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2013-06-15 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
据世界气象组织统计分析表明,地球上近地层的风能总量约为13000亿kW,由于风能易于获得并转换,且分布广泛、无污染而又能够不断再生,所以开发利用风能可以很好的解决目前化石能源的危机,为人类解决能源危机提供一条很好的办法。某科技股份有限公司是研究、开发与生产制造大型风力发电机组的企业。在未来将实现600kW、750kW、1.2MW、1.5MW、2.5MW系列风机的生产销售,提高风力发电机组整机性能,降低整机成本,扩大市场占有率。开创具有国际先进水平的中国风电产业第一品牌。
该企业研制的风力发电机结构简图如图,桨毂是风力发电机组中一个非常重要的部件,它是一个典型的“轮毂形”结构,圆周均布三个法兰与叶片连接,侧端面法兰与风力机机舱主轴相连。桨毂主要承受叶片的重力、离心力、剪切力和扭矩以及各种激振力和疲劳载荷。
因为在风电机组的桨毂叶片上所承受的复杂的静、动载荷会直接传递到轮毂上,进而传递到整个风力机上去,所以桨毂的受力情况非常复杂。桨毂设计的好坏将直接影响到风力发电机组的正常运行和使用寿命,因此它应该具有强度高、可靠性强、疲劳寿命长、吸振性好等性能。
风电机组桨毂是风力发电机组的重要部件,其结构和受力变形复杂,利用经典力学方法难以准确分析和评估桨毂整体应力分布以及最大应力位置。需要采用大型通用的有限元分析软件来解决此类结构分析的难题。
利用ANSYS软件对600kW风电机组桨毂进行结构分析,该企业的计算结果与外方计算结果比较情况见表1。通过观察应力分布云图和计算结果比较表可知:最大等效应力值及其部位有良好的一致性。证明该模型的有限元网格剖分、边界约束、载荷施加均是可靠的,可用于1.3MW和1.5MW风电机组桨毂结构静强度分析与形状尺寸优化设计。
600kW风电机组桨毂网格模型、载荷情况应力分布云图
对1.3MW风电机组桨毂进行结构分析,研究了风电机组等截面厚度、桨毂重量和最大等效应力随厚度的变化情况。
1.3MW变截面厚度桨毂模型、某载荷情况等效应力分布云图
根据计算结果,在1.3MW风电机组桨毂优化设计过程中采用了变截面厚度方案。由于桨毂最大应力位置在与主轴连接处的桨毂法兰端根部,因此,可以通过增加该处桨毂法兰端的厚度,同时减小另一端厚度的措施来改善桨毂的综合特性。通过后续的验证计算表明1.3MW风电机组桨毂采用变截面厚度设计方案是合理的,比等截面厚度设计更具优越性。
1.5MW桨毂某载荷下等效应力分布云图
通过对1.3MW风电机组桨毂分析比较,在1.5MW风电机组桨毂设计时,直接采用变截面设计方案,通过后续的验证计算表明优化设计后的桨毂结构具有足够的强度和稳定性。
通过对600kW风电机组桨毂有限元分析,探索用ANSYS软件分析桨毂结构静强度的方法,为1.3MW和1.5MW风电机组桨毂研发提供了可靠的手段。在风电机组桨毂结构设计过程中,采用变截面结构后,可以减小桨毂设计重量,提高材料的有效利用率,降低加工难度和加工费用。
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