能源——基于Simpack的风力发电机组偏航系统动态特性分析.pdfVIP

基于SIMPACK 的风力发电机组偏航系统动态 特性分析 内容提要：偏航系统是水平轴风力发电机组的重要组成部分，其主要作 用是使风轮叶片始终处于迎风位置，同时提供了风电机组安全运行和停机状态所 需要的锁紧力矩。偏航系统性能的好坏直接决定了风力发电机的发电质量和风能 利用率的高低。因此研究风电机组运行时偏航系统的动态特性是风力发电机组设 计中的重要任务之一。本文以3.0MW 风力发电机组中的偏航系统为研究对象， 根据多体系统动力学理论，设计偏航系统结构拓扑图，使用多体动力学软件 SIMPACK 建立其动力学模型，分析研究风力发电机偏航过程中偏航齿轮传动系 统的动力学特性。为风机偏航系统齿轮间的运行情况的影响方面提供了一定的参 考依据，对风力发电机组设计具有指导意义。 1、前言 随着风能利用的兴起，兆瓦级风力发电机组成为主流的风力发电 设备。由于风向的时刻变化，风力发电机组偏航系统在启动与刹车状 态之间变化频繁，受载情况与工作环境复杂，因此在设计制造与使用 [1] 过程中有着极高的结构要求 ，为了系统的研究风力发电机组偏航时 的动态特性，本文运用多体动力学方法对风机偏航时偏航系统的动态 特性进行仿真分析。这对偏航系统齿轮的齿轮强度和可靠性设计具有 重要指导意义。 2 、偏航系统结构参数 [2] 偏航系统是水平轴风力发电机组的至关重要组成部分 。对于大 型并网水平轴风力发电机组来说，其主动偏航系统机构大体包括以下 几个部分：偏航轴承、偏航制动装置、偏航驱动装置和偏航保护装置 [3] 等 。本文所选机组采用内齿式偏航系统，通过输出轴上的小齿轮与 [3] 轴承内圈齿轮啮合，以推动机舱旋转，达到偏航目的 。3MW 风力 发电机组采用六个偏航驱动方式，以保证在提供足够转矩的前提下， 尽可能保持机舱平稳运动。具体偏航驱动分布的形式如图 2-1 所示。 图2-1 偏航齿轮装配图 本文以3MW 风力发电机组偏航系统齿轮副进行研究。偏航齿轮 系统是由六个与减速器相连的小齿轮同时与偏航轴承内圈大齿轮相 啮合构成的，六个小齿轮在大齿轮周围呈轴对称分布。具体相关参数 见表 2-1。 表2-1 齿轮参数表 大齿轮 小齿轮 模数/mm 16 16 齿数/个 162 14 齿宽 mm 150 150 密度 kg/m 3 7860 7860 杨氏模量 GPa 206 206 泊松比 0.3 0.3 3 、偏航系统动力学模型 在SIMPACK 中建立风力发电机组偏航系统的动力学模型，建立 模型前需确定模型的拓扑图，偏航系统齿轮啮合拓扑图如图3-1， 图3-1 偏航系统齿轮啮合拓扑图 在SIMPACK 中齿轮由25 号齿轮体单元定义。按照齿轮参数表 赋予实体基本属性包括密度、杨氏模量、泊松比等参数。忽略塔筒的 微小晃动，对模型其进行约束，基本过程如下: (1)将塔筒与大地固定约束，将偏航轴承内齿圈与塔筒之间用固 定的方式约束，以模拟偏航轴承内齿圈与塔筒之间的固定;