一种风电机组中齿轮箱弹性支撑跨距的优化方法与流程

本发明涉及三点支撑式风力发电机组设计技术领域，尤其涉及一种风电机组中齿轮箱弹性支撑跨距的优化方法。

背景技术：

传动链是风力发电机组中最主要的机械部分，其主要功能就是将风轮端捕获的风能转化为机械能，再由一系列机械部件进行传递后，在发电机中将机械能转化为电能。而齿轮箱作为双馈式风力发电机组的一个重要的机械部件，主要是将风轮转速进行升速后传递给发电机，满足发电机发电所需的转速。齿轮箱通常通过弹性元件来进行支撑，安装于主机架上，齿轮箱前端与主轴相联，主轴则由主轴承支撑，其前端悬挂风轮，因此整个风轮的重量集中承载在主轴承与齿轮箱的两个弹性支撑上，这种双馈式风力发电机组的支撑方式也即为三点支撑式，其中齿轮箱的两个弹性支撑的距离即为跨距。

在假设齿轮箱支撑不会变形的条件下，其跨距与齿轮箱的横向刚度成反比，而实际工作中齿轮箱支撑是弹性元件，受力必然变形，支撑的跨距一般分为两种情况：第一种是刚性支撑和弹性齿轮箱，第二种是弹性支撑和刚性齿轮箱，风机传动链的真实工况中通常为第二种情形，即弹性支撑和刚性齿轮箱。针对三点支撑式风电机组中齿轮箱弹性支撑之间的跨距，目前通常是通过传统计算方法得到，如图解法，或者根据相关参数和变量建立计算关系式，然后利用迭代法进行工程计算，求得最佳跨距。但是采用上述传统计算方法、工程计算方法时，一方面齿轮箱虽然体积大、质量高，而其箱体部分是壳结构，计算跨距时均未考虑传动链三点支撑的承载条件下存在变形的问题；另一方面，风力发电机组传动链系统是一个高速旋转机械系统，齿轮箱弹性支撑跨距与传动链低阶固有频率强相关，计算跨距时均未考虑消除或避开低价固有频率的问题，目前也仅是针对新的机型进行传动链动力学计算，以验证其在工作转速范围内是否存在共振的风险，如果计算结果显示传动链某一部件在某转速下存在共振风险，则给出避开这一转速的建议，并不能从跨距本身的设计上根本的解决上述问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、跨距设计合理以及优化效率高的风电机组中齿轮箱弹性支撑跨距的优化方法，能够避开传动链的共振风向，同时使得运动性能最佳。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种风电机组中齿轮箱弹性支撑跨距的优化方法，步骤包括：

1）根据目标风电机组的初始参数，基于多体动力学建立包含齿轮箱模型的风电机组传动链模型，所述初始参数包括齿轮箱弹性支撑的跨距的初始取值；

2）不断调整所述风电机组传动链模型中所述跨距的取值，且每次调整时进行模态、时域分析，使得调整后能够避开所述模态、时域分析所得到的潜在共振频率，输出调整后所述风电机组传动链模型；

3）不断对调整后所述风电机组传动链模型中所述跨距的取值进行微调优化，使得所述风电机组传动链模型中传动链的运行特性最佳，得到最佳跨距取值输出。

作为本发明的进一步改进：所述步骤2）中具体通过获取跨距取值与潜在共振频率的关系确定调整的目标跨距取值，以使得能够避开所述模态、时域分析所得到的潜在共振频率。

作为本发明的进一步改进，所述获取跨距取值与潜在共振频率的关系的具体步骤为：

2.1）对所述风电机组传动链模型进行模态和时域分析，分析是否有潜在共振频率，如果有，根据所述初始参数所对应的理论跨距取值范围，调整所述风电机组传动链模型中所述跨距的取值，输出当前跨距取值所对应的潜在共振频率，返回执行步骤2.1）；否则转入执行步骤2.2）；

2.2）由所述步骤2.1）得到的不同跨距取值时所对应的潜在共振频率，获取跨距取值与潜在共振频率的关系。

作为本发明的进一步改进：所述步骤2）中具体通过模态分析结果中坎贝尔图、模态能量分布、激励频率范围，以及时域分析结果分析潜在的共振频率。

作为本发明的进一步改进：所述步骤2）中具体由模态分析结果中低频区域的模态频率和振型分析潜在的共振频率。

作为本发明的进一步改进，所述步骤3）的具体步骤为：根据所述初始参数所对应的理论跨距取值范围，不断对所述调整后风电机组传动链模型中所述跨距的取值进行微调优化，并分析不同跨距取值时所述风电机组传动链模型中传动链的运行特性；根据不同跨距取值时所述传动链的运动特性确定最终跨距取值，使得传动链的运行特性最佳，由最终跨距取值作为最佳跨距取值输出。

作为本发明的进一步改进：所述传动链的运行特性具体通过提取所述风电机组传动链模型中齿轮箱箱体、齿轮箱高速轴的振动速度值和加速度值得到。

作为本发明的进一步改进：所述步骤1）中具体利用多体动力学软件Simpack建立风电机组传动链模型。

作为本发明的进一步改进：所述风电机组传动链模型中，齿轮箱的箱体以及齿轮箱内部主要部件采用柔性体建模。

作为本发明的进一步改进：所述柔性体建模时，控制齿轮箱所对应的柔性体的第一阶扭转、弯曲模态频率与齿轮箱原模型之间的误差在预设范围内。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）本发明通过基于多体动力学建立模型，能够构建得到高精度的风电机组传动链模型以及齿轮箱模型，保证跨距设计的合理性；基于建立的模型，通过模态分析调整模型中跨距的取值使得能够避开潜在共振频率，从跨距设计本身根本上解决了潜在共振频率问题，有效避开低频共振风险，同时结合对调整后模型跨距进行微调优化，使得传动链的运行特性最佳，提高了风机传动链的动力学性能，减小风机运行时的振动幅值，从而能够提高系统的稳固性、延长使用寿命；

2）本发明基于建立的风电机组传动链模型，通过先调整跨距使得避开共振频率，再进行微调使得传动链的运行特性最佳，能够有效减少共振风险、提高运动性能的同时，快速的获取得到最佳跨距取值，提高跨距优化设计的效率；

3）本发明进一步通过不断调整风电机组传动链模型中跨距取值，由模态分析获取跨距取值与潜在共振频率的关系，由跨距取值与潜在共振频率的关系来研究传动链潜在共振频率的变化趋势，基于共振频率的变化趋势选择跨距值，可以得到合理的跨距取值以消除或避开共振风险；

4）本发明进一步通过对调整后风电机组传动链模型中跨距的取值进行微调，由不同跨距取值时传动链的运动特性，可以准确得到使得传动链运动特性最佳的最佳跨距取值，从而保证传动链的运动性能。

附图说明

图1是本实施例风电机组中齿轮箱弹性支撑跨距的优化方法的实现流程示意图。

图2是本实施例中基于多体动力学的齿轮箱模型的拓扑结构原理示意图。

图3是本实施例中基于多体动力学的风电机组传动链模型的拓扑结构原理示意图。

图4是本发明具体实施例中齿轮箱弹性支撑跨距的优化方法的实现流程示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例风电机组中齿轮箱弹性支撑跨距的优化方法，步骤包括：

1）根据目标风电机组的初始参数，基于多体动力学建立包含齿轮箱模型的风电机组传动链模型，初始参数包括齿轮箱弹性支撑的跨距的初始取值；

2）不断调整风电机组传动链模型中跨距的取值，且每次调整时进行模态、时域分析，使得调整后能够避开模态、时域分析所得到的潜在共振频率，输出调整后风电机组传动链模型；

3）不断对调整后风电机组传动链模型中跨距的取值进行微调优化，使得风电机组传动链模型中传动链的运行特性最佳，得到最佳跨距取值输出。

本实施例通过基于多体动力学建立模型，能够构建得到高精度的风电机组传动链模型以及齿轮箱模型，保证跨距设计的合理性；基于建立的模型，通过模态分析调整模型中跨距的取值来改变低阶模态频率，使得能够消除或避开潜在共振频率，从跨距设计本身根本上解决了潜在共振频率问题，有效避开低频共振风险，同时结合对调整后模型跨距进行微调优化，使得传动链的运行特性最佳，提高了风机传动链的动力学性能，减小风机运行时的振动幅值，从而能够提高系统的稳固性、延长使用寿命。

本实施例基于建立的风电机组传动链模型，通过先调整跨距使得避开共振频率，再进行微调使得传动链的运行特性最佳，能够有效减少共振风险、提高运动性能的同时，快速的获取得到最佳跨距取值，提高跨距设计的优化设计效率。

本实施例中，步骤1）中具体利用多体动力学软件Simpack建立风电机组传动链模型，Simpack作为风电领域的专业动力学仿真软件，其采用灵活的刚-柔耦合建模方法，且与ANSYS有限元软件有良好接口，以及模块化后处理程序，便于模型的修正和调整之后进行校核。本实施例具体利用Simpack按照GL2010（Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2010）等相关标准或规范建立包含齿轮箱模型的风电机组传动链模型，齿轮箱模型以及风电机组传动链模型如图2、3所示，齿轮箱的箱体以及齿轮箱内部主要部件（如轴、行星架、大的齿轮）采用柔性体建模，力元FE5、FE41、FE43、FE225、FE242分别为阻尼力元、轴承力元、胀紧套力元、齿轮啮合力元、花键力元，齿轮与轴之间为0自由度固接，轴的安装放开6自由度，使用轴承力元进行约束。柔性体建模通过有限元软件进行子结构分析，将原模型的质量和刚度矩阵进行压缩而形成，形成后的柔性体通过若干主节点的自由度来替代原模型的动力学特性，因此主节点的位置和数量是影响柔性体建模准确性的关键。本实施例柔性体建模中，根据与整个系统模型的接口选择主节点位置和数量，同时最大限度地保证重要模态频率与原模型的一致性，以及减小其他低阶模态频率（如拉伸等）的误差。

本实施例中，柔性体建模时，控制齿轮箱所对应的柔性体的第一阶扭转、弯曲模态频率与齿轮箱原模型之间的误差在预设范围（本实施例具体取5%）内，保证齿轮箱内部柔性体建模的精度。本实施例具体对于一般的旋转类结构，如轴、齿轮等，主节点位置和数量的选择时均保证柔性体的第一阶扭转、弯曲模态频率与原模型的误差控制在5%以内。

通过上述建模，即可基于多体动力学，建立得到高精度的齿轮箱模型以及风电机组传动链模型，以基于建立的模型对跨距进行进一步设计。当然在其他实施例中，也可以根据实际需求选择其他基于多体动力学的建模方式。

本实施例中，步骤2）中具体通过获取跨距取值与潜在共振频率的关系确定调整的目标跨距取值，以使得能够避开模态、时域分析所得到的潜在共振频率。通过模态分析不同跨距取值时潜在共振频率，获取跨距取值与潜在共振频率的关系，即得到传动链低阶固有频率与跨距的相关性，从而研究传动链潜在共振频率的变化趋势，基于共振频率的变化趋势选择跨距值，可以得到合理的跨距取值以消除或避开共振风险。

本实施例中，获取跨距取值与潜在共振频率的关系的具体步骤为：

2.1）对风电机组传动链模型进行模态和时域分析，分析是否有潜在共振频率，如果有，根据初始参数所对应的理论跨距取值范围，调整风电机组传动链模型中跨距的取值，输出当前跨距取值所对应的潜在共振频率，返回执行步骤2.1）；否则转入执行步骤2.2）；

2.2）由步骤2.1）得到的不同跨距取值时所对应的潜在共振频率，获取跨距取值与潜在共振频率的关系。

本实施例预先根据传动链的设计参数，在整机初步设计阶段通过理论计算获得跨距值可取范围；步骤2）执行调整时，在理论跨距取值范围内调整风电机组传动链模型中齿轮箱弹性支撑跨距的取值，并进行多体动力学仿真，计算不同跨距取值下潜在共振频率，获取跨距取值与潜在共振频率的关系。本实施例具体根据不同跨距取值时潜在共振频率数据绘制跨距-潜在共振频率走势图，可以直观的获取潜在共振频率的变化趋势，便于跨距的合理取值。

本实施例中，步骤2）中具体通过Simpack对建立的风电机组传动链模型进行进一步的模态和时域分析，可以简单、高效的获取模态和时域分析结果。本实施例进行模态和时域分析时，具体通过模态分析结果中坎贝尔（Campbell)图、模态能量分布、激励频率范围，以及时域分析结果分析潜在共振频率。通过频域下的模态分析结果以及时域下的各部件运动分析结果共同判断潜在共振频率是否会激起共振，有效筛选出或排除掉会引起共振的危险频率。

本实施例中，步骤2）中具体由模态分析结果中低频区域的模态频率和振型分析潜在共振频率。针对齿轮箱弹性支撑跨距与传动链稳定性之间的关系，兆瓦级双馈风电机组的传动链固有频率一般在1.5Hz左右，因此可以将中低频区域作为分析潜在共振频率时重点关注的对象。高频区能量主要集中在齿轮箱轴系和齿轮，更改弹性支撑跨距对齿轮箱内部零件的影响并不明显。另外，根据传动链的模态频率和振型可以高效的查找到潜在共振频率。在分析时具体可将频率考虑范围扩展到第二速度级（齿轮箱第二级轮系）、第三速度级（齿轮箱第三级轮系）转频和齿轮啮合频率的3倍。

本实施例中，步骤3）的具体步骤为：根据初始参数所对应的理论跨距取值范围，不断对调整后风电机组传动链模型中跨距的取值进行微调优化，并分析不同跨距取值时风电机组传动链模型中传动链的运行特性；根据不同跨距取值时传动链的运动特性确定最终跨距取值，使得传动链的运行特性最佳，由最终跨距取值作为最佳跨距取值输出。通过进一步对调整后风电机组传动链模型中跨距的取值进行微调，由不同跨距取值时传动链的运动特性确定最终跨距取值，可以准确得到使得传动链运动特性最佳的最佳跨距取值，从而保证传动链的运动性能。

本实施例中，传动链的运行特性具体通过提取风电机组传动链模型中齿轮箱的箱体、齿轮箱的高速轴的振动速度值和加速度值得到，即由齿轮箱中箱体、高速轴的运动状态得到传动链的运行特性。本实施例具体通过对风电机组传动链模型进行动力学分析，提取齿轮箱的箱体、高速轴的振动速度和加速度值，基于提取到的数据即可得到不同跨距取值时齿轮箱上述部件的振动速度和加速度值的变化趋势，振动速度、加速度的变化趋势即对应传动链的运动特性变化趋势，从而由不同跨距取值时齿轮箱的箱体、高速轴的振动速度值与加速度值即可确定得到传动链运动性能最佳所对应的跨距取值，即为最佳跨距取值，至此完成跨距的优化设计。

如图4所示，本发明具体实施例中实现齿轮箱弹性支撑跨距的优化设计时，首先由设计初期的传动链各部件的模型和参数在Simpack软件上，基于多体动力学建立包括齿轮箱模型的风电机组传动链模型，其中建模时齿轮箱柔性体的第一扭转、弯曲模态频率的误差控制在5%以内，由初始参数计算得到理论最大跨距和理论最优跨距；然后对建立的传动链模型进行动力学计算分析，通过模态、时域分析模型中传动链各部件在低频是否有潜在共振频率，如果有，则通过根据理论跨距取值优化调整模型中跨距取值以调整潜在共振部件低阶模态频率，重复执行上述对传动链模型进行动力学计算分析是否有潜在共振频率，直至经过不断的反复调整后，传动链各部件均不存在低频潜在共振频率；再根据理论跨距取值范围对传动链模型中跨距进一步进行不断的反复微调，微调过程中对传动链模型进行动力学计算校核，即由齿轮箱箱体高速轴等部件的振动情况判断传动链运动特性是否最佳，达到最佳运动特性即完成优化设计。

本实施例上述方法可适用于对风力发电机组中传动链齿轮箱弹性支撑的跨距进行设计优化，也可用于联合风机故障诊断技术对风机传动链振动的故障进行排查，如对于发生传动链异常振动的风机，发生诸如弹性支撑老化过快、发电机振动过大、齿轮箱断齿等问题，可通过在故障风机上安装振动传感器等设备检测引发故障的危险频率，并利用上述方法在多体动力学模型中进行仿真，对比模态分析中此故障频率下的模态振型，以研究危险频率的触发条件和影响，与实际情况对比进行验证。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。