一种5KW离网小型风力发电机组的工作可靠性研究

摘要

最近几年，离网小型风力发电机组的制造行业重新繁荣起来。据统计，新生产的机组很大一部分为单机容量千瓦以上的，且单机容量有递增趋势。随着机组容量的增加，机组质量和零部件受力必然增加，但是目前关于千瓦级机组的研究主要集中在高效率电机上，很少进行机组结构方面的可靠性分析。作者以“中国长江航运集团电机厂”试制的一种5KW离网小型风力发电机组为研究对象，选取了其中的关键受力部件：即主轴和机座，以有限单元软件ANSYS为主要研究工具，做了如下工作：
　　 1.通过分析离网小型机组行业的国内外发展和研究状况以及目前存在的问题，认为我国亟需开展离网小型机组工作可靠性方面的研究。
　　 2.通过实验与推导的方法，计算出了主轴处于极限转速时所受到的载荷。在对主轴简化后，通过比较和趋势分析，得出了主轴的有限单元模型。在模型加载时，发现采用目前许多通用的扭矩加载方法仍然不能得出正确的结论。本文采用了新的加载方法，并且确认了得出的分析结果是可靠的，验证了主轴在极限转速下有足够的强度。通过设定路径并提取路径上的特定值，发现主轴处于极限载荷时其电机转子轴段挠度在许用范围内。
　　 3.对主轴分别进行了空载和极限载荷下的模态分析，推论出造成在这二种载荷下模态分析结果不一致的原因，并检验了推论的正确性，最终得出主轴在转速范围内工作时各阶自振频率的范围，发现主轴在设计转速范围内工作时没有自振的危险。
　　 4.通过设定路径并提取路径上的特定值找出了主轴上可能发生疲劳破坏的危险点，并定义出危险点的应力变化曲线，对危险点做疲劳分析最终验证该处是满足疲劳设计寿命的。
　　 5.简化机座，建立机座的有限单元模型，对机座进行极限载荷分析，验证了机座满足强度要求，能够承担极限载荷。
　　 6.采用同样的方法分析机座的自振频率，得出了机座在主轴转速范围内工作时的各阶自振频率范围，发现机座有自振的危险，作者给出了解决的方法。
　　 通过这些工作可以预先验证机组的可靠性，找出可能存在的问题，并进一步提出改善措施，从而提高机组质量；另一方面可以部分取代机组的载荷和疲劳实验，以缩短研发周期，降低研发费用。本文的研究成果已经应用到该机组后期质量改进中，将发挥实际作用。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

引言

1.1 离网小风电的应用领域

1.2 国内外离网小风电的发展现状

1.3 我国离网小风机组存在的问题

1.4 本文的研究内容和目的

第2章 风力发电机组结构介绍

2.1 机组各部什的功能、特点及相关参数

2.1.1 风轮

2.1.2 导流罩

2.1.3 风力发电机

2.1.4 旋转机座

2.1.5 后罩

2.1.6 偏航系统

2.2 该风力发电机组的优缺点

2.2.1 机组的优点

2.2.2 机组的缺点

第3章 风机轴静态分析与校核

3.1 风轮轴的极限静载荷计算

3.1.1 风轮轴的受力种类

3.1.2 风轮轴的极限静载荷计算

3.2 风轮轴有限单元模型的建立

3.2.1 风轮轴实体模型的简化

3.2.2 风轮轴实体模型的有限单元划分

3.3 风轮轴极限静载荷分析之方法一

3.3.1 边界条件与载荷

3.3.2 节点组的创建

3.3.3 键槽向上时的应力与位移求解

3.3.4 键槽向下时的应力与位移求解

3.4 风轮轴极限静载荷分析之方法二

3.4.1 确定载荷施加方式

3.4.2 节点组的创建

3.4.3 键槽向上时的应力与位移求解

3.4.4 键槽向下时的应力与位移求解

3.4.5 最大当量应力的真实值求解

3.4.6 分析结果可靠性验证

3.5 风轮轴强度可靠性验证

3.6 风轮轴刚度可靠性验证

3.6.1 键槽向上时转子轴段弯曲极限求解

3.6.2 键槽向下时转子弯曲极限求解

3.7 本章小结

第4章 风轮轴动态分析与校核

4.1 风轮轴的空载模态分析

4.2 风轮轴极限载荷下的模态分析

4.3 风轮轴的危险转速范围推导

4.4 本章小结

第5章 风轮轴的疲劳寿命校核

5.1 风轮轴疲劳分析的意义与方法

5.2 风轮轴上疲劳危险点的查找

5.2.1 键槽向上时的危险点

5.2.2 键槽向下时的危险点

5.3 危险点的应力变化规律

5.4 危险点的疲劳分析

5.5 本章小结

第6章 机座的动静态分析与校核

6.1 旋转机座有限单元模型的建立

6.2 极限静载荷分析约束的设置

6.3 外套筒的受力计算与加载

6.4 定位板的受力计算与加载

6.5 旋转筒的受力计算与加载

6.6 旋转机座极限静载荷分析与校验

6.7 旋转机座的模态分析

6.8 本章小结

第7章 总结和展望

7.1 全文总结

7.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文