ANSYS在風電機組槳轂設計中的應用

2013-06-15  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

據世界氣象組織統計分析表明,地球上近地層的風能總量約為13000億kW,由于風能易于獲得并轉換,且分布廣泛、無污染而又能夠不斷再生,所以開發利用風能可以很好的解決目前化石能源的危機,為人類解決能源危機提供一條很好的辦法。某科技股份有限公司是研究、開發與生產制造大型風力發電機組的企業。在未來將實現600kW、750kW、1.2MW、1.5MW、2.5MW系列風機的生產銷售,提高風力發電機組整機性能,降低整機成本,擴大市場占有率。開創具有國際先進水平的中國風電產業第一品牌。

該企業研制的風力發電機結構簡圖如圖,槳轂是風力發電機組中一個非常重要的部件,它是一個典型的“輪轂形”結構,圓周均布三個法蘭與葉片連接,側端面法蘭與風力機機艙主軸相連。槳轂主要承受葉片的重力、離心力、剪切力和扭矩以及各種激振力和疲勞載荷。

因為在風電機組的槳轂葉片上所承受的復雜的靜、動載荷會直接傳遞到輪轂上,進而傳遞到整個風力機上去,所以槳轂的受力情況非常復雜。槳轂設計的好壞將直接影響到風力發電機組的正常運行和使用壽命,因此它應該具有強度高、可靠性強、疲勞壽命長、吸振性好等性能。

風電機組槳轂是風力發電機組的重要部件,其結構和受力變形復雜,利用經典力學方法難以準確分析和評估槳轂整體應力分布以及最大應力位置。需要采用大型通用的有限元分析軟件來解決此類結構分析的難題。

利用ANSYS軟件對600kW風電機組槳轂進行結構分析,該企業的計算結果與外方計算結果比較情況見表1。通過觀察應力分布云圖和計算結果比較表可知:最大等效應力值及其部位有良好的一致性。證明該模型的有限元網格剖分、邊界約束、載荷施加均是可靠的,可用于1.3MW和1.5MW風電機組槳轂結構靜強度分析與形狀尺寸優化設計。

 
600kW風電機組槳轂網格模型、載荷情況應力分布云圖

對1.3MW風電機組槳轂進行結構分析,研究了風電機組等截面厚度、槳轂重量和最大等效應力隨厚度的變化情況。

1.3MW變截面厚度槳轂模型、某載荷情況等效應力分布云圖

根據計算結果,在1.3MW風電機組槳轂優化設計過程中采用了變截面厚度方案。由于槳轂最大應力位置在與主軸連接處的槳轂法蘭端根部,因此,可以通過增加該處槳轂法蘭端的厚度,同時減小另一端厚度的措施來改善槳轂的綜合特性。通過后續的驗證計算表明1.3MW風電機組槳轂采用變截面厚度設計方案是合理的,比等截面厚度設計更具優越性。

1.5MW槳轂某載荷下等效應力分布云圖

通過對1.3MW風電機組槳轂分析比較,在1.5MW風電機組槳轂設計時,直接采用變截面設計方案,通過后續的驗證計算表明優化設計后的槳轂結構具有足夠的強度和穩定性。

通過對600kW風電機組槳轂有限元分析,探索用ANSYS軟件分析槳轂結構靜強度的方法,為1.3MW和1.5MW風電機組槳轂研發提供了可靠的手段。在風電機組槳轂結構設計過程中,采用變截面結構后,可以減小槳轂設計重量,提高材料的有效利用率,降低加工難度和加工費用。

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