兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主機(jī)架疲勞分析

摘要： 應(yīng)用有限元法對某兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主機(jī)架進(jìn)行極限強(qiáng)度分析.基于GL規(guī)范分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主機(jī)架疲勞計(jì)算需要考慮的載荷工況，并對主機(jī)架進(jìn)行疲勞壽命分析.對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核評價，指出主機(jī)架結(jié)構(gòu)易發(fā)生疲勞破壞的部位.分析結(jié)果可為兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考.

關(guān)鍵詞： 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組； 主機(jī)架； 疲勞； 極限強(qiáng)度分析； 有限元

中圖分類號： TK83文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： The finite element method is used to analyze the ultimate strength of the mainframe of a megawatt wind turbine set. According to the GL standard， the load conditions for the fatigue calculation on the mainframe of wind turbine set is analyzed， and the fatigue life of the mainframe is analyzed. The calculation results are checked and evaluated and the dangerous fatigue parts of the mainframe structure are indicated. The analysis results can provide reference for the design of the mainframe of megawatt wind turbine set.

Key words： wind turbine generator set； main frame； fatigue； ultimate strength analysis； finite element

收稿日期： 2015[KG*9〗03[KG*9〗17修回日期： 2015[KG*9〗05[KG*9〗07

作者簡介： 李瑞斌（1977—），男，山西壽陽人，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助分析，（Email）jszxcaelrb@tz.com.cn0引言

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向大功率方向發(fā)展，兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已成為目前市場上的主力機(jī)型.[1]主機(jī)架是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最關(guān)鍵也是承載最復(fù)雜的部件之一，其良好的設(shè)計(jì)、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證風(fēng)電機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn).[2]

主機(jī)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜：機(jī)架前部通過主軸與風(fēng)輪輪轂連接，并支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動系統(tǒng)；機(jī)架底部與偏航軸承內(nèi)圈連接，與偏航系統(tǒng)共同完成風(fēng)機(jī)偏航功能.主機(jī)架承受來自風(fēng)機(jī)自身零部件載荷和風(fēng)輪傳遞的外部載荷，受力情況復(fù)雜.主機(jī)架常見的失效形式有2種：一是極限工況下在應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生塑性變形或破壞；二是動態(tài)隨機(jī)載荷作用下發(fā)生疲勞失效.為保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常工作，需要對主機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限強(qiáng)度分析和疲勞分析.

近年來，國內(nèi)外對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和分析開展許多研究.何玉林等[3]和路素銀等[4]利用非線性有限元分析軟件MARC對主機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度、模態(tài)和疲勞壽命分析，并對結(jié)果進(jìn)行校核評價.高俊云等[5]對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的疲勞載荷來源和疲勞計(jì)算方法進(jìn)行分析，并使用ANSYS/FESAFE軟件的多軸隨機(jī)疲勞計(jì)算功能，對某1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算.現(xiàn)有的關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組零部件疲勞壽命的研究，大都使用簡化的疲勞壽命分析方法，如鄧良等[6]和何玉林等[7]對輪轂的疲勞計(jì)算均采用等效常幅譜的簡化疲勞計(jì)算.這種方法對實(shí)際載荷進(jìn)行簡化，未考慮各個載荷分量的方向變化，因此有較大的計(jì)算誤差.本文基于GL規(guī)范[8]，首先對某兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主機(jī)架進(jìn)行極限強(qiáng)度分析，然后使用載荷時間序列和損傷累積方法，對主機(jī)架進(jìn)行疲勞分析計(jì)算.

1主機(jī)架的極限強(qiáng)度分析

某兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主機(jī)架系統(tǒng)的幾何模型見圖1，其主要結(jié)構(gòu)包括主軸、軸承座、主機(jī)架和塔筒等.主機(jī)架所用的材料的屈服強(qiáng)度σs=345 MPa，彈性模量E=2.1×105 MPa，泊松比μ=0.28，密度ρ=7 850 kg/m3.主機(jī)架的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于該模型用以校核主機(jī)架的整體靜強(qiáng)度，因此在不影響分析結(jié)果的前提下，對實(shí)體模型進(jìn)行相應(yīng)的簡化處理.將主機(jī)架與軸承座之間的連接螺栓簡化為黏合，并且建立塔筒假體，簡化一些較小的倒角.

在NX NASTRAN中對主機(jī)架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件定義，見圖2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔筒底部為固定端，故對有限元模型塔筒假體的底部進(jìn)行全約束.在主機(jī)架相應(yīng)位置施加發(fā)電機(jī)載荷、齒輪箱載荷和機(jī)艙罩載荷.采用MPC技術(shù)在輪轂中心位置施加極限工況載荷.根據(jù)GL規(guī)范，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件計(jì)算所采用的載荷由設(shè)計(jì)時定義的運(yùn)行工況確定.在極限強(qiáng)度計(jì)算時，選取4種設(shè)計(jì)情況（見表1），共16種工況.通過計(jì)算，得到16種極限載荷工況下主機(jī)架的應(yīng)力和變形云圖.其中，主機(jī)架最大應(yīng)力值出現(xiàn)在y與z方向合成彎矩最大工況下，此時主機(jī)架的應(yīng)力云圖和變形云圖見圖3和4.由此可知，主機(jī)架在該載荷工況下的最大von Mises等效應(yīng)力σmax=143.06 MPa，位于前軸承座下方筋板的圓角處；最大變形為1.975 mm，位于主機(jī)架最前端.

根據(jù)GL規(guī)范，極限載荷工況分析中安全因數(shù)的選取分為載荷局部安全因數(shù)、材料局部安全因數(shù)和重要失效局部安全因數(shù).本文載荷計(jì)算時已考慮載荷局部安全因數(shù)，材料局部安全因數(shù)取1.1，重要失效局部安全因數(shù)按三類構(gòu)件要求取1.3，則綜合安全因數(shù)取1.1×1.3=1.43.主機(jī)架材料的屈服強(qiáng)度為345 MPa，其許用應(yīng)力[σ]=345/1.43≈241 MPa.因此，主機(jī)架在極限載荷工況下的最大應(yīng)力在材料的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求.目前該規(guī)格的風(fēng)力發(fā)電機(jī)已進(jìn)行多臺生產(chǎn)，實(shí)際運(yùn)行狀況良好.

2主機(jī)架的疲勞分析

主機(jī)架是典型的承受疲勞載荷的機(jī)械產(chǎn)品，其所承受的外部載荷主要是隨時間變化的動態(tài)隨機(jī)載荷.因此，疲勞破壞是主機(jī)架的主要失效形式之一.主機(jī)架主要的疲勞載荷來源有空氣動力載荷、葉片重力載荷和操作載荷等.

GL規(guī)范對金屬材料部件的疲勞分析指定3種方法：一是采用應(yīng)力時間序列和損傷累積理論的分析方法，二是采用應(yīng)力譜和損傷累積理論的分析方法，三是采用等效常域譜的簡化疲勞分析方法.第1種方法全面模擬設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的所有載荷工況，計(jì)算結(jié)果最精確，故本文使用第1種方法對主機(jī)架進(jìn)行疲勞分析.

最常用的疲勞損傷累積理論是Palmgrem Miner線性累積損傷理論，其是估算交變應(yīng)力幅下安全疲勞壽命的關(guān)鍵理論.該理論假定材料在各個應(yīng)力水平下的疲勞損傷獨(dú)立進(jìn)行，并且總損傷可以線性疊加.[9]當(dāng)累積損傷超過1時達(dá)到限制狀態(tài)，所以在使用壽命期內(nèi)需保證累積損傷小于1.

本文使用ANSYS/nCodeDesignLife軟件對主機(jī)架進(jìn)行疲勞壽命分析，具體流程見圖5，其中的應(yīng)力結(jié)果包含主機(jī)架在6個單位載荷作用下的有限元計(jì)算結(jié)果.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主機(jī)架材料為Q345.根據(jù)GL規(guī)范，計(jì)算時一般采用通過試驗(yàn)方法確定的原材料SN曲線作為基礎(chǔ).在不能進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的情況下，可根據(jù)材料的極限抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和彈性模量等參數(shù)合成一條近似的SN曲線.[10]風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在設(shè)計(jì)壽命20 a內(nèi)主機(jī)架不能失效，規(guī)范要求疲勞分析時主機(jī)架材料的存活率達(dá)到PU=97.7%，所以SN曲線有限壽命區(qū)的參考應(yīng)力幅ΔσA需乘以縮減因數(shù)Spu=2/3以反映材料存活率的增加.計(jì)算得到主機(jī)架材料的SN曲線見圖6.

疲勞載荷譜由GH Bladed軟件仿真得到.根據(jù)GL規(guī)范，疲勞計(jì)算時需要考慮以下載荷工況：1）正常發(fā)電；2）發(fā)電加故障發(fā)生（控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、電力系統(tǒng)故障和脫網(wǎng)等）；3）機(jī)組啟動和正常關(guān)機(jī)；4）空轉(zhuǎn).按照相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對各種設(shè)計(jì)載荷工況進(jìn)行仿真，可得到所有工況下的時域載荷譜，每個工況含6個載荷分量的載荷時間歷程.其中，某一發(fā)電工況下的載荷時間歷程見圖7.將每種工況的載荷時間歷程調(diào)入到nCode DesignLife軟件中，并定義1 a內(nèi)對應(yīng)的發(fā)生次數(shù)，從而得到時間為1 a的載荷譜.將疲勞載荷譜與單位載荷有限元計(jì)算結(jié)果相關(guān)聯(lián).對兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主機(jī)架疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算，得到主機(jī)架在所有工況下總的疲勞損傷結(jié)果見圖8.由此可知：在疲勞載荷作用下，主機(jī)架1 a時間內(nèi)的損傷值為0.012 3.根據(jù)GL規(guī)范，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵零部件的使用壽命為20 a，主機(jī)架20 a的損傷值D20=20×0.012 3=0.246<1，主機(jī)架20 a的損傷小于1，故在疲勞載荷作用下，主機(jī)架不會發(fā)生疲勞破壞，滿足疲勞壽命的設(shè)計(jì)要求.由圖8還可知：主機(jī)架最容易發(fā)生疲勞損傷，疲勞壽命較短的區(qū)域主要位于前軸承座下方筋板的圓角處和齒輪箱下方筋板的圓角處.若這些部位存在缺陷，如微觀裂紋、砂眼、銹蝕等，將極易造成主機(jī)架的疲勞破壞.

3結(jié)論

根據(jù)GL規(guī)范對某兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主機(jī)架進(jìn)行極限強(qiáng)度分析和疲勞壽命分析，得出以下結(jié)論.

1）通過極限強(qiáng)度分析，得到主機(jī)架在極限載荷工況下的應(yīng)力和變形云圖.結(jié)果表明：主機(jī)架在極限載荷工況下的最大應(yīng)力在材料的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求.

2）采用載荷時間序列和累積損傷方法，對主機(jī)架進(jìn)行疲勞分析.結(jié)果表明：主機(jī)架20 a的累積損傷小于1，滿足疲勞壽命的設(shè)計(jì)要求.此外，通過疲勞損傷云圖可以發(fā)現(xiàn)，疲勞壽命較短的區(qū)域主要位于前軸承座下方筋板的圓角處和齒輪箱下方筋板的圓角處.因此，需要保證這些部位的制造質(zhì)量，盡量排除微觀裂紋、砂眼、銹蝕等缺陷.

通過對兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主機(jī)架進(jìn)行分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性.此外，本文所使用的疲勞分析方法還可用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組其他部件，如輪轂、主軸、塔筒等的疲勞分析.在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行疲勞分析和校核，可以為風(fēng)電機(jī)組各部件的進(jìn)一步優(yōu)化和新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒.

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