大型风力发电机组柔体叶轮动力学分析

网络出版时间：网络出版地址：Abstract:According to designed parameter,the rigid model of the large wind generators was built in UG software;The impeller is selected to be researched object,modal neutral files of key parts are at -tained by the analysis in ANSYS software.The analysis model of multi-flexible bodies of the impeller is built in ADAMS software.With analyzing 、predigesting 、loading of wind load and analyzing of dy -namic simulation to impeller model,a a lot of dynamic parameters of Flexible Impeller are obtained,which are truer and exacter .These provide certain basis of load for designing 、analyzing 、optimizing the design of key parts of large wind generators for future.The new thought is explored,which are about dynamic research of multi-flexible bodies of large wind Generators .Farther,the high-perfor -mance large wind generators are designed.

Key words:wind generators ；flexible impeller ；dynamic analysis 0引言

叶轮是风力发电机组最关键的部件，其造价约占风力发电机组总造价的20%～30%，它的设计寿命应该至少达到20年。叶轮应尽可能设计得最佳，以提高其能量转换效率。

风力发电机运行在复杂的自然环境中，所受载荷情况也非常复杂，主要包括空气动力载荷、重力载荷和惯性载荷。风力发电机组的空气动力特性取决于叶轮的几何形状，叶轮的几何形状取决于叶片数目、弦长、扭角、相对厚度分布以及叶片所用翼型的空气动力特性等。在风

力机的设计研究中，为了对风力机关键零部件进行强度分析、结构动力特性分析以及寿命计算，确保风力机在其设计寿命内能够正常地运行，必须对风力机及其零部件所受外载荷进行分析计算。

作用在叶轮上的空气动力是风力机最主要的动力来源，也是造成各个零部件的主要的载荷来源。要计算风力发电机组上的载荷就必须先计算出空气作用在叶片上的作用力。目前，计算作用在叶片翼型上的空气动力的主要依据是叶素理论。本文根据叶素理论计算的叶片简化风载

大型风力发电机组柔体叶轮动力学分析

摘

要：选取叶轮系统为研究对象，通过ANSYS 分析获得关键部件的模态中性文件（MNF ）；在ADAMS 中建立

叶轮多柔体分析模型，经过对叶轮模型风载荷的分析、简化、加载、动力学仿真分析等，获得柔体叶轮的各种更真实、更准确的动力学参数，为后续大型风力发电机组关键部件的设计、分析、优化提供可靠的载荷依据；从而探索了一种对大型风力发电机组进行多柔体动力学分析研究的新思路，进而设计高性能的大型风力发电机组。关键词：风力发电机；柔体叶轮；动力学分析中图分类号：TK83

文献标志码：A

文章编号：1671-5292（2010）06-0000-04

党长营，孙文磊，何连英

（新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐830047）

The dynamic research on flexible impeller of

the large wind generators

DANG Chang-ying ，SUN Wen-lei ，HE Lian-ying

（College of Mechanical Engineering ，Xinjiang University ，Urumqi 830008，China ）

收稿日期：2010-01-12；基金项目：国家自然科学基金项目（50765007）。

作者简介：党长营（1983-）男，河南南阳人，硕士研究生，主要研究方向为数字化设计与制造。E-mail:dangchangying@ DOI:

CNKI:21-1469/TK_20101022.1157.006

2010-10-22 11:57/kcms/detail/21-1469_tk.20101022.1157.006.html

荷，在ADAMS 中加载到风机柔体叶轮模型上，进而进行动力学分析研究，得到主轴及轮毂处的动态载荷，为后续风机部件的设计、分析提供可靠的载荷依据[1]，[3]，[4]。

1叶轮模型的建立

1.1叶轮多刚体模型的建立

本文仅选取叶轮、

主轴和主轴承座为分析对象，建立叶轮的刚体模型，将在UG 中建立的刚体模型导入由ADAMS 得到的刚体模型如图1所示。

1.2叶轮多柔体模型的建立

研究风力机叶轮系统的动力学特性时，如果把叶轮和轮毂视为刚体，运动分析时就不发生弹性变形。虽然这也能得到叶轮的一些动力学特征，但是存在着较大的误差。如果将叶片和轮毂都转化为柔性体对叶轮加载仿真，不仅可真实地模拟出叶轮运动时的动态行为，还可以分析机构的动态应力、应变、振动等。

ADAMS/Flex 采用模态柔性来表示物体弹

性的，其基本思想是赋予柔性体一个模态集。采用模态展开法，用模态向量和模态坐标的线性组合来表示弹性位移。通过计算每个时刻物体的弹性位移来描述其变形运动，Adams 软件中的柔性体采用模态中性文件来描述，它是一个独立于操作平台的二进制文件，包含柔性体的几何信息、节点质量和惯量、模态、模态质量和模态刚度等几何信息。在Adams 中可以通过多种形式得到模态中性文件，本研究是采用

ANSYS 软件进行有限元分析,得到叶片和轮毂的模态中性文件(图2)。叶片的刚点与刚性区域如图3所示。轮毂的刚点与刚性区域如图4

所示[2]，[3]。

利用ADAMS 与ANSYS 之间的双向数据交换接口，将图1叶轮多刚体模型中的3个刚体叶片和轮毂分别替换为柔性体叶片和柔性体轮毂的多柔体模型[2]，[3]。

1.3叶轮多柔体模型中运动关系创建

在大型风力发电机组中，叶片与轮毂、轮毂与主轴等都是通过螺栓连接的。根据实际的运动关系，在3个叶片与轮毂之间分别建立3个哑物体；通过三个哑物体分别与3个柔体叶片加30个Fixed Joint ，然后再将3个哑物体与柔体轮毂通过24个Fixed Joint 连接；并且在选择Fixed

Joint 的位置时，选择的是柔体叶片与柔体轮毂刚点；这样，通过刚点和哑物体将3个柔体叶片和轮毂连接起来。通过刚点轮毂与主轴建立8个Fixed Joint ；主轴与主轴承座建立1个Revolute

（a ）主视（b ）右视局部

图1ADAMS 中刚体叶轮模型

Fig.1The model of rigid impeller in ADAMS

图2ADAMS 中生成MNF 文件流程示意图

Fig.2Sketch map of creating MNF file in ADAMS software

UG 中叶轮零件导入ANSYS 中前处理网格划分，设置刚性点、区域

ANSYS/ADAMS 接口调用设置单位和输出条件生成ADAMS 需要的MNF 文件

图3叶片的刚点与刚性区域

Fig.3Rigid points and areas of the vane

图4轮毂的刚点与刚性区域

Fig.4Rigid points and areas of the the hub