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15mw直驱风力机多体系统动力学分析 水平轴风力机是刚柔组合的多体系统。主要的弹性振动器是叶片和塔架。发动机的刚性非常好，主要由质量惯性主导振动。风动机工作时，叶片的旋转变形改变了旋转习惯和质量分布，叶片的旋转变形和弹性变形是相互结合的。此外，大型水平轴风力机系统是非线性流-柔组合的多体系统，结构和运动非常复杂。在力学建模中，应考虑叶片的几何非线性和大变动力、电机的初体运动、塔架的弹性变形和动能负荷等因素。因此，很难计算理论上的计算值。 Zhao等 基于以上研究基础, 文中建立了1.5 MW直驱风力机系统仿真模型, 验证了系统的动态响应, 并对棕榈树干柔性结构与风力机的塔架结构设计进行对比, 验证了仿生设计的可行性. 1 风力机多体系统的动态分析 1.1 塔架模型的建立 风力机多体系统主要包括风轮、机舱和塔架, 机舱内又以传动系统为主.为了对整机进行动力学分析, 采用ANSYS的APDL建立了1.5 MW的三叶片直驱风力机系统模型, 如图1所示. 叶片全长40.25 m, 翼型采用Aerodyn系列, 叶片采用预弯曲技术, 叶尖预置弯度为1.63 m, 以防止叶片在运转过程中朝向塔架变形, 叶片模型采用SHELL91壳单元.轮毂半径1.25 m, 忽略变浆距机构的影响, 轮毂和叶片呈刚性连接, 轮毂采用SHELL93壳单元建模.传动系统主要由主轴和电机组成, 此处忽略螺栓和轴承的影响;传动系统和轮毂采用无质量刚性梁MPC184单元进行刚性连接, 与机舱底板采用耦合 (CP) 连接处理;机舱与传动系统分别采用SHELL93和BEAM188建模.塔架呈锥筒型, 全长66 m, 有7节塔筒, 底部外径为4.20 m, 底部内径为4.17 m, 顶部外径为2.380 m, 顶部内径为2.362 m;机舱塔架也采用刚性连接, 塔架模型采用SHELL63单元.风力机系统各部件属性如表1所示. 1.2 风力机系统动态特性 风力机系统动力学主要是研究共振和稳定性问题 从表2中可以看出, 考虑风轮机舱质量约束的塔架与整机的一、二阶固有频率相差不大, 而三、四阶固有频率却有较大差异, 这主要是因为对于整机系统而言, 叶片的刚度小于其它部件, 三、四阶主要是柔性叶片在面内和面外的振动, 而塔架的振动相对较小.由于风轮的额定转速为18.5 r/min, 工作转速一般为12～21.5 r/min 由表2可知, 该系统的三阶固有频率为0.796 53 Hz, 介于风轮旋转的3倍频率0.600～1.074 Hz之间, 此时风轮的转速达到47.792 r/min, 因此, 风力机在高阶频率处可能发生共振.由于风力机的工作转速一般在额定转速或以下, 而且风力机工作的最大转速为21.5 r/min, 因此风力机考虑的都是系统的低阶固有频率.风力机系统振动的坎贝尔图如图2所示. 从图中可以看出, 系统的一、二阶固有频率没有与风轮旋转频率的两个区间重合, 并且距离0.358 Hz和0.600 Hz较远, 一阶频率与0.358 Hz和0.600 Hz相比, 分别相差18.6%和26.5%, 而工程上一般要求相关在±10%以上, 因此该系统是稳定的, 符合工程要求. 风力机为多体系统结构, 当叶片处于不同方位角时会对系统的质量和刚度特性产生影响, 而且具有一定的周期性.由于风力机的三叶片均匀分布, 因此叶片的周期为120°, 在一个周期内按叶片顺时针旋转方向 (见图1) 对不同方位角下的整机进行了模态分析, 结果如表3所示.由表3可见, 叶片方位角变化对风力机系统的各阶振型影响较小, 各阶固有频率相差不大, 因此在进行风力机动态性能设计和校核时可以忽略. 1.3 载荷和振动的影响 大气中普遍存在着阵风, 阵风包括离散阵风和连续阵风两类.风力机的设计必须能抵抗极端阵风.由于风力机设计的运行条件为IEC ⅢA类风场, 参考风速 按如图1所示的叶片方位角对风力机系统进行了结构瞬态动力学响应分析.依据轮毂处风速, 采用正常风廓线模型来计算叶片承受的气动力和气动力矩;塔架承受倒梯形非均布载荷, 承载面随高度增加而减小, 故将塔架载荷近似作均布载荷处理, 并考虑了系统的重力作用.由于系统的 由图4可见, 叶片位于不同位置时各叶尖处的位移幅值相差较大, 叶片1、3叶尖的幅值为1.05 m, 叶片2叶尖的幅值为1.55 m, 轮毂和机舱的位移几乎一致, 塔架中段和塔架底段的位移幅值变化较小.由于叶片采用预弯曲技术, 能够有效避免叶片叶尖打塔.在实际工况下, 随着塔架高度方向上载荷的不断变化, 三叶片的弹性变形不完全相同, 叶尖的变形是三叶片受风载作用和塔架弹性变形相互耦合作用的结果.由于轮毂与机舱通过刚性轴连接, 而机舱和传动轴的刚度较大, 因而两者位移相近, 而塔架本身为柔塔, 因