風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)件動力學(xué)特性分析

□ 房 明 □ 趙 震,3 □ 唐子謀 □ 李 華,

1.江蘇中車電機有限公司 江蘇大豐 224100 2.中車株洲電機有限公司 湖南株洲 412000 3.西安交通大學(xué) 機械工程學(xué)院 西安 710049

1 分析背景

風(fēng)力發(fā)電是一種發(fā)展前景廣闊的清潔能源,發(fā)展極其迅速。2018年,全球風(fēng)力發(fā)電容量達(dá)到600 GW以上,我國則擁有世界1/3以上的風(fēng)力發(fā)電裝機容量,達(dá)到221 GW,且已經(jīng)出現(xiàn)了單機容量為8 MW～12 MW的風(fēng)力發(fā)電機商業(yè)化機或概念機。隨著風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的迅猛發(fā)展,風(fēng)力發(fā)電機部件設(shè)計的可靠性越來越重要。風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計時,既要滿足靜強度、疲勞壽命和動力學(xué)振動的特性要求,也要符合國際或國內(nèi)的行業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[1]。

目前,國內(nèi)學(xué)者在風(fēng)力發(fā)電機靜強度和疲勞仿真分析方面做了大量研究。何玉林等[2]利用有限元分析軟件對直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組主機架結(jié)構(gòu)進行了靜強度和疲勞壽命分析。杜靜、何玉林等[3]對兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組主軸疲勞損傷進行研究,提出將雨流循環(huán)計數(shù)法與Palmgren-Miner線性累積損傷理論相結(jié)合的主軸疲勞損傷計算方法。楊兆忠等[4]以輪轂為例,從極限強度和疲勞壽命兩個方面結(jié)合有限元軟件對鑄件強度進行校核。沃曉臨等[5]采用有限元軟件對兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機輪轂與主軸的連接螺栓進行強度分析,在極限載荷與疲勞載荷下對連接螺栓進行仿真計算。上述研究主要集中在風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)靜強度和疲勞壽命方面,而在風(fēng)力發(fā)電機動力學(xué)方面,趙萍等[6]對大型風(fēng)力發(fā)電機組動力學(xué)特性進行了研究,曹娜等[7]對直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的動力學(xué)特性進行了仿真分析,辛金明[8]依據(jù)發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)對三種風(fēng)力發(fā)電機組的動力學(xué)模型進行了分析。

筆者以某兆瓦級直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)件為研究對象,使用有限元軟件進行模態(tài)仿真分析和電磁振動仿真分析,并進行動力學(xué)振動特性分析,為大型直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

2 風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)件模態(tài)仿真分析

2.1 定子

使用有限元軟件對風(fēng)力發(fā)電機定子建模,分別進行自由模態(tài)和約束模態(tài)仿真分析。定子一階模態(tài)如圖1所示,自由狀態(tài)下一階自由模態(tài)為44.634 Hz,定軸固定后一階約束模態(tài)為32.996 Hz。

▲圖1 定子一階模態(tài)

2.2 轉(zhuǎn)子

使用有限元軟件對風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子建模,分別進行自由模態(tài)和約束模態(tài)仿真分析。轉(zhuǎn)子一階模態(tài)如圖2所示,自由狀態(tài)下一階自由模態(tài)為30.792 Hz,軸承位置固定后一階約束模態(tài)為32.737 Hz。

▲圖2 轉(zhuǎn)子一階模態(tài)

2.3 整機

使用有限元軟件對風(fēng)力發(fā)電機整機進行建模,計算風(fēng)力發(fā)電機整機在不同剛度下的模態(tài)。用彈簧模擬軸承時,計算結(jié)果如圖3所示。風(fēng)力發(fā)電機整機轉(zhuǎn)子的一階自由模態(tài)為25.008 Hz,整機定子的一階約束模態(tài)為29.234 Hz。

▲圖3 彈簧模擬軸承時風(fēng)力發(fā)電機整機一階模態(tài)

用賦予鑄件屬性的實體模擬軸承時,計算結(jié)果如圖4所示。整機轉(zhuǎn)子的一階自由模態(tài)為28.430 Hz,整機定子的一階約束模態(tài)為29.711 Hz。

▲圖4 實體模擬軸承時風(fēng)力發(fā)電機整機一階模態(tài)

2.4 模態(tài)分析小結(jié)

風(fēng)力發(fā)電機的模態(tài)仿真分析是評估不發(fā)生共振的關(guān)鍵方法和依據(jù)。風(fēng)力發(fā)電機主要由定子和轉(zhuǎn)子組成,從已有的實測數(shù)據(jù)來看,為保證結(jié)構(gòu)設(shè)計安全,需要使定子、轉(zhuǎn)子的固有頻率遠(yuǎn)離風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)頻和未調(diào)頻前的電磁頻率[9]。

筆者首先對定子的自由模態(tài)和約束模態(tài)進行分析,然后對轉(zhuǎn)子的自由模態(tài)和約束模態(tài)進行仿真分析,最后對風(fēng)力發(fā)電機整機進行約束模態(tài)仿真分析。其中,軸承剛度對風(fēng)力發(fā)電機整機模態(tài)的影響比較大,所以對風(fēng)力發(fā)電機整機在不同軸承剛度下的模態(tài)進行了分析。

由圖1和圖2可知,風(fēng)力發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子一階模態(tài)遠(yuǎn)高于風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)頻0.125 Hz和未調(diào)頻前的電磁頻率11.25 Hz。由圖3和圖4可知,風(fēng)力發(fā)電機整機在不同剛度下定子、轉(zhuǎn)子一階振型均表現(xiàn)為偏心振動,且一階固有頻率均遠(yuǎn)離風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)頻和電磁頻率,證明該風(fēng)力發(fā)電機的動力學(xué)振動特性良好。

3 風(fēng)力發(fā)電機電磁振動分析

3.1 電磁力計算

風(fēng)力發(fā)電機的電磁力是時空二維變化的物理量,計算中保存了風(fēng)力發(fā)電機穩(wěn)定運行的磁場結(jié)果,進而提取風(fēng)力發(fā)電機氣隙靠近定子齒部位的磁密Bg。這一氣隙磁密可分解為徑向分量Bgr和切向分量Bgt,進而可求出風(fēng)力發(fā)電機電磁力的徑向分量fr和切向分量ft。由于切向分量較小,一般可以忽略,因此只考慮徑向分量,有:

(1)

式中:μ0為空氣磁導(dǎo)率。

計算風(fēng)力發(fā)電機的徑向電磁力,一對極空間下電磁力波形時空二維分布圖如圖5所示。

▲圖5 一對極空間下電磁力波形時空二維分布圖

3.2 定子電磁振動模型

建立風(fēng)力發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)的有限元模型,對硅鋼片鐵心和繞組模型進行等效設(shè)置,一般定子鐵心設(shè)置為各向異性。通過控制齒面上電磁網(wǎng)格節(jié)點和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格節(jié)點分布的一致性,將電磁力轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上,得到風(fēng)力發(fā)電機在整個運轉(zhuǎn)過程中定子上各點的振動位移、速度、加速度,以及定子上各點的機械應(yīng)變和應(yīng)力情況[10-11]。加載電磁力的定子模型如圖6所示,通過模態(tài)疊加方法計算定子表面振動。

▲圖6 加載電磁力定子模型

3.3 定子電磁振動值

很多國際、國家標(biāo)準(zhǔn)都對旋轉(zhuǎn)機械的振動范圍進行了規(guī)定,如ISO 2372、ISO 10816、IEC 60034-14、GB/T 6075、GB/T 10068等。筆者執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10068—2008《軸中心高為56 mm及以上電機的機械振動 振動的測量、評定及限值》中的規(guī)定,振動速度限制為2.3 mm/s,振動加速度限制為3.6 m/s2,進行有限元仿真分析,風(fēng)力發(fā)電機振動速度、加速度值提取點如圖7所示。0～256 Hz頻率范圍內(nèi)振動速度如圖8所示,振動加速度如圖9所示,均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

▲圖7 風(fēng)力發(fā)電機振動速度和加速度值提取點

▲圖8 風(fēng)力發(fā)電機振動速度

▲圖9 風(fēng)力發(fā)電機振動加速度

4 結(jié)束語

筆者以某兆瓦級直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)件為研究對象,進行動力學(xué)特性分析。在研究中,對風(fēng)力發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子進行了自由模態(tài)和約束模態(tài)計算,并對風(fēng)力發(fā)電機整機在不同軸承剛度下的一階模態(tài)進行了仿真分析。另一方面,將電磁力引入風(fēng)力發(fā)電機定子模型,按照國家標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)力發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)進行電磁振動仿真分析。上述計算均基于理想模型進行,在實際組裝和運行中,風(fēng)力發(fā)電機可能會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻、風(fēng)力發(fā)電機偏心及電磁力不均勻等問題,因此風(fēng)力發(fā)電機動力學(xué)振動問題還需要更深入的研究。