基于有限元風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)特性分析

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1、第9期機(jī)械設(shè)計(jì)與制造2010年9月MachineryDesign&Manufacture163文章編號(hào)：1001—3997(2010)09—0163—03基于有限元的風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)特性分析楊曉紅葛海濤(華北電力大學(xué)機(jī)械工程系，保定071003)AnalysisonrotordynamiccharactersofaerogeneratorrotorsystembasedonfiniteelementYANGXiao-hong，GEHai-tao(DepartmentofMechanicalEngineering，NorthChinaElectricPowerUniversity，Ba

2、oding071003，China)中圖分類號(hào)：TH12，TM315文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1引言分析，總結(jié)了前十階模態(tài)的分布規(guī)律。這些文獻(xiàn)大多只關(guān)注轉(zhuǎn)子本體的動(dòng)特性參數(shù)，未考慮轉(zhuǎn)子的附加元件。目前尚無對(duì)風(fēng)力發(fā)電近年，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到了很大的發(fā)展。作為可再生能源，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)特性分析的相關(guān)文獻(xiàn)出現(xiàn)。將在參考以上文力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展可以很大程度上緩解能源危機(jī)～。一對(duì)風(fēng)一力發(fā)一電機(jī)一一一一一～一～～獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)力電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行有限元建模和模態(tài)求解分析。組零部件的相關(guān)特性研究以保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有積極意義。2風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方程在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，發(fā)電機(jī)是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的核心部件。風(fēng)根據(jù)文獻(xiàn)，

3、可將轉(zhuǎn)子分布質(zhì)量按一定規(guī)則聚散成Ⅳ個(gè)集力發(fā)電機(jī)有同步式和異步式兩種，其轉(zhuǎn)子有內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子兩種中質(zhì)量節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間用(^L1)個(gè)不計(jì)質(zhì)量的彈性軸段連接。各類型。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)特l生參數(shù)中，臨界轉(zhuǎn)速以及各節(jié)點(diǎn)質(zhì)量為m，各軸段長(zhǎng)度為，J，截面慣性矩為，材料彈性模量階振型是動(dòng)特性參數(shù)中最為重要的部分。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一般包括轉(zhuǎn)子為E，支撐處節(jié)點(diǎn)剛度為k，基于傳遞矩陣?yán)碚撚校汉娃D(zhuǎn)子端部風(fēng)扇兩部分。臨界轉(zhuǎn)速的實(shí)測(cè)要通過安裝在軸承上的1000速度傳感器或軸瓦附近的渦流傳感器測(cè)取振幅和相位得到波特0100圖后再獲得，很不方便；而通過傳統(tǒng)模態(tài)理論計(jì)算所得到的計(jì)算M0010M值不僅計(jì)算量大而且無法保證計(jì)

4、算的精度。采用有限元方法計(jì)算—6，—001發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速與各階振型不僅可以保證一定的精式中：列陣右上角的R一該列陣為右端參數(shù)列陣；一為左端參度，而且簡(jiǎn)單易行，可快速獲得轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)的各階臨界轉(zhuǎn)速與振型，數(shù)列陣；列陣下角—對(duì)應(yīng)于任意節(jié)點(diǎn)i均成立；—扭轉(zhuǎn)對(duì)于風(fēng)電工作人員計(jì)算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速，確定具體切除風(fēng)速和機(jī)組角；一彎矩；V—扭矩；—位移。維護(hù)等有很大幫助。結(jié)合轉(zhuǎn)子左右兩端邊界條件，寫成式(2)形式：文獻(xiàn)【-對(duì)旋葉式空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了模態(tài)分析，得出了該Ml=：01}(轉(zhuǎn)子前十階的固有頻率和振型；文獻(xiàn)日計(jì)算了600MW汽輪發(fā)電2)LRI機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子一軸承系統(tǒng)的固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速；文獻(xiàn)對(duì)某

5、發(fā)動(dòng)l=Ⅳ=0J機(jī)齒輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行了模態(tài)分析，并研究了螺栓過盈配合對(duì)齒輪轉(zhuǎn)子同時(shí)由式(1)及式(1)計(jì)算結(jié)果余量，并得到結(jié)果的余量曲模態(tài)的影響；文獻(xiàn)對(duì)高速定轉(zhuǎn)子均質(zhì)機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行了模態(tài)線R()，()為零的轉(zhuǎn)速即為臨界轉(zhuǎn)速∞-R來稿日期：2009—11-15164楊曉紅等：基于有限元的風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)特性分析第9期在定義風(fēng)扇邊界約束時(shí)，將扇盤上介于兩個(gè)弧面之問的平面3模型的建立與簡(jiǎn)化定義為軸對(duì)稱約束，同時(shí)約束扇盤內(nèi)弧面上所有節(jié)點(diǎn)的1．I,X、uy自風(fēng)力發(fā)電機(jī)有同步式和異步式兩種，研究異步式風(fēng)力發(fā)電由度，釋放和rotz自由度，最后約束扇盤正反兩面上徑值在機(jī)，為內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖1所示。40r

6、am以下節(jié)點(diǎn)的w自由度，釋放aN、uy和rotz自由度。這樣，風(fēng)扇的邊界約束便與實(shí)際約束情況相對(duì)應(yīng)。4求解結(jié)果分析4．1求解方法選取在有限元通用軟件中，對(duì)模態(tài)分析的求解方法有BlockLanczos(分塊蘭索斯)法、subspace(子空間)法、powerdynamics(動(dòng)力)法、reduced(凝聚)法、unsymmetric(非對(duì)稱)法以及damped圖1風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)(阻尼)法等。對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)采用通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行模通常采用的較多的為子空間法、分塊蘭索斯法和凝聚法三態(tài)分析。對(duì)于轉(zhuǎn)子，采取自底而上的建模方法，先建立關(guān)鍵點(diǎn)，生種，其中子空間法求解精度較高但計(jì)算速

7、度慢，適用于大型對(duì)稱成線后在梁?jiǎn)卧孛婵刂浦性O(shè)置不同的截面尺寸分別對(duì)不同的特征值求解問題。凝聚法計(jì)算速度較快但精度較低，計(jì)算結(jié)果的軸段進(jìn)行網(wǎng)格剖分。選用beaml88二節(jié)點(diǎn)三維梁?jiǎn)卧?，該單元的精度和速度取決于所選取的主自由度的數(shù)目和位置。分塊蘭索斯每個(gè)節(jié)點(diǎn)有沿x,y、軸平動(dòng)、uy、1XZ和繞、y、軸轉(zhuǎn)動(dòng)rotx、roty法的求解精度較高，計(jì)算速度也較快，并且與子空間法有同等適和rotz共六個(gè)自由度，非常適合線性、大角度轉(zhuǎn)動(dòng)和非線性大