MW级风电机组偏航系统结构动力学仿真分析研究.pdf

MW 级风电机组偏航系统结构动力学
仿真分析研究




重庆大学硕士学位论文
(学术学位)

学生姓名:王秀文
指导教师:何玉林教授
专业:机械设计及理论
学科门类:工学


重庆大学机械工程学院
二 O 一三年五月
Structural and Dynamics Analysis on the
Yaw System of MW Grade Wind Turbine



A Thesis Submitted to Chongqing University
In Partial Fulfillment of the Requirement for the
Master’s Degree of Engineering
By
Wang Xiuwen

Supervised by Prof. He Yulin
Specialty: Mechanical Design and Theory



College of Mechanical Engineering of
Chongqing University, Chongqing, China
May 2013
中文摘要

摘要

偏航系统是水平轴风力发电机组的重要组成部分,其主要作用是与控制系统
相互配合,使风轮叶片始终处于迎风位置,提高风电机组的发电效率;同时还提
供了风电机组安全运行和停机状态所需要的锁紧力矩。为了系统地研究风力发电
机组偏航时的动态特性和偏航系统的安全性与可靠性,论文运用多体动力学方法
对风力发电机偏航时的动态特性进行了仿真分析,同时还对偏航系统的结构强度
进行分析计算,验证了偏航系统的安全性与可靠性。论文的研究方法为风力发电
机组偏航系统设计与校核提供了依据,具有一定的工程实用价值。
论文的主要研究内容如下:
①研究了风力发电机组在稳定偏航时的气动理论,对传统的动量定理和叶素
动量定理进行了偏航修正,得到了普遍适用于偏航功率评价的法则和稳定偏航时
的叶素-动量理论,阐述了大型风力发电机组主动偏航系统基本结构与作用。
②依据德国船级社Germanisher Lloyd(GL)认证规范绘制风力发电机整机及偏
航系统的拓扑图,根据拓扑图在 SIMPACK 建立了偏航系统及整机动力学模型;在
此基础上依据自动偏航控制原理,建立自动偏航控制模型,依据 IEC 规定建立了
偏航仿真时的风模型,实现了整机在偏航工况下的气-弹-控联合仿真。
③对风力发电机组偏航时的不同风况进行了时域和频域分析。时域分析中分
析了偏航系统的随风情况、桨距角变化、功率曲线变化和偏航齿轮啮合情况;频
域分析得到了偏航工况下的整机 Campbell 图以及对应的能量分布图,判定了偏航
过程中的潜在共振点,并建立了偏航时塔筒扭振的运动方程,引入了偏航失稳因
子,得出塔筒在偏航时不会发生扭转失稳的结论。
④依据风力发电机组偏航系统受力特点,提出了用接触的间隙单元(即 GAP
单元)模拟偏航轴承滚子的方法,并依据 VDI2230 标准计算出偏航系统高强度螺
栓预紧力,建立了偏航系统的有限元模型并对偏航系统进行了静强度的计算分析;
同时结合有限元法得到高强度螺栓的随机疲劳载荷谱,依据 GL 规范计算出 S-N
曲线的相关参数和螺栓的缺口系数,最终根据线性 Miner 准则计算出偏航轴承处
连接螺栓最终疲劳损伤值。

关键词:风力发电机组,偏航系统,联合仿真分析,强度分析,疲劳损伤



I
重庆大学硕士学位论文



II
英文摘要

ABSTRACT

As an important part of horizontal axis wind turbine, Yaw system's main role is to
cooperate with control system, which makes the wind wheel always being upwind state
to improve the efficiency of wind turbine power generation. Meanwhile, it also provides
locking torque necessary to ensure the safe operation of wind turbine and shutdown
state.
In order to study the dynami