CN104199998A

CN104199998A - 一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法

Info

Publication number: CN104199998A
Application number: CN201410338098.1A
Authority: CN
Inventors: 刘欢; 王健; 王庆辉; 李金凤; 郭烁; 张琳琳
Original assignee: Shenyang University of Chemical Technology
Current assignee: Shenyang University of Chemical Technology
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2014-12-10

Abstract

一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法,涉及风力发电机动态分析方法，所述方法包括采用ANSYS软件大型恒频变速风电机组桨叶进行建模，通过比较数值计算值和测量值的误差，证明该模型在低阶时具有较高的计算精度，仿真结果桨叶的低阶振动形式是挥舞，因此弯曲振动是其影响桨叶所受应力的主要形式，可忽略扭转效应。该方法可操作性强、精度高。为研究大型风力发电机组的稳定性、故障诊断和寿命预测提供理论依据。

Description

一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电机动态分析方法，特别是涉及一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法。

背景技术

目前，世界上能源日益短缺，环境污染问题已经引起人们强烈关注，风力发电作为一种清洁能源已成为新世纪电力发展的主要方向；在过去的几十年中，风力发电机组由转速固定的变桨距型发展为变速恒频型，发电效率已显着提高，但由于桨叶长时间高效运转，其周期性负载导致的疲劳将降低风力发电机组的稳定性和寿命，因此分析桨叶动态特性，是非常必要的。

通过计算桨叶连续和离散模型下的扭转频率和弯曲频率，并分析比较，同时采用有限元方法来分析风力发电机的动态特性，为研究大型风力发电机组的稳定性、故障诊断和寿命预测提供理论依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法，采用ANSYS软件大型恒频变速风电机组桨叶进行建模，通过比较数值计算值和测量值的误差，证明该模型在低阶时具有较高的计算精度，为研究大型风力发电机组的稳定性、故障诊断和寿命预测提供理论依据。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法，其所述方法包括采用ANSYS软件大型恒频变速风电机组桨叶进行建模，通过比较数值计算值和测量值的误差，证明该模型在低阶时具有较高的计算精度，仿真结果桨叶的低阶振动形式是挥舞，因此弯曲振动是其影响桨叶所受应力的主要形式，可忽略扭转效应。

所述的一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法，所述计算桨叶连续和离散模型下的扭转频率和弯曲频率，并分析比较，同时采用有限元方法来分析风力发电机的动态特性。

所述的一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法，所述建立精度较高的有限元模型，计算了大型恒频变速风电机组桨叶的固有频率，证明无共振可能性，该型号桨叶的主要振动形式为挥舞，振动能量以弯曲振动为主，而非扭转，在低阶时，可以在弯曲扭转耦合效应中忽略扭转对应力的影响。

本发明的优点与效果是：

本发明采用ANSYS软件大型恒频变速风电机组桨叶进行建模，通过比较数值计算值和测量值的误差，证明该模型在低阶时具有较高的计算精度。仿真结果表明，桨叶的低阶振动形式是挥舞，因此弯曲振动是其影响桨叶所受应力的主要形式，可忽略扭转效应。为研究大型风力发电机组的稳定性、故障诊断和寿命预测提供理论依据，经济效益明显。

附图说明

图1为本发明桨叶的俯视图；

图2为本发明桨叶内部截面的有限元网格图；

图3为本发明桨叶的振型图。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例，对本发明作进一步详述。

本发明是采用ANSYS软件大型恒频变速风电机组桨叶进行建模，通过比较数值计算值和测量值的误差，证明该模型在低阶时具有较高的计算精度。仿真结果表明，桨叶的低阶振动形式是挥舞，因此弯曲振动是其影响桨叶所受应力的主要形式，可忽略扭转效应。

通过计算桨叶连续和离散模型下的扭转频率和弯曲频率，并分析比较，同时采用有限元方法来分析风力发电机的动态特性。

实施例：

1 桨叶的固有频率计算：

弯曲和扭转是桨叶运动经过简化后的两种运动方式。前者根据弯曲方向不同，又可分为在垂直于旋转平面方向和旋转平面内的摆振和挥舞。

1.1 桨叶的弯曲频率：

假设桨叶的固有频率是；桨叶节点n上所受到的离心力是T；桨叶单位长度下的质量是m；桨叶节点n上所受到的剪切力是S；桨叶的平衡方程式如下：

通过计算最终可以得到以下方程式：

假设桨叶的影响系数矩阵为D，对该矩阵进行离散后，桨叶的质量矩阵是M，桨叶的振型矩阵为，因此以上公式可以转化成如下方程：

假设振型矩阵为，通过对振型矩阵进行连续迭代五次或者六次收敛后，就可求出其它振型和最低阶频率。

通过以上这种方式所求出的结果是离散的数据点，该方法可以认为是用来进行分析桨叶动态特性的一个理论基础。

1.2扭转和弯曲的耦合：

通过求解模态微分方程的数值解；其弯曲自由振动方程式如下所示：

根据桨叶固定端和自由端的边界条件，并采用分离变量的方法，可将公式转换为常微分方程。经过计算发现，龙格迭代方法可以进行收敛，再对其结果进行修正便可以求出该方程的数值解。假设扭转刚度为GI，单位长的惯性力为C；空气动力参数为L _A；角速度为；该扭转运动方程式如下所示：

通过把上面两个公式进行耦合，然后就可算出该桨叶每个单元的位移和受的应力。

2应用ANSYS软件进行有限元分析：

2.1 桨叶的建模：

（1）模型参数：

以额定转速为25r/min，弦长为30米，兆瓦级风力发电机组为例，桨叶的尺寸设计建立好图1所示的桨叶模型。

（2）自定义单元类型和划分网格：

桨叶的主要成份是玻璃钢复合纤维材料，只要改变复合层材质，就能改变其质量分布。在本例中，1.95×10³Kg/m³为叶片的线密度值，39.5×10⁸Pa为叶片的展向弹性模量值，8.6×10⁸Pa为剪切弹性模量值， 0.19为泊松比值，通过上面这些参数进行计算，先计算solid45单元类型的值，后计算三维立方体brick的值，把两者的结果再进行分析比较。从计算的结果可以看出，计算精度高的是solid45单元类型，solid45单元类型与实际情况相符，而三维立方体brick类型的计算在三阶之后，出现较大误差。所以，前者类型更为合适。

图2是对桨叶内部截面进行的网格划分。应用有限元的方法对连续的求解区间，进行离散计算处理，从而计算出未知单元的函数值来分析整个桨叶的特性。

（3）对桨叶施加载荷和约束：

风力机最主要承受载荷的部件是桨叶，桨叶各个位置的受力比较复杂，桨叶所承受的是来自空气中动力和离心力还有自身重力。依据叶素理论，该桨叶的空气动力方程为：

式中，大气的动力为，攻角度为，桨叶的弦长为，在垂直方向气流的速度为v上升力系数，阻力系数为。

为简化计算，可以完全忽略轴倾角所引起的在垂直于旋转平面上的重力分力^[1]；同时也充分考虑到桨叶的内部结构都是材料填充层，所以不是采用部分约束方式，而是应用桨叶根部内截面完全约束的方式，这样所计算出的值与测量值更接近。

2.2 计算结果：

将有限元数值计算值与测量值比较。该桨叶的工作频率小于固有频率，所以不产生共振，系统性能优良。一阶和二阶的误差较小，三阶误差超过了百分之十，四阶和五阶的误差变化明显，以上分析可以得知，当桨叶在阶数较低时，该桨叶模型固有频率的计算值精度很高。

在确定有限元模型、单元类型、网格划分和载荷约束条件之后，对其模型进行了振型分析，如图3所示。图3中：一阶振型为挥舞，它的最大位移点集中在桨叶的根部，而二阶最大位移集中在桨叶的自由端，三阶开始出现摆振，四阶和五阶也出现摆振。通过分析，完全可以知道该桨叶的主要振动形式不是摆振扭转。挥舞是该桨叶低阶时主要的振动形式，它的能量主要表现为该桨叶截面的弯曲振动。

Claims

1.一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法，其特征在于，所述方法包括采用ANSYS软件大型恒频变速风电机组桨叶进行建模，通过比较数值计算值和测量值的误差，证明该模型在低阶时具有较高的计算精度，仿真结果桨叶的低阶振动形式是挥舞，因此弯曲振动是其影响桨叶所受应力的主要形式，可忽略扭转效应。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法，其特征在于，所述计算桨叶连续和离散模型下的扭转频率和弯曲频率，并分析比较，同时采用有限元方法来分析风力发电机的动态特性。

3.根据权利要求1所述的一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法，其特征在于，所述建立精度较高的有限元模型，计算了大型恒频变速风电机组桨叶的固有频率，证明无共振可能性，该型号桨叶的主要振动形式为挥舞，振动能量以弯曲振动为主，而非扭转，在低阶时，可以在弯曲扭转耦合效应中忽略扭转对应力的影响。