[发明专利]一种风力发电机组轮毂强度计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种发电机组关键零件的强度计算方法。具体说是一种风力发电机组轮毂的强度计算方法，主要用于大功率水平轴紧凑型风力发电机组。

背景技术

目前主流的大功率水平轴风力发电机组中，风载荷通过叶片和变桨轴承传递到轮毂，轮毂通过主轴将动力传递到主传动链进行发电。在轮毂上安装了变桨驱动，使风机在风力变化的情况下改变叶片的桨距角度，从而确保风机安全高效的运行。轮毂是风机中的关键零件之一，在设计过程中为确保风机的安全和使用寿命，根据德国劳埃德（GL）认证规范必须对其强度进行计算。目前，对轮毂强度计算方法主要是采用现有的有限元软件进行模拟，现有的有限元分析软件可用于覆盖结构、温度、流体、电磁场和多物理场耦合等研究领域，但是模型的简化方法对计算精度的影响较大，如简化不当甚至不能正确计算出轮毂的强度。

在专利检索中指发现有如下一些专利与本发明有一定的相关：

1、专利申请号为CN201010617957.2，发明名称为“一种风力发电机组主轴强度计算方法”的发明专利，该专利公开了一种风力发电机组主轴强度计算方法，通过现有的有限元软件为平台实施建模，最后定义各个部件材料属性，进行计算，得出变形及应力云图，建模过程中主要包括将主轴、轴承和锁紧盘用实体单元模拟设置合并为一体结构，锁紧盘外部设置四个齿轮箱弹性支承并且每个齿轮箱弹性支撑由弹簧单元组模拟，风轮节点与主轴的各个法兰螺栓孔通过刚性梁单元I连接，锁紧盘与弹簧单元组采用刚性梁单元II连接；于风轮节点施加外部载荷，对弹簧单元组施加全部约束，对轴承施加位置约束。

2、专利申请号为CN201110352047.0，发明名称为“兆瓦级风力发电机组轮毂有限元建模方法”的发明专利，该专利公开了一种兆瓦级风力发电机组轮毂有限元建模方法，根据球形轮毂的对称性，取其1/3的模型进行建模，形成1/3的有限元模型，然后旋转形成整体的轮毂有限元模型；利用球形轮毂的旋转对称性来进行计算和强度校核，旋转对称性是指：在其中一个叶片加载和在另一个叶片加载形成的轮毂应力云图，两者旋转120度或者240度，是能够完全重合的。

但是专利1只是针对主轴强度进行计算的，并不能适用于轮毂强度分析计算；专利2的不足是：1）没有对几何模型的简化进行说明；2）在建立有限元模型时没有对轴承和变桨驱动的模拟进行考虑，导致有限元模型不够准确；3）没有对需要计算的极限载荷工况进行总结筛选，导致计算工作量较大；4）没有对轮毂疲劳寿命的具体计算进行介绍  ，因此仍有必要对如何改善现有轮毂强度分析计算方法中的不足进行分析研究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有轮毂强度分析计算方法中的不足，提出一种新的轮毂强度分析计算方法，此方法更为简单，精度更高。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种风力发电机组轮毂强度计算方法，主要用于大功率水平轴紧凑型风力发电机组，通过现有的有限元软件为平台实施建模，定义各个部件材料属性，进行计算，得出应力云图；建模过程中主要包括以下步骤：

（1）建立的有限元模型；包括：叶片根部的一段、变浆轴承、变桨驱动、轮毂、主轴靠近轮毂的一段，分别建立有限元模型；其中，在叶片根部创建节点并将其转换到德国劳埃德GL规范中规定的叶根坐标系下，然后刚性耦合到叶片上；变桨轴承的滚子采用只受压力不受拉力的单元进行模拟；叶片和变桨轴承、变桨轴承和轮毂、轮毂和主轴之间的接触属性均定义为绑定；在轮毂体表面铺设一层很薄的壳单元。

（2）对相关零部件所使用的材料在有限元前处理软件中定义其弹性模量、泊松比等属性。

（3）建模完成后，使用载荷软件（GH bladed）输出GL叶根坐标系下叶根极限载荷，将载荷表中Mx、My、Mz和Myz绝对值最大工况分别施加在叶根中心，并对主轴端部施加全约束。

（4）将有限元模型提交有限元软件进行分析计算，使用有限元软件后处理模块看结果云图并提取相关结果数据。

该发明所述的风力发电机组轮毂强度计算的有益效果为：1、在有限元模型中考虑了变桨驱动、变桨轴承的滚子等，并使用了一段叶片假体。让模型的受力传递更加准确，模型计算结果的准确性提高。2、根据轮毂的受力特点，只对四个极限工况进行计算，提高了计算的效率。3、在轮毂体的表面铺设了一层很薄的壳单元，供对轮毂进行疲劳分析时使用。

附图说明

图1为本发明计算方法所用几何模型结构。

图2为本发明计算方法所用有限元模型结构。

图3为有限元模型中变桨轴承和变桨驱动模拟的细节特征。