3MW风电机组的载荷计算与轮毂强度分析

【摘要】：在我国风力发电技术快速发展的大背景下，风力发电机组的载荷计算和强度分析直接关系到其运行的安全性。本文着重研究3MW风力发电机组的极限载荷和疲劳载荷，在极限载荷的基础上，对轮毂进行强度分析，为轮毂的设计提供一种有效的强度计算方法。因此，这项研究对风力发电机组分析具有实用价值和学术意义。 本文根据IEC标准对3MW风电机组进行参数化建模，在此基础上对正常载荷工况和极端载荷工况分别进行仿真研究。针对几个影响风力发电机组载荷的因素，分别对仅有塔影效应、风切变、尾流与三种效应均有进行对比分析。针对风力发电机组在叶片刚度变化的作用下的载荷灵敏度问题，利用柔性多体动力方程进行全耦合风机建模，并考虑叶片旋转时产生的空气动力、重力、离心力作用。分析叶片的动态响应特性，主要考虑叶片的气动阻尼作用。运用Newmark法对风力发电机组叶片进行动态分析计算，并获得总的动态响应。计算叶片在不同刚度下的载荷敏感度。 在进行极限载荷和疲劳载荷分析时，首先对由于叶片安装角安装错误引起极限载荷和疲劳载荷变化情况进行分析，得出其疲劳载荷要远大于极限载荷增加程度。此外，还针对风力发电机组在叶根处摆振力矩、挥舞力矩的极限载荷外推方法问题进行研究，引入过峰值阀值法。并利用两种拟合方法分别对两种典型概率分布进行分析对比，研究表明三参数威布分布下的最大似然估计法最适合计算极限外推载荷，且相对于其它三种方法更具有广泛性。 最后，通过对轮毂的有限元分析，在极限载荷情况下，叶片和轮毂连接处的应力最大，并验证了3MW风机的轮毂等效应力低于轮毂材料的屈服强度，证明了该设计结构满强度要求。 【关键词】：风电机组载荷计算 工况建模 载荷敏感度分析 极限载荷外推
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 课题背景及研究意义11-12
• 1.2 国内外风力发电发展现状12-13
• 1.2.1 世界风电发展现状12
• 1.2.2 国内发展现状12-13
• 1.3 理论研究现状13-14
• 1.3.1 风力发电机组中的空气动力学现状13
• 1.3.2 风力发电机中的结构动力学现状13-14
• 1.4 论文研究主要内容14-15
• 第二章 风力发电机组工况仿真15-25
• 2.1 风机等级以及风条件15-16
• 2.2 风模型的建立16-23
• 2.2.1 正常风条件16-18
• 2.2.2 极端风况18-23
• 2.3 设计载荷工况参数23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第三章 风力发电机组载荷计算25-42
• 3.1 影响载荷计算的因素25-32
• 3.1.1 塔影效应及其影响25-27
• 3.1.2 风切变的影响27-28
• 3.1.3 尾流的影响28-29
• 3.1.4 湍流风的选择29-32
• 3.2 叶片载荷分析32-40
• 3.2.1 多体动力学方程32-33
• 3.2.2 叶片静载荷33-35
• 3.2.3 叶片模态分析35-38
• 3.2.4 叶片刚度对风力发电机组载荷的影响38-40
• 3.3 本章小结40-42
• 第四章 风力发电机组载荷计算后处理42-58
• 4.1 风力发电机组极限载荷计算42-47
• 4.1.1 经典极值理论42-44
• 4.1.2 风力发电机组中的极值理论应用44-45
• 4.1.3 极值概率分布45-47
• 4.2 雨流统计法计算疲劳载荷47-52
• 4.2.1 雨流循环计算47-48
• 4.2.2 疲劳分析48-49
• 4.2.3 叶片安装角度对疲劳载荷影响49-52
• 4.3 风力发电机组极限载荷外推52-57
• 4.3.1 过峰值阀值法52
• 4.3.2 概率分布函数52-53
• 4.3.3 拟合方法53
• 4.3.4 超出数概率53-54
• 4.3.5 极限载荷外推分布拟合54-57
• 4.4 本章小结57-58
• 第五章 轮毂强度分析58-68
• 5.1 轮毂设计载荷确定58-60
• 5.2 轮毂强度分析60
• 5.3 载荷分析60-63
• 5.4 轮毂计算模型63-65
• 5.4.1 有限元模型63-64
• 5.4.2 载荷与约束64-65
• 5.5 轮毂有限元计算结果及分析65-67
• 5.6 本章小结67-68
• 第六章 结论68-69
• 参考文献69-72
• 在学研究成果72-73
• 致谢73

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