一种大型水平轴风力机传动链及其柔性设计方法
【专利摘要】本发明涉及风力机【技术领域】，尤其涉及一种大型水平轴风力机传动链及其柔性设计方法。风力机传动链包括齿轮箱及依次连接的风轮转子、低速轴、行星齿轮、第一齿轮轴、第一齿轮、第二齿轮、第二齿轮轴、第三齿轮、第四齿轮、高速轴和发电机转子。设计方法包括以下步骤：S1建立传动系统的十二自由度动力学模型；S2对传动系统进行结构优化；S3用模态分析的方法分析系统的固有频率和模态振型；S4根据GL标准，选择典型复杂工况对风力机进行数字仿真，对柔性设计后的风力机各个工作状态的振动特性进行分析。本发明在对传动系统的柔性参数进行优化以后，高低速轴和齿轮箱内部的振动均有所减小，扭转振动对传动系统带来的损坏也将会减小。
【专利说明】一种大型水平轴风力机传动链及其柔性设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及风力机【技术领域】，尤其涉及一种大型水平轴风力机传动链及其柔性设 计方法。
【背景技术】
[0002] 风能是一种清洁的可再生能源，可取代部分化石能源减少二氧化碳的排放量，防 治大气污染和现代化建设中起到重要的作用，同时可也为能源可以的可持续性供应提供了 保障，因此越来越受到世界各国的重视，风能有望成为今后大规模开发利用的一种清洁无 污染的可再生能源。
[0003] 近年来，伴随着风力发电成本不断下降，风力机单机容量不断增大，风力机机械传 动链的载荷则以更大幅度的增大。由于风速存在着随机脉动特性，作用在风轮上并最终传 给传动链的暂态载荷明显变大。对于风速慢速波动，系统的调节部件通过转矩（转速）控 制，改变风力机的运行状态；而对于快速的脉动，风力发电调节部件难于做出快速响应。结 构的柔性设计为一个有效的应对方法，通过桨叶柔性设计可以有效减弱高频风速脉动对传 动链载荷的影响，但还需要考虑与其它传动部件的相互作用。低速轴、齿轮箱和高速轴是风 力机传动系统的主要部件，并具有各自的固有特性。风的随机波动及风剪和塔影的作用，将 激发传动链的扭转振动，造成传动轴和齿轮箱的磨损。国内外不少专家学者对风力机的传 动链进行了建模和不同角度的分析，大量的文献在建模中简单地将风力机齿轮箱视为带固 定传动比的无质量的刚性轴，这种模型忽略了齿轮箱的扭转振动。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种大型水平轴风力机传动链及其柔性设计方法，以解决 现有技术存在的问题。
[0005] 为了实现上述的目的，采用如下的技术方案。一种大型水平轴风力机传动链，包括 齿轮箱及依次连接的风轮转子、低速轴、行星齿轮、第一齿轮轴、第一齿轮、第二齿轮、第二 齿轮轴、第三齿轮、第四齿轮、高速轴和发电机转子，所述行星齿轮包括行星架、太阳轮和三 个行星轮，所述行星架与低速轴连接，所述太阳轮与第一齿轮轴连接，所述第一行星轮、第 二行星轮、第三行星轮均设置在齿轮箱的内齿圈与太阳轮之间。
[0006] -种大型水平轴风力机传动链的柔性设计方法，其特征在于，包括以下步骤： Sl建立传动系统的十二自由度动力学模型； S2对传动系统进行结构优化； S3用模态分析的方法分析系统的固有频率和模态振型； S4根据GL标准，分别从风力机的正常走动、正常发电、正常关机和并网的角度出发，选 择典型复杂工况对风力机进行数字仿真，对柔性设计后的风力机各个工作状态的振动特性 进行分析。
[0007] 所述步骤Sl包括： Sll先对传动链进行了集中惯量处理，并假设行星齿轮和平行轴齿轮只考虑转动方向 上的扭转和啮合作用； S12结合转子动力学关系和模态综合法的思想推导出传动系统的动力学方程； S13用脉冲激振方法探索低速轴、齿轮箱和高速轴的扭转振动随柔性参数的变化的规 律，为传动系统的结构优化提供了理论依据。
[0008] 所述步骤S2包括： S21以低速轴、齿轮箱和高速轴的扭转振动最小为目标函数，以ITAE为评估准则，设定 边界约束，选择并列多目标遗传算法对目标函数进行了优化； S22利用数字仿真对优化前后传动轴与齿轮箱的扭转振动进行对比，验证柔性设计对 传动系统的脉动载荷有削减作用。
[0009] 所述典型复杂工况包括风力机正常起动阶段、风力机正常发电状态、风力机正常 关机状态、风力机在变化的电磁转矩作用下。
[0010] 与现有技术相比，本发明在对传动系统的柔性参数进行优化以后，高低速轴和齿 轮箱内部的振动均有所减小，扭转振动对传动系统带来的损坏也将会减小。对风力机柔性 传动系统建模和参数优化，可以为风机设计提供了参考依据；分析风力机各种工作状态下 的振动特性，可以为风力机的运行控制提供了依据。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1为本发明的结构示意图； 图2为十二自由度的系统结构动力学模型图； 图3a为低速轴振动随低速轴柔性参数的变化图； 图3b为齿轮箱振动随低速轴柔性参数的变化图； 图3c为高速轴振动随低速轴柔性参数的变化图； 图3d为低速轴振动随齿轮箱支撑柔性参数的变化图； 图3e为齿轮箱振动随齿轮箱支撑柔性参数的变化图； 图3f为高速轴振动随齿轮箱支撑柔性参数的变化图； 图3g为低速轴振动随高速轴柔性参数的变化图； 图3h为齿轮箱振动随高速轴柔性参数的变化图； 图3i为高速轴振动随高速轴柔性参数的变化图； 图4a为系统优化前与优化后低速轴的扭转振动的时域数字仿真图； 图4b为系统优化前与优化后齿轮箱的扭转振动的时域数字仿真图； 图4c为系统优化前与优化后高速轴的扭转振动的时域数字仿真图； 图5为优化后传动系统的模态振动图； 图6a为工况1低速轴的扭转振动图； 图6b为并网瞬间高速轴的扭转振动图； 图6c为工况2低速轴的扭转振动图； 图6d为工况3低速轴的扭转振动图； 图6e为工况4低电压穿越下高速轴的扭转振动图。
【具体实施方式】
[0012] 下面结合附图对本发明作进一步的描述。
[0013] 本发明的结构如图1所示，包括齿轮箱1及依次连接的风轮转子2、低速轴3、行星 齿轮、第一齿轮轴7、第一齿8轮、第二齿轮9、第二齿轮轴10、第三齿轮11、第四齿轮12、高 速轴13和发电机转子14。行星齿轮包括行星架4、太阳轮6和三个行星轮5,行星架4与低 速轴3连接，太阳轮6与第一齿轮轴7连接，三个行星轮5均设置在齿轮箱1的内齿圈15 与太阳轮6之间。齿轮箱1下面设置有齿轮箱支撑16。
[0014] 由于风轮的转动惯量远大于低速轴的转动惯量，发电机的转动惯量远大于高速轴 的转动惯量，将低速轴的转动惯量计入风轮转子，高速轴的转动惯量计入发电机转子。可得 到十二自由度的系统的结构动力学模型，如图2所示。其中，
【权利要求】
1. 一种大型水平轴风力机传动链，其特征在于，包括齿轮箱及依次连接的风轮转子、低 速轴、行星齿轮、第一齿轮轴、第一齿轮、第二齿轮、第二齿轮轴、第三齿轮、第四齿轮、高速 轴和发电机转子，所述行星齿轮包括行星架、太阳轮和三个行星轮，所述行星架与低速轴连 接，所述太阳轮与第一齿轮轴连接，所述三个行星轮均设置在齿轮箱的内齿圈与太阳轮之 间。
2. -种大型水平轴风力机传动链的柔性设计方法，其特征在于，包括以下步骤： S1建立传动系统的十二自由度动力学模型； S2对传动系统进行结构优化； S3用模态分析的方法分析系统的固有频率和模态振型； S4根据GL标准，分别从风力机的正常走动、正常发电、正常关机和并网的角度出发，选 择典型复杂工况对风力机进行数字仿真，对柔性设计后的风力机各个工作状态的振动特性 进行分析。
3. 根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S1包括： S11先对传动链进行了集中惯量处理，并假设行星齿轮和平行轴齿轮只考虑转动方向 上的扭转和啮合作用； S12结合转子动力学关系和模态综合法的思想推导出传动系统的动力学方程； S13用脉冲激振方法探索低速轴、齿轮箱和高速轴的扭转振动随柔性参数的变化的规 律，为传动系统的结构优化提供了理论依据。
4. 根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S2包括： S21以低速轴、齿轮箱和高速轴的扭转振动最小为目标函数，以ITAE为评估准则，设定 边界约束，选择并列多目标遗传算法对目标函数进行了优化； S22利用数字仿真对优化前后传动轴与齿轮箱的扭转振动进行对比，验证柔性设计对 传动系统的脉动载荷有削减作用。
5. 根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述典型复杂工况包括风力机正常 起动阶段、风力机正常发电状态、风力机正常关机状态、风力机在变化的电磁转矩作用下。
【文档编号】G06F17/50GK104376159SQ201410620795
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】郑黎明, 曾德灿, 关锡恩, 陈严 申请人:汕头大学