MW级风电机组变桨系统动力学及结构仿真分析

【摘要】：变桨系统是水平轴风力发电机组的重要组成部分，主要功能是通过调节桨距角进行功率调节。为了研究风力发电机组变桨系统的工作性能和安全性能，论文运用多体动力学方法对风力发电机变桨时的动态特性进行了仿真分析，同时对变桨系统进行了结构有限元分析和疲劳分析。论文的研究方法为风力发电机组变桨系统的设计与校核提供了依据，具有一定的工程实用价值。 论文的主要研究内容如下： ①研究了风力发电机组在变桨时的气动理论，阐述了MW级风力发电机组变桨系统基本结构与作用。 ②依据德国劳埃德船级社(GL)认证规范绘制风力发电机整机及变桨系统的拓扑图，根据拓扑图在SIMPACK中建立了变桨系统及整机动力学模型；建立自动变桨控制模型；依据IEC规定建立了变桨仿真时的风模型；建立了整机在变桨工况下的气-弹-控联合仿真模型，进行了时域分析。时域分析中分析了变桨过程中的桨距角变化、功率曲线变化和叶根处力和力矩的变化曲线。 ③依据风力发电机组变桨系统的受力特点，提出了用仅受压的三维杆单元link10模拟变桨轴承滚子的方法，建立了变桨系统的有限元模型并分析计算，得到了在单向载荷和变桨载荷下变桨机构的应力云图，以及变桨轴承的接触应力分布。 ④建立变桨轴承疲劳分析模型，应用有限元方法计算变桨轴承疲劳应力，运用雨流计数法处理得到疲劳载荷谱，进行材料的S-N曲线修正，根据疲劳累积损伤理论，计算出变桨轴承在设计工作年限的疲劳损伤。 【关键词】：风力发电机组 变桨系统 联合仿真 接触应力 疲劳损伤
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 1 绪论7-12
• 1.1 课题研究背景7-9
• 1.2 变桨技术研究现状9-10
• 1.3 论文研究意义和主要内容10-12
• 1.3.1 论文研究意义10
• 1.3.2 论文主要内容10-12
• 2 变桨系统结构及相关理论12-21
• 2.1 变桨气动理论12-16
• 2.1.1 叶素理论12-14
• 2.1.2 叶素-动量定理14-15
• 2.1.3 风能利用系数15-16
• 2.2 变桨系统基本结构16-20
• 2.2.1 变桨驱动装置16-17
• 2.2.2 变桨轴承17-18
• 2.2.3 雷电保护装置18
• 2.2.4 撞块装置18-20
• 2.3 本章小结20-21
• 3 变桨系统动力学仿真21-39
• 3.1 刚-柔耦合机械系统动力学21-24
• 3.1.1 柔性体点的速度与加速度21-22
• 3.1.2 柔性体的动能22-23
• 3.1.3 弹性变形虚功23-24
• 3.1.4 动力学控制方程24
• 3.2 整机及变桨系统动力学模型24-31
• 3.2.1 柔性叶片建模25-27
• 3.2.2 复杂柔性体有限元模型27-28
• 3.2.3 整机及变桨系统建模28-31
• 3.3 变桨系统控制模型31-32
• 3.4 变桨风模型32-34
• 3.5 变桨仿真时域分析34-38
• 3.5.1 桨距角计算结果34-35
• 3.5.2 发电机功率结果35-36
• 3.5.3 载荷计算结果36-38
• 3.6 本章小结38-39
• 4 变桨系统结构有限元分析39-53
• 4.1 Hertz 接触理论39-41
• 4.2 有限元方法41-43
• 4.2.1 有限元分析流程41-42
• 4.2.3 link10 模拟轴承滚子42-43
• 4.3 变桨机构有限元模型43-45
• 4.4 边界条件45
• 4.5 计算结果45-51
• 4.6 本章小结51-53
• 5 变桨轴承疲劳分析53-64
• 5.1 疲劳分析理论53-59
• 5.1.1 疲劳分析流程53-54
• 5.1.2 材料的疲劳特性54-57
• 5.1.3 疲劳载荷谱的处理57
• 5.1.4 多轴疲劳57-58
• 5.1.5 疲劳累积损伤理论58-59
• 5.2 变桨机构疲劳寿命分析59-62
• 5.2.1 疲劳应力分析59-60
• 5.2.2 疲劳分析载荷谱60
• 5.2.3 疲劳分析 S-N 曲线60-62
• 5.2.4 疲劳分析结果62
• 5.3 本章小结62-64
• 6 结论与展望64-65
• 6.1 结论64
• 6.2 展望64-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-68
• 附录68
• A. 攻读硕士学位期间所发表的论文68
• B. 作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果目录68

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