CN107748830A - 一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法，基于弗劳德相似理论，对风力发电机作为缩比模型的等效对象；对风力发电增速系统的主要零部件通过Creo软件进行三维实体建模；将建立的风电增速系统的等效缩比模型导入ABAQUS机械系统中；依据风电增速系统的拓扑结构，得到风电增速系统的刚体模型；对风电增速系统中相应的轴承部件进行等效替代，得到风电增速系统的有限元模型，采用Lanczos算法对其进行动态特性仿真分析计算，获得风电增速系统的固有频率和模态振型；本发明省去了按原型机的同等规模搭建试验仿真平台代价昂贵、效率低下的问题，将为风力发电机增速箱的结构优化和性能评估提供依据。

Description

一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法
技术领域
本发明涉及风力发电机技术领域，具体而言，涉及一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法。
背景技术
风能作为一种无污染的可再生能源，取之不尽、用之不竭。随着生态环境的要求和能源的需求，这种新能源越来越受到世界各国的重视。根据国家能源局的统计数据，我国2016年全年新增装机容量1.93×104MW，累计装机容量达到1.69×105MW，风力发电已经成为解决能源问题的一种必要手段。
风电增速箱的主要作用，是将风轮的大扭矩、低转速输入转化成发电机的低扭矩、高转速输出，以实现整个风机系统的动力匹配。因此，增速箱是风电机组中最关键的组成部件之一。由于风电增速箱常年经受无规律的风力冲击，并且位于几十米以上的高空运行，长时间处于野外无人值守的状态，从而导致增速箱的故障率突出，一旦出现故障，维修难度极大。由于风电增速箱测试困难，采用理论方法或数值仿真，成为解析此类设备动态行为的可靠手段。Wei Shi等建立了风力发电机组传动链纯扭转的数学模型，采用直接积分法求解方程，获得了传动系统的动态响应；Caichao Zhu等建立了一个具有柔性销的风机齿轮箱模型，行星轮系中，太阳轮浮动，行星轮采用柔性销支撑，其结果表明在风机齿轮箱中柔性销结构可以提高行星轮的均载特性；陈会涛等建立了风力发电机行星齿轮传动系统的纯扭转动力学模型，研究了齿轮综合传递误差的随机波动对传动系统动力学特性的影响；张浬萍等根据风力机相关理论建立了风电机组的整机运动模型，并在随机风速下进行整机运行仿真，从而获得风电齿轮箱的外部载荷。因此有必要对其进行动力学仿真分析，其研究结果可以为齿轮增速箱结构的优化设计以及故障预知预防提供重要的理论基础。
随着风力发电机的单机功率不断提高，机组设备日趋大型化和复杂化。在机组的原理设计或分析阶段，如按原型机搭建同等规模的试验平台，不仅造价高昂、成本不菲，更为关键的，这类平台只能针对单一型号的设备，其结果多不具备普遍性和推广价值。针对上述问题，本发明利用某行星轮系和平行轴齿轮箱的基本配置，建立了一套可用于模拟风力发电机真实增速箱的等效缩比模型。
发明内容
针对相关技术中存在的问题，本发明的主要目的在于提供一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法，为风电增速箱结构的优化设计以及故障预知预防提供理论基础。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是:
一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法,包括如下步骤：
(1)首先，基于弗劳德相似理论，依据功率为750kW风力发电机作为缩比模型的等效对象，根据相似度计算，选择用NGW21型行星轮系与QPZZ-II平行轴传动齿轮箱配置方案来建立缩比模型；
(2)其次，对风力发电增速系统的主要零部件通过Creo软件进行三维实体建模；
(3)再次，将建立的风电增速系统的等效缩比模型导入ABAQUS机械系统中，根据ABAQUS机械系统分析的需要，设置风电增速系统各部件的物理属性；
(4)然后，依据风电增速系统的拓扑结构，设置风电增速箱各部件之间的约束和接触关系，得到风电增速系统的刚体模型；
(5)最后，对风电增速系统中相应的轴承部件进行等效替代，得到风电增速系统的有限元模型，利用线性摄动分析步分析，采用Lanczos算法对其进行动态特性仿真分析计算，获得风电增速系统的固有频率和模态振型；
Creo软件进行三维实体建模包括风力发电机增速箱的太阳轮轴、行星轮、行星架、内齿圈、低速级输入轴、高速级输出轴。其中，内齿圈固定，行星架为输入，太阳轮轴为输出。
在ABAQUS机械系统中，根据风电增速系统各部件的相互运动关系，通过定义材料性能、施加约束、作用力、相互运动关系、划分有限元网格完成风电增速系统的有限元分析建模。
风电增速系统的有限元模型中轴承部件用ABAQUS软件里面的弹簧单元替代。
本发明利用相似理论将风电增速箱转化为等效的缩比模型，并且对其进行动力学仿真分析，获得风电增速箱的固有频率和振型，从而省去了按原型机的同等规模搭建试验仿真平台代价昂贵、效率低下的问题，该方案不仅大幅提高数值仿真的计算效率，而且便于实现试验验证，将为风力发电机增速箱的结构优化和性能评估提供依据。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为本发明提供的NGW21行星齿轮箱传动系统的结构简图。
图2为本发明提供的NGW21行星齿轮箱各个零件三维实体模型及其装配模型，各个零件名称依次为太阳轮轴、行星轮、内齿圈、曲面端盖、端盖1、端盖2、箱体、行星架。
图3为本发明提供的QPZZ-II平行轴传动齿轮箱各个零件三维实体模型及其装配模型。各个零件名称依次为小齿轮、大齿轮、输入轴、输出轴、上箱体、下箱体。
图4为本发明提供的基于相似理论建立的模拟风电增速系统的等效缩比模型。
图5为本发明所涉增速箱缩比模型有限元仿真时轴承的等效替代示意图。
图6为本发明提供的增速箱缩比模型的有限元模型。
图7为本发明提供的增速箱缩比模型的前8阶固有振型图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法,本发明提供的技术方案是：
(1)基于弗劳德相似理论，选择功率为750kW风力发电机作为缩比模型的等效对象，根据相似度计算，用NGW21型行星轮系与QPZZ-II平行轴传动齿轮箱配置方案来建立缩比模型；
(1.1)在建立如图4所示的等效缩比模型之前，需要对NGW21和QPZZ-II轮系负载关系进行计算。
具体的，由于NGW21和QPZZ-II两款试验台均为减速器，驱动电机位于高速端，为了模拟风电齿轮箱的真实工作特性，本发明在仿真模型中将二者均作为增速箱使用。
NGW21型行星齿轮减速器的基本参数为：额定功率为4KW，额定转速为1440r/min，转矩计算公式：
据此可计算得到行星轮系高速端的额定扭矩为Te＝26.528N·m；
QPZZ-II试验台电机的额定功率为0.75kW，转速为75～1450r/min，由公式计算可得平行轴传动齿轮箱的输入端(即模拟增速箱的输出端)的转矩范围为T入＝5.1～95.5N·m，平行轴传动齿轮箱的传动比i＝1.364，输出端(即模拟增速箱中平行齿轮箱的输入端)的转矩范围为T出＝6.95～130.23N·m。NGW21型行星轮系输入端(即模拟增速箱中行星轮系的输出端)转矩为26.528N·m，介于6.95～130.23N·m之间。因此，将NGW21行星轮系与QPZZ-II平行轮系相互耦合，二者的负载关系是能够匹配的。
(1.2)为了建立如图4所示正确的等效缩比模型，依据风机实际工况结合风电相似理论，确定以弗劳德风电相似理论进行相似计算。
根据相似理论，风力机缩比模型和原型应该同时满足几何近似，运动相似和动力相似。
三种相似以长度比例尺kl、速度比例尺kv、密度比例尺kρ为基本比例尺，其余参数可以根据基本比例尺建立比例换算关系，具体内容如下：
角速度比例尺：
运动粘度比例尺：
力矩比例尺：
动力粘度比例尺：
针对风力发电机，需要重点突出几何相似和动力相似等对流态起决定性作用的相似条件。目前，可供选择的近似模型法主要有三种，即弗劳德模型法、雷诺模型法、欧拉模型法。
所述弗劳德模型法是以重力相似为主要因素的近似模型法。其相似准则如式所示：
式中kg——重力比例尺
所述雷诺模型法是以粘性力相似为主要因素的近似模型法。其相似准则如下式所示：
所述欧拉模型法只需要考虑压强和惯性力之比，欧拉相似准则为：
上述三种近似模型法中各个参数的计算式如下表1所示：
表1相似模型比例尺
根据上面所述风电相似理论，并结合考虑到风机的实际工况，可知在相同的缩比条件下，采用弗劳德模型法和雷诺模型法换算得到的轴向力T和扭矩M与原型仿真计算值较为相似。进一步，考虑到风机在正常运行过程中，叶片及自身重量很大，加上旋转叶片的离心力，从而导致风机本身的惯性力影响较大，因此可以选择以惯性力为主的弗劳德模型进行相似计算。
(1.3)选择所述750kW风力发电机作为缩比模型的等效对象，计算缩比模型与实际增速箱的等效关系。
所述750kW风力发电机的基本参数如下表2所示：
表2风力发电机组物理参数
具体的，计算可知，额定转速下该风电机组的叶轮转矩(即增速箱输入转矩)为Te＝2.49x105N·m，行星轮系高速端的额定扭矩为Te＝26.528N·m，由于行星轮系的传动比i＝8.077，因而可以得到等效缩比模型的额定输入端扭矩为Te＝214.27N·m，所以力矩比例尺为8.6x10-4；模型的风轮直径为8.22m,可得线性比例kl为0.1713，弗劳德模型基本参数如表3所示：
表3弗劳德模型基本参数
计算所得基本比例尺满足弗劳德模型法相似准则，由此得出本发明建立的缩比模型可用来模拟真实的风力发电增速箱传动系统。
(2)对风力发电增速系统的主要零部件通过Creo软件进行三维实体建模；
具体的，如图1为本发明提供的NGW21行星齿轮箱传动系统的结构简图，具体参数设置如下：pi表示行星轮，r表示内齿圈，c表示行星架，s表示太阳轮，Tin表示输入扭矩，Tout表示输出扭矩。
如图2为NGW21行星齿轮箱各个零件三维实体模型及其装配模型，所述行星轮系包括太阳轮、行星轮(3个)、内齿圈。本发明行星轮系各齿轮是变位齿轮，具体参数如下：
所述太阳轮为变位齿轮，变位系数是0.20，齿数是13，模数是2.5，齿厚是50mm；
所述行星轮为变位齿轮，变位系数是0.75，齿数是38，模数是2.5，齿厚是50mm；
所述内齿圈为变位齿轮，变位系数是0.25，齿数是92，模数是2.5，齿厚是50mm。
如图3为QPZZ-II平行轴传动齿轮箱各个零件三维实体模型及其装配模型。
所述QPZZ-II平行轴传动齿轮箱齿轮副基本参数如下表4所示
表4齿轮副基本参数表
(3)将建立的风电增速系统的等效缩比模型导入ABAQUS机械系统中，根据ABAQUS机械系统分析的需要，设置风电增速系统各部件的物理属性，然后，依据风电增速系统的拓扑结构，设置风电增速箱各部件之间的约束和接触关系，得到风电增速系统的刚体模型；
具体的，设置本发明有限元仿真相关属性参数；
进一步，网格划分单元类型为八节点六面体缩减积分单元C3D8R；各个结合面之间添加tie连接，各个旋转副之间添加hinge(铰)连接，相互啮合的齿轮副之间建立表面与表面接触关系；对NGW21型行星轮系箱体底座和QPZZ-II平行轴传动齿轮箱下箱体添加边界条件ENCASTRE(固定)，对轴承部件进行简化处理。
(4)对风电增速系统中相应的轴承部件进行等效替代，得到风电增速系统的有限元模型，采用Lanczos算法对其进行动态特性仿真计算，获得风电增速系统的固有频率和模态振型。
具体的，如图(5)每个轴承用四个相互垂直的弹簧单元进行模拟，弹簧呈“十”字交叉型分布；
弹簧单元的刚度采用经验公式计算，如下式所示：
Kr＝0.118×104×(DwFrZ2cos5β)1/3
式中Kr——轴承的径向刚度；
Fr——轴承的径向力；
Dw——轴承滚珠直径；
β——轴承接触角，取β＝20°；
Z——轴承滚珠数目
具体的，采用Lanczos算法求解风机增速系统有限元模型的前40阶模态参数，通过分析研究动力学仿真评估参数(振型参与系数和有效质量)，获得相应阶次的固有频率和模态振型。
所述振型参与系数代表了某阶振型在某个自由度方向上振动的参与程度，例如振型参与系数Γij中i代表模态阶数，j则表示为结构的6个自由度；
所述有效质量反映各阶模态在每个自由度上所激活的质量的大小,采用Lanczos法分析模态时，要保证在频率提取分析步中提取了足够数量的模态，其判断标准：主要运动方向上的总有效质量要超过模型中可运动质量的90％，有效模态质量中，i和j分别表示阶数和自由度。
定义沿风电增速箱主轴水平径向为X方向、主轴垂直径向为Y方向、主轴轴向为Z方向。如表5提供了齿轮增速箱系统模态振动在各个自由度上的振型参与系数。振型参与系数的大小代表了振型在每个自由度上的参与程度。从表中可以看出，在前10阶中，行星轮系增速箱系统振型主要表现为：第1、2阶振型在X方向的参与系数比较大，第9阶振型在Y方向的参与系数比较大，则这几阶振型主要表现在Y方向上；第3、4、8阶振型在Y和Z方向均有较大的变形量；第5、6、7、10阶振型在X、Y和Z方向均有较大的变形量。振型主要体现在各个关键部件(行星架、行星轮、平行轴齿轮)上，并且是多个方向上起作用，存在复合变形，这可作为风力发电机增速箱的结构优化提供理论指导。
表5齿轮箱系统的振型参与系数
如表6提供了增速箱缩比模型在各个自由度上的有效质量，采用Lanczos法分析模态时，要保证在频率提取分析步中提取了足够数量的模态。
表6齿轮箱系统有效质量
根据表中的数据计算可得在X、Y、Z平动方向上的有效质量分别为可运动质量的91.08％、94.8％和90.28％，均大于90％，满足所述判断标准，因此提取40阶模态振型是合适的。
如图7为本发明提供的增速箱缩比模型的前8阶固有振型图；
所述模拟增速系统的固有频率和模态振型如下表7所示：
表7模拟增速箱的固有频率及振型
根据表中的数据，风力发电机增速箱低阶固有频率主要振型表现在行星架X向摆动，在风电增速箱性能优化时，这可作为理论参考。
最后说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法，其特征在于：该方法包括如下步骤，
(1)首先，基于弗劳德相似理论，依据功率为750kW风力发电机作为缩比模型的等效对象，根据相似度计算，选择用NGW21型行星轮系与QPZZ-II平行轴传动齿轮箱配置方案来建立缩比模型；
(2)其次，对风力发电增速系统的主要零部件通过Creo软件进行三维实体建模；
(3)再次，将建立的风电增速系统的等效缩比模型导入ABAQUS机械系统中，根据ABAQUS机械系统分析的需要，设置风电增速系统各部件的物理属性；
(4)然后，依据风电增速系统的拓扑结构，设置风电增速箱各部件之间的约束和接触关系，得到风电增速系统的刚体模型；
(5)最后，对风电增速系统中相应的轴承部件进行等效替代，得到风电增速系统的有限元模型，利用线性摄动分析步分析，采用Lanczos算法对其进行动态特性仿真分析计算，获得风电增速系统的固有频率和模态振型。
2.根据权利要求1所述的一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法，其特征在于：Creo软件进行三维实体建模包括风力发电机增速箱的太阳轮轴、行星轮、行星架、内齿圈、低速级输入轴、高速级输出轴；其中，内齿圈固定，行星架为输入，太阳轮轴为输出。
3.根据权利要求1所述的一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法，其特征在于：在ABAQUS机械系统中，根据风电增速系统各部件的相互运动关系，通过定义材料性能、施加约束、作用力、相互运动关系、划分有限元网格完成风电增速系统的有限元分析建模。
4.根据权利要求1所述的一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法，其特征在于：风电增速系统的有限元模型中轴承部件用ABAQUS软件里面的弹簧单元替代。
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