基于ANSYS的風力機組發電機軸承熱分析

郭艷伸，常喜強，張新燕，雷晨昊

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊　830047；2.國網新疆電力公司調度控制中心，新疆 烏魯木齊　830006；3.國網新疆烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊　830011)

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基于ANSYS的風力機組發電機軸承熱分析

郭艷伸1，常喜強2，張新燕1，雷晨昊3

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊830047；2.國網新疆電力公司調度控制中心，新疆 烏魯木齊830006；3.國網新疆烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊830011)

風力發電產業發展迅速，提高發電機組可靠性成為了一個重要的課題,其中發電機軸承運行可靠性就是其中之一。利用傳熱學、摩擦學理論分析了風力發電機軸承正常及風速突變狀態下的發熱機理和傳熱特點，通過ANSYS軟件建模求解出溫度場、熱流密度等熱力學量并對求解結果進行分析。研究結果對風力發電機軸承故障診斷以及優化設計有參考意義。

風力發電機；可靠性；傳熱；軸承；溫度場

當今世界全球變暖、能源緊缺以及環境污染問題日趨嚴重，許多國家都把發展可再生能源當做一項重要的戰略舉措，所以近些年包括風電在內的可再生能源發展迅速，風電已經成為繼火電和水電之后的第三大主力電源[1]。

風力發電機組故障率偏高，加之風電機組輪轂高以及地處環境惡劣等因素的影響，使得維修成本高、維修周期長、維修困難的問題阻礙了風力發電產業的發展[2]。為了風力發電的大規模發展并且提高發電效益，就要提高風力機組的故障診斷技術，做到能預防為主，提前發現缺陷，防止設備故障的發生，能科學安排檢修計劃，提高風力機組穩定性，做到效益最佳。

在風力機組常發生的故障中，發電機軸承失效發生率較高，故障類型包括磨損失效、疲勞剝落、腐蝕失效、斷裂失效、壓痕失效、膠合失效和保持架損壞[3]。這些故障無一不伴隨著電機軸承溫度場的變化，所以監測軸承溫度場的變化就可以了解軸承的運行狀態以及故障狀況。風力發電機軸承的熱力學分析為風力機組故障診斷提供了理論依據。

1　風力發電理論

1.1風能

風力發電就是利用風能發出電能的發電設備。根據動能定理，運動的物體就具有能量，單位時間內流過半徑為R的風力機的風能即風功率為

(1)

式中，m為空氣質量，kg；v為風速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m2；A為風力機葉輪掃過面積，m。

當風能流過的橫截面積為單位面積即為1m2時所計算出的風功率就是風能密度。

(2)

由式(2)可以看出，風能密度和風速的三次方成正比，因此單位風速的增加會造成風能密度較大的增量，這在風速突變時對風力機組會形成不小的沖擊力。

由于風速是隨著時間不斷變化的，所以風能密度也隨著時間不斷變化，這就提出了一個平均風能密度的概念。

(3)

式中，T為周期，即求取平均值的時間長度，平均風能密度表示了一段時間風能密度的平均值。

1.2直驅式風力發電機組

風力發電機組有直驅式、半直驅式和雙饋式。相比于雙饋式風機，直驅式風機有體積小、結構簡單、電磁兼容性強、維護成本低、損耗小、受風速限制小、噪音小等優點，是未來的發展趨勢。此外由于運行原理的差異，直驅式風力發電機轉速隨著發電功率的升高而有明顯的上升，當然軸承溫度也隨之有較明顯的升高，而雙饋式發電機由于控制系統的調控，轉速變化較小，造成軸承溫度變化不明顯，軸承溫度蘊含信息較少，研究價值較小。因此主要對永磁直驅式風力機組發電機軸承進行研究。

直驅式風力發電機主要設備有風機葉片、永磁同步發電機和整流逆變裝置3個部分。如圖1所示。

圖1　直驅式風力發電機組主要組成部分

葉片是風力發電機組最主要的設備，也是風力發電機組區別于其他設備最重要的標志。它的作用是捕捉風能，將風能轉化為機械能。葉片上帶有避雷裝置、變槳裝置和鎖定銷，避雷裝置用以保護葉片不受雷擊損壞，變槳裝置用于改變槳葉角，鎖定銷用于檢修時鎖定葉片防止轉動。由于風速不斷變化，機組發出的電能頻率也隨之變化，整流逆變模塊可以改變所發出電能的頻率，這樣就可以使電能符合并入電網的條件，才能并網發電。

風吹動風機葉片將風能轉化為機械能，機械能通過主軸傳遞到永磁同步發電機，發電機把機械能轉化為頻率變化的電能，再通過整流逆變器轉化為符合并網條件的電能送入電網。

由貝茲理論可知：[4]

(4)

式中，Cp為風力機輸出功率系數，它與葉尖速度與風速之比λ有關，又與槳葉節距角α有關。在α和風速不變的情況下，不同的λ值即不同的葉尖速度對應著不同的Cp值；但是只有一個最佳λ值λmax使Cp取到最大值Cpmax，這時風力發電機組的功率最大，也就是說α不變時為了使風能利用率最大，風力機葉輪轉速和風速是一一對應的，隨著風速的不斷上升，葉輪轉速也要不斷上升，這是下面研究的現實基礎之一[5]。

2　傳熱學基本理論

傳熱學就是研究由溫差引起的熱能傳遞規律的學科。熱能的傳遞有3種方式：熱對流、熱傳導和熱輻射。

物體之間沒有宏觀的相對移動，而是依靠分子、自由電子等等微觀粒子的熱運動而使熱量發生傳遞的熱量傳遞方式稱為熱傳導。通過大量的實踐經驗總結出了導熱現象的規律傅里葉定律：

(5)

熱對流是由于流體各部分之間存在宏觀上的相對運動造成冷熱流體相互摻混而產生的量能傳遞的過程。在工程中常常最關心的是流體流過固體表面時的熱能傳遞現象，這稱之為對流傳熱。對流傳熱中熱量的傳遞計算用牛頓冷卻公式：

流體被加熱時q=h(tw-tf)

(6)

流體被冷卻時q=h(tf-tw)

(7)

式中：tw和tt分別為壁面溫度和流體溫度，℃；h為表面換熱系數，W/m2。表面換熱系數的大小和很多因素有關，包括流體的物理性質，換熱表面的形狀、物理性質和布置、流體流速大小。[6]

熱輻射是物體之間通過電磁波傳遞能量的傳熱方式。由于只用到了熱傳導和對流換熱，所以就不再對熱輻射做詳細介紹。

3　有限元理論

有限元計算法是伴隨著計算機技術的發展而發展起來的一種現代計算方法，其理論基礎是數值分析。它把連續的工程結構離散化，劃分出許多有限的單元，推導出每個單元的單元矩陣，再把這些矩陣拼接成總矩陣，施加約束條件形成總矩陣方程，然后求解這個方程，求解方法有迭代、直接法和隨機法，最后就是進行后處理，顯示和提取出用戶想要的求解信息。

通過有限元的思想可以看出，有限元分析的步驟包括幾何建模、網格劃分、施加約束條件、求解以及后處理。幾何建模可以通過有限元軟件自帶的建模工具DM建模也可以導入在第三方建模軟件上建立的模型。

4　風力發電機軸承的摩擦生熱以及散熱分析

4.1軸承的摩擦生熱

研究發電機軸承的熱源是首要工作，發電機軸承的熱量主要來自于摩擦功率損失，其中包括滾子的自旋生熱、滾子與油脂的拖動生熱、油脂與內外圈的拖動生熱、保持架與滾子的摩擦生熱[8]。在不考慮每一項摩擦生熱大小的情況下，把軸承作為一個整體考慮，其摩擦生熱計算公式為

(8)

式中：ni為軸的轉速，r/min；Mf為軸承摩擦力矩，N·m。

4.2軸承的散熱分析

內圈、滾子、外圈和潤滑油脂都有摩擦生熱，軸承承載區和非承載區發熱特性區別較大，滾子在內外圈接觸面滾動產生熱量，對于內外圈接觸面來說是一個周期變化的移動熱源，這樣計算過于復雜以至于無法進行研究，需要對模型進行必要的簡化。由于滾子滾動速度快，在這樣短暫的時間內摩擦產生的熱量無法傳導入軸承內部，所以設定內外圈接觸面被均勻加熱，軸承溫度分布中心對稱。設定內套圈與電機主軸接觸的表面，外套圈與電機定子接觸的表面溫度不變[9]，軸承兩側與空氣強制對流換熱，滾子與滾道間油膜厚度忽略不計，滾子與潤滑油脂有對流換熱，摩擦生熱產生的熱量折合入內外圈表面熱源。

5　風力發電機軸承有限元建模以及網格劃分

5.1ANSYS-Workbench軟件簡介

ANSYS是結合有限元思想和現代計算機技術開發出來的一款計算機仿真軟件，在CAE領域有著巨大的市場，自ANSYS7.0之后，ANSYS公司推出了Mechanical APDL和ANSYS-Workbench兩個版本，兩個版本用同一個求解器，所以求解精度是基本相同的。ANSYS-Workbench軟件求解過程分為6個步驟：添加材料庫、幾何模型數據、網格控制劃分、邊界條件設定和載荷施加、分析計算、計算結果后處理顯示[7]，如圖2。

圖2　ANSYS-Workbench項目流程圖

圖中B2到B7每一個單元格代表分析流程中的一個步驟，根據分析項目圖由上到下執行每一個單元格命令，就可以完成所要研究問題的數值模擬工作。對比于經典版的命令流即Mechanical APDL方式ANSYS-Workbench具有更好的用戶交互界面，更容易操作，學習入門相對容易，是未來的發展趨勢。

5.2軸承建模及網格劃分

利用ANSYS-workbench自帶建模工具DesignModeler對軸承進行建模。由于軸承溫度場中心對稱，所以只對一個滾子進行建模。建模完成后對模型進行網格劃分，在Details of mesh中的Relevance Center選項中選擇fine選項，其他為默認值，劃分結果如圖3。

圖3　模型及網格劃分

網格劃分是有限元分析中的重要一步，網格質量的好壞對求解結果影響非常大，提高網格質量可以顯著提高求解結果精度，只有劃分好網格才能進行下一步的分析計算。網格劃分得到8 6317個節點，3 8134個單元，單元質量平均值為0.79，縱橫比平均值為1.97，雅克比比率為1.08，翹曲因子為3.44×10-15，平行偏差為9.18，傾斜度為0.318。從這些數據來看網格質量較好，無需再對網格劃分進行調整。

6　正常運行狀態分析

風力發電機正常運行狀態下轉速不變，軸承摩擦生熱不變，是一個穩態熱分析。以一臺2 MW的風力發電機組為例，滿載運行狀態下軸承摩擦生熱損失按照1%計算，熱功率為10 kW。取軸承鋼及滾子導熱系數λ為50 W/(m·K),油脂與滾子對流換熱系數為90W/(m2·K),軸承兩側表面與空氣強制對流換熱系數為50 W/(m2·K),軸承滾道表面熱源熱流密度q為8.9×105W/ m2，軸承外表面溫度為42℃，軸承內表面溫度為67℃。分別在不同運行功率下對模型加載求解得到如圖4的軸承穩態溫度場云圖。

圖4　1/4滿載功率時穩態溫度場分布圖

圖5　1/2滿載功率時穩態溫度場分布圖

圖6　3/4滿載功率時穩態溫度場分布圖

圖7　滿載功率時穩態溫度場分布圖

由滿載穩態溫度場云圖可以看出軸承運行最高溫度出現在內圈滾道上，最高溫度228.44℃,所以內圈滾道材料表面要采用更耐熱材料或者添加鍍層。內圈最高溫度到最低溫度有186℃的溫度差，產生了一個從紅色區域輻射而出的溫度梯度，這將產生熱變形。外圈溫度和溫度梯度都較低，承受的熱應力較小。對比不同功率下穩態溫度場云圖可以發現隨著功率的提高，軸承溫度和溫度梯度都不斷上升，對軸承的損害越大。

7　風速突變狀態下分析

風力發電機組開始在1 MW負荷下穩定運行，做一個穩態熱分析，得到瞬態熱分析的初始溫度場，風速突變，機組功率在5 s內從1 MW均勻升高至2 MW滿載狀態并保持滿載運行。前面已述隨著發電機組功率的提高葉輪轉速也不斷升高，摩擦生熱產生熱量也隨之上升，達到滿載狀態時摩擦生熱量不再變化，摩擦熱損失功率為20 kW。從1 s時發電機功率開始上升，6 s時發電機達到額定功率，做一個時長為60 s的瞬態熱分析。軸承鋼密度為7 810 kg/m3，比熱容為465 J/(kg·℃)，導熱系數恒定不變，其他邊界條件不變，圖8為第6.0 s軸承瞬態溫度場云圖，圖9為軸承最高溫度點溫度變化曲線。

圖8　第6.0 s時軸承溫度場云圖

圖9　軸承最高溫度點溫度變化曲線

從圖8可以看出相比于穩態狀態，當發電機功率上升時軸承溫度場溫度梯度更大，會產生更大的熱應力，對軸承的健康運行不利，所以發電機應盡量減少功率波動或者風力機組要盡量安裝在風速穩定地區。

從圖9可以看出，在1～6 s的功率增加階段，溫度幾乎呈直線上升，在6 s后的功率不變階段溫度上升速度開始下降，但溫度還是在持續上升，直到40 s時溫度場基本達到穩態，變化的溫度場將會產生非定常熱應力，軸承長期承受非定常熱應力作用易使軸承失效。

8　結　語

前面分析了風力發電機軸承的摩擦生熱和散熱特點，通過ANSYS-Workbench建立起了風力發電機軸承的模型并在正常運行和風速突變兩種工況下進行了仿真分析。穩態分析表明正常運行狀態下軸承存在定常熱應力，對軸承運行影響較小。瞬態分析結果表明在發電機轉速變化時會產生非定常熱應力，易使軸承疲勞，減短軸承壽命。由于風力發電機安裝位置很高加之軸承本身結構原因，造成風力發電機軸承溫度很難用儀器儀表直接測量，所以對于風力發電機軸承運行狀態的了解和優化設計有參考意義。

[1]徐濤, 梁偉. 第十三屆世界風能大會暨第八屆(上海)國際風能展覽會成功舉辦[C].中國農機工業協會風能設備分會風能產業，2014.

[2]周方明. 基于分形分析的軸承故障狀態分類研究[D].合肥：中國科學技術大學, 2011.

[3]曲弋. MW級風力發電機組關鍵部件振動分析與故障診斷方法研究[D].沈陽：沈陽工業大學, 2012.

[4]周雙喜，魯宗相.風力發電與電力系統[M].北京：中國電力出版社，2011.

[5]吳迪, 張建文. 變速直驅永磁風力發電機控制系統的研究[J]. 大電機技術, 2006(6):51-55.

[6]楊世銘，陶文銓. 傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006.

[7]黃志新，劉成柱. ANSYS Workbench 14.0 超級學習手冊[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[8]Servais C, Bozet J L, Kreit P, et al. Experimental Validation of a Thermal Model of a LOx Flooded Ball Bearing[J]. Tribology International, 2014, 80:71-75.

[9]王志強. 基于ANSYS的高速電主軸溫度場分析[D]. 蘭州：蘭州理工大學, 2011.

With the rapid development of wind power industry, it has become an important subject to improve the stability of generating unit, including the reliability of generator bearing operation. Using heat transfer theory and tribology theory, the heating mechanism and heat transfer characteristics of wind turbine bearing are analyzed under the normal wind speed and the wind speed mutation. The bearing is modeled by ANSYS software to calculate the temperature field, heat flux density and other thermodynamic quantities, and the results are analyzed to deduce some conclusions, which gives a reference value to fault diagnosis of wind turbine generator bearings and its design optimization.

wind turbine generator; reliability; heat transfer; bearing; temperature field

國家自然科學基金資助項目(51367015)

TM14

A

1003-6954(2016)04-0006-05

2016-06-08)

郭艷伸(1989)，碩士研究生，研究方向為風力機組故障診斷；

常喜強(1976)，高級工程師，從事電力系統分析與控制、調度運行控制工作。