兆瓦级风力发电机组振动特性分析

摘要

近年来，随着世界各国对能源需求的持续增长与日益严格的环境法规，风力发电在能源产业中迅速发展，然而在主动偏航系统启动与刹车过程中，偏航系统的振动对风力发电机组的振动噪声、紧固件的疲劳寿命等方面产生严重的影响，这关系到整个风力发电机组的安全运行，最终会导致风力发电机组寿命的减短。因此，对兆瓦级风力发电机组偏航系统振动产生的原因以及振动特性作深入剖析并提出解决兆瓦级风力发电机组振动问题的有效办法显得十分紧迫。
　　 为此，本论文以可再生能源电力技术湖南省重点实验室开放基金项目[2011KFJJ001]和校企合作项目“兆瓦级风力发电机组高强度螺栓联接可靠性技术研究”为依托，从动力学角度研究偏航系统的振动机理，并构建合适的兆瓦级风力发电机组虚拟样机动力学模型，主要以减少振动、改善其动力学性能为出发点，重点考虑柔性部件塔架对主动偏航的影响。论文主要创新点和研究工作如下:
　　 (1)对风力发电机组柔性塔架进行了静力学分析，得到了在不同工况下塔架水平位移与塔架应力分布规律，验证了塔架静强度和塔顶位移在工程允许范围内，为系统的动力学分析奠定了基础。
　　 (2)对兆瓦级风力发电机组塔架-机舱耦合模型进行了模态分析，得到了系统的模态振型与固有频率，结果表明，塔架固有频率在风轮频率及其旋转频率和叶片通过频率±10％范围之外，共振引起的附加载荷问题可以避免。
　　 (3)利用阶跃函数模拟兆瓦级风力发电机组启动偏航与刹车过程，对兆瓦级风力发电机组振动模型进行求解，揭示了塔架刚度、碟簧预压力、驱动力矩等因素对风力发电机组偏航系统启动偏航与刹车时振动的影响规律。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 前言

1．2 国内外研究动态

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本课题来源、研究意义及主要内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 研究意义

1．3．3 研究内容及论文结构

第2章 基于多载荷耦合振动激励的兆瓦级风力发电机塔架静强度分析

2．1 叶素理论

2．1．1 利用叶素动量理论

2．1．2 普朗特叶尖损失因子修正

2．1．3 葛劳渥特方法进行修正

2．2 塔架载荷计算

2．2．1 空气动力载荷

2．2．2 重力载荷

2．2．3 离心力

2．3 塔架有限元建模

2．3．1 塔架的简化与网格划分

2．3．2 边界条件的确定

2．4 塔架静强度分析

2．5 分析与讨论

2．6 本章小结

第3章 兆瓦级风力发电机组虚拟样机构建

3．1 虚拟样机技术概述

3．1．1 软件简介

3．1．2 刚柔耦合理论基础

3．2 风力发电机偏航系统工作原理

3．3 风力发电机组三维实体模型的建立

3．4 风力发电机组刚柔耦合模型建立

3．4．1 柔性塔架建立

3．4．2 仿真参数确定

3．4．3 约束施加

3．4．4 接触定义

3．4．5 螺栓等效

3．4．6 预压调整

3．4．7 外载荷施加

3．5 分析与讨论

3．6 本章小结

第4章 兆瓦级风力发电机组塔架-机舱耦合模型模态分析

4．1 兆瓦级风力发电机组塔架-机舱耦合模型分析

4．1．1 模态分析原理

4．1．2 基于瑞利分析算法塔架的弯曲模态

4．1．3 塔架的扭转模态

4．2 兆瓦级风力发电机组塔架-机舱耦合模型仿真应用

4．2．1 兆瓦级风力发电机组塔架-机舱耦合模型模态分析结果

4．2．2 风电机组振动特性分析

4．3 本章小结

第5章 兆瓦级风力发电机组偏航系统扭转振动分析

5．1 兆瓦级风力发电机组偏航系统主动偏航动力学模型

5．2 兆瓦级风力发电机组偏航系统主动偏航动力学模型应用

5．2．1 驱动力矩影响

5．2．2 碟簧预压力影响

5．2．3 扭转刚度影响

5．3 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的论文及参与课题