直驱式风电机组发电机部件强度研究
Strength Research on the Generator Part of Direct-driven WTGS

 
毛晓娥 王维贤 龙凯 刘祥瑞
(华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室 北京 102206)

 
        摘 要：为了实现某直驱式风电机组发电机部件的强度设计要求，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与疲劳强度分析中的应用。基于 Altair 公司的 HyperMesh 软件建立了直 驱发电机的有限元模型，采用有限元软件计算分析了发电机部件的极限强度。基于疲劳软件，计算 分析了发电机部件的疲劳损伤，并用 HyperView 软件进行了结果后处理。

       关键词：风电机组 直驱发电机 有限元 强度 疲劳损伤 HyperWorks

       Abstract：In order to realize strong designs for the generator components of direct-driven wind turbine generator systems (WTGS), finite element and fatigue analysis software was used to study and analyze the ultimate strength and fatigue strength. The FE model of the direct-driven generator was established using Altair Hyperworks, and FE software was also used to calculate the ultimate strength of the generator components. Then, fatigue damage was obtained with fatigue software and the results were post-processed with HyperView.

       Key words: WTGS, direct-driven generator, FE, strength, fatigue damage, HyperWorks
 
       1 引言

       目前国内市场上已经出现了 2.5MW、3.0MW 和 5.0MW 等大型风电机组。随着风电机组功率等 级加大，其内部各零部件所承受的载荷明显增大，风电机组发电机要在各种载荷工况下安全运行， 其重要部件必须满足强度要求。发电机作为风电机组的重要部件，其强度对整机的可靠性至关重要。同时，风电机组设计须满足 20 年的使用寿命，这使得发电机关键零部件的强度设计尤为重要。一 方面，发电机部件设计需要满足极限强度要求，另一方面，还需要综合考虑零部件疲劳强度对发电 机使用寿命的影响。
 
        在此背景下，以有限元分析、动态设计和抗疲劳设计等为主要内容的现代设计方法在风电机组 结构设计中日益得到重视。目前，国内学者在强度研究方面较为典型的研究包括：何玉林等运用风 电机组空气动力学、结构动力学、强度分析等理论和现代设计方法，利用有限元分析软件对主机架 结构进行了静强度和疲劳寿命分析[1]；杜静等基于风电机组主轴有限元模型，对兆瓦级风电机组主 轴疲劳损伤进行了研究，提出了将雨流循环计数法与 Palmgren-Miner 线性累积损伤理论相结合的 主轴疲劳损伤计算方法[2]；王平等应用有限元软件对风电机组的轮毂进行了极限强度和疲劳强度分 析，模拟了疲劳载荷和材料的 S-N 曲线[3]；杨兆忠等以轮毂为例，从极限强度和疲劳寿命两个方面， 结合有限元软件对铸件强度进行了校核[4]；姚兴佳等以 HyperWorks 作为分析平台对轮毂结构进行 了优化 [5]；沃晓临等采用有限元软件对兆瓦级风电机组轮毂与主轴的连接螺栓做了强度分析，对 连接螺栓本身, 在极限载荷与疲劳载荷下进行了仿真计算[6]；李超等采用有限元商业软件为工具，对某兆瓦级风电机组机舱罩的极限强度进行了计算分析[7]。

       上述研究集中在风电机组主机架、主轴、轮毂和螺栓等零部件，对于直驱式风电机组发电机部 件强度没有做特定分析。发电机部件作为风电机组的重要组成部分，在大功率化趋势下其部件强度 研究对整机安全性和可靠性不可或缺。本文建立某 2.0MW 直驱式发电机的有限元模型，将综合应 用有限元软件和疲劳分析软件分析校核电机转轴、定轴及转子支架的极限强度和疲劳强度。根据 GL2010 认证规范，推导了电机转轴、定轴及转子支架的 S-N 曲线表达式。
 
 
2 发电机主轴极限强度分析

2.1 有限元模型建立

        某 2.0MW 直驱发电机由转轴、定轴及转子支架等部分组成。利用三维建模软件建立几何模型， 在建模过程中，需对强度影响很小的特征，如小的倒角、凸台等进行简化。其后将几何模型导入专 业的有限元前处理软件进行网格划分，以建立分析所需的有限元模型。根据直驱发电机的结构特点， 基于 HyperMesh 软件对发电机的主要结构采用实体单元离散。各部分均尽可能采用网格协调的方 法连接。最终的有限元模型共包含 391246 个节点，323460 个单元，总体与零部件网格模型如图 1 所示。在模拟回转支承的端面全约束，以消除整个模型的刚体 位移。根据 GL2010 认证规范设定工 况和参数，由 GH Bladed 自动输出极限工况和疲劳工况载荷数据，其中共包含 16 个极限工况和 89 个疲劳工况。

图 1 直驱式发电机网格模型

        设 x,y,z 坐标系满足 GL2010 认证规范的轮毂坐标系要求[11]，以 FX_min 工况为例，它表示在所有计算工况中，施加载荷部位的 x 方向的代数值最小，其他工况以此类推。各极限工况下主要部件的最大应力值如表 1 所示。

 表 1 不同极限工况下主要部件最大应力结果统计（单位：MPa）

 
        根据 GL2010 认证规范，选择材料局部安全系数 γ m  = 1.15 。发电机转轴和定轴材料为铸钢， 屈服极限值随结构尺寸增大而减小，这里取值为 300MPa。转子支架为锻件，屈服极限值取为235MPa。各极限工况下转轴、定轴及转子支架的安全系数如表 2 所示。
 

表 2 不同极限工况下主要部件安全系数

        转子支架的加强筋上设置的圆孔成为该结构的薄弱环节。由表 2 可知，转矩是造成结构高应力的主要原因，最大应力值发生在 Mz_min 工况下，应力值为 246.0MPa，大于材料的屈服强度235MPa，转子支架的安全系数小于 1，不满足结构强度设计要求。
 
 2.2.1 转子支架结构改进

        发电机转子支架不满足结构强度设计要求，故需进行结构优化以满足设计要求。加厚加强筋轮 毂侧厚度，由现在的 17mm 加厚至 40mm。只考察转子支架在不同极限工况下应力大小及分布情况。
 

表 3 不同极限工况下转子支架分析结果

 

        在转子支架加强筋加厚的条件下，转子支架所受的最大应力小于材料屈服强度，结构安全系数
大于 1，初步满足发电机部件极限强度设计要求。
 
 3 发电机转轴、定轴及转子支架的疲劳强度分析

3.1 发电机部件的 S-N 曲线

        根据 GL2010 认证规范 5.B.2.1 所述，材料的典型 S-N 曲线应作为疲劳分析的基础。但通常情 况下，材料的 S-N 曲线都是用小尺寸光滑圆柱试件在实验室中获得的[10]。在风电机组大型化发展 的趋势下，利用小试件试验得到的 S-N 曲线不能为疲劳寿命的估算提供合理的依据。
 
        在 GL2010 认证规范中，材料的零件部件设计 S-N 曲线由三条线段组成，第一段是循环次数小 于 N1 的低周疲劳直线段；第二段是指数斜率为 m1，终止于 ND 的斜线段；第三段是指数斜率为 m2 的高周疲劳斜线段。
本节将根据 GL2010 认证规范第五章附录内容给出的风电机组锻造铸钢材料和锻造材料的设计
S-N 曲线合成方法，通过计算得到发电机各部件的 S-N 曲线如图 2 所示。

        其中，转轴及定轴均为铸钢材料，其基本参数包括：转轴壁厚 t=150mm，定轴壁厚 t=220mm，最小抗拉强度 500MPa，屈服强度 300MPa，表面粗糙度 Rz= 50µm ，应力比 R=-1。由于基于有限元法计算应力值，应力集中系数 α k= 1.0 ，缺口敏度系数 n=1.0。

         转子支架为锻造件，其基本参数包括最大壁厚 t=100mm，最小抗拉强度 370MPa，屈服强度
235MPa，表面粗糙度 Rz  = 50μm ，应力比 R=-1。由于基于有限元法获得应力值，应力集中系数
α k  = 1.0 ，缺口敏度系数 n=1.0。
 
3.2 发电机部件的疲劳强度

       在风电机组零部件结构疲劳强度校核中，通常基于热点(hotspot)法计算疲劳损伤，由于极限工 况下的最大应力值点未必是最大累积损伤点，逐点计算难以确定结构的最大损伤位置，从而难以对 疲劳分析结果做出合理评价。本节基于疲劳分析软件进行发电机结构的全域损伤值计算，得到全域 的损伤分布状况，进而可以合理地对结构强度进行评价。由软件自动进行雨流计数和线性损伤累积， 基于 HyperView 进行结果后处理，得到如图 3 所示的部件的累积损伤分布图。

        从图 3 可知，直驱发电机的转轴、定轴及转子支架在时序疲劳载荷作用下最大累积损伤值分别0.02847、9.349×10-6、0.05505，数值均小于 1。根据 Miner 线性累积损伤理论可知，转轴、定轴 及转子支架满足疲劳强度设计要求。
 
4 结论

        本文研究了某直驱式风电机组发电机部件的强度分析方法。首先应用三维建模软件建立了直驱 式发电机的几何模型，其后应用 HyperMesh 软件对模型进行网格划分，得到有限元模型。在此基 础上，应用有限元软件分析了直驱式发电机转轴、定轴及转子支架的极限强度。在上述基础上，对 不满足极限强度条件的转子支架给出了结构优化方案。参考风电行业的 GL2010 认证规范计算得到 了发电机部件的 S-N 曲线。基于疲劳分析软件，得到了发电机部件的累积损伤值，并用 HyperView 软件进行结果后处理。最终得到优化后的发电机部件设计满足强度设计要求。
 
         研究中，Altair 公司的 HyperMesh 软件和 HyperView 软件为研究分析提供了极大的方便。其中， HyperMesh 软件提高了直驱式发电机结构的网格划分的效率和质量。HyperMesh 在计算单元质量 时，针对不同的求解器，有不同的要求和方法，这为得到高质量的网格单元提供了可能。HyperView 能快捷有效地进行极限强度和疲劳强度结果后处理，基于 HyperView 软件，对其它软件的有限元后处理计算结果进行方便查看而不需要任何设定，由此看出 HyperView 软件与其它有限元软件有较好

的接口。
 
 5 参考文献

[1]   何玉林，曾纯亮，常慧英.永磁直取风力发电机组主机架强度分析[J].机械设计与制造，2011-9. [2]   杜静, 牛兴梅, 何玉林, 等. MW 级风电机组主轴疲劳分析[J].金属铸锻焊技术, 2011, 40(23):211-216.

[3]   王平 , 曹 家勇 , 张执南 .Finite  element  analysis  for  strength  of  wheel  hubs  of  large  wind turbines[J]华东电力,2009,07-1206-03.

[4]   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，2012,22-011-2.

[5]   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，2008，30（1）：38-41.

[6]   沃晓临,马春翔. FEM Based Strength Verification of High Duty Bolts in MW Class Wind
Turbine[J].电力与能源，2011,03-0228-04.

[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，2012-3. [8]   陈传尧. 疲劳与断裂[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2002.

[9] GL Wind Guideline: Guideline for the Certification of Wind Turbines[S]. Hamburg: Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH 2010.