风电传动链关键件载荷及疲劳技术研究

摘要

目前，国际上的主流能源是石油、煤等不可再生能源。随着人口、经济的快速增长，人类对能源的需求量急速上升，能源问题愈加严重。风能属于人类最早开发并利用的可再生能源，有效的利用风能资源可以很大程度地优化现有能源结构、减缓能源短缺问题，对生态环境的保护至关重要。相比海上，陆上风机寿命短，严重占用土地资源。因此，海上风机的研究与设计成为当今主流的发展趋势。
　　本文以NREL5MW海上风机为研究对象，深入研究5MW风机传动链的载荷，对主轴进行有限元分析及疲劳计算，探究叶片、齿轮箱主轴等关键部位故障产生的力学机理。
　　论文的主要章节和内容如下:
　　第一章:与陆上风电对比，阐述海上风电的优势和面临的挑战;针对海上环境，概括了海上风力机的特点。系统介绍了国内外海上风电的发展现状，明确了本论文的研究对象、研究方法和研究内容。
　　第二章:以NREL5MW海上漂浮式风机为研究对象，详细介绍5MW风机的组成结构及参数，建立漂浮式风机参数化模型;根据IEC61400风电机组设计要求标准，分析了风机典型设计工况的风速模型，为后续风机载荷分析奠定基础。
　　第三章:针对NREL5MW风机，建立主轴、叶片坐标系，运用空气动力学理论，根据风速和风力机模型推导风机主轴所受的力和转矩表达式以及叶片的载荷等。
　　第四章:利用气动弹性仿真软件FAST（Fatigue疲劳，Aerodynamics空气动力，Structures结构，Turbulence涡流）仿真计算，得到典型工况下风机的主轴六个自由度的力、转矩随时间变化的关系以及叶片根部载荷变化规律，为后续主轴的疲劳分析提供载荷参数。同时也为风力发电机组关键部位的故障诊断提供了力学指导。
　　第五章:基于Ansys建立主轴应力分析有限元模型，计算得到主轴在六个自由度上力和力矩共同作用下的应力;在Matlab中对雨流计数法编程，将随机应力载荷谱等效的转换为变幅载荷谱;利用Goodman理论，对主轴S-N曲线进行修正;最后运用Palmgren-Miner线性累计损伤理论对主轴进行疲劳寿命分析。
　　第六章:全文总结和展望，提出值得进一步完善与研究的内容。

目录

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致谢

摘要

主要符号

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 海上风电概述

1．2．1 海上风电的优势

1．2．2 海上风电面临的挑战

1．2．3 海上风力机的特点

1．3 海上风电发展现状

1．3．1 世界海上风电发展现状

1．3．2 国内海上风电发展现状

1．4 课题来源及研究对象

1．4．1 课题来源

1．4．2 研究对象

1．5 论文主要研究内容

第二章 海上风机及风速模型

2．1 引言

2．2 水平轴风力机

2．2．1 叶片

2．2．2 主轴与轴承

2．2．3 风电齿轮箱

2．3 风机模型参数

2．3．1 风机总体参数

2．3．2 各机构参数

2．4 风速模型

2．4．1 正常风况

2．4．2 极端风况

2．5 本章小结

第三章 海上风力机力学分析

3．1 引言

3．2 风力机空气动力学

3．2．1 Betz理论

3．2．2 涡流理论

3．2．3 叶素理论

3．2．4 动量理论

3．2．5 叶素-动量理论

3．3 风力机载荷

3．3．1 载荷分类

3．3．2 坐标系的建立

3．3．3 空气动力载荷

3．3．4 重力及其他载荷

3．4 本章小结

第四章 海上风力机载荷的仿真计算

4．1 引言

4．2 风机载荷仿真计算

4．2．1 FAST软件简介

4．2．2 风机仿真模型

4．2．3 仿真结果

4．3 本章小结

第五章 海上风力机主轴疲劳分析

5．1 引言

5．2 主轴载荷谱

5．2．1 主轴基本参数

5．2．2 主轴应力分析有限元模型

5．2．3 主轴有限元分析结果

5．3 雨流计数法

5．3．1 基本原理

5．3．2 计算规则

5．3．3 雨流计数统计载荷谱

5．4 疲劳分析

5．4．1 S-N曲线修正

5．4．2 线性疲劳累积损伤理论

5．4．3 主轴疲劳分析与结果

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献