CN102880764A - 一种风力发电机组前机架强度的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种风力发电机组前机架强度的计算方法，通过现有的有限元软件为平台实施建模，定义各个部件材料属性，进行计算，得到前机架的受力云图及最大受力点。本发明补充了现有技术在对风力发电机组前机架强度计算中的不足，完善了细节方面的考虑，主要从载荷边界、偏航力矩的正确传递及主轴轴承和偏航轴承的模拟等方面完善前机架强度计算的有限元模型，从而得到更为准确的前机架应力分布，在设计方面提供更为精确的前机架强度结果，为前机架的设计提供科学的依据。

Description

一种风力发电机组前机架强度的计算方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组前机架强度的计算方法，具体来说是针对偏航系统为滚动式的水平轴式风力发电机组的铸造前机架强度的计算方法。

背景技术

 风力发电机组在野外长时间经受非常复杂的风力交变载荷，而前机架是风力发电机组中最关键和承载最复杂的部件之一，它上面支撑着风轮总成、传动系统，中间支撑着偏航减速器，使其输出小齿轮与固定在塔顶顶部的偏航外齿轮正确啮合，前机架底部与偏航轴承通过螺栓连接。因此其具有良好的设计，可靠的质量，才能保证风力发电机组长时、稳定、可靠安全运行。目前前机架设计及优化过程主要采用有限元分析方法，此方法不仅缩短了研发设计周期，提高产品可靠性，且减少了设计成本。在采用有限元法对前机架进行强度分析时，分析模型建立的正确与否，直接决定分析结果的准确性。

在对前机架进行强度校核时，一般首先根据前机架的受力形式，建立正确的有限元分析模型，施加德国劳埃德GL规范中所规定的极限工况下的载荷，提交有限元分析软件进行求解，从而得到前机架上的应力分布图，从而为前机架设计及后期生产提供依据。

目前对水平轴式风力发电机组铸造前机架进行强度分析时，对许多传力细节考虑不全，致使前机架的强度计算结果与其实际受力情况出现偏差。例如只考虑风力气动载荷对前机架的受力影响，而且对轴承刚度的影响不给予考虑。另外，偏航力矩的传递过程进行了简化，一般只是将偏航传力部件偏航制动器、偏航垫高块与前机架使用绑定约束，致使前机架与偏航制动器连接处的受力偏大，前机架的受力状态与实际受力出现偏差。

发明内容

针对前面提到的前机架强度计算方法中的不足之处，本发明提出了一种风力发电机组前机架强度的计算方法，该方法采用有限元分析方法，根据载荷传递路线及前机架的受力情况，对模型进行适当简化，通过对前机架强度分析模型求解得到前机架上的应力分布情况，从而为前机架设计提供依据。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种风力发电机组前机架强度的计算方法，通过现有的有限元软件为平台实施建模，定义各个部件材料属性，进行计算，得到前机架的受力云图及最大受力点，其特征在于，建模过程中主要包括以下步骤： 

1）使用三维软件建立前机架及影响前机架受力的零部件几何模型，进行装配后并转化为网格软件所识别的格式，导入网格软件中对所有部件进行网格划分，形成分析所用的网格模型；

2）将对前机架受力影响不大的连接关系进行简化；

3）对有限元网格模型施加相应的载荷边界及约束边界条件；

4）最后将建立的有限元模型提交有限元分析软件中进行求解在不同极限工况下前机架的应力分布图；

其中，所述影响前机架受力的零部件包括风轮锁紧盘、主轴承座、主轴、齿轮箱支座、塔筒、后机架、偏航垫高块、偏航制动器、偏航轴承内圈、偏航轴承外圈、偏航制动盘、上/下偏航摩擦片；主轴承座与前机架间，齿轮箱座与前机架间，前机架与后机架间，塔筒与偏航制动盘间建立绑定约束。

进一步地，根据主轴轴承、偏航轴承滚子的刚度计算单元截面属性，并根据滚子数目设定单元数目；主轴轴承、偏航轴承的轴承内、外圈间用单向受力单元，即只受压不受拉的单元进行模拟。

进一步地，所述载荷边界包括重力载荷和轮毂的中心载荷。

进一步地，所述重力载荷的模拟使用质量单元模拟，并施加重力加速度，其中所考虑的质量包含前机架上所有的支撑重量，主要包括齿轮箱的重量与发电机的重量。

进一步地，所述轮毂的中心载荷的模拟通过在轮毂中心建立节点，在该节点上施加轮毂中心的极限载荷，使用刚性梁一将轮毂中心点与主轴法兰间连接。

进一步地，偏航力矩的模拟方法为：偏航力矩通过上/下偏航摩擦片与偏航制动盘间的摩擦作用传递至偏航制动盘后再传递至塔筒，在上/下偏航摩擦片中心建立两个节点，两节点分别与偏航制动器、上/下偏航摩擦片通过刚性梁二连接，同时在此两节点处建立方程约束，约束两节点除垂直方向外的其它两方向的平动位移相同。

进一步地，所述约束边界主要为在塔筒底部施加全自由度约束。

本发明的有益效果在于：补充了现有技术在对风力发电机组前机架强度计算中的不足，完善了细节方面的考虑，主要从载荷边界、偏航力矩的正确传递及主轴轴承和偏航轴承的模拟等方面完善前机架强度计算的有限元模型，从而得到更为准确的前机架应力分布，在设计方面提供更为精确的前机架强度结果，为对前机架的设计提供科学的依据。

附图说明

图1 本发明计算模型示意图；

图2偏航系统的模拟方法示意图。

图中：1、风轮锁紧盘；2、主轴承座；3、主轴；4、前机架；5、齿轮箱支座；6、塔筒；7、后机架；8、偏航垫高块；9、偏航制动器；10、偏航轴承内圈； 11、偏航轴承外圈； 12、偏航制动盘； 13、上/下偏航摩擦片； 110、轮毂中心点； 111、刚性梁一； 112、齿轮箱重心点；113、发电机重心点； 114、单向受力单元； 115、刚性梁二； 116、上/下偏航摩擦片中心点。

具体实施方式

下面结合附图1和2对本发明作进一步的说明。

在建立几何模型的过程中需对强度影响很小的特征，如小的倒角、凸台等进行简化，本发明具体实施步骤如下：

首先使用三维软件建立前机架4的几何模型及影响前机架受力的零部件几何模型，包括风轮锁紧盘1，主轴承座2，主轴3，前机架4，齿轮箱支座5，塔筒6，后机架7，偏航垫高块8，偏航制动器9，偏航轴承内圈10，偏航轴承外圈11，偏航制动盘12，上、下摩擦片13，进行装配后并转化为网格软件所识别的格式，导入网格软件中对所有部件进行网格划分，形成分析所用的网格模型。

将对前机架4受力影响不大的连接关系进行简化，其中主轴承座2与前机架4，齿轮箱座5与前机架4，前机架4与后机架7间，塔筒6与偏航制动盘12间采用绑定约束，不考虑零件间的相互运动关系。

然后对有限元网格模型施加相应的载荷边界及约束边界条件。

前机架强度分析中的载荷边界主要包括：1）重力载荷。此载荷的模拟可以使用质量单元模拟，并施加重力加速度，其中所考虑的质量包含机架上所有的支撑重量，最主要包括齿轮箱的重量112与发电机的重量113；2）在轮毂固定坐标系下轮毂的中心载荷。此载荷的模拟可以通过在轮毂中心建立节点110，在此节点上施加轮毂中心的极限载荷，通过多点约束的方式与轮毂中心点与主轴法兰间的刚性梁一111连接。

约束边界主要为在塔筒6底部施加全自由度约束。

在主轴轴承和偏航轴承的模拟时，根据主轴轴承、偏航轴承滚子的刚度计算单元截面属性，并根据滚子数目设定单元数目，在主轴轴承、偏航轴承的轴承内、外圈间用单向受力单元进行模拟。图2示意了偏航轴承内外圈间的单向受力单元114（ABAQUS软件可使用GAP单元，ANSYS软件可以使用LINK10单元），主轴轴承内外圈间的单向受力单元未在图中示出。

在建立模型时，偏航系统处的模拟主要模拟偏航力矩的传递路径，因在计算载荷时是不考虑风机的偏航过程，因此偏航力矩只是一个某一时刻的载荷值。一般偏航力矩通过偏航制动器9上的上/下偏航摩擦片13与偏航制动盘12间的摩擦作用传递至偏航制动盘12，偏航制动盘12传递至塔筒6。模拟过程为：将上/下偏航摩擦片13与偏航制动盘12的表面施加绑定约束，在上/下偏航摩擦片中心建立两个独立节点116（在图中这两个节点重合），此两节点分别与偏航制动器9、上/下偏航摩擦片13通过上/下偏航摩擦片与偏航制动盘间12间的刚性梁二115连接，同时在此两节点处建立方程约束，约束两节点除垂直方向外的其它两方向的平动位移相同。

最后将建立正确的有限元模型提交有限元分析软件中进行求解在不同极限工况下前机架的应力分布图，根据前机架的应力分布云图，可以找出最大应力及其位置，从而对前机架的设计及优化提供一定的设计依据。

本发明的主要技术进步体现在以下几点：

1）增加主轴轴承和偏航轴承的模拟方法：主轴轴承将轮毂中心载荷通过主轴传递给前机架，偏航轴承处于塔架与机舱间，它将各种力从机舱传到塔架，在以往的模拟中均不考虑轴承滚子刚度对前机架强度的影响，这样的模拟计算方法误导了前机架的应力分布，导致前机架强度校核失效。本发明考虑到主轴轴承和偏航轴承处的非线性，使用正确的有限元单元（即只受压不受拉的单元）给予模拟；

2）增加偏航系统中偏航力矩的模拟方法：以往在对偏航系统中偏航力矩的传递方式模拟简化较多，此力矩经常简化为由前机架承受，而在实际的载荷传递路径中，此力矩是通过与前机架相连的偏航制动器传递给塔筒，本发明中在有限元分析模型中使用一定的约束方式模拟了偏航力矩的正确传递方法，从而正确描述了主机架底板的应力分布；

3）修正前机架受力的初始状态：以往在对前机架强度校核时，不考虑风力总成重力及前机架上所有支撑部件重力的作用，但在风力发电机组吊装完毕时，前机架首先承受的外载为重力载荷，其次为外部风载作用，通过分析计算，此重力载荷对前机架的强度还是具有一定的影响，因此在对前机架有限元模型加载时考虑重力载荷，进一步优化了设计精度。

本实施例目的在于使本领域专业技术人员可以据其了解本发明的技术方案并加以实施，并不能以其限制本专利的保护范围，凡依据本发明披露技术所作的变形，均落入本发明的保护范围。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种风力发电机组前机架强度的计算方法，通过现有的有限元软件为平台实施建模，定义各个部件材料属性，进行计算，得到前机架的受力云图及最大受力点，其特征在于，建模过程中主要包括以下步骤： 

1）使用三维软件建立前机架及影响前机架受力的零部件几何模型，进行装配后并转化为网格软件所识别的格式，导入网格软件中对所有部件进行网格划分，形成分析所用的网格模型；

2）将对前机架受力影响不大的连接关系进行简化；

3）对有限元网格模型施加相应的载荷边界及约束边界条件；

4）最后将建立的有限元模型提交有限元分析软件中进行求解在不同极限工况下前机架的应力分布图；

其中，所述影响前机架受力的零部件包括风轮锁紧盘、主轴承座、主轴、齿轮箱支座、塔筒、后机架、偏航垫高块、偏航制动器、偏航轴承内圈、偏航轴承外圈、偏航制动盘、上/下偏航摩擦片；主轴承座与前机架间，齿轮箱座与前机架间，前机架与后机架间，塔筒与偏航制动盘间建立绑定约束。

2.根据权利要求1所述一种风力发电机组前机架强度的计算方法，其特征在于：根据主轴轴承、偏航轴承滚子的刚度计算单元截面属性，并根据滚子数目设定单元数目；主轴轴承、偏航轴承的轴承内、外圈间用单向受力单元，即只受压不受拉的单元进行模拟。

3.根据权利要求1~2所述一种风力发电机组前机架强度的计算方法，其特征在于：所述载荷边界包括重力载荷和轮毂的中心载荷。

4.根据权利要求3所述一种风力发电机组前机架强度的计算方法，其特征在于：所述重力载荷的模拟使用质量单元模拟，并施加重力加速度，其中所考虑的质量包含前机架上所有的支撑重量，主要包括齿轮箱的重量与发电机的重量。

5.根据权利要求3所述一种风力发电机组前机架强度的计算方法，其特征在于：所述轮毂的中心载荷的模拟通过在轮毂中心建立节点，在该节点上施加轮毂中心的极限载荷，使用刚性梁一将轮毂中心点与主轴法兰间连接。

6.根据权利要求1、2、4或5任一项所述一种风力发电机组前机架强度的计算方法，其特征在于：偏航力矩的模拟方法为：偏航力矩通过上/下偏航摩擦片与偏航制动盘间的摩擦作用传递至偏航制动盘后再传递至塔筒，在上/下偏航摩擦片中心建立两个节点，两节点分别与偏航制动器、上/下偏航摩擦片通过刚性梁二连接，同时在此两节点处建立方程约束，约束两节点除垂直方向外的其它两方向的平动位移相同。

7.根据权利要求1所述一种风力发电机组前机架强度的计算方法，其特征在于：所述约束边界主要为在塔筒底部施加全自由度约束。