一种风机风轮的性能分析方法与流程

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风机风轮的性能分析方法。

背景技术：

随着传统能源的日益消耗和环境的逐渐恶化，人们都在开发能够代替传统能源，并不会对环境造成影响的新型环保能源，其中风能和太阳能是目前最受关注的新型能源，风力发电技术和太阳能发电技术也是目前发展最快的新能源技术。

风机是在风力发电过程中，将风能转化为电能的设备，而风轮是风机中重要的设备，为了保证风机能够正常而持久的运行，需要对风轮进行极限计算和疲劳计算。

目前对风机风轮中各部件进行极限计算和疲劳计算时，需要针对不同的部件建立不同的有限元模型，这使得建模过程出现重复，并且在极限计算和疲劳计算时，计算量也会大量增加。并且由于风机风轮各部件之间存在差异，在对其进行极限计算和疲劳计算时，载荷路径往往不完整，如变桨系统在静止时，风载通过风轮传递的扭矩通过变桨齿轮箱与变桨齿圈的齿啮合进行传递；但是现有技术中的模拟模型较为简单，没有考虑变桨齿轮箱的影响，而仅仅通过变桨轴承传递扭矩或将叶根处的扭矩忽略，这不符合实际的情况，也使得最终的计算结果与实际的结果不相符，精确性较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种风机风轮的性能分析方法，用于解决上述现有技术中对风机风轮进行极限计算和疲劳计算时，载荷路径不完整的问题。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种风机风轮的性能分析方法，包括如下步骤：

(1)建立包括变桨齿轮箱的风机风轮三维模型；

(2)将上述风机风轮三维模型导入有限元分析软件，对其中各部件进行网格划分，并定义单元类型和材料属性，建立风机风轮的有限元模型；

(3)设置风机风轮的有限元模型中各部件之间的接方式；

(4)对风机风轮的有限元模型施加边界条件；

(5)设置用于计算风机风轮中各部件性能的单位工况，并在设置好的单位工况下对风机风轮进行计算。

进一步的，所述风机风轮的三维模型还包括风机中其他与载荷传递相关的所有部件。

进一步的，所述风机中与载荷传递相关的部件包括叶片、变桨轴承、轮毂、主轴、锁紧盘和变桨齿轮箱。

进一步的，风机风轮中的变桨轴承滚珠采用link10单元进行模拟，根据变桨轴承的刚度设置link10单元的截面属性，根据变桨轴承中滚珠的数目设定单元数目，并设置link10单元只受压力不受拉力。

进一步的，风机风轮的变桨齿轮箱与变桨轴承之间的连接关系通过link10单元进行模拟，link10单元与变桨轴承之间的角度与变桨齿轮的啮合角一致，并设置link10单元只受压力不受拉力。

进一步的，变桨轴承齿轮轴采用pipe16单元进行模拟，pipo16单元外径与实际齿轮轴的外径一致。

进一步的，变桨齿轮箱的齿轮与齿轮轴之间的连接采用beam4单元进行模拟。

进一步的，载荷的传递是在叶根中心建立节点，在此节点上施加单位载荷，使用beam4单元载荷伞将该叶根中心与叶片连接。

进一步的，所述边界条件为主轴端面全约束。

进一步的，所述风机风轮有限元模型中的各实体单元之间的连接方式设置为绑定连接。

本发明的有益效果是：本发明提供的技术方案，建立的风机风轮三维模型包括变桨齿轮箱，其载荷的传递路径与实际的载荷传递路径相同，所以计算的结果也更加准确。并且在对风机风轮的性能进行计算时，先对各单位工况进行计算，当需要对某个风轮部件进行计算时，只需将相应的单位工况计算结果相叠加即可，所以计算过程非常的简单方便。

附图说明

图1为实施例所提供的风机风轮的几何模型示意图；

图2为实施例所提供的风机风轮中变桨系统的示意图；

图3为实施例所提供的风机风轮中变桨轴承的示意图；

图4为实施例所提供的风机风轮的变桨齿轮箱的示意图；

图5为实施例所提供的风机风轮的变桨齿轮箱的放大图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种风机风轮的性能分析方法，用于解决上述现有技术中对风机风轮进行极限计算和疲劳计算时，载荷路径不完整的问题。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种风机风轮的性能分析方法，包括如下步骤：

(1)建立包括变桨齿轮箱的风机风轮三维模型；

(2)将上述风机风轮三维模型导入有限元分析软件，对其中各部件进行网格划分，并定义单元类型和材料属性，建立风机风轮的有限元模型；

(3)设置风机风轮的有限元模型中各部件之间的接方式；

(4)对风机风轮的有限元模型施加边界条件；

(5)设置用于计算风机风轮中各部件性能的单位工况，并在设置好的单位工况下对风机风轮进行计算。

本发明的有益效果是：本发明提供的技术方案，建立的风机风轮三维模型包括变桨齿轮箱，其载荷的传递路径与实际的载荷传递路径相同，所以计算的结果也更加准确。并且在对风机风轮的性能进行计算时，先对各单位工况进行计算，当需要对某个风轮部件进行计算时，只需将相应的单位工况计算结果相叠加即可，所以计算过程非常的简单方便。

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本实施例提供一种风机风轮的性能分析方法，包括如下步骤：

(1)采用cad软件建立风机风轮的三维几何模型，如图1和图2所示，包括叶片1、变桨轴承2、轮毂3、主轴4、锁紧盘5和变桨齿轮箱6；

(2)将上述建立好的风机风轮三维几何模型导入有限元分析软件，在有限元分析软件中对其中各部件进行网格划分，在不影响整体刚度分布的前提下删除模型中的倒角、圆角和小孔这些特征，建立风机风轮的有限元模型；

(3)设置风机风轮有限元模型中的各部件的材料属性，其中叶片1采用玻璃钢，变桨轴承2、主轴4，锁紧盘5采用钢，轮毂3，变桨齿轮箱6采用qt350；

(4)设置风机风轮有限元模型中各部件之间的连接关系；

变桨轴承滚球10使用link10单元来模拟，link10单元的截面尺寸根据滚球的实际数量、模拟数量和滚球的实际直径而定，link10单元的数量根据变桨轴承10中滚珠的数目而定，并通过关键字设置link10单元只受压力而不受拉力，如图3所示，其中7为变桨齿轮轴，8为变桨齿轮，9为变桨齿轮与变桨轴承连接单元，10为变桨轴承滚珠；

变桨齿轮箱6中的变桨齿轮8与变桨轴承2之间的连接也通过link10单元进行模拟，该link10单元与变桨轴承2之间的角度与变桨齿轮8的啮合角一致，根据齿轮载荷的传递特性，通过关键字设置该link10单元受压力而不受拉力，如图4和图5所示；

载荷的传递方式是在叶根中心点建立节点，并在该节点上施加单位载荷，使用beam4单元载荷伞将上述叶根中心与叶片1连接，叶根载荷通过载荷伞传递到轮毂3；

变桨轴承齿轮轴7使用pipe16单元模拟，pipe16单元外径与实际齿轮轴的外径一致；

变桨齿轮箱6的变桨齿轮8与变桨齿轮轴7的连接也使用beam4单元模拟，该beam4单元与变桨齿轮箱6中的齿轮与变桨轴承2之间的link10单元的连接节点位于变桨齿轮节圆位置；

叶片1与变桨轴承2之间、变桨轴承2与轮毂3之间、轮毂3与主轴4之间、主轴4与锁紧盘5之间、以及轮毂3与变桨齿轮箱6之间的连接方式均设置为绑定连接；

(5)对风机风轮的有限元模型施加边界条件，该边界条件为主轴端面的全约束；

(6)根据风机风轮的实际工况定义出36种单位工况，对这36种单位工况进行计算，这36中单位工况的计算结果是风机风轮相应部件的极限计算和疲劳计算的基础，当需要对某个风轮部件进行计算时，将相应的单位工况计算结果相叠加。

作为其他实施方式，各部件的属性和他们之间相应的连接关系，可以采用有限元分析软件中其他的连接单元进行模拟，能够模拟风机风轮中部件实际的属性和连接关系即可。

以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。