兆瓦級風力發(fā)電機組機艙罩振動模態(tài)研究

夏全洲 于國亮

摘要：風力發(fā)電機組是一種重要的發(fā)電設備，然而在運行過程中機艙罩卻存在振動現(xiàn)象?；诖?，本文將從機艙罩的結構、幾何模型的建立、極限風載計算模型、材料屬性和單元設置、網(wǎng)絡劃分和邊界約束等方面對兆瓦級風力發(fā)電機組機艙罩振動模態(tài)進行研究，從而提高風力發(fā)電機組的性能。

關鍵詞：兆瓦級;風力發(fā)電機組;機艙罩;振動模態(tài)

引言：風力發(fā)電機組在發(fā)電過程中起到了非常重要的作用，是整個發(fā)電過程的核心設備。風力發(fā)電機在運行時，機艙罩會發(fā)生振動現(xiàn)象，對設備內(nèi)零件會造成一定的損傷。因此，對風力發(fā)電機組的振動模態(tài)研究十分必要。

1.模態(tài)分析理論概述

模態(tài)分析在工程振動領域中具有極其廣泛的應用，可以有效地對振動過程進行分析。振動模態(tài)是彈性結構中固有的屬性，具有一定的疊加現(xiàn)象，對機械的影響較大。通過對振動的模態(tài)的分析，可以得到機械的實際振動響應，為研究者帶來極大的方便。模態(tài)分析主要還包含兩個方面：一方面是動力學方程分析，需要通過受力分析來了解機械的受力情況，再根據(jù)受力特點列出機械的運動方程，從而將運動過程轉化成數(shù)值量;另一方面是模態(tài)分析數(shù)學模型的建立，將運動方程轉化成數(shù)學模型，從而實現(xiàn)模態(tài)分析的過程。

2.機艙罩振動模型分析

2.1機艙罩的結構

機艙罩是風力發(fā)電機重要的組成部分，能夠保障風力發(fā)電機在惡劣的環(huán)境下也能正常工作，如風、雨、雪等天氣，因此，發(fā)電機的機艙罩具有極強的耐腐蝕、耐沖擊等特點，機艙罩的體積較大，所需的附屬配件較多。風力發(fā)電機的機艙罩通?？梢苑譃槿龑樱瑑?nèi)、外兩層為玻璃鋼，中間層由泡沫塑料填充，整體呈現(xiàn)出“三明治”的結構特點。整個機艙罩的固定需要用到鋼制的連接板，可以牢固地將其固定在風力發(fā)電機的架子上。在機艙罩的表面有部分孔洞，孔洞位置通過特殊結構進行支撐，可以有效地提高孔洞附近穩(wěn)定性。這些孔洞作用是為了方便設備的安裝與維護，提高工作的效率[1]。

2.2幾何模型的建立

機艙罩的幾何模型的建立需要用到ABAQUS軟件，通過該軟件可以對有限元進行分析，能夠較好地解決非線性等復雜問題，可以對特殊形狀的單元庫進行模擬，具有極高的使用價值。該軟件具有良好的人際交互界面，可以像CAD一樣進行模型構建，并且具有強大的模型管理功能，能夠對復雜的模型進行建模和仿真。同時該軟件還采用了參數(shù)化建模的方式，可以方便地對模型的參數(shù)進行修改，為使用者帶來了極大的方便。機艙罩的模型建立的是三維模型，而且進行了三維中性曲面處理，可以得到準確的機艙罩模型結構。這種三維模型是一種有限元模型，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡劃分、邊界約束等多種操作，能夠有效地還原機艙罩的振動過程。

2.3極限風速的受力分析

為了有效地對機艙罩的受力進行分析，需要將機艙罩放在極限風速的環(huán)境下進行測試，對其受力情況進行詳細的分析，從而保障機艙罩受力分析的合理性。具體分析過程如下：首先，需要將機艙罩分為兩部分，即左上和右下，并且將機艙罩的支撐結構看成靜止狀態(tài)，將支撐結構周圍看作全約束狀態(tài);然后，需要計算風力發(fā)電機的受風面積，并且對機艙罩周圍的氣流進行分析，確定氣流的流向，從而保障受力分析過程更加的準確;最后，在極限風速的情況下對停止狀態(tài)的發(fā)電機的機艙罩進行受力分析，從而實現(xiàn)極限風速的受力分析過程。通過對極限風速的受力分析，可以讓研究者對機艙罩的振動過程建立準確振動模型，讓受力分析的數(shù)值更加接近于實際情況。

2.4極限風載計算模型

極限風載相關計算模型主要是從三種風力發(fā)電機組的通用設計標準而來，分別是丹麥DS472標準，德國的GL認證標準以及國際標準。其中丹麥標準內(nèi)大部分風速計算和載荷計算標準，都與國際標準以及德國標準相似，所以此次在極限風載相關計算模型設計中，主要參考德國認證標準和國際標準IEC。按照國家電工委員會提出的風力發(fā)電機組安全要求標準，對四種不同風力發(fā)電機相關機組等級進行了定義，隨著等級的提升，則其對應風速相繼下降。在此次研究中，主要選擇最大風速等級，即一類，把五十年一遇的每秒70米極限風速當成此次極限風載相關計算模型中的極限風速標準，按照德國認證標準，能夠了解到通常認為機艙罩遇到極限風載狀態(tài)下，因為前端和后端兩個受風層面的極限風載相關利用系數(shù)主要是0.8、0.5，側面受風端的極限風載相關利用系數(shù)是0.6，出于保險安全角度考慮，針對機艙罩的單側極限風載相關利用系數(shù)依然選擇0.8。按照流體伯努利方程以及動量定理，對極限風速狀態(tài)下，機艙罩的單側極限風載進行準確計算，最終結算結果是2401N/m3。

2.5材料屬性和單元設置

機艙罩中所應用的的建設材料主要是玻璃纖維強化塑料，簡稱FRP，即一種復合玻璃鋼材料。玻璃鋼各向異性，沿軸向位置擁有良好的力學性能，而非軸向上的力學性能則相對較弱，具體如表1所示：

在實施模態(tài)分析的過程中，主要是選擇線性分析為主，架設所選擇材料保持各向同性，出于保險起見，各個材料屬性需要按照以下方法進行設定：其中材料的彈性模量參數(shù)為8920MPA，而材料密度是每立方米1800千克，泊松比是0.22。選擇S4R殼單元，相關元件厚度參數(shù)設置為8毫米，選擇振型疊加方法，對于分析步種類則可以選擇線性攝動分析步，求解器選擇LACCZOS，同時將特征值相關提取階數(shù)設為30.

2.6網(wǎng)絡劃分和邊界約束

機艙罩部分主要是采用玻璃復合鋼材料制作而成的，該種材料主要特征是各向異性，同時呈現(xiàn)為多層非線性。當下，復合材料中大部分為實體模型抽中面，通過殼單元對分層材料的各向屬性進行定義，和非線性有限元分析。此次文章所介紹了機艙罩復合材料的層數(shù)達到20層，同時因為各層材料的資料數(shù)據(jù)、實驗、制作工藝、層厚度等數(shù)據(jù)限制，不能準確給出不同層中各向壓縮、彎曲以及拉伸等彈性模量，和相應的主次泊松比。所以，選擇一種簡化的理想分析方法，假設復合材料各向同性，在提前了解玻璃鋼內(nèi)樹脂以及玻璃纖維等元素占據(jù)總體材料的90%，而玻璃纖維相關彈性模量參數(shù)大概是26000MPA，而樹脂相關彈性模量參數(shù)是3200MPA，出于保守起見，主原料選擇中，相關最低彈性模量充當材料簡化模型屬性，即將彈性模量定義成3200MPA，將玻璃鋼的泊松比定義成0.3，選擇SOLIOD45單元對機艙罩相關有限元模型進行劃分，和實施靜強度分析，最終能夠獲得495072個壩節(jié)點六面提單元[2]。

結語：

綜上所述，通過對機艙罩振動模型的分析，可以清晰地對風力發(fā)電機組機艙罩的振動現(xiàn)象進行分析，方便實驗人員對這種振動現(xiàn)象有更加直觀的理解，從而提出合理的解決辦法。

參考文獻：

[1]張寵元.基于有限元的大型風力發(fā)電機機艙罩穩(wěn)定性分析[J].內(nèi)蒙古科技大學學報，2018，37（04）：368-372.

[2]王瑞，張丹.基于有限元的大型風力發(fā)電機組金屬機艙罩設計開發(fā)[J].裝備制造技術，2018（04）：60-63.