直驅(qū)式風(fēng)電機組發(fā)電機部件強度分析

2016-11-28  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

1 引言

目前國內(nèi)市場上已經(jīng)出現(xiàn)了2.5MW、3.0MW和5.0MW等大型風(fēng)電機組。隨著風(fēng)電機組功率等級加大,其內(nèi)部各零部件所承受的載荷明顯增大,風(fēng)電機組發(fā)電機要在各種載荷工況下安全運行,其重要部件必須滿足強度要求。發(fā)電機作為風(fēng)電機組的重要部件,其強度對整機的可靠性至關(guān)重要。同時,風(fēng)電機組設(shè)計須滿足20年的使用壽命,這使得發(fā)電機關(guān)鍵零部件的強度設(shè)計尤為重要。一方面,發(fā)電機部件設(shè)計需要滿足極限強度要求,另一方面,還需要綜合考慮零部件疲勞強度對發(fā)電機使用壽命的影響。

在此背景下,以有限元分析、動態(tài)設(shè)計和抗疲勞設(shè)計等為主要內(nèi)容的現(xiàn)代設(shè)計方法在風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)設(shè)計中日益得到重視。目前,國內(nèi)學(xué)者在強度研究方面較為典型的研究包括:何玉林等運用風(fēng)電機組空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、強度分析等理論和現(xiàn)代設(shè)計方法,利用有限元分析軟件對主機架結(jié)構(gòu)進行了靜強度和疲勞壽命分析;杜靜等基于風(fēng)電機組主軸有限元模型,對兆瓦級風(fēng)電機組主軸疲勞損傷進行了研究,提出了將雨流循環(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;王平等應(yīng)用有限元軟件對風(fēng)電機組的輪轂進行了極限強度和疲勞強度分析,模擬了疲勞載荷和材料的S-N曲線;楊兆忠等以輪轂為例,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了校核;姚興佳等以HyperWorks作為分析平臺對輪轂結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化;沃曉臨等采用有限元軟件對兆瓦級風(fēng)電機組輪轂與主軸的連接螺栓做了強度分析,對連接螺栓本身,在極限載荷與疲勞載荷下進行了仿真計算;李超等采用有限元商業(yè)軟件為工具,對某兆瓦級風(fēng)電機組機艙罩的極限強度進行了計算分析。

上述研究集中在風(fēng)電機組主機架、主軸、輪轂和螺栓等零部件,對于直驅(qū)式風(fēng)電機組發(fā)電機部件強度沒有做特定分析。發(fā)電機部件作為風(fēng)電機組的重要組成部分,在大功率化趨勢下其部件強度研究對整機安全性和可靠性不可或缺。本文建立某2.0MW直驅(qū)式發(fā)電機的有限元模型,將綜合應(yīng)用有限元軟件和疲勞分析軟件分析校核電機轉(zhuǎn)軸、定軸及轉(zhuǎn)子支架的極限強度和疲勞強度。根據(jù)GL2010認證規(guī)范,推導(dǎo)了電機轉(zhuǎn)軸、定軸及轉(zhuǎn)子支架的S-N曲線表達式。

2 發(fā)電機主軸極限強度分析

2.1 有限元模型建立

某2.0MW直驅(qū)發(fā)電機由轉(zhuǎn)軸、定軸及轉(zhuǎn)子支架等部分組成。利用三維建模軟件建立幾何模型,在建模過程中,需對強度影響很小的特征,如小的倒角、凸臺等進行簡化。其后將幾何模型導(dǎo)入專業(yè)的有限元前處理軟件進行網(wǎng)格劃分,以建立分析所需的有限元模型。根據(jù)直驅(qū)發(fā)電機的結(jié)構(gòu)特點,基于HyperMesh軟件對發(fā)電機的主要結(jié)構(gòu)采用實體單元離散。各部分均盡可能采用網(wǎng)格協(xié)調(diào)的方法連接。最終的有限元模型共包含391246個節(jié)點,323460個單元,總體與零部件網(wǎng)格模型如圖1所示。在模擬回轉(zhuǎn)支承的端面全約束,以消除整個模型的剛體位移。根據(jù)GL2010認證規(guī)范設(shè)定工況和參數(shù),由GHBladed自動輸出極限工況和疲勞工況載荷數(shù)據(jù),其中共包含16個極限工況和89個疲勞工況。

(a)整體 (b)轉(zhuǎn)軸

(c)轉(zhuǎn)子支架 (d)定軸

圖1 直驅(qū)式發(fā)電機網(wǎng)格模型

2.2 極限強度分析

設(shè)x,y,z坐標系滿足GL2010認證規(guī)范的輪轂坐標系要求[11],以FX_min工況為例,它表示在所有計算工況中,施加載荷部位的x方向的代數(shù)值最小,其他工況以此類推。各極限工況下主要部件的最大應(yīng)力值如表1所示。

表1 不同極限工況下主要部件最大應(yīng)力結(jié)果統(tǒng)計(單位:MPa)

根據(jù)GL2010認證規(guī)范,選擇材料局部安全系數(shù)。發(fā)電機轉(zhuǎn)軸和定軸材料為鑄鋼,屈服極限值隨結(jié)構(gòu)尺寸增大而減小,這里取值為300MPa。轉(zhuǎn)子支架為鍛件,屈服極限值取為235MPa。各極限工況下轉(zhuǎn)軸、定軸及轉(zhuǎn)子支架的安全系數(shù)如表2所示。

表2不同極限工況下主要部件安全系數(shù)

轉(zhuǎn)子支架的加強筋上設(shè)置的圓孔成為該結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。由表2可知,轉(zhuǎn)矩是造成結(jié)構(gòu)高應(yīng)力的主要原因,最大應(yīng)力值發(fā)生在Mz_min工況下,應(yīng)力值為246.0MPa,大于材料的屈服強度235MPa,轉(zhuǎn)子支架的安全系數(shù)小于1,不滿足結(jié)構(gòu)強度設(shè)計要求。

2.2.1轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)改進

發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架不滿足結(jié)構(gòu)強度設(shè)計要求,故需進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以滿足設(shè)計要求。加厚加強筋輪轂側(cè)厚度,由現(xiàn)在的17mm加厚至40mm。只考察轉(zhuǎn)子支架在不同極限工況下應(yīng)力大小及分布情況。

表3 不同極限工況下轉(zhuǎn)子支架分析結(jié)果

在轉(zhuǎn)子支架加強筋加厚的條件下,轉(zhuǎn)子支架所受的最大應(yīng)力小于材料屈服強度,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)大于1,初步滿足發(fā)電機部件極限強度設(shè)計要求。

3 發(fā)電機轉(zhuǎn)軸、定軸及轉(zhuǎn)子支架的疲勞強度分析

3.1發(fā)電機部件的S-N曲線

根據(jù)GL2010認證規(guī)范5.B.2.1所述,材料的典型S-N曲線應(yīng)作為疲勞分析的基礎(chǔ)。但通常情況下,材料的S-N曲線都是用小尺寸光滑圓柱試件在實驗室中獲得的[10]。在風(fēng)電機組大型化發(fā)展的趨勢下,利用小試件試驗得到的S-N曲線不能為疲勞壽命的估算提供合理的依據(jù)。

在GL2010認證規(guī)范中,材料的零件部件設(shè)計S-N曲線由三條線段組成,第一段是循環(huán)次數(shù)小于N1的低周疲勞直線段;第二段是指數(shù)斜率為m1,終止于ND的斜線段;第三段是指數(shù)斜率為m2的高周疲勞斜線段。

本節(jié)將根據(jù)GL2010認證規(guī)范第五章附錄內(nèi)容給出的風(fēng)電機組鍛造鑄鋼材料和鍛造材料的設(shè)計S-N曲線合成方法,通過計算得到發(fā)電機各部件的S-N曲線如圖2所示。

(a) 轉(zhuǎn)軸的合成S-N曲線 (b) 定軸的合成S-N曲線

(c) 轉(zhuǎn)子支架的合成S-N曲線

圖2 發(fā)電機部件的S-N曲線

3.2發(fā)電機部件的疲勞強度

在風(fēng)電機組零部件結(jié)構(gòu)疲勞強度校核中,通?；跓狳c(hotspot)法計算疲勞損傷,由于極限工況下的最大應(yīng)力值點未必是最大累積損傷點,逐點計算難以確定結(jié)構(gòu)的最大損傷位置,從而難以對疲勞分析結(jié)果做出合理評價。本節(jié)基于疲勞分析軟件進行發(fā)電機結(jié)構(gòu)的全域損傷值計算,得到全域的損傷分布狀況,進而可以合理地對結(jié)構(gòu)強度進行評價。由軟件自動進行雨流計數(shù)和線性損傷累積,基于HyperView進行結(jié)果后處理,得到如圖3所示的部件的累積損傷分布圖。

(a)轉(zhuǎn)軸的疲勞損傷云圖 (b)定軸的疲勞損傷云圖

(c)轉(zhuǎn)子支架的疲勞損傷云圖

圖3 發(fā)電機部件的疲勞損傷分布云圖

4 結(jié)論

本文研究了某直驅(qū)式風(fēng)電機組發(fā)電機部件的強度分析方法。首先應(yīng)用三維建模軟件建立了直驅(qū)式發(fā)電機的幾何模型,其后應(yīng)用HyperMesh軟件對模型進行網(wǎng)格劃分,得到有限元模型。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用有限元軟件分析了直驅(qū)式發(fā)電機轉(zhuǎn)軸、定軸及轉(zhuǎn)子支架的極限強度。在上述基礎(chǔ)上,對不滿足極限強度條件的轉(zhuǎn)子支架給出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。參考風(fēng)電行業(yè)的GL2010認證規(guī)范計算得到了發(fā)電機部件的S-N曲線?；谄诜治鲕浖?得到了發(fā)電機部件的累積損傷值,并用HyperView軟件進行結(jié)果后處理。最終得到優(yōu)化后的發(fā)電機部件設(shè)計滿足強度設(shè)計要求。

研究中,HyperMesh軟件和HyperView軟件為研究分析提供了極大的方便。其中,HyperMesh軟件提高了直驅(qū)式發(fā)電機結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分的效率和質(zhì)量。HyperMesh在計算單元質(zhì)量時,針對不同的求解器,有不同的要求和方法,這為得到高質(zhì)量的網(wǎng)格單元提供了可能。HyperView能快捷有效地進行極限強度和疲勞強度結(jié)果后處理,基于HyperView軟件,對其它軟件的有限元后處理計算結(jié)果進行方便查看而不需要任何設(shè)定,由此看出HyperView軟件與其它有限元軟件有較好的接口。

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