大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)的有限元分析

麥爾哈巴·玉山江，樊 軍，關(guān) 武

（新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引言

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部熱源比較多，主要有齒輪箱、發(fā)電機(jī)、電纜線、制動(dòng)盤等。這些熱源導(dǎo)致機(jī)艙罩內(nèi)溫度升高，嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行和使用壽命，最有效的解決方案就是在機(jī)艙頂部加裝外部水冷結(jié)構(gòu)，但其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須要滿足設(shè)計(jì)認(rèn)證要求，因此有必要對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)強(qiáng)度分析。

1 模型的建立

1.1 實(shí)體模型

用SolidWorks建立水冷結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型，然后在Hypermesh中建立有限元模型，用ANSYS13.0進(jìn)行求解和后處理。

水冷結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型如圖1 所示。

1.2 有限元模型

水冷結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖2 所示，角鋼、圓管結(jié)構(gòu)采用殼單元Shell281模擬，實(shí)體單元采用Solid45，共建了23 469個(gè)單元。

圖1 水冷結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型

圖2 水冷結(jié)構(gòu)的有限元模型

1.3 載荷、材料、邊界條件

1.3.1 載荷

水冷結(jié)構(gòu)的6個(gè)底板完全固定在機(jī)艙罩上，散熱板正方向受到2.1kN／m2的壓力，受風(fēng)面積約為2.1 m2。根據(jù)新疆大阪城風(fēng)區(qū)選擇出極限風(fēng)速（50年一遇平均風(fēng)速）為：v50＝42.5m／s。風(fēng)速與壓強(qiáng)的關(guān)系為：

其中：pwind為風(fēng)對(duì)散熱板的壓強(qiáng)；ρ為空氣的密度，ρ＝1.225kg／m3；Cp為壓強(qiáng)系數(shù)，Cp＝0.8。

將數(shù)值代入式（1）計(jì)算得pwind＝885.06Pa，載荷以壓強(qiáng)的形式加載在散熱片上。

1.3.2 材料

散熱片采用鋁合金3003，其 彈性模量為7×1010Pa，泊松比為0.3，質(zhì)量為252kg；支持結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)鋼Q235B，其彈性模量為2×1011Pa，泊松比為0.3。

1.3.3 邊界條件

對(duì)基座施加x，y，z方向的平動(dòng)約束。

2 計(jì)算結(jié)果分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果如圖3 ～圖7 所示。最大應(yīng)力為432 MPa，其中，4號(hào)與12號(hào)、11號(hào)與12號(hào)、3號(hào)與4號(hào)支架連接處，以及4號(hào)和11號(hào)支架所受最大應(yīng)力均超出了Q235B的屈服極限（235MPa），所以結(jié)構(gòu)不能滿足要求，需重新設(shè)計(jì)。

圖3 應(yīng)力分布圖

2.2 改進(jìn)方案

根據(jù)分析結(jié)果對(duì)水冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，如圖8 所示。重新分布連接散熱片的螺栓，將固定螺栓的鐵條厚度增加到10mm。

圖4 4號(hào)與12號(hào)支架連接處應(yīng)力分布

圖5 11號(hào)與12號(hào)支架連接處應(yīng)力分布

圖6 3號(hào)與4號(hào)支架連接處應(yīng)力分布

圖7 11號(hào)支架應(yīng)力分布

圖8 改進(jìn)后的水冷結(jié)構(gòu)

2.3 水冷結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的計(jì)算結(jié)果

水冷結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的計(jì)算結(jié)果如圖9～圖1 2所示。改進(jìn)后的最大應(yīng)力出現(xiàn)在9號(hào)與12號(hào)支架連接處，為214MPa，小于235MPa，各處應(yīng)力均未超出Q235B的屈服極限，滿足了設(shè)計(jì)要求。

3 總結(jié)

本文用SolidWorks建立了K型風(fēng)機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型，通過有限元分析的方法，對(duì)冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)中存在的問題，然后設(shè)計(jì)出了合理的結(jié)構(gòu)，確保設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性。

圖9 改進(jìn)后的應(yīng)力分布圖

圖1 0 改進(jìn)后9號(hào)與12號(hào)支架連接處應(yīng)力分布

圖1 1 改進(jìn)后11號(hào)與12號(hào)支架連接處應(yīng)力分布

圖1 2 改進(jìn)后11號(hào)支架應(yīng)力分布

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