CN103440386A - 风力发电机偏航系统驱动力矩计算系统及其方法 - Google Patents

风力发电机偏航系统驱动力矩计算系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机偏航系统驱动力矩计算系统及其方法，以有限元软件为平台进行建模，对机架底板、横向吊杆、偏航齿圈、上摩擦片、下摩擦片和调整螺栓进行实体网格划分。碟簧组件采用单向受压弹簧单元模拟，碟簧组件一端与下摩擦片相连，另一端与调整螺栓相连。在塔顶法兰支撑面中心建立节点，通过刚性梁单元连接至机架底板，节点用于施加塔顶极限载荷。定义上述各部件的材料属性，碟簧组件的非线性刚度根据试验所测数据进行定义。定义约束边界条件，施加上摩擦片和下摩擦片夹持力及外载。对节点处施加微小角位移，求解偏航驱动力矩。本发明能精确计算偏航驱动力矩，便于驱动电机的功率优化选择，有利于降低成本，适合大范围推广。

Description

风力发电机偏航系统驱动力矩计算系统及其方法
技术领域
本发明涉及风力发电领域，尤其是涉及一种应用于风力发电机偏航系统的驱动力矩设计系统及其方法。
背景技术
偏航系统是水平轴式风力发电机必不可少的组成系统之一，偏航系统的主要作用之一是通过电力或拖动来提供力矩驱动机舱转动，完成对风动作。传统的偏航驱动力矩计算方法主要是将摩擦片简化成点，确定摩擦片与偏航齿圈之间的压力，然后根据各点压力及到转动中心的距离计算摩擦力矩，从而得到偏航系统驱动力矩。而在实际工作过程中，由于风力发电机功率的不断增大，其所承受的风力交变载荷也越来越复杂，偏航系统结构受载后会产生柔性变形，导致摩擦片与偏航齿圈之间的压力分布不均、偏航系统重心偏离转动面中心的情况，传统的工程计算方法已无法精确计算所需偏航驱动力矩，将会导致偏航系统出现驱动功率不足或过高等情况，造成偏航系统的振动、噪声甚至无法正常工作。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种风力发电机偏航系统驱动力矩计算系统及其方法，采用有限元方法模拟偏航系统实际情况，从而有利于能够更加精确的计算偏航系统驱动力矩，降低成本，且有利于偏航系统正常工作。
为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种风力发电机偏航系统驱动力矩计算系统的技术实现方案，一种风力发电机偏航系统驱动力矩计算系统，所述驱动力矩计算系统基于有限元软件平台建模，包括：机架底板、横向吊杆、偏航齿圈、刚性梁单元、上摩擦片、下摩擦片、调整螺栓和碟簧组件。所述机架底板、横向吊杆、偏航齿圈、上摩擦片、下摩擦片和调整螺栓采用实体网格划分，所述碟簧组件采用单向受压弹簧单元进行模拟。所述碟簧组件的一端与所述下摩擦片相连，另一端与所述调整螺栓相连。所述机架底板与横向吊杆相连，所述刚性梁单元与机架底板相连。所述上摩擦片、下摩擦片与所述偏航齿圈相接触，所述机架底板与横向吊杆相连，所述调整螺栓旋入所述横向吊杆，并向所述碟簧组件施加预紧力，所述碟簧组件将所述预紧力传递至所述下摩擦片。所述偏航齿圈还与塔顶法兰相连，在塔顶法兰支撑面中心设置有节点，所述节点通过所述刚性梁单元连接至所述机架底板，所述节点用于施加塔顶极限载荷。对所述调整螺栓施加负预紧力用于模拟夹持力，在所述节点处施加所述塔顶极限载荷，所述塔顶极限载荷通过所述刚性梁单元传递至所述机架底板，在所述节点处施加一绕圆周方向的微小角位移△S，提取所述节点处绕圆周方向的转矩反力Mz，Mz即为偏航系统最小驱动力矩值。
优选的，所述上摩擦片与所述偏航齿圈之间，所述下摩擦片与所述偏航齿圈之间采用标准接触方式，摩擦特性为经典库伦摩擦。所述机架底板与横向吊杆之间，以及所述横向吊杆与调整螺栓之间的连接处采用绑定约束。
本发明还另外具体提供了一种风力发电机偏航系统驱动力矩计算方法的技术实现方案，一种风力发电机偏航系统驱动力矩计算方法，风力发电机偏航系统包括机架底板、横向吊杆、偏航齿圈和刚性梁单元，所述驱动力矩计算方法包括以下步骤：
S100：以有限元软件为平台进行建模，对机架底板、横向吊杆、偏航齿圈、上摩擦片、下摩擦片和调整螺栓进行实体网格划分；所述机架底板与横向吊杆相连，所述刚性梁单元与机架底板相连，所述机架底板通过所述上摩擦片与偏航齿圈相连，所述上摩擦片、下摩擦片与所述偏航齿圈相接触；采用单向受压弹簧单元对所述碟簧组件进行模拟，所述碟簧组件的一端与所述下摩擦片相连，另一端与所述调整螺栓相连；所述偏航齿圈还与塔顶法兰相连，所述机架底板通过所述刚性梁单元传递施加于塔顶法兰支撑面中心节点的塔顶极限载荷；
S101：定义上述各个部件的材料属性，所述碟簧组件的非线性刚度根据试验所测数据进行定义；
S102：定义约束边界条件，施加所述上摩擦片和下摩擦片夹持力及外载；
S103：对所述塔顶法兰支撑面中心的节点处施加微小角位移，求解偏航驱动力矩。
优选的，所述步骤S102中施加所述上摩擦片和下摩擦片夹持力的过程是通过对所述调整螺栓施加负预紧力来模拟夹持力的，所述调整螺栓旋入所述横向吊杆，向所述碟簧组件施加预紧力，所述碟簧组件将所述预紧力传递至所述下摩擦片。
优选的，所述步骤S102中施加外载的过程进一步包括：在塔顶法兰的支撑面中心建立所述节点，所述节点为所述偏航齿圈下表面的圆周中心，所述偏航齿圈与塔顶法兰相连，在所述节点处施加所述塔顶极限载荷，所述塔顶极限载荷即为所述外载。
优选的，所述步骤S103进一步包括：在所述节点处施加一绕圆周方向的微小角位移△S，提取所述节点处绕圆周方向的转矩反力Mz，Mz即为偏航系统最小驱动力矩值。
优选的，所述步骤S102中定义约束边界条件的过程包括：将所述上摩擦片与所述偏航齿圈之间，所述下摩擦片与所述偏航齿圈之间设置为标准接触，摩擦特性采用经典库伦摩擦，设置静摩擦系数。
优选的，所述步骤S102中定义约束边界条件的过程包括：将所述机架底板与横向吊杆之间，以及所述横向吊杆与调整螺栓之间的连接处设置为绑定约束。
优选的，所述碟簧组件采用弹簧单元一和弹簧单元二模拟，所述弹簧单元一和弹簧单元二均为单向受压弹簧单元。
优选的，所述方法采用包括但不限于abaqus或ansys软件平台的有限元软件进行建模。
通过实施上述本发明提供的一种风力发电机偏航系统驱动力矩计算系统及其方法，具有如下技术效果：
采用有限元方法计算偏航系统驱动力矩，考虑了偏航系统结构柔性变形，以及摩擦片与偏航齿圈之间的接触压力分布不均、偏航系统重心偏离转动面中心等实际特性的影响，能精确计算偏航系统驱动力矩，便于驱动电机的功率优化选择，有利于降低成本，适合大范围推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所应用的风力发电机偏航系统的结构示意主视图；
图2是本发明所应用的风力发电机偏航系统的立体结构示意图；
图3是本发明风力发电机偏航系统驱动力矩计算系统一种具体实施方式的结构原理图；
图4是本发明风力发电机偏航系统驱动力矩计算方法一种具体实施方式的程序流程图；
图5是本发明风力发电机偏航系统驱动力矩计算方法一种具体实施方式的过程示意图；
图中：1-机架底板，2-横向吊杆，3-偏航齿圈，4-刚性梁单元，I-节点，5-上摩擦片，6-下摩擦片，7-调整螺栓，8-碟簧组件，9-弹簧单元一，10-弹簧单元二，11-塔顶法兰。
具体实施方式
为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：
Abaqus：是一套功能强大的工程模拟有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题，是一个协同、开放、集成的多物理场仿真平台；
Ansys：是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I－DEAS、AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图1至附图5所示，给出了本发明风力发电机偏航系统驱动力矩计算系统及其方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如附图1、2、3所示为本发明风力发电机偏航系统驱动力矩计算系统的具体实施例，风力发电机偏航系统包括机架底板1、横向吊杆2、偏航齿圈3、上摩擦片5、下摩擦片6、调整螺栓7和碟簧组件8。驱动力矩计算系统基于有限元软件平台建模，包括：机架底板1、横向吊杆2、偏航齿圈3、刚性梁单元4、上摩擦片5、下摩擦片6、调整螺栓7和碟簧组件8。机架底板1、横向吊杆2、偏航齿圈3、上摩擦片5、下摩擦片6和调整螺栓7采用实体网格划分。碟簧组件8采用单向受压弹簧单元进行模拟，碟簧组件8的一端与下摩擦片6相连，另一端与调整螺栓7相连。机架底板1与横向吊杆2相连，刚性梁单元4与机架底板1相连。机架底板1通过上摩擦片5与偏航齿圈3相连，上摩擦片5、下摩擦片6与偏航齿圈3相接触。调整螺栓7旋入横向吊杆2，并向碟簧组件8施加预紧力，碟簧组件8将预紧力传递至下摩擦片6。偏航齿圈3还与塔顶法兰11相连，在塔顶法兰11的支撑面S中心设置有节点I，通过刚性梁单元4连接至机架底板1，节点I用于施加塔顶极限载荷。对调整螺栓7施加负预紧力用于模拟夹持力，在节点I处施加塔顶极限载荷，塔顶极限载荷通过刚性梁单元4传递至机架底板1，在节点I处施加一绕圆周方向的微小角位移△S，提取节点I处绕圆周方向的转矩反力Mz，Mz即为偏航系统最小驱动力矩值。
作为本发明的一种典型实施例，上摩擦片5与偏航齿圈3之间，下摩擦片6与偏航齿圈3之间采用标准接触方式，摩擦特性为经典库伦摩擦。机架底板1与横向吊杆2之间，以及横向吊杆2与调整螺栓7之间的连接处采用绑定约束。
如附图4所示的一种风力发电机偏航系统驱动力矩计算方法的具体实施例，驱动力矩计算方法包括以下步骤：
S100：以有限元软件为平台进行建模，对机架底板1、横向吊杆2、偏航齿圈3、上摩擦片5、下摩擦片6和调整螺栓7进行实体网格划分；机架底板1与横向吊杆2相连，刚性梁单元4与机架底板1相连，机架底板1通过上摩擦片5与偏航齿圈3相连，上摩擦片5、下摩擦片6与偏航齿圈3相接触；采用单向受压弹簧单元对碟簧组件8进行模拟，碟簧组件8的一端与下摩擦片6相连，另一端与调整螺栓7相连；偏航齿圈3还与塔顶法兰11相连，机架底板1通过刚性梁单元4传递施加于塔顶法兰11支撑面S中心节点I的塔顶极限载荷；
S101：定义上述各个部件的材料属性，碟簧组件8的非线性刚度根据试验所测数据进行定义；碟簧组件8采用弹簧单元一9和弹簧单元二10模拟，弹簧单元一9和弹簧单元二10均为单向受压弹簧单元；
S102：定义约束边界条件，施加上摩擦片5和下摩擦片6夹持力及外载；
S103：对塔顶法兰11支撑面中心的节点I处施加微小角位移，求解偏航驱动力矩。
上述步骤S102中，施加上摩擦片5和下摩擦片6夹持力的过程是通过对调整螺栓7施加负预紧力来模拟夹持力的，调整螺栓7旋入横向吊杆2，向碟簧组件8施加预紧力，碟簧组件8将预紧力传递至下摩擦片6。
上述步骤S102中施加外载的过程进一步包括：在塔顶法兰11支撑面S中心建立节点I，节点I为偏航齿圈3下表面的圆周中心，偏航齿圈3与塔顶法兰11相连，在节点I处施加塔顶极限载荷，塔顶极限载荷即为外载。
上述步骤S102中定义约束边界条件的过程进一步包括：将上摩擦片5与偏航齿圈3之间，下摩擦片6与偏航齿圈3之间设置为标准接触，摩擦特性采用经典库伦摩擦，设置静摩擦系数。
上述步骤S102中定义约束边界条件的过程进一步包括：将机架底板1与横向吊杆2之间，以及横向吊杆2与调整螺栓7之间的连接处设置为绑定约束。
如附图5所示，上述步骤S103进一步包括：在节点I处施加一绕圆周方向的微小角位移△S，提取节点I处绕圆周方向的转矩反力Mz，Mz即为偏航系统最小驱动力矩值，Z为圆周方向。
作为本发明的一种典型实施例，风力发电机偏航系统驱动力矩计算进一步采用包括但不限于abaqus或ansys软件平台的有限元软件进行建模。
本发明具体实施例描述的风力发电机偏航系统驱动力矩计算系统及其方法采用有限元方法计算偏航系统驱动力矩，考虑了偏航系统结构柔性变形，以及摩擦片与偏航齿圈之间的接触压力分布不均、偏航系统重心偏离转动面中心等实际特性的影响，能精确计算偏航系统驱动力矩，便于驱动电机的功率优化选择，有利于降低成本，适合大范围推广。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种风力发电机偏航系统驱动力矩计算系统，其特征在于，所述驱动力矩计算系统基于有限元软件平台建模，包括：机架底板（1）、横向吊杆（2）、偏航齿圈（3）、刚性梁单元（4）、上摩擦片（5）、下摩擦片（6）、调整螺栓（7）和碟簧组件（8）；所述机架底板（1）、横向吊杆（2）、偏航齿圈（3）、上摩擦片（5）、下摩擦片（6）和调整螺栓（7）采用实体网格划分；所述碟簧组件（8）采用单向受压弹簧单元进行模拟，所述碟簧组件（8）的一端与所述下摩擦片（6）相连，另一端与所述调整螺栓（7）相连；所述机架底板（1）与横向吊杆（2）相连，所述刚性梁单元（4）与机架底板（1）相连，所述机架底板（1）通过所述上摩擦片（5）与偏航齿圈（3）相连，所述上摩擦片（5）、下摩擦片（6）与所述偏航齿圈（3）相接触，所述调整螺栓（7）旋入所述横向吊杆（2），向所述碟簧组件（8）施加预紧力，所述碟簧组件（8）将所述预紧力传递至所述下摩擦片（6）；所述偏航齿圈（3）还与塔顶法兰（11）相连，在所述塔顶法兰（11）支撑面中心设置有节点，所述节点通过所述刚性梁单元（4）连接至所述机架底板（1），所述节点用于施加塔顶极限载荷；对所述调整螺栓（7）施加负预紧力用于模拟夹持力，在所述节点处施加所述塔顶极限载荷，所述塔顶极限载荷通过所述刚性梁单元（4）传递至所述机架底板（1），在所述节点处施加一绕圆周方向的微小角位移△S，提取所述节点处绕圆周方向的转矩反力Mz，Mz即为偏航系统最小驱动力矩值。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机偏航系统驱动力矩计算系统，其特征在于：所述上摩擦片（5）与所述偏航齿圈（3）之间，所述下摩擦片（6）与所述偏航齿圈（3）之间采用标准接触方式，摩擦特性为经典库伦摩擦；所述机架底板（1）与横向吊杆（2）之间，以及所述横向吊杆（2）与调整螺栓（7）之间的连接处采用绑定约束。
3.利用权利要求1所述的一种风力发电机偏航系统驱动力矩计算系统进行风力发电机偏航系统驱动力矩计算的方法，其特征在于，所述驱动力矩计算方法包括以下步骤：
S100：以有限元软件为平台进行建模，对机架底板（1）、横向吊杆（2）、偏航齿圈（3）、上摩擦片（5）、下摩擦片（6）和调整螺栓（7）进行实体网格划分；所述机架底板（1）与横向吊杆（2）相连，所述刚性梁单元（4）与机架底板（1）相连，所述机架底板（1）通过所述上摩擦片（5）与偏航齿圈（3）相连，所述上摩擦片（5）、下摩擦片（6）与所述偏航齿圈（3）相接触；采用单向受压弹簧单元对碟簧组件（8）进行模拟，所述碟簧组件（8）的一端与所述下摩擦片（6）相连，另一端与所述调整螺栓（7）相连；所述偏航齿圈（3）还与塔顶法兰（11）相连，所述机架底板（1）通过所述刚性梁单元（4）传递施加于所述塔顶法兰（11）支撑面中心节点的塔顶极限载荷；
S101：定义上述各个部件的材料属性，所述碟簧组件（8）的非线性刚度根据试验所测数据进行定义；
S102：定义约束边界条件，施加所述上摩擦片（5）和下摩擦片（6）夹持力及外载；
S103：对所述塔顶法兰（11）支撑面中心的节点处施加微小角位移，求解偏航驱动力矩。
4.根据权利要求3所述的一种风力发电机偏航系统驱动力矩计算方法，其特征在于：所述步骤S102中施加所述上摩擦片（5）和下摩擦片（6）夹持力的过程是通过对所述调整螺栓（7）施加负预紧力来模拟夹持力的，所述调整螺栓（7）旋入所述横向吊杆（2），向所述碟簧组件（8）施加预紧力，所述碟簧组件（8）将所述预紧力传递至所述下摩擦片（6）。
5.根据权利要求3或4所述的一种风力发电机偏航系统驱动力矩计算方法，其特征在于，所述步骤S102中施加外载的过程包括：在所述塔顶法兰（11）支撑面中心建立所述节点，所述节点为所述偏航齿圈（3）下表面的圆周中心，在所述节点处施加所述塔顶极限载荷，所述塔顶极限载荷即为所述外载。
6.根据权利要求5所述的一种风力发电机偏航系统驱动力矩计算方法，其特征在于，所述步骤S103进一步包括：在所述节点处施加一绕圆周方向的微小角位移△S，提取所述节点处绕圆周方向的转矩反力Mz，Mz即为偏航系统最小驱动力矩值。
7.根据权利要求3、4、6中任一权利要求所述的一种风力发电机偏航系统驱动力矩计算方法，其特征在于，所述步骤S102中定义约束边界条件的过程包括：将所述上摩擦片（5）与所述偏航齿圈（3）之间，所述下摩擦片（6）与所述偏航齿圈（3）之间设置为标准接触，摩擦特性采用经典库伦摩擦，设置静摩擦系数。
8.根据权利要求7所述的一种风力发电机偏航系统驱动力矩计算方法，其特征在于，所述步骤S102中定义约束边界条件的过程包括：将所述机架底板（1）与横向吊杆（2）之间，以及所述横向吊杆（2）与调整螺栓（7）之间的连接处设置为绑定约束。
9.根据权利要求8所述的一种风力发电机偏航系统驱动力矩计算方法，其特征在于：所述碟簧组件（8）采用弹簧单元一（9）和弹簧单元二（10）模拟，所述弹簧单元一（9）和弹簧单元二（10）均为单向受压弹簧单元。
10.根据权利要求3、4、6、8、9中任一权利要求所述的一种风力发电机偏航系统驱动力矩计算方法，其特征在于：所述方法采用包括但不限于abaqus或ansys软件平台的有限元软件进行建模。
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