兆瓦级风力发电机组机舱罩振动模态研究

夏全洲 于国亮

摘要：風力发电机组是一种重要的发电设备，然而在运行过程中机舱罩却存在振动现象。基于此，本文将从机舱罩的结构、几何模型的建立、极限风载计算模型、材料属性和单元设置、网络划分和边界约束等方面对兆瓦级风力发电机组机舱罩振动模态进行研究，从而提高风力发电机组的性能。

关键词：兆瓦级;风力发电机组;机舱罩;振动模态

引言：风力发电机组在发电过程中起到了非常重要的作用，是整个发电过程的核心设备。风力发电机在运行时，机舱罩会发生振动现象，对设备内零件会造成一定的损伤。因此，对风力发电机组的振动模态研究十分必要。

1.模态分析理论概述

模态分析在工程振动领域中具有极其广泛的应用，可以有效地对振动过程进行分析。振动模态是弹性结构中固有的属性，具有一定的叠加现象，对机械的影响较大。通过对振动的模态的分析，可以得到机械的实际振动响应，为研究者带来极大的方便。模态分析主要还包含两个方面：一方面是动力学方程分析，需要通过受力分析来了解机械的受力情况，再根据受力特点列出机械的运动方程，从而将运动过程转化成数值量;另一方面是模态分析数学模型的建立，将运动方程转化成数学模型，从而实现模态分析的过程。

2.机舱罩振动模型分析

2.1机舱罩的结构

机舱罩是风力发电机重要的组成部分，能够保障风力发电机在恶劣的环境下也能正常工作，如风、雨、雪等天气，因此，发电机的机舱罩具有极强的耐腐蚀、耐冲击等特点，机舱罩的体积较大，所需的附属配件较多。风力发电机的机舱罩通常可以分为三层，内、外两层为玻璃钢，中间层由泡沫塑料填充，整体呈现出“三明治”的结构特点。整个机舱罩的固定需要用到钢制的连接板，可以牢固地将其固定在风力发电机的架子上。在机舱罩的表面有部分孔洞，孔洞位置通过特殊结构进行支撑，可以有效地提高孔洞附近稳定性。这些孔洞作用是为了方便设备的安装与维护，提高工作的效率[1]。

2.2几何模型的建立

机舱罩的几何模型的建立需要用到ABAQUS软件，通过该软件可以对有限元进行分析，能够较好地解决非线性等复杂问题，可以对特殊形状的单元库进行模拟，具有极高的使用价值。该软件具有良好的人际交互界面，可以像CAD一样进行模型构建，并且具有强大的模型管理功能，能够对复杂的模型进行建模和仿真。同时该软件还采用了参数化建模的方式，可以方便地对模型的参数进行修改，为使用者带来了极大的方便。机舱罩的模型建立的是三维模型，而且进行了三维中性曲面处理，可以得到准确的机舱罩模型结构。这种三维模型是一种有限元模型，可以实现网络划分、边界约束等多种操作，能够有效地还原机舱罩的振动过程。

2.3极限风速的受力分析

为了有效地对机舱罩的受力进行分析，需要将机舱罩放在极限风速的环境下进行测试，对其受力情况进行详细的分析，从而保障机舱罩受力分析的合理性。具体分析过程如下：首先，需要将机舱罩分为两部分，即左上和右下，并且将机舱罩的支撑结构看成静止状态，将支撑结构周围看作全约束状态;然后，需要计算风力发电机的受风面积，并且对机舱罩周围的气流进行分析，确定气流的流向，从而保障受力分析过程更加的准确;最后，在极限风速的情况下对停止状态的发电机的机舱罩进行受力分析，从而实现极限风速的受力分析过程。通过对极限风速的受力分析，可以让研究者对机舱罩的振动过程建立准确振动模型，让受力分析的数值更加接近于实际情况。

2.4极限风载计算模型

极限风载相关计算模型主要是从三种风力发电机组的通用设计标准而来，分别是丹麦DS472标准，德国的GL认证标准以及国际标准。其中丹麦标准内大部分风速计算和载荷计算标准，都与国际标准以及德国标准相似，所以此次在极限风载相关计算模型设计中，主要参考德国认证标准和国际标准IEC。按照国家电工委员会提出的风力发电机组安全要求标准，对四种不同风力发电机相关机组等级进行了定义，随着等级的提升，则其对应风速相继下降。在此次研究中，主要选择最大风速等级，即一类，把五十年一遇的每秒70米极限风速当成此次极限风载相关计算模型中的极限风速标准，按照德国认证标准，能够了解到通常认为机舱罩遇到极限风载状态下，因为前端和后端两个受风层面的极限风载相关利用系数主要是0.8、0.5，侧面受风端的极限风载相关利用系数是0.6，出于保险安全角度考虑，针对机舱罩的单侧极限风载相关利用系数依然选择0.8。按照流体伯努利方程以及动量定理，对极限风速状态下，机舱罩的单侧极限风载进行准确计算，最终结算结果是2401N/m3。

2.5材料属性和单元设置

机舱罩中所应用的的建设材料主要是玻璃纤维强化塑料，简称FRP，即一种复合玻璃钢材料。玻璃钢各向异性，沿轴向位置拥有良好的力学性能，而非轴向上的力学性能则相对较弱，具体如表1所示：

在实施模态分析的过程中，主要是选择线性分析为主，架设所选择材料保持各向同性，出于保险起见，各个材料属性需要按照以下方法进行设定：其中材料的弹性模量参数为8920MPA，而材料密度是每立方米1800千克，泊松比是0.22。选择S4R壳单元，相关元件厚度参数设置为8毫米，选择振型叠加方法，对于分析步种类则可以选择线性摄动分析步，求解器选择LACCZOS，同时将特征值相关提取阶数设为30.

2.6网络划分和边界约束

机舱罩部分主要是采用玻璃复合钢材料制作而成的，该种材料主要特征是各向异性，同时呈现为多层非线性。当下，复合材料中大部分为实体模型抽中面，通过壳单元对分层材料的各向属性进行定义，和非线性有限元分析。此次文章所介绍了机舱罩复合材料的层数达到20层，同时因为各层材料的资料数据、实验、制作工艺、层厚度等数据限制，不能准确给出不同层中各向压缩、弯曲以及拉伸等弹性模量，和相应的主次泊松比。所以，选择一种简化的理想分析方法，假设复合材料各向同性，在提前了解玻璃钢内树脂以及玻璃纤维等元素占据总体材料的90%，而玻璃纤维相关弹性模量参数大概是26000MPA，而树脂相关弹性模量参数是3200MPA，出于保守起见，主原料选择中，相关最低弹性模量充当材料简化模型属性，即将弹性模量定义成3200MPA，将玻璃钢的泊松比定义成0.3，选择SOLIOD45单元对机舱罩相关有限元模型进行划分，和实施静强度分析，最终能够获得495072个坝节点六面提单元[2]。

结语：

综上所述，通过对机舱罩振动模型的分析，可以清晰地对风力发电机组机舱罩的振动现象进行分析，方便实验人员对这种振动现象有更加直观的理解，从而提出合理的解决办法。

参考文献：

[1]张宠元.基于有限元的大型风力发电机机舱罩稳定性分析[J].内蒙古科技大学学报，2018，37（04）：368-372.

[2]王瑞，张丹.基于有限元的大型风力发电机组金属机舱罩设计开发[J].装备制造技术，2018（04）：60-63.