风力机组关键部件运动学与动力学仿真研究

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1、风力机组关键部件运动学与动力学仿真研究　　摘要：以风力发电机组为研究对象，采用动量叶素理论计算叶片在不同风速下的气动载荷，在三维软件Solidworks中建立了叶片、轮毂、机舱和塔架等关键功能部件的三维模型，在Ansys中对叶片和塔架进行柔性化处理，生成叶片和塔架的MNF文件，建立了风力机组关键功能部件的ADAMS刚柔耦合多体系统动力学模型.将计算的载荷均匀加载到风力机组的叶片上，对风力机在风速由5m/s变化到25m/s的过程进行仿真，得到叶片和塔架的振动变形特性曲线.该仿真能够很好地模拟风力机的振动变形特性，为

2、风力机的虚拟样机仿真提供了一种可行的方法.　　关键词：风力发电机组;动量叶素理论;刚柔耦合;运动学与动力学分析;仿真　　中图分类号：TM315　　文献标志码：A　　TheKinematicandDynamicSimulationofKey　　FunctionalComponentsofWTGS　　ZHANGGuanghui　　（ChinaNonferrousMetalsProcessingTechnologyCo.，Ltd.，Luoyang471039，China）　　Abstract：　　Inthearticl

3、e，thebladeelementmomentumtheorywasusedforthecalculationofaerodynamicloadofbladeunderthedifferentwindvelocities.A3Dmodelofkeyfunctionalcomponentssuchasblade，tower，hubandnacelleweremodeledinSolidworks，theMNFfilesofbladeandtowerweregainedinfiniteelementanalysiss

4、oftwareafterflexibleprocessing，andtherigidflexiblemultibodydynamicmodelofthewindturbine’skeycomponentswascreatedinADAMS.Throughthesimulationofthemodelunderconstantrotatespeed，kinematicanddynamiccurveswereobtainedwhilethewindspeedrosefrom5m/sto25m/s.Thissimula

5、tionimitatesthevibrationperformanceideally，whichprovidesafeasiblemethodforthevirtualprototypesimulationofwindturbines.　　Keywords：　　windturbine;bladeelementmomentumtheory;rigidflexiblecoupling;kinematicanddynamicanalysis;simulation　　0前言　　水平轴风力发电机系统是一个非线性流刚柔耦合的

6、多体动力学系统，机械结构和运动规律非常复杂.在建立动力学模型时，必须考虑叶片的几何非线性和大变形运动，机舱偏航过程的刚体运动，塔架的弹性变形，以及复杂多变的气动载荷等因素的影响.水平轴风力机的叶片作为弹性体，在运行过程中受到气动载荷、弹性力、离心力和重力的作用，这些力耦合在一起会引起不稳定的振动，这种不稳定振动是导致叶片破坏的重要原因之一.因此，叶片的气弹稳定性问题一直是人们关注的焦点.在风轮旋转的过程中，塔架顶端会受到来自风轮的周期性激励和气动载荷的影响，这种激励会引起塔架的前后振动，塔架的振动和叶片的振动耦合

7、到一起，往往会导致风力机组的破坏.因此，研究风力发电机组的振动变形特性非常必要.本文建立了风力机组关键功能部件的刚柔耦合动力学模型，通过仿真得到叶片和塔架的振动变形特性曲线，为风力机运动学和动力学仿真研究进行了一次有益的探索.　　1叶片气动载荷计算　　动量叶素理论假设作用于叶素上的力仅和通过叶素扫过圆环的气体的动量变化有关，可以通过用微元截面上入射合速度攻角的二维翼型特性计算得出.因此，可以假定邻近圆环的气流之间不发生径向干涉作用，忽略顺叶片展向的速度分量和三维效应.在叶片的某一径向位置上的气流速度分量用风速来表

8、示，知道攻角和升、阻系数以及每个叶素上的轴、切向诱导因子，最终求出在一定风速下作用在叶素上的气动载荷[1].　　设风轮旋转角速度为Ω、叶素弦长为L，浆距角为β，考虑半径r处展向长度为δr的叶素，其切向速度为Ωr，相应的尾流切向速度分量为α′Ωr，当风速v∞作用于其上时，两者形成的合成速度为：　　W=v2∞1-a2+Ω2r21+α′2　　（1）　　式中：a为垂直风轮旋转平面