MW级风电机组动力学性能仿真分析研究

【摘要】：为了研究风电机组的运行特性以及传动链的动力学特征，以提高风电机组的可靠性。论文从整机系统的角度分析了风电机组的运行特性，对传动链的扭振共振问题进行了分析，还分析了塔架中心载荷与法兰螺栓应力的关系。论文的研究成果可以为风力发电机的设计和故障分析提供参考，具有一定的理论和工程实用价值。 论文的主要研究的内容及结构： 第一章，绪论。分析了世界范围内风力发电的发展趋势。然后，分别从风速分布及风场模型建立方面、柔性多体系统动力学分析方面、风电机组传动链研究方面以及风电机组运行模拟方面对前人的研究成果进行了分析和总结。 第二章，风电机组空气动力学理论及修正。论述了水平轴风力发电机的空气动力学理论，并考虑实际情况下，风与风机相互作用产生的能量损失，对风模型进行了叶尖损失修正、轮毂损失修正、Glauert修正、倾斜尾流修正以及动态尾流修正等。 第三章，风电机组刚-柔多体模型。根据德国劳埃德船级社风机认证规范，绘制了风力发电机齿轮箱以及整机拓扑图，并在此基础上建立了刚-柔多体的风电机组整机详细模型。 第四章，风电机组整机动力学分析。对风电机组进行了三种不同风况下的时域仿真，分析了叶片和塔架在风激励下的响应，以及齿轮箱的相应特性。对风力发电机传动链进行了扭振共振分析，绘制了各频段的Campbell图和相应的能量分布图，确定出传动链中的危险共振点。 第五章，塔架法兰螺栓连接分析。推导了塔架中心载荷与螺栓应力之间的关系，并建立了法兰螺栓系统的有限元模型对理论推导结果进行了验证。重点研究了，当法兰出现间隙时，螺栓的应力变化情况。并得到了风电机组运行过程中，法兰螺栓的应力时间历程。 【关键词】：风力发电机 传动链 扭振 法兰螺栓
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-18
• 1.1 课题的研究背景8-10
• 1.2 国内外风电机组动力学发展及研究现状10-14
• 1.3 课题研究的目的和意义14-15
• 1.3.1 课题研究的目的14-15
• 1.3.2 课题研究的意义15
• 1.4 论文内容及结构15-18
• 2 风电机组空气动力学理论及修正18-32
• 2.1 风轮圆盘理论18-22
• 2.1.1 致动盘理论19-20
• 2.1.2 旋转尾流角动量分析20-21
• 2.1.3 最大功率系数21-22
• 2.2 风轮叶片理论22-29
• 2.2.1 叶素理论22-23
• 2.2.2 叶素-动量(BEM)定理23-24
• 2.2.3 风力机叶素动量理论修正24-29
• 2.3 塔影模型29-30
• 2.4 小结30-32
• 3 风电机组刚-柔多体模型32-54
• 3.1 柔性体理论32-34
• 3.1.1 柔性体的变形32-33
• 3.1.2 柔性体上点的位置、速度与加速度33-34
• 3.2 SIMPACK 中风电机组柔性组件建模方法34-44
• 3.2.1 Rotorblade Generation 模块建立柔性叶片35-39
• 3.2.2 有限元法建立复杂柔性体39-42
• 3.2.3 SIMBEAM 柔性梁单元建模42-44
• 3.3 风电机组齿轮箱建模44-48
• 3.3.1 齿轮建模45-46
• 3.3.2 轴承建模46
• 3.3.3 齿轮箱建模46-48
• 3.4 风电机组整机模型建立48-52
• 3.5 小结52-54
• 4 风电机组整机动力学分析54-84
• 4.1 刚-柔耦合机械系统动力学54-57
• 4.1.1 柔性体的动能与质量矩阵54-55
• 4.1.2 弹性变形虚功以及主动力虚功55-56
• 4.1.3 柔性体空间运动的动力学控制方程56-57
• 4.2 风力发电机整机时域分析57-68
• 4.2.1 整机模型验证58-60
• 4.2.2 叶片-塔架动力响应分析60-65
• 4.2.3 齿轮箱分析65-68
• 4.3 风力发电机系统激励分析68-69
• 4.3.1 内部激励68-69
• 4.3.2 外部激励69
• 4.4 风电机组传动链扭振分析69-82
• 4.4.1 传动链固有频率分析70-72
• 4.4.2 共振点甄别72-82
• 4.5 小结82-84
• 5 塔架法兰螺栓连接分析84-100
• 5.1 塔架中心载荷-螺栓应力曲线84-97
• 5.1.1 预紧力与工作拉力关系84-86
• 5.1.2 法兰-螺栓系统刚度86-87
• 5.1.3 塔架中心载荷-螺栓应力关系87-91
• 5.1.4 有限元法验证91-97
• 5.2 螺栓应力-时间历程97-99
• 5.3 小结99-100
• 6 结论与展望100-102
• 6.1 主要结论100
• 6.2 展望100-102
• 致谢102-104
• 参考文献104-108
• 附录108
• A. 攻读硕士学位期间所发表的论文108
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录108

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