浅析极端环境对MW级风力发电机轮毂特性的影响

作者：张毅

  风力发电机在工作过程中，轮毂受到来自叶片的各种力载荷，如自身重力、惯性力等。但是最近几年，由于环境的改变，一些极端天气频繁出现，尤其在我国西北地区，很容易出现极高温度和极低温度这样的极端天气，因此在轮毂设计过程中不得不考虑温度对轮毂性能的影响。目前在设计轮毂过程中最常用的分析方法是有限元法和模态分析法。国内对风力发电机叶片的设计与性能计算能力方面已经有较成熟的方法和工具，而且在风电机的关键零部件中，增速箱系统、发电机机组、塔架系统已经实现了批量生产，技术比较成熟。但是对于大型轮毂的设计一般就采用按比例放大法，再利用ANSYS软件对轮毂强度进行校核，这样随着发电机的大型化，轮毂的质量越来越大，给安装带来很大的麻烦，并且在设计过程中只考虑到叶片、主轴、轮毂自身重力对轮毂的静载荷和交变载荷，没有考虑极端环境（如高温、低温、极大风载荷等）对轮毂强度及疲劳寿命的影响。本文对2 MW风力发电机轮毂进行建模分析，利用ANSYS软件模拟分析了极端天气对轮毂性能的影响，为轮毂结构合理设计提供依据。

1利用UG软件对轮毂建模

  风力发电机轮毂的三维模型如图1所示。

2对轮毂进行受力分析

  在工作过程中轮毂接受了叶片给它的所有力载荷，主要有叶片的空气动力载荷、重力载荷和惯性载荷。

2.1  空气动力载荷的计算

叶素受力分析图如图2所示。在风轮半径r处取一长度为dr的叶素，dF为叶素在相对速度w的情况下所受的气动力，将其分解为垂直于相对速度的升力dL和平行于相对速度的阻力dD，即：

其中：w为气流对叶素的相对速度，m/s;p为空气密度，kg/m3；l为距转轴r处的翼型弦长，m；Cl和Cd分别为升力系数和阻力系数，值由所选翼型决定。

同理可以得到每个叶素的轴向力dFa和切向力dF“：

其中：j为来流角，rad。风轮转矩dT由dFu产生，计算公式为：

所以整个叶片的总转矩T为：

其中：ro为轮毂半径，m；R为风轮半径，m。

2.2  叶片的重力载荷

叶片在旋转过程中，自身重力产生了摆振方向的弯矩从而施加在轮毂上，它随着叶片方位角的变化呈现周期的变化，是叶片的主要疲劳载荷。叶片上每个叶素有一个集中质量m(r)，产生的重力矩M。为：

其中：g为重力加速度，N/kg。

2.3  叶片的惯性载荷

在工作过程中叶片的惯性载荷包括离心力和陀螺力。作用在风轮上的离心力总是沿叶片远离轮毂的，离心力Qz可表示为：

其中：n为叶片顺时针转速，rad/s。

在工作过程中，叶片同时作偏航运动，产生垂直于风轮旋转平面的陀螺力载荷。由陀螺力产生的弯矩MK可表示为：

其中：A为偏航顺时针旋转速度，rad/s。

2.4三个方向上的力和力矩的计算

根据叶片的载荷计算，最终将载荷施加到轮毂上，计算出平均风速附近(12 m/s)和极限风速25 m/s时X、y、Z三个方向上轮毂受到的力和力矩，分别如表1和表2所示。

3  利用ANSYS软件进行分析

  将以上计算载荷在ANSYS中加载到叶片与轮毂的连接处，再对主轴与轮毂连接处施加固定约束，模拟出极端天气对轮毂性能的影响。

3.1  网格划分

对轮毂进行网格划分，如图3所示。

3.2  利用ANSYS对轮毂进行受力分析

在常温22 C下分别施加12 m/s和25 m/s的风速载荷，得到的轮毂应力分布情况如图4、图5所示。在-40℃下分别施加12 m／s和25 m/s的风速载荷，得到的轮毂应力分布情况如图6、图7所示。在80℃下分别施加12 m／s和25 m/s的风速载荷，得到的轮毂应力分布情况如图8、图9所示。

3.3  结果分析

  (1)在常温22℃时轮毂所受载荷主要集中在叶片与轮毂接触处以及主轴与轮毂接触的区域。在12 m/s和25 m/s风速载荷下轮毂的最大应力分别为8. 438 MPa和11.169 MPa，远小于轮毂材料所能承受的抗拉应力，说明在平均温度下此轮毂是可以正常工作的。

  (2)极端温度-40℃时，在12 m/s和25 m/s风速载荷下轮毂的最大应力分别为292. 09 MPa和330. 84 MPa，并且都集中在轮毂与主轴连接处，此时轮毂所受的最大应力已经超出它本身材料所能承受的抗拉强度(300 MPa)。这说明在不考虑轮毂处的工作温升仅考虑极端环境时，低温对轮毂特性的影响还是很大的。

  (3)极端温度80℃时，在12 m/s和25 m/s风速载荷下轮毂的最大应力分别为191. 28 MPa和191. 59MPa。这说明高温也会影响轮毂的受力，虽然没有超过轮毂所能承受的极限载荷，但在以后的设计当中应该考虑到高温对轮毂特性的影响。

4结论

  (1)极端天气（高温、低温）对轮毂受力影响较大，尤其是在低温时，最大应力已经超过了轮毂所能承受的应力，这就需要以后在轮毂设计的过程中考虑到温度对轮毂的影响。

  (2)在极端天气下，轮毂所受的应力集中在与主轴接触的区域，因为轮毂受到低温、高温时，在与叶片接触区域有一定的自由度，轮毂会有一些小变形而释放一些力，因此在与叶片接触区域所受的应力变小。所以，在制造轮毂的过程中还应该考虑温度对轮毂材料变形的影响。

5摘要：利用UG软件对2 MW风力发电机轮毂进行建模，再利用ANSYS软件对轮毂在极端天气下所受载荷进行分析，除了考虑叶片对轮毂的力载荷和惯性载荷还考虑了极端天气对轮毂特性影响，主要极端天包括低温、高温和极大风速。经过模拟分析发现，高温、低温和极大风速载荷对轮毂的受力影响较大，尤其是极低温度时，在轮毂与主轴接触的区域受力已经超过了轮毂的抗拉强度。