266 计算机辅助工程 2013 年 20 GH Bladed MW ( a) 整体 ( b) 转子支架 Palmgren-Miner 1 3 Fig 1 Mesh model of direct-driven generator 1 2 S-N x y z GL

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1 第 22 卷增刊 年 5 月 计算机辅助工程 Computer Aided Engineering Vol 22 Suppl 1 May S 毛晓娥 1, 龙凯 1, 王东升 ( 1 华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室, 北京 ; 2 中国工程物理研究院总体工程研究所, 四川绵阳 ) 为实现某直驱式风电机组发电机转子支架的强度设计要求, 应用有限元软件和疲劳分析软 件, 研究有限元方法在极限强度和疲劳强度分析中的应用 基于 HyperMesh 建立直驱式发电机有限 元模型, 采用 MSC Nastran 计算分析转子支架的极限强度 在极限强度不满足强度设计要求的情况 下, 对转子支架的结构进行优化 基于疲劳分析软件, 计算分析转子支架的疲劳损伤 最终得到优化 后的转子支架设计满足强度设计要求 风电机组 ; 直驱式发电机 ; 转子支架 ; 有限元 ; 极限强度 ; 疲劳损伤 TK83 B Strength analysis on generator rotor support of direct-driven wind turbine generator systems MAO Xiaoe 1 LONG Kai 1 WANG Dongsheng 2 1 State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing China 2 Institute of System Engineering China Academy of Engineering Physics Mianyang Sichuan China Abstract To implement the strength design for the generator rotor support of direct-driven Wind Turbine Generator System WTGS the finite element software and the fatigue analysis software is used to study the application of finite element method in the analysis of ultimate strength and fatigue strength The finite element model of the direct-driven generator is established based on HyperMesh and the ultimate strength of the rotor support is calculated by MSC Nastran When the ultimate strength do not meet the design requirement of the strength the structure of rotor support is optimized The fatigue damage is calculated and optimized by fatigue software Finally the optimized structure is satisfied with the design requirement of the strength Key words wind turbine generator system direct-driven generator rotor support finite element ultimate strength fatigue damage 0 引言 2 5 MW 3 MW 5 MW 毛晓娥 ( 1988 ), 女, 甘肃古浪人, 硕士研究生, 研究方向为风力机结构研究与优化设计,( ) maoxiaoe1011@ 163 com

2 266 计算机辅助工程 2013 年 20 GH Bladed MW ( a) 整体 ( b) 转子支架 Palmgren-Miner 1 3 Fig 1 Mesh model of direct-driven generator 1 2 S-N x y z GL F x min x HyperWorks GL γ m = MPa MSC Nastran 7 ANSYS Tab 1 Safety factors of main component under different ultimate load cases 应力安全应力安全 工况工况值 /MPa 因数值 /MPa 因数 2 0 MW M x,max F x,max M x,min F x,min GL2010 M y,max F y,max S-N 1 发电机主轴极限强度分析 1 1 M yz,max F yz,max MW M yz,min F yz,min M z min MPa GL 2010 M y,min M z,max M z,min F y,min F z,max F z,min

3 第 S1 期 毛晓娥, 等 : 直驱式风电机组发电机转子支架强度分析 μm R = - 1 α k = 1 0 n = 1 0 t = 100 mm 17 mm 40 mm F t = 1 2 σ b = R m = 370 MPa 1 2 σ 0 2 = 235 MPa 2 Tab 2 Analysis results of rotor support under different ultimate load cases σ w = σ = MPa 3 工况 应力安全应力安全 工况值 /MPa 因数值 /MPa 因数 F o = log R z 0 64 log σ b + M x,max F x,max log R z 0 53 = M x,min F x,min M y,max M y,min M z,max M z,min M yz,max M yz,min F y,max F y,min F z,max F z,min F yz,max F yz,min F ot = F o 2 2 槡 F t = β k = α k /n = 1 6 F otk = 槡 β 2 k /F 2 ot = σ wk = σ w /F otk = ΜPa 8 1 M = σ b = 发电机转子支架疲劳强度分析 F m = % S pu = 2 /3 2 1 S-N S t = t / = GL 2010 S = S pu S t = S-N S-N S-N m 1 = 12 0 /F 2 otk + 3 = S-N S-N m 2 = 2m 1-1 = GL 2010 σ A = σ wk F m = MPa 14 S-N GL 2010 Δσ A = 2σ A S /γ M = MPa 15 S-N 3 N 1 m 1 Δσ 1 = σ R /γ M N D = MPa 16 m 2 S-N t = 100 mm N D = 10 m 1 = R m = 370 MPa R z = S-N

4 268 计 算 N1 = N D Δσ *A / Δσ1 m1 = 最终得到的 S-N 曲线见图 2 机 辅 18 助 2 2 工 2013 年 程 疲劳强度校核 在风电机组零部件结构疲劳强度校核中 通常 基于热点法计算疲劳损伤 热点位置一般选取某些 极限工况最大应力值点或典型区域内的点 由于极 限工况下的最大应力值点未必是最大累积损伤点 逐点计算将难以确定结构的最大损伤位置 并会对 疲劳分析结果做出不合理评价 为克服上述困难 本文运用疲劳分析软件 获得转子支架结构全域的 累积损伤分布 转子支架受到不同方向的力和力矩 图2 Fig 2 作用 每种载荷作用在结构上 产生不同方向的应 力 以 x 方向正应力 σ x 为例 其数学表达式为 转子支架的 S-N 曲线 S-N curve of rotor support σ x t = σ x F x F x t + σ x F y F y t + σ x F z F z t + σ x M x M x t + σ x M y M y t + σ x F z M z t + σ x G 19 CA w M w E w O c 凯 am 模 eo CA o E案 rg c 例库 n 式中 σ x F x 为由 x 方向力 F x 引起的 x 方向正应力 其余的变量含义以此类推 σ x G 为重力引起的 x 方 向正应力 考虑到转子支架应力的多轴性 本文以绝对值 最大主应 力 作 为 损 伤 评 价 指 标 假 设 主 应 力 满 足 σ3 σ2 σ1 则时序应力数学表达式为 σ t = { σ1 σ1 σ3 σ3 σ1 σ3 20 由疲劳分析软件自动完成应力雨流计数 线性 损伤累积计算等 得到转子支架主要部件的疲劳损 伤分布 见图 3 可知 转子支架在时序疲劳载荷作 用下的最大累积损伤值为 此值小于 1 根 据 Miner 线性累积损伤理论可知 转子支架结构满 足疲劳强度设计要求 3 结束语 以某 2 0 MW 直驱式风电机组发电机转子支架 图3 Fig 3 主要部件的疲劳损伤分布 Fatigue damage distribution of main component 结构为研究对象 建立直驱式发电机的有限元模型 基于有限元软件分析直驱式发电机转子支架的极限 强度 在上述基础上 对不满足极限强度设计要求的 转子支架给出结构优化方案 参考风电行业的 GL 2010 认证规范 计算得到转子支架的 S-N 曲线 基 于疲劳分析软件 得到转子支架的累积损伤值 最终 得到优化后的转子支架设计满足强度设计要求 参考文献 1 何玉林 曾纯亮 常慧英 永磁直驱风力发电机组主机架强度分析 J 机械设计与制造 2011( 9) : HE Yulin ZENG Chunliang CHANG Huiying Strength analysis of permanent-magnet direct drive wind turbine mainframe J Machinery Des Manufacture 2011( 9) : 杜静 牛兴梅 何玉林 等 MW 级风电机组主轴疲劳分析 J 热加工工艺 ( 23) : DU Jing NIU Xingmei HE Yulin et al Fatigue analysis on mainshaft in MW level wind turbine J Hot Working Technol ( 23) : 王平 曹家勇 张执南 大型风力发电机轮毂强度的有限元分析与应用 J 华东电力 ( 7) : WANG Ping CAO Jiayong ZHANG Zhinan Finite element analysis for strength of wheel hubs of large wind turbines J East China Electr Power ( 7) : 杨兆忠 颜志伟 胡鹏 等 风力发电机组内铸件的强度分析计算 J 机床与液压 ( 22) : YANG Zhaozhong YAN ZhiWei HU Peng et al Strength analysis and calculation for wind turbine casting J Machine Tool Hydraulics ( 22) : 姚兴佳 杨立东 单光坤 基于 HyperWorks 3 MW 风电机组轮毂的结构优化 J 沈阳工业大学学报 ( 6) : http / / www chinacae cn

5 第 S1 期 毛晓娥, 等 : 直驱式风电机组发电机转子支架强度分析 269 YAO Xingjia,YANG Lidong,SHAN Guangkun Structure optimization of 3 MW wind turbine hub based on HyperWorks[J] J Shenyang Univ Technol,2011,33( 6) : [6] 沃晓临, 马春翔 兆瓦级风力发电机主要承载螺栓强度的有限元计算 [J] 电力与能源,2011,32( 3) : WO Xiaolin,MA Chunxiang FEM based strength verification of high duty bolts in MW class wind turbine[j] Power & Energy,2011,32( 3) : [7] 李超, 沈凤亚, 余国城 兆瓦级风力发电机机舱罩强度分析与设计 [J] 玻璃钢 / 复合材料,2012,2012( 3) : 3-6 LI Chao,SHEN Fengya,YU Guocheng Strength analysis and design of Megawatt wind turbine nacelle cover[j] FRP / CM,2012( 3) : 3-6 [8] GL Wind Guideline Guideline for the certification of wind turbines[s] [9] 陈传尧 疲劳与断裂 [M] 武汉 : 华中科技大学出版社,2002