兆瓦级双馈异步风力发电系统的仿真分析
摘要： 应用有限元法对某兆瓦级风力发电机组主机架进行极限强度分析.基于GL规范分析风力发电机组主机架疲劳计算需要考虑的载荷工况，并对主机架进行疲劳寿命分析.对计算结果进行校核评价，指出主机架结构易发生疲劳破坏的部位.分析结果可为兆瓦级风力发电机组主机架的结构设计提供参考.
关键词： 风力发电机组； 主机架； 疲劳； 极限强度分析； 有限元
中图分类号： TK83文献标志码： 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
作者简介： 李瑞斌（1977—），男，山西寿阳人，硕士，研究方向为计算机辅助分析，（Email）jszxcaelrb@tz.com.cn0引言
随着风力发电机组向大功率方向发展，兆瓦级风力发电机组已成为目前市场上的主力机型.[1]主机架是风力发电机组中最关键也是承载最复杂的部件之一，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证风电机组正常稳定运行的关键，也是风力发电机组结构设计的重点和难点.[2]
主机架结构复杂：机架前部通过主轴与风轮轮毂连接，并支撑风力发电机组的传动系统；机架底部与偏航轴承内圈连接，与偏航系统共同完成风机偏航功能.主机架承受来自风机自身零部件载荷和风轮传递的外部载荷，受力情况复杂.主机架常见的失效形式有2种：一是极限工况下在应力集中区域发生塑性变形或破坏；二是动态随机载荷作用下发生疲劳失效.为保证风力发电机组正常工作，需要对主机架结构进行极限强度分析和疲劳分析.
近年来，国内外对风力发电机组的设计和分析开展许多研究.何玉林等[3]和路素银等[4]利用非线性有限元分析软件MARC对主机架结构进行静强度、模态和疲劳寿命分析，并对结果进行校核评价.高俊云等[5]对风力发电机组的疲劳载荷来源和疲劳计算方法进行分析，并使用ANSYS/FESAFE软件的多轴随机疲劳计算功能，对某1.5 MW风力发电机组主轴疲劳寿命进行计算.现有的关于风力发电机组零部件疲劳寿命的研究，大都使用简化的疲劳寿命分析方法，如邓良等[6]和何玉林等[7]对轮毂的疲劳计算均采用等效常幅谱的简化疲劳计算.这种方法对实际载荷进行简化，未考虑各个载荷分量的方向变化，因此有较大的计算误差.本文基于GL规范[8]，首先对某兆瓦级风力发电机组主机架进行极限强度分析，然后使用载荷时间序列和损伤累积方法，对主机架进行疲劳分析计算.
1主机架的极限强度分析
某兆瓦级风力发电机组的主机架系统的几何模型见图1，其主要结构包括主轴、轴承座、主机架和塔筒等.主机架所用的材料的屈服强度σs=345 MPa，弹性模量E=2.1×105 MPa，泊松比μ=0.28，密度ρ=7 850 kg/m3.主机架的结构复杂，由于该模型用以校核主机架的整体静强度，因此在不影响分析结果的前提下，对实体模型进行相应的简化处理.将主机架与轴承座之间的连接螺栓简化为黏合，并且建立塔筒假体，简化一些较小的倒角.
在NX NASTRAN中对主机架模型进行网格划分和边界条件定义，见图2.风力发电机的塔筒底部为固定端，故对有限元模型塔筒假体的底部进行全约束.在主机架相应位置施加发电机载荷、齿轮箱载荷和机舱罩载荷.采用MPC技术在轮毂中心位置施加极限工况载荷.根据GL规范，风力发电机组关键部件计算所采用的载荷由设计时定义的运行工况确定.在极限强度计算时，选取4种设计情况（见表1），共16种工况.通过计算，得到16种极限载荷工况下主机架的应力和变形云图.其中，主机架最大应力值出现在y与z方向合成弯矩最大工况下，此时主机架的应力云图和变形云图见图3和4.由此可知，主机架在该载荷工况下的最大von Mises等效应力σmax=143.06 MPa，位于前轴承座下方筋板的圆角处；最大变形为1.975 mm，位于主机架最前端.
根据GL规范，极限载荷工况分析中安全因数的选取分为载荷局部安全因数、材料局部安全因数和重要失效局部安全因数.本文载荷计算时已考虑载荷局部安全因数，材料局部安全因数取1.1，重要失效局部安全因数按三类构件要求取1.3，则综合安全因数取1.1×1.3=1.43.主机架材料的屈服强度为345 MPa，其许用应力[σ]=345/1.43≈241 MPa.因此，主机架在极限载荷工况下的最大应力在材料的许用应力范围之内，满足强度要求.目前该规格的风力发电机已进行多台生产，实际运行状况良好.
2主机架的疲劳分析
主机架是典型的承受疲劳载荷的机械产品，其所承受的外部载荷主要是随时间变化的动态随机载荷.因此，疲劳破坏是主机架的主要失效形式之一.主机架主要的疲劳载荷来源有空气动力载荷、叶片重力载荷和操作载荷等.
GL规范对金属材料部件的疲劳分析指定3种方法：一是采用应力时间序列和损伤累积理论的分析方法，二是采用应力谱和损伤累积理论的分析方法，三是采用等效常域谱的简化疲劳分析方法.第1种方法全面模拟设计寿命内的所有载荷工况，计算结果最精确，故本文使用第1种方法对主机架进行疲劳分析.
最常用的疲劳损伤累积理论是Palmgrem Miner线性累积损伤理论，其是估算交变应力幅下安全疲劳寿命的关键理论.该理论假定材料在各个应力水平下的疲劳损伤独立进行，并且总损伤可以线性叠加.[9]当累积损伤超过1时达到限制状态，所以在使用寿命期内需保证累积损伤小于1.
本文使用ANSYS/nCodeDesignLife软件对主机架进行疲劳寿命分析，具体流程见图5，其中的应力结果包含主机架在6个单位载荷作用下的有限元计算结果.风力发电机组主机架材料为Q345.根据GL规范，计算时一般采用通过试验方法确定的原材料SN曲线作为基础.在不能进行疲劳试验的情况下，可根据材料的极限抗拉强度、屈服强度和弹性模量等参数合成一条近似的SN曲线.[10]风力发电机组在设计寿命20 a内主机架不能失效，规范要求疲劳分析时主机架材料的存活率达到PU=97.7%，所以SN曲线有限寿命区的参考应力幅ΔσA需乘以缩减因数Spu=2/3以反映材料存活率的增加.计算得到主机架材料的SN曲线见图6.
疲劳载荷谱由GH Bladed软件仿真得到.根据GL规范，疲劳计算时需要考虑以下载荷工况：1）正常发电；2）发电加故障发生（控制系统、安全系统、电力系统故障和脱网等）；3）机组启动和正常关机；4）空转.按照相关规范和标准对各种设计载荷工况进行仿真，可得到所有工况下的时域载荷谱，每个工况含6个载荷分量的载荷时间历程.其中，某一发电工况下的载荷时间历程见图7.将每种工况的载荷时间历程调入到nCode DesignLife软件中，并定义1 a内对应的发生次数，从而得到时间为1 a的载荷谱.将疲劳载荷谱与单位载荷有限元计算结果相关联.对兆瓦级风力发电机组主机架疲劳寿命进行计算，得到主机架在所有工况下总的疲劳损伤结果见图8.由此可知：在疲劳载荷作用下，主机架1 a时间内的损伤值为0.012 3.根据GL规范，风力发电机组关键零部件的使用寿命为20 a，主机架20 a的损伤值D20=20×0.012 3=0.246<1，主机架20 a的损伤小于1，故在疲劳载荷作用下，主机架不会发生疲劳破坏，满足疲劳寿命的设计要求.由图8还可知：主机架最容易发生疲劳损伤，疲劳寿命较短的区域主要位于前轴承座下方筋板的圆角处和齿轮箱下方筋板的圆角处.若这些部位存在缺陷，如微观裂纹、砂眼、锈蚀等，将极易造成主机架的疲劳破坏.
3结论
根据GL规范对某兆瓦级风力发电机组主机架进行极限强度分析和疲劳寿命分析，得出以下结论.
1）通过极限强度分析，得到主机架在极限载荷工况下的应力和变形云图.结果表明：主机架在极限载荷工况下的最大应力在材料的许用应力范围之内，满足强度要求.
2）采用载荷时间序列和累积损伤方法，对主机架进行疲劳分析.结果表明：主机架20 a的累积损伤小于1，满足疲劳寿命的设计要求.此外，通过疲劳损伤云图可以发现，疲劳寿命较短的区域主要位于前轴承座下方筋板的圆角处和齿轮箱下方筋板的圆角处.因此，需要保证这些部位的制造质量，尽量排除微观裂纹、砂眼、锈蚀等缺陷.
通过对兆瓦级风力发电机组主机架进行分析，验证设计的合理性.此外，本文所使用的疲劳分析方法还可用于风力发电机组其他部件，如轮毂、主轴、塔筒等的疲劳分析.在设计阶段进行疲劳分析和校核，可以为风电机组各部件的进一步优化和新型结构设计提供参考和借鉴.
参考文献：
[1]于双江， 廖晖， 杨静. 3 MW双馈型风力发电机组主机架结构有限元分析[J]. 东方汽轮机， 2013（1）： 3539.YU Shuangjiang， LIAO Hui， YANG Jing. Finite element analysis for main frame of 3 MW wind turbine[J]. Dangfang Turbine， 2013（1）： 3539.
[2]尹炼， 刘文洲. 风力发电[M]. 北京： 中国电力出版社， 2002.
[3]何玉林， 曾纯亮， 常慧英. 永磁直驱风力发电机组主机架强度分析[J]. 机械设计与制造， 2011（9）： 185187.HE Yulin， ZENG Chunliang， CHANGHuiying. Strength analysis of permanentmagnet direct drive wind turbine mainframe[J]. Machinery Des & Manufacture， 2011（9）： 185187.
[4]路素银， 李曼， 王广庆， 等. 风力发电机组主机架的有限元静强度分析[J]. 现代机械， 2012（1）： 4950.LU Suyin， LI Man， WANG Guangqing， et al. Static strength analysis of mainframe for wind turbine based on finite element[J]. Modern Machinery， 2012（1）： 4950.
[5]高俊云， 杨兆建. 基于ANSYS/FESAFE的风力机主轴疲劳计算分析[J]. 机械强度， 2013， 35（4）： 498502.GAO Junyun， YANG Zhaojian. Fatigue calculation of wind turbine main shaft based on ANSYS/FESAFE[J]. J Mech Strength， 2013， 35（4）： 498502.
[6]邓良， 刘平. 大型风力发电机组轮毂强度数值分析[J]. 电气技术， 2009（8）： 7578.DENG Liang， LIU Ping. Strength analysis of MW class wind turbine hub[J]. Electrical Eng， 2009（8）： 7578
[7]何玉林， 刘桦， 刘平， 等. 基于GL规范的大型风力发电机组轮毂强度数值分析[J]. 机械科学与技术， 2009， 28（4）： 523526.
HE Yulin， LIU Hua， LIU Ping， et al. Strength analysis of MW class wind turbine hub based on GL guideline[J]. Mech Sci & Technol Aerospace Eng， 2009， 28（4）： 523526.
[8]Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH. Guideline for the certification of wind turbines： GL 2010[S]. Hamburg： Gemanischer Lioyd.
[9]SAMAL M K， DUTTA B K， GUIN S， et al. A finite element program for online life assessment of critical plant components[J]. Eng Failure Anal， 2009， 16（1）： 85111.
[10]何章涛. MW级风力发电机组主机架系统结构分析及优化设计[D]. 重庆： 重庆大学， 2011.
