直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)部件強(qiáng)度分析

 1、引言

 目前國內(nèi)市場上已經(jīng)出現(xiàn)了2.5MW、3.0MW和5.0MW等大型風(fēng)電機(jī)組。隨著風(fēng)電機(jī)組功率等級(jí)加大，其內(nèi)部各零部件所承受的載荷明顯增大，風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)要在各種載荷工況下安全運(yùn)行，其重要部件必須滿足強(qiáng)度要求。發(fā)電機(jī)作為風(fēng)電機(jī)組的重要部件，其強(qiáng)度對整機(jī)的可靠性至關(guān)重要。同時(shí)，風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)須滿足20年的使用壽命，這使得發(fā)電機(jī)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)尤為重要。一方面，發(fā)電機(jī)部件設(shè)計(jì)需要滿足極限強(qiáng)度要求，另一方面，還需要綜合考慮零部件疲勞強(qiáng)度對發(fā)電機(jī)使用壽命的影響。

 在此背景下，以有限元分析、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和抗疲勞設(shè)計(jì)等為主要內(nèi)容的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中日益得到重視。目前，國內(nèi)學(xué)者在強(qiáng)度研究方面較為典型的研究包括：何玉林等運(yùn)用風(fēng)電機(jī)組空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、強(qiáng)度分析等理論和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，利用有限元分析軟件對主機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度和疲勞壽命分析；杜靜等基于風(fēng)電機(jī)組主軸有限元模型，對兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組主軸疲勞損傷進(jìn)行了研究，提出了將雨流循環(huán)計(jì)數(shù)法與Palmgren-Miner線性累積損傷理論相結(jié)合的主軸疲勞損傷計(jì)算方法；王平等應(yīng)用有限元軟件對風(fēng)電機(jī)組的輪轂進(jìn)行了極限強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析，模擬了疲勞載荷和材料的S-N曲線；楊兆忠等以輪轂為例，從極限強(qiáng)度和疲勞壽命兩個(gè)方面，結(jié)合有限元軟件對鑄件強(qiáng)度進(jìn)行了校核；姚興佳等以HyperWorks作為分析平臺(tái)對輪轂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；沃曉臨等采用有限元軟件對兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組輪轂與主軸的連接螺栓做了強(qiáng)度分析，對連接螺栓本身，在極限載荷與疲勞載荷下進(jìn)行了仿真計(jì)算；李超等采用有限元商業(yè)軟件為工具，對某兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙罩的極限強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析。

 上述研究集中在風(fēng)電機(jī)組主機(jī)架、主軸、輪轂和螺栓等零部件，對于直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)部件強(qiáng)度沒有做特定分析。發(fā)電機(jī)部件作為風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分，在大功率化趨勢下其部件強(qiáng)度研究對整機(jī)安全性和可靠性不可或缺。本文建立某2.0MW直驅(qū)式發(fā)電機(jī)的有限元模型，將綜合應(yīng)用有限元軟件和疲勞分析軟件分析校核電機(jī)轉(zhuǎn)軸、定軸及轉(zhuǎn)子支架的極限強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。根據(jù)GL2010認(rèn)證規(guī)范，推導(dǎo)了電機(jī)轉(zhuǎn)軸、定軸及轉(zhuǎn)子支架的S-N曲線表達(dá)式。

 2、發(fā)電機(jī)主軸極限強(qiáng)度分析

 （1）有限元模型建立

 某2.0MW直驅(qū)發(fā)電機(jī)由轉(zhuǎn)軸、定軸及轉(zhuǎn)子支架等部分組成。利用三維建模軟件建立幾何模型，在建模過程中，需對強(qiáng)度影響很小的特征，如小的倒角、凸臺(tái)等進(jìn)行簡化。其后將幾何模型導(dǎo)入專業(yè)的有限元前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以建立分析所需的有限元模型。根據(jù)直驅(qū)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于HyperMesh軟件對發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元離散。各部分均盡可能采用網(wǎng)格協(xié)調(diào)的方法連接。最終的有限元模型共包含391246個(gè)節(jié)點(diǎn)，323460個(gè)單元，總體與零部件網(wǎng)格模型如圖1所示。在模擬回轉(zhuǎn)支承的端面全約束，以消除整個(gè)模型的剛體位移。根據(jù)GL2010認(rèn)證規(guī)范設(shè)定工況和參數(shù)，由GHBladed自動(dòng)輸出極限工況和疲勞工況載荷數(shù)據(jù)，其中共包含16個(gè)極限工況和89個(gè)疲勞工況。

（a）整體                       （b）轉(zhuǎn)軸

（c）轉(zhuǎn)子支架                       （d）定軸

 （2）極限強(qiáng)度分析

 設(shè)x，y，z坐標(biāo)系滿足GL2010認(rèn)證規(guī)范的輪轂坐標(biāo)系要求[11]，以FX_min工況為例，它表示在所有計(jì)算工況中，施加載荷部位的x方向的代數(shù)值最小，其他工況以此類推。各極限工況下主要部件的最大應(yīng)力值如表1所示。

表1不同極限工況下主要部件最大應(yīng)力結(jié)果統(tǒng)計(jì)（單位：MPa）

 根據(jù)GL2010認(rèn)證規(guī)范，選擇材料局部安全系數(shù)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸和定軸材料為鑄鋼，屈服極限值隨結(jié)構(gòu)尺寸增大而減小，這里取值為300MPa。轉(zhuǎn)子支架為鍛件，屈服極限值取為235MPa。各極限工況下轉(zhuǎn)軸、定軸及轉(zhuǎn)子支架的安全系數(shù)如表2所示。

表2不同極限工況下主要部件安全系數(shù)

 轉(zhuǎn)子支架的加強(qiáng)筋上設(shè)置的圓孔成為該結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。由表2可知，轉(zhuǎn)矩是造成結(jié)構(gòu)高應(yīng)力的主要原因，最大應(yīng)力值發(fā)生在Mz_min工況下，應(yīng)力值為246.0MPa，大于材料的屈服強(qiáng)度235MPa，轉(zhuǎn)子支架的安全系數(shù)小于1，不滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

 轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)改進(jìn)

 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架不滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，故需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以滿足設(shè)計(jì)要求。加厚加強(qiáng)筋輪轂側(cè)厚度，由現(xiàn)在的17mm加厚至40mm。只考察轉(zhuǎn)子支架在不同極限工況下應(yīng)力大小及分布情況。

表3不同極限工況下轉(zhuǎn)子支架分析結(jié)果

 在轉(zhuǎn)子支架加強(qiáng)筋加厚的條件下，轉(zhuǎn)子支架所受的最大應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)大于1，初步滿足發(fā)電機(jī)部件極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

 3、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸、定軸及轉(zhuǎn)子支架的疲勞強(qiáng)度分析

 （1）發(fā)電機(jī)部件的S-N曲線

 根據(jù)GL2010認(rèn)證規(guī)范5.B.2.1所述，材料的典型S-N曲線應(yīng)作為疲勞分析的基礎(chǔ)。但通常情況下，材料的S-N曲線都是用小尺寸光滑圓柱試件在實(shí)驗(yàn)室中獲得的[10]。在風(fēng)電機(jī)組大型化發(fā)展的趨勢下，利用小試件試驗(yàn)得到的S-N曲線不能為疲勞壽命的估算提供合理的依據(jù)。

 在GL2010認(rèn)證規(guī)范中，材料的零件部件設(shè)計(jì)S-N曲線由三條線段組成，第一段是循環(huán)次數(shù)小于N1的低周疲勞直線段；第二段是指數(shù)斜率為m1，終止于ND的斜線段；第三段是指數(shù)斜率為m2的高周疲勞斜線段。

 本節(jié)將根據(jù)GL2010認(rèn)證規(guī)范第五章附錄內(nèi)容給出的風(fēng)電機(jī)組鍛造鑄鋼材料和鍛造材料的設(shè)計(jì)S-N曲線合成方法，通過計(jì)算得到發(fā)電機(jī)各部件的S-N曲線如圖2所示。

（a）轉(zhuǎn)軸的合成S-N曲線               （b）定軸的合成S-N曲線

（c）轉(zhuǎn)子支架的合成S-N曲線

 （2）發(fā)電機(jī)部件的疲勞強(qiáng)度

 在風(fēng)電機(jī)組零部件結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度校核中，通常基于熱點(diǎn)(hotspot)法計(jì)算疲勞損傷，由于極限工況下的最大應(yīng)力值點(diǎn)未必是最大累積損傷點(diǎn)，逐點(diǎn)計(jì)算難以確定結(jié)構(gòu)的最大損傷位置，從而難以對疲勞分析結(jié)果做出合理評價(jià)。本節(jié)基于疲勞分析軟件進(jìn)行發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的全域損傷值計(jì)算，得到全域的損傷分布狀況，進(jìn)而可以合理地對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評價(jià)。由軟件自動(dòng)進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)和線性損傷累積，基于HyperView進(jìn)行結(jié)果后處理，得到如圖3所示的部件的累積損傷分布圖。

（a）轉(zhuǎn)軸的疲勞損傷云圖             （b）定軸的疲勞損傷云圖

（c）轉(zhuǎn)子支架的疲勞損傷云圖

 4、結(jié)論

 本文研究了某直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)部件的強(qiáng)度分析方法。首先應(yīng)用三維建模軟件建立了直驅(qū)式發(fā)電機(jī)的幾何模型，其后應(yīng)用HyperMesh軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到有限元模型。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用有限元軟件分析了直驅(qū)式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸、定軸及轉(zhuǎn)子支架的極限強(qiáng)度。在上述基礎(chǔ)上，對不滿足極限強(qiáng)度條件的轉(zhuǎn)子支架給出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。參考風(fēng)電行業(yè)的GL2010認(rèn)證規(guī)范計(jì)算得到了發(fā)電機(jī)部件的S-N曲線?；谄诜治鲕浖?，得到了發(fā)電機(jī)部件的累積損傷值，并用HyperView軟件進(jìn)行結(jié)果后處理。最終得到優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)部件設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

 研究中，HyperMesh軟件和HyperView軟件為研究分析提供了極大的方便。其中，HyperMesh軟件提高了直驅(qū)式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分的效率和質(zhì)量。HyperMesh在計(jì)算單元質(zhì)量時(shí)，針對不同的求解器，有不同的要求和方法，這為得到高質(zhì)量的網(wǎng)格單元提供了可能。HyperView能快捷有效地進(jìn)行極限強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度結(jié)果后處理，基于HyperView軟件，對其它軟件的有限元后處理計(jì)算結(jié)果進(jìn)行方便查看而不需要任何設(shè)定，由此看出HyperView軟件與其它有限元軟件有較好的接口。

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