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大型風力發電機組動力學 版權信息
- ISBN：9787030526953
- 條形碼：9787030526953 ; 978-7-03-052695-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
大型風力發電機組動力學 內容簡介
為了提高風電的市場競爭力，降低成本，風電機組單機容量向大型化發展，為盡可能多的捕獲風能，勢必要增大風電機組葉片的掃風面積，即要增加葉片的長度，必然會導致風輪具有更大的質量和轉動慣量，導致振動增大，為避免振動對風電機組產生破壞，需要進行風電機組動力學建模分析。本文利用仿真和試驗驗證相結合的方法，建立了風電機組高精度動力學模型，對風電機組整機和關鍵部件的動力學特性進行研究，確保風電機組在各種工況不會發生共振，確保整個機組的零部件之間可以穩定地兼容配合。
大型風力發電機組動力學 目錄
目錄
序言
前言
第1章 風電機組動力學研究現狀 1
1.1 國內外風電機組動力學研究現狀 1
1.2 國內外風電機組動力學分析研究方法 3
1.3 國內外風電機組動力學相關研究 4
第2章 風電機組整機動力學 8
2.1 多體動力學基本概念 8
2.2多體動力學原理 10
2.2.1 虛位移原理 10
2.2.2 Hamilton原理 10
2.2.3 Lagrange方程 11
2.2.4 阻尼矩陣 12
2.2.5 Newmark方法 12
2.3 多體動力學仿真軟件介紹 13
2.3.1 SIMPACK 14
2.3.2 ADAMS 14
2.3.3 SAMCEF 15
2.4 風電機組多體動力學建模 16
2.4.1 風電機組建模過程 16
2.4.2 風電機組坐標系 18
2.4.3 葉片柔性體建模 20
2.4.4 復雜柔性體建模 22
2.5 整機動力學 25
2.5.1 風電機組虛擬樣機建模 25
2.5.2 動力學模型參數計算 29
2.5.3 動力學仿真結果分析 29
第3章 風電機組傳動系統動力學 35
3.1 風電機組傳動泵統動力學分析概述 35
3.2 風電機組傳動系統動力學分析 37
3.2.1 風電機組傳動系統動力學建模 37
3.2.2 頻域分析 50
3.2.3 時域分析 67
3.2.4 分析結果 75
3.3 基于動力學模型的參數敏感性研究 76
3.3.1 葉片長度和重量 76
3.3.2 齒輪箱彈性支撐跨距 78
3.3.3 齒輪箱彈性支撐剛度 81
第4章 風電機組發電機動力學 83
4.1 風電機組發電機物理模型 83
4.2 發電機動態性能研究 85
4.2.1 發電機仿真模型 85
4.2.2 發電機仿真模態計算 88
4.3 發電機模態試驗 89
4.3.1 模態試驗概述 89
4.3.2 模態分析方法 92
4.3.3 發電機整體模態試驗 94
4.4 發電機敏感參數研究 100
4.4.1 彈性支撐剛度 100
4.4.2 軸承剛度 101
4.5 發電機動力學模型對風電機組動態性能的影響研究 106
第5章 風電機組齒輪箱動態性能研究 108
5.1 風電機組齒輪傳動系統 108
5.2 齒輪箱動態性能研究 112
5.2.1 齒輪箱的模態計算 112
5.2.2 齒輪箱關鍵動態性能參數研究 114
5.3 風電機組運行環境下齒輪箱振動測試研究 117
5.3.1 測試概述 117
5.3.2 齒輪箱頂部振動加速度分析 117
5.3.3 扭力臂振動位移分析 123
5.4 齒輪箱旋轉零部件模態測試 124
5.4.1 邊界條件 124
5.4.2 高速輸出軸 124
第6章 風電機組葉輪不平衡特性研究 132
6.1 風電機組質量不平衡 133
6.2 風電機組葉輪不平衡仿真研究 135
6.2.1 仿真模型 135
6.2.2 葉輪質量不平衡仿真分析 137
6.2.3 葉輪氣動不平衡仿真分析 147
第7章 風電機組偏航系統動力學 157
7.1 滑動偏航軸承工作原理 157
7.2 風電機組偏航系統低速抖動動力學特性研究 158
7.2.1 偏航系統低速抖動機理分析 158
7.2.2 偏航系統低速抖動運動學模型 159
7.2.3 偏航系統低速抖動動力學仿真 161
7.3 主動偏航過程兆瓦級風電機組偏航系統振動數學模型 168
7.3.1 主動偏航過程兆瓦級風電機組偏航系統振動機理 168
7.3.2 主動偏航過程兆瓦級風電機組偏航系統平衡位置振動 168
7.3.3 主動偏航過程兆瓦級風電機組偏航系統摩擦失穩分析 169
7.4 偏航系統振動試驗 172
7.4.1 試驗設備 172
7.4.2 傳感器布置 172
7.4.3 試驗數據及結果分析 172
第8章 傳動系統動力學試驗 177
8.1 傳動系統動力學試驗概述 177
8.2 試驗 178
8.2.1 試驗原理及測試系統 178
8.2.2 測點布置 180
8.2.3 工況設置 182
8.2.4 試驗基本步驟 183
8.3 試驗結果分析 183
8.3.1 工況1：啟動(0-1200r/min)結果分析 183
8.3.2 工況2：停機(1200-Or/min)結果分析 189
8.3.3 工況3(820r/min)結果分析 191
8.3.4 工況4(865r/min)結果分析 200
8.3.5 工況5(900r/min)、工況6(920r/min)、工況7(930r/min)結果分析 206
8.3.6 工況8(990r/min)、工況9(11000r/min)結果分析 212
8.3.7 工況10（l200r/min，額定）結果分析 218
8.4 主要試驗結論 224
參考文獻 226
序言
前言
第1章 風電機組動力學研究現狀 1
1.1 國內外風電機組動力學研究現狀 1
1.2 國內外風電機組動力學分析研究方法 3
1.3 國內外風電機組動力學相關研究 4
第2章 風電機組整機動力學 8
2.1 多體動力學基本概念 8
2.2多體動力學原理 10
2.2.1 虛位移原理 10
2.2.2 Hamilton原理 10
2.2.3 Lagrange方程 11
2.2.4 阻尼矩陣 12
2.2.5 Newmark方法 12
2.3 多體動力學仿真軟件介紹 13
2.3.1 SIMPACK 14
2.3.2 ADAMS 14
2.3.3 SAMCEF 15
2.4 風電機組多體動力學建模 16
2.4.1 風電機組建模過程 16
2.4.2 風電機組坐標系 18
2.4.3 葉片柔性體建模 20
2.4.4 復雜柔性體建模 22
2.5 整機動力學 25
2.5.1 風電機組虛擬樣機建模 25
2.5.2 動力學模型參數計算 29
2.5.3 動力學仿真結果分析 29
第3章 風電機組傳動系統動力學 35
3.1 風電機組傳動泵統動力學分析概述 35
3.2 風電機組傳動系統動力學分析 37
3.2.1 風電機組傳動系統動力學建模 37
3.2.2 頻域分析 50
3.2.3 時域分析 67
3.2.4 分析結果 75
3.3 基于動力學模型的參數敏感性研究 76
3.3.1 葉片長度和重量 76
3.3.2 齒輪箱彈性支撐跨距 78
3.3.3 齒輪箱彈性支撐剛度 81
第4章 風電機組發電機動力學 83
4.1 風電機組發電機物理模型 83
4.2 發電機動態性能研究 85
4.2.1 發電機仿真模型 85
4.2.2 發電機仿真模態計算 88
4.3 發電機模態試驗 89
4.3.1 模態試驗概述 89
4.3.2 模態分析方法 92
4.3.3 發電機整體模態試驗 94
4.4 發電機敏感參數研究 100
4.4.1 彈性支撐剛度 100
4.4.2 軸承剛度 101
4.5 發電機動力學模型對風電機組動態性能的影響研究 106
第5章 風電機組齒輪箱動態性能研究 108
5.1 風電機組齒輪傳動系統 108
5.2 齒輪箱動態性能研究 112
5.2.1 齒輪箱的模態計算 112
5.2.2 齒輪箱關鍵動態性能參數研究 114
5.3 風電機組運行環境下齒輪箱振動測試研究 117
5.3.1 測試概述 117
5.3.2 齒輪箱頂部振動加速度分析 117
5.3.3 扭力臂振動位移分析 123
5.4 齒輪箱旋轉零部件模態測試 124
5.4.1 邊界條件 124
5.4.2 高速輸出軸 124
第6章 風電機組葉輪不平衡特性研究 132
6.1 風電機組質量不平衡 133
6.2 風電機組葉輪不平衡仿真研究 135
6.2.1 仿真模型 135
6.2.2 葉輪質量不平衡仿真分析 137
6.2.3 葉輪氣動不平衡仿真分析 147
第7章 風電機組偏航系統動力學 157
7.1 滑動偏航軸承工作原理 157
7.2 風電機組偏航系統低速抖動動力學特性研究 158
7.2.1 偏航系統低速抖動機理分析 158
7.2.2 偏航系統低速抖動運動學模型 159
7.2.3 偏航系統低速抖動動力學仿真 161
7.3 主動偏航過程兆瓦級風電機組偏航系統振動數學模型 168
7.3.1 主動偏航過程兆瓦級風電機組偏航系統振動機理 168
7.3.2 主動偏航過程兆瓦級風電機組偏航系統平衡位置振動 168
7.3.3 主動偏航過程兆瓦級風電機組偏航系統摩擦失穩分析 169
7.4 偏航系統振動試驗 172
7.4.1 試驗設備 172
7.4.2 傳感器布置 172
7.4.3 試驗數據及結果分析 172
第8章 傳動系統動力學試驗 177
8.1 傳動系統動力學試驗概述 177
8.2 試驗 178
8.2.1 試驗原理及測試系統 178
8.2.2 測點布置 180
8.2.3 工況設置 182
8.2.4 試驗基本步驟 183
8.3 試驗結果分析 183
8.3.1 工況1：啟動(0-1200r/min)結果分析 183
8.3.2 工況2：停機(1200-Or/min)結果分析 189
8.3.3 工況3(820r/min)結果分析 191
8.3.4 工況4(865r/min)結果分析 200
8.3.5 工況5(900r/min)、工況6(920r/min)、工況7(930r/min)結果分析 206
8.3.6 工況8(990r/min)、工況9(11000r/min)結果分析 212
8.3.7 工況10（l200r/min，額定）結果分析 218
8.4 主要試驗結論 224
參考文獻 226
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大型風力發電機組動力學 節選
第1章 風電機組動力學研究現狀 隨著國內風能產業的持續發展，大容量、高可靠性的風電機組一直是風電設備整機制造商的研發方向。風電設備從氣流中汲取能量，葉輪越大、風速越高，吸收的能量越多，因而需要不斷增加其葉輪的掃風面積和塔架的高度，才能捕獲更多的能量。葉輪掃風面積的增加必然要延伸葉片的長度，這樣的結構尺寸變化造成了葉片質量加大、剛度變小，使其自身的固有頻率降低，非常容易進入葉輪轉速激勵頻率帶，導致葉片在機組運行過程發生共振，極大地影響其工作的可靠性；同時，高塔架的設計也存在類似的問題。作為能量傳遞環節的傳動系統，時刻接受著來自葉輪系統的能量，同時也承擔葉輪系統傳遞的載荷，因此葉輪系統發生振動，不僅會影響傳動系統的能量輸入，也會向其傳遞振動，造成傳動系統載荷突變，加劇其承載的狀況，嚴重時會誘發傳動系統共振，造成傳動系統的早期失效。作為支撐結構的塔架系統，如果其固有頻率也進入葉輪轉速激勵頻率帶，在機組運行時，將與葉輪系統一起振動，這種振動的耦合對機組T作的影響是災難性的，目前，已經發生過葉輪一塔架耦合共振造成的風電機組破壞事故。 隨著風電機組設計容量的增大，傳動系統白身的固有頻率也在降低。統計發觀，風電機組設計容量從1.5MW上升到3MW時，其傳動系統扭轉固有頻率可以降低50%。因此，對于葉輪系統、傳動系統和塔架的固有頻率都處于低頻帶的風電機組，在工作時非常容易發生振動，增加機組結構部件的載荷。傳統的風電機組設計流程在進行機組載荷計算時，傳動系統被簡化成2自由度模型，僅得到葉輪和塔架關鍵位置的載荷，傳動系統載荷被忽略。因此，傳動系統設備供應商只能利用這些關鍵位置的載荷外推得到傳動系統結構部件的載荷，這樣的載荷獲取方式完全忽略了傳動系統本身的動態特性，造成了結構部件設計載荷的誤差，導致其承載能力降低。 綜上所述，增大葉片與整機的匹配性研究，采用先進可靠的風電機組動態設計和分析方法，能從根本上保證大型風電機組運行的穩定性，是解決當今風電產業界上述問題的主要手段。 1.1 國內外風電機組動力學研究現狀 風電機組運行于開放的大氣環境中，氣流有隨機性、風剪切等影響，其葉片為了獲得較好的氣動特性而做成不對稱的形狀，并且固定在很高的柔性塔架上，因此大型風力發電機組動力學風電機組的結構動力學特性分析相對于一般的工程機械更為復雜。為此，國外許多研究機構開展了包括彈性葉片和柔性塔架在內的大型風電機組結構動力學分析的方法研究，主要分為兩大類：試驗方法和計算方法。 試驗方法是對葉片和塔架施加激勵信號，然后通過測量輸入信號和輸出響應信號，用參數辨識的方法對其進行分析，從而得出風電機組的結構動力學特性參數。這是一種對具體風電機組直接研究的方法，所以結果可靠，是*有效的分析方法。但是，對于容量日益增大的大型風電機組，葉片和塔架通常都在幾十米以上，這種情況下，要安裝和運行滿足試驗條件的設備就有一定困難，而且從風電機組設計的角度考慮也不現實。 經典的計算方法是對耦合的運動方程進行數值積分求解，但用這種方法計算往往非常困難，尤其對于多自由度耦合系統，要想求出其解值就更復雜了。一般要對運動方程進行簡化求解，如應用Galerkin方法對運動方程進行一階簡化，用Floquet方法估計動力系統穩定性，再用積分求解。這種方法工作量大，高階情況更難求解。 近年來普遍用于風電機組結構動力學分析的計算方法是模態法和有限元法。模態法的基本思想是將耦合的運動方程組解耦成相互獨立的方程，通過求解每個獨立的方程得到各模態的特性參數，進而用所求得的模態參數來預測和分析該系統的運動特性。有限元法的基本思想是將連續的求解區域離散為一組有限個且按一定方式相互連接在一起的單元組合體，利用在每一個單元內假設的近似函數來分片地表示全求解域上待求的未知場函數，即用一個簡單問題代替復雜問題后求解。 在風電機組的動力學特性研究方面，由于風電機組的主要部件（葉輪、塔架、傳動系統和偏航系統）之間的強耦合作用，整個系統的動力學特性表現為復雜的不穩定性、氣動彈性以及共振等。研究的關鍵是耦合系統的動力學建模，目前多是從結構動力學原理出發來解決這一問題。起初，普遍使用的是被廣泛應用于直升機轉子槳葉的等效鉸鏈模型，它將槳葉等效為剛體，而根部與輪轂間由彈性柱鉸連接，又稱半剛性模型。因為大型風電機組的葉輪一機艙一塔架耦合系統的動態特性同直升機旋翼一機身耦合系統有相似之處，所以在直升機領域建立起來的比較成熟的研究方法對于大型風電機組的動態特性問題也是適用的。Friedmann從直升機氣動彈性問題出發，對無鉸鏈轉子給予特別關注，建立了無鉸鏈葉輪轉子塔架系統氣動彈性模型，可以估計比直升機槳葉表現更為強烈的不穩定氣動效應。Warmbrodt等把單槳葉的氣動彈性穩定性和動態響應問題擴展到無鉸鏈槳葉轉子、底艙和塔架組成的總系統上，忽略了槳葉的扭轉變形，只考慮槳葉擺振和揮舞變形，假設塔架為一剛性連續梁，具有彎曲和扭轉自由度：塔架和艙底間的偏轉柔性，用一個繞塔架軸線的線性彈簧和阻尼器連接，轉子的運動方程與塔架的運動方程通過輪轂上力和力矩平衡聯立，實現葉輪一塔架運動方程的耦合。目前，實現葉輪轉子運動方程與塔架運動方程的匹配，將對應不同的建模方法。Steinhart為列出轉子塔架系統的線性運動方程，使用Hamilton原理對塔架和槳葉這一彈性連續體推導了包括邊界條件在內的偏微分方程。通過Galerkin公式，用底艙兩個水平方向上的位移、俯仰和偏轉四個自由度表達出塔架的模態坐標，實現運動方程的聯立。 Keibling利用模態輔助函數對變量進行描述，其中使用了塔架的彎曲和扭轉兩個固有振型，以及槳葉的靜態固有振型，首先將不旋轉的塔架部分和旋轉的轉子部分隔開進行研究，然后利用模態結合法完成轉子和塔架運動方程的耦合。Ahlstrom在研究風電機組耦合轉子機艙一塔架的氣彈響應時，利用以Hamilton原理為基礎的有限元法，應用5節點18自由度和2節點12自由度的梁單元模型分別離散槳葉和塔架，將機艙簡化為剛體，建立了經過簡化的模型。Jesper利用彈性鉸鏈法對水平軸葉輪轉子塔架耦合系統建立了一個簡單模型，只研究了葉片擺振和塔架側向彎曲振動，沒有研究葉片揮舞和塔架前后彎曲振動的情況。 我國風電產業發展與歐洲發達國家相比起步較晚，但經過20年的科技攻關，在國家有關部門和地方政府的支持下，我國風能利用技術有了很大提高，積累了不少成功的經驗。但在風電機組動力學特性研究方面才剛起步，主要是借鑒國外的經驗進行建模和分析。 1.2 國內外風電機組動力學分析研究方法 風電機組動力學問題是涉及多方面因素的綜合性問題，包括結構動力學、空氣動力學、系統動力學和聲學等方面。國內外研究機構開展了包括大型風電機組結構動力學分析方法、風電機組動力學分析程序、柔性塔架葉輪穩定性和響應計算等有關風電機組動力學的大量研究工作。 美國以及歐洲諸國如德國、丹麥、瑞典、荷蘭等在風電機組技術的發展和應用中起步較早，憑借其先進的計算機技術、雄厚的CAD/CAM基礎和實力以及先進的制造水平，在技術上處于領先地位。國外的風電技術已經相當成熟，但結構分析多數基于小變形理論，目前國外論文中開始對風電機組進行非線性分析。例如，Ahlstrom用非線性有限元軟件MSC.MARC對風電機組進行了分析。 國內的風電機組動力學研究處于起步階段，隨著風電產業的蓬勃發展，國內風電機組動力學分析也在逐步深入研究中。信偉平應用自行開發的Blade Designfor Windows較件中的葉片結構分析模塊，建立葉片有限元模型，進行了風電機組旋轉葉片動力特性及響應分析；常明飛研究了基于氣動彈性力學的風電機組葉片動力學特性，建立了水平軸槳葉在升力和扭轉氣動力以及兩者耦合作用下的顫振方程，討論了槳葉的沉浮運動、扭轉運動及沉浮一扭轉耦合運動的穩定性。姜香梅大型風力發電機組動力學和許艷分別對風電機組的關鍵部件進行了靜動態特性分析。郭健運用Blade Design for Windows建立了整機數字模型，進行載荷計算；并在Pro/E中建立了塔架、輪轂和機艙底座的三維實體模型并導人ANSYS中進行靜強度有限元分析。另外，張良玉對水平軸大功率高速風電機組葉輪空氣動力學進行了計算；張錦源對風電機組葉片進行了可靠性研究。 國內的風電機組結構動力學研究主要針對單個零部件的動力學特性進行研究，技術也在逐漸成熟。在風電機組系統的動力學特性研究方面，目前多是從結構動力學原理出發來解決這一問題。凌愛民和莊岳興提出對葉輪和塔架分別建模，應用模態綜合技術分析葉輪一塔架耦合系統動力學特性的方法。楊校生等應用ADAMS/WT對LY70-1500風電機組整機模態進行了計算。 1.3 國內外風電機組動力學相關研究 水平軸風電機組的結構不同于其他常見機械結構，其主要結構部件位于很高的柔性塔架頂端，包括主機架、齒輪箱、主軸、輪轂、發電機以及三個大跨度的復合材料柔性葉片等。其運行過程是一個多因素耦合的過程，具體涉及風場動態特性、空氣動力學、柔性體結構動力學、電機動力學以及控制測試等因素，多系統的耦合導致風電機組的載荷特性和動力學特性非常復雜。與風電機組相關的學科也得到了人們的重視和研究，并取得了一定的成果。 1．風速分布及風場模型建立 風能作為風電機組能源的來源，其風速和密度的大小對于風電機組的正常工作至關重要。因此，在規劃和建設風電場前必須對當地的風資源進行評估，以確定該地是否適合建風電場以及應該安裝多大功率的風電機組。目前，對風速以及風能功率的計算和預測方法主要歸納為兩個：統計方法和物理方法。統計方法，即在風電場當地特定高度處，實時監測風速的變化并記錄下來，經過分析后建立一個風速分布模型，然后對以后的風速分析也采用此模型，這種方法數據處理簡單，但需要很長時間，積累大量的監測數據。物理方法，即根據天氣預報監測系統預測短期內的風向、風速、氣溫、濕度以及氣壓等數據，然后根據風電場附近等高線、溫度分層以及粗糙度等信息，通過相關的風資源分析軟件計算得到特定高度處的風向、風速、氣溫以及氣壓等信息。該方法計算量大，計算時間較長，且要求天氣預報監測系統預測的短期天氣情況誤差不是太大。 在風速預測方面，國內外學者都做了大量的研究工作。國外，Welfonder等曾將自噪聲序列等效成風速序到，并使其通過整形濾波器，然后建立風速模型，還給出了求解整形濾波器相關參數的方法；Alexiadis等運用人工神經網絡的方法預測短第1章風電機組動力學研究現狀期內的速度值，并通過多年收集到的數據對該方法進行了驗證對比；Methaprayoon等運用置信區間的概率統計方法并考慮風力發電不確定性，發展了一種基于人工神經網絡方法的風速預測模型。Louka等將Kalman濾波器用于風速預測的后處理中，以此消除了風速預測中可能的系統誤差，得到了很好的預測結果；Abdel-Aal等采用誘導網絡方法預測風速，該方法可以提供兼有簡化和自動模型綜合分析優點的輸入輸出模型。國內也有很多學者在進行風速預測方面的研究。鄒文等提出了一種基于Mvcielski算法的風場風速預測模型，該模型在風速的平滑段有很高的預測精度；高爽等在中長期風速預測中提出了一種粗糙集理論，先用該理論分析出風速預測的主要影響因素，再將這些因素作為風速預測模型的附加輸入，從而建立了粗糙集神經網絡預測模型；潘迪夫等采用時間序列法對某實測風速建立了ARIMA (auto regressive integrated moving average)模型，對風速進行了預測，并提出Kalman時間序列法以及滾動式時間序列法，對風速預測模型進行了改進；管勝利通過局域波分解與時間序列分析，建直了風速預測模型，同時提出了局域波分解一時間序列分析綜合預測方法，從而有效地提高了預測精度。 2．多體動力學分析 *初，人們對多體系統的研究，多將其抽
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