風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真方法研究

燕智敏

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州215004）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是世界上廣泛應(yīng)用的新能源設(shè)備之一，其主要工作原理是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。風(fēng)機(jī)葉片在風(fēng)載荷驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出交流電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種重要的清潔能源轉(zhuǎn)換裝備，主要由葉片、機(jī)艙、輪轂、齒輪箱、發(fā)電機(jī)及塔筒等部件組成。20世紀(jì)70年代以前，世界對(duì)于石油等非再生單一能源的過度依賴，最終導(dǎo)致了能源緊張。人們認(rèn)識(shí)到對(duì)于非再生能源的過度依賴將不可避免出現(xiàn)“能源危機(jī)”，于是尋求清潔的可再生能源成為當(dāng)前世界最重要的能源替代課題。而風(fēng)能是一種無污染、可再生的自然能源，在“能源危機(jī)”的情況下，逐漸被人們所重視。到目前為止，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在世界發(fā)電領(lǐng)域占據(jù)了越來越重要的地位[1-3]。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)通常工作在諸如交變風(fēng)載工況、地震及潮汐等惡劣工況下，龐大且復(fù)雜的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所造成的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)將受到極大的影響，直至嚴(yán)重影響整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的工作壽命。國(guó)外一些科研院所對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究中，Simo Rissanen和Sanna Uski運(yùn)用ADAMS模擬了風(fēng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為；丹麥Risae國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研發(fā)人員建立了風(fēng)機(jī)柔性體葉片數(shù)學(xué)模型，命名為FLEX4。國(guó)內(nèi)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的研究，新疆大學(xué)基本走在了前列。其研究人員運(yùn)用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS等對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究；在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究上，上海電氣集團(tuán)也取得了一定的科研成果，其研究人員基于ADAMS仿真平臺(tái)對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)模擬仿真[4-5]。

提高葉片和塔筒等長(zhǎng)度和高度是提高風(fēng)機(jī)整機(jī)功率的有效手段。過長(zhǎng)的葉片和塔筒將給予風(fēng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)提出難度和技術(shù)等更為苛刻的要求。本研究采用ADAMS仿真軟件，主要研究了風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中風(fēng)輪及塔筒部分的動(dòng)力學(xué)研究方法。

1 動(dòng)力學(xué)仿真模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)見第65頁(yè)圖1，主要由葉片、輪轂、機(jī)艙、齒輪箱、發(fā)電機(jī)及塔筒等組成，其中葉片及塔筒長(zhǎng)度隨著系統(tǒng)功率的逐漸增高而增高。大尺寸、高揉度的葉片、塔筒結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題提出更好的要求。因此，精準(zhǔn)的風(fēng)機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型對(duì)于研究風(fēng)機(jī)動(dòng)力學(xué)特性意義重大。動(dòng)力學(xué)方程為

由式（1）可知，保證系統(tǒng)質(zhì)量、阻尼和剛度相同的前提下，可確保系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)相同。

與此同時(shí)，確保簡(jiǎn)化模型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相同也是保證系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)不變的重要條件。塔筒風(fēng)輪系統(tǒng)仿真模型見第65頁(yè)圖2。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖2 塔筒風(fēng)輪系統(tǒng)仿真模型

2 結(jié)構(gòu)柔性化替換

在ADAMS仿真平臺(tái)中搭建剛性動(dòng)力學(xué)模型，為研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)變化對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成的影響，需要對(duì)剛性模型進(jìn)行柔性化處理。剛性結(jié)構(gòu)柔性化處理主要注意以下5點(diǎn)：一是柔性化前后模型一致；二是替換模型需提前進(jìn)行有限元網(wǎng)格處理；三是準(zhǔn)確定義結(jié)構(gòu)邊界條件；四是約束部位需建立相應(yīng)剛性點(diǎn)；五是兩柔性結(jié)構(gòu)必須直接通過剛性結(jié)構(gòu)連接。結(jié)構(gòu)柔性化替換操作流程見圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)柔性化替換操作流程

3 風(fēng)載荷施加

將GH軟件計(jì)算出的風(fēng)載荷施加到動(dòng)力學(xué)仿真模型相應(yīng)位置處。本研究基于直角坐標(biāo)系下，將風(fēng)載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)分解，最終獲得了3個(gè)坐標(biāo)方向上的力和力矩?cái)?shù)據(jù)，施加到風(fēng)機(jī)質(zhì)心位置。圖4為風(fēng)載荷所在直角坐標(biāo)系示意圖，基于該坐標(biāo)系下的力和力矩方向服從右手準(zhǔn)則。

圖4 風(fēng)載荷加載坐標(biāo)系

4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)例

將某型號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)整體模型簡(jiǎn)化為動(dòng)力學(xué)仿真模型，分別對(duì)風(fēng)機(jī)的葉片、輪轂和塔筒進(jìn)行柔性化替換。施加GH風(fēng)載荷數(shù)據(jù)，加載GH計(jì)算出經(jīng)過3個(gè)方向分解后的風(fēng)載荷數(shù)據(jù)，施加整個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)副。該動(dòng)力學(xué)仿真中，不考慮風(fēng)機(jī)葉片與輪轂間的偏轉(zhuǎn)以及風(fēng)輪與塔筒之間的偏航效應(yīng)，所以風(fēng)機(jī)葉片與輪轂間的運(yùn)動(dòng)副可簡(jiǎn)化為固定副；輪轂與質(zhì)量球間可簡(jiǎn)化為旋轉(zhuǎn)副；質(zhì)量球與塔筒間可簡(jiǎn)化為固定副，塔筒與地面固定。風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果中的塔筒與葉片變形結(jié)果見圖5。風(fēng)機(jī)機(jī)艙的橫向振動(dòng)頻域信號(hào)測(cè)量結(jié)果見圖6，該結(jié)果給出了風(fēng)機(jī)在某一風(fēng)況下的頻率分布情況。根據(jù)該變形與振動(dòng)結(jié)果，優(yōu)化風(fēng)機(jī)相關(guān)部件設(shè)計(jì)，為使風(fēng)機(jī)有效規(guī)避風(fēng)載激振提供科學(xué)依據(jù)。

圖5 系統(tǒng)變形

圖6 機(jī)艙振動(dòng)頻域

綜上所述，由于風(fēng)載荷的激振頻率較寬，因此進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)研發(fā)時(shí)，必須確保風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)固有頻率具有足夠的避開裕度以使風(fēng)機(jī)有效規(guī)避風(fēng)載荷激振頻率的影響。同時(shí)大功率風(fēng)機(jī)將使得風(fēng)機(jī)葉片和塔筒尺寸增大，在風(fēng)載荷的激振下，大尺寸葉片和塔筒的強(qiáng)度問題也是風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行的大問題。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)的研究可以有效解決風(fēng)機(jī)強(qiáng)度與振動(dòng)問題。動(dòng)力學(xué)仿真方法越精準(zhǔn)，風(fēng)機(jī)的強(qiáng)度和振動(dòng)安全系數(shù)越大，風(fēng)機(jī)越安全可靠。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真方法研究對(duì)于縮短風(fēng)機(jī)研發(fā)周期、有效增強(qiáng)風(fēng)機(jī)的抗災(zāi)害能力和提高風(fēng)機(jī)使用壽命具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。