用下的仿真計(jì)算，獲得風(fēng)力機(jī)軸在單一應(yīng)力、扭矩，以及應(yīng)力-扭矩耦合作用下的應(yīng)力集中圖及疲勞使用系數(shù)，得如下結(jié)論：風(fēng)力機(jī)發(fā)電機(jī)在受到強(qiáng)風(fēng)作用時即受到較大的橫向應(yīng)力，由于風(fēng)速與葉片有夾角，易造成風(fēng)力機(jī)軸的近葉端產(chǎn)生較大位移，產(chǎn)生形變；風(fēng)力發(fā)電機(jī)在受到橫向應(yīng)力和扭矩耦合作用時，風(fēng)力機(jī)軸的主要應(yīng)力集中區(qū)在直徑突變出，需要對該處進(jìn)行強(qiáng)化工藝處理；利用Findley和Matake模型計(jì)算得到的疲勞使用系數(shù)差異較大，基于Findley準(zhǔn)則數(shù)獲得的疲勞使用系數(shù)更準(zhǔn)確。