永磁直驱风力发电机组主机架强度分析

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1、第9期机械设计与制造2011年9月MachineryDesign&Manufacture185文章编号：1001—3997(2011)09—0185—03永磁直驱风力发电机组主机架强度分析何玉林曾纯亮’常慧英。(重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400030)(国电联合动力技术有限公司，北京100044)Strengthanalysis0fpermanent—magnetdirectdrivewindturbinemainframeHEYu—lin，ZENGChun—liang，CHANGHu

2、i—ying(rheStateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission，ChongqingUniversity，Chongqing400030，China)(2GuodianCombinedPowerTechnologyCo．，LTD，Beijing100044，China)中图分类号：THI6文献标识码：A形态。其主要结构包括发电机定子、主机架、辅机架、偏航轴承、刹1引言车盘、塔顶法兰和塔简，如图1所示。主机架所用的材料特性为屈主机架是永磁直驱风力发电机组中最

3、关键和承载最复杂的服强o-部件之一，其良好的设计、可靠的质量和优越点性能是保证风电．,=220MPa，弹性模量=1．69eMPa，泊松比=0．28，密度p=7．1er／lnmo机组正常稳定运行的关键因素，也是风力发电机组结构设计的重点和难点⋯。随着计算机及计算技术的飞速发展，特别是适合于复3静强度分析杂结构的有限元分析技术日臻成熟和成功应用，极大改变传统的3．1有限元模型结构设计与分析方法。运用MSC．MARC有限元分析软件，针对某MW级永磁直驱风力发电机组主机架结构进行静强度、模态、以及在极限

4、工况下的疲劳寿命分析，研究将对国产化大型风力发电机组自主设计开发工作起到重要的理论探索和指导作用，从而为提高我国风力发电设备技术水平，降低风电发电成本，提高市场竞争能力，实现具有自主知识产权的国有化风力发电机组的产业化奠定坚实的基础。图3主机架的有限元模型(细节)在MSC．Mentat2005r2中建立的MW级主机架的有限元模型，如图2、图3所示。模型采用8节点六面体7号单元划分，单元尺寸为30mm。主机架的结构比较复杂，重点关注主机架的整体静强度，在不影响分析结果的前提下，对实体模型进行了适当

5、的简化处理，故不考虑主机架和发电机定子、主机架和偏航轴承内圈、偏航轴承外圈和刹车盘及塔顶法兰之间的联接螺栓，将各图1主机架系统的几何结构图2主机架的有限元模型部件通过合并节点的方式粘合；非偏航状态下，和主机架相连接2几何模型的刹车器咬住刹车盘来实现刹车，因此将刹车器和刹车盘通过合永磁直驱风力发电机组的主机架具有较为复杂的三维几何并节点的方式设置为粘合，并将一些不影响整体分析的小圆角和★来稿日期：2010—11—24-h"基金项目：重庆市科技攻关计划项目(CSCT2007AB3052、CST200

6、7AA3027)186何玉林等：永磁直驱风力发电机组主机架强度分析第9期小倒角进行了特性简化。轴承中滚子只承受压力，不承受拉力，在其他工况下主机架的最大应力和最大变形，如表3所示。Marc的单元库中的Gap单元的特性是轴向仅受压不受拉，所以表3其他工况下最大应力和最大变形用Gap单元来模拟滚动体，保持内外圈之间力的传递，并不考虑滚珠的变形。3．2载荷计算在计算极限强度时，选取了4种设计情况：风力机停车或怠速运行、停车时突遇部件功能失效等、正常发电、正常发电时突遇从以上数据可以看出，安全裕度都大于

7、0，说明主机架在极电网失效，共16种工况。其中风力停机状态下的工况有4种，正常限强度计算工况下的最大应力都在材料的许用应力允许范围之发电状态下的工况有12种。对应的局部安全系数，如表1所示，具内。故在风力机运行的过程中，主机架的极限强度是足够的，出现体工况说明见GL规范。所计算得出的极限载荷，如表2所示。塑性变形或破坏的几率不大。表1极限强度分析采用的工况及局部安全系数4模态分析4．1模态分析的有限元模型主机架有限元模型采用8节点六面体7号单元划分，单元尺寸为30ram，总的网格数目为73860

8、。轮毂中心处添加一个集中质量单元，用于模拟轮毂、叶片的质量。在副机架的上方添加一个表2极限载荷集中质量单元，用于模拟副机架的附加质量。主机架模态分析的有限元模型，如图7所示。圈7主机架模态分析的有限元模型3．3边界条件4_2边界条件风力发电机塔筒底部为固定端，故约束塔筒底部6个方向的自由度。采用MPC将轮毂处点工况载荷施加到定子外圈节点考虑到直接约束主机架底部对频率产生的影响，在主机架下上。边界条件设置，如图4所示。面添加偏航轴承内圈，于主机架合并节点，约束偏航轴承内圈的底部所有节点的三个方向的