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1、10申请公布号CN104199998A43申请公布日20141210CN104199998A21申请号201410338098122申请日20140716G06F17/5020060171申请人沈阳化工大学地址110142辽宁省沈阳市经济技术开发区11号72发明人刘欢王健王庆辉李金凤郭烁张琳琳74专利代理机构沈阳技联专利代理有限公司21205代理人张志刚54发明名称一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法57摘要一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法,涉及风力发电机动态分析方法，所述方法包括采用ANSYS软件大型恒频变速风电机组桨叶进行建模，通过比较数值计算值和测量值的误差，证明该模型在低阶时具有较。
2、高的计算精度，仿真结果桨叶的低阶振动形式是挥舞，因此弯曲振动是其影响桨叶所受应力的主要形式，可忽略扭转效应。该方法可操作性强、精度高。为研究大型风力发电机组的稳定性、故障诊断和寿命预测提供理论依据。51INTCL权利要求书1页说明书4页附图1页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书4页附图1页10申请公布号CN104199998ACN104199998A1/1页21一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法，其特征在于，所述方法包括采用ANSYS软件大型恒频变速风电机组桨叶进行建模，通过比较数值计算值和测量值的误差，证明该模型在低阶时具有较高的计算精度，仿真结果桨叶的低。
3、阶振动形式是挥舞，因此弯曲振动是其影响桨叶所受应力的主要形式，可忽略扭转效应。2根据权利要求1所述的一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法，其特征在于，所述计算桨叶连续和离散模型下的扭转频率和弯曲频率，并分析比较，同时采用有限元方法来分析风力发电机的动态特性。3根据权利要求1所述的一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法，其特征在于，所述建立精度较高的有限元模型，计算了大型恒频变速风电机组桨叶的固有频率，证明无共振可能性，该型号桨叶的主要振动形式为挥舞，振动能量以弯曲振动为主，而非扭转，在低阶时，可以在弯曲扭转耦合效应中忽略扭转对应力的影响。权利要求书CN104199998A1/4页3一种风力发电机。
4、组桨叶动态特性分析方法技术领域0001本发明涉及一种风力发电机动态分析方法，特别是涉及一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法。背景技术0002目前，世界上能源日益短缺，环境污染问题已经引起人们强烈关注，风力发电作为一种清洁能源已成为新世纪电力发展的主要方向；在过去的几十年中，风力发电机组由转速固定的变桨距型发展为变速恒频型，发电效率已显着提高，但由于桨叶长时间高效运转，其周期性负载导致的疲劳将降低风力发电机组的稳定性和寿命，因此分析桨叶动态特性，是非常必要的。0003通过计算桨叶连续和离散模型下的扭转频率和弯曲频率，并分析比较，同时采用有限元方法来分析风力发电机的动态特性，为研究大型风力发电机组。
5、的稳定性、故障诊断和寿命预测提供理论依据。发明内容0004本发明的目的在于提供一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法，采用ANSYS软件大型恒频变速风电机组桨叶进行建模，通过比较数值计算值和测量值的误差，证明该模型在低阶时具有较高的计算精度，为研究大型风力发电机组的稳定性、故障诊断和寿命预测提供理论依据。0005本发明的目的是通过以下技术方案实现的一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法，其所述方法包括采用ANSYS软件大型恒频变速风电机组桨叶进行建模，通过比较数值计算值和测量值的误差，证明该模型在低阶时具有较高的计算精度，仿真结果桨叶的低阶振动形式是挥舞，因此弯曲振动是其影响桨叶所受应力的主要形式。
6、，可忽略扭转效应。0006所述的一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法，所述计算桨叶连续和离散模型下的扭转频率和弯曲频率，并分析比较，同时采用有限元方法来分析风力发电机的动态特性。0007所述的一种风力发电机组桨叶动态特性分析方法，所述建立精度较高的有限元模型，计算了大型恒频变速风电机组桨叶的固有频率，证明无共振可能性，该型号桨叶的主要振动形式为挥舞，振动能量以弯曲振动为主，而非扭转，在低阶时，可以在弯曲扭转耦合效应中忽略扭转对应力的影响。0008本发明的优点与效果是本发明采用ANSYS软件大型恒频变速风电机组桨叶进行建模，通过比较数值计算值和测量值的误差，证明该模型在低阶时具有较高的计算精度。。
7、仿真结果表明，桨叶的低阶振动形式是挥舞，因此弯曲振动是其影响桨叶所受应力的主要形式，可忽略扭转效应。为研究大型风力发电机组的稳定性、故障诊断和寿命预测提供理论依据，经济效益明显。说明书CN104199998A2/4页4附图说明0009图1为本发明桨叶的俯视图；图2为本发明桨叶内部截面的有限元网格图；图3为本发明桨叶的振型图。具体实施方式0010下面结合附图所示实施例，对本发明作进一步详述。0011本发明是采用ANSYS软件大型恒频变速风电机组桨叶进行建模，通过比较数值计算值和测量值的误差，证明该模型在低阶时具有较高的计算精度。仿真结果表明，桨叶的低阶振动形式是挥舞，因此弯曲振动是其影响桨叶所受。
8、应力的主要形式，可忽略扭转效应。0012通过计算桨叶连续和离散模型下的扭转频率和弯曲频率，并分析比较，同时采用有限元方法来分析风力发电机的动态特性。0013实施例1桨叶的固有频率计算弯曲和扭转是桨叶运动经过简化后的两种运动方式。前者根据弯曲方向不同，又可分为在垂直于旋转平面方向和旋转平面内的摆振和挥舞。001411桨叶的弯曲频率假设桨叶的固有频率是；桨叶节点N上所受到的离心力是T；桨叶单位长度下的质量是M；桨叶节点N上所受到的剪切力是S；桨叶的平衡方程式如下通过计算最终可以得到以下方程式假设桨叶的影响系数矩阵为D，对该矩阵进行离散后，桨叶的质量矩阵是M，桨叶的振型矩阵为，因此以上公式可以转化成。
9、如下方程说明书CN104199998A3/4页5假设振型矩阵为，通过对振型矩阵进行连续迭代五次或者六次收敛后，就可求出其它振型和最低阶频率。0015通过以上这种方式所求出的结果是离散的数据点，该方法可以认为是用来进行分析桨叶动态特性的一个理论基础。001612扭转和弯曲的耦合通过求解模态微分方程的数值解；其弯曲自由振动方程式如下所示根据桨叶固定端和自由端的边界条件，并采用分离变量的方法，可将公式转换为常微分方程。经过计算发现，龙格迭代方法可以进行收敛，再对其结果进行修正便可以求出该方程的数值解。假设扭转刚度为GI，单位长的惯性力为C；空气动力参数为LA；角速度为；该扭转运动方程式如下所示通过把。
10、上面两个公式进行耦合，然后就可算出该桨叶每个单元的位移和受的应力。00172应用ANSYS软件进行有限元分析21桨叶的建模（1）模型参数以额定转速为25R/MIN，弦长为30米，兆瓦级风力发电机组为例，桨叶的尺寸设计建立好图1所示的桨叶模型。0018（2）自定义单元类型和划分网格桨叶的主要成份是玻璃钢复合纤维材料，只要改变复合层材质，就能改变其质量分布。在本例中，195103KG/M3为叶片的线密度值，395108PA为叶片的展向弹性模量值，86108PA为剪切弹性模量值，019为泊松比值，通过上面这些参数进行计算，先计算SOLID45单元类型的值，后计算三维立方体BRICK的值，把两者的结果。
11、再进行分析比较。从计算的结果可以看出，计算精度高的是SOLID45单元类型，SOLID45单元类型与实际情况相符，而三维立方体BRICK类型的计算在三阶之后，出现较大误差。所以，前者类型更为合适。0019图2是对桨叶内部截面进行的网格划分。应用有限元的方法对连续的求解区间，进行离散计算处理，从而计算出未知单元的函数值来分析整个桨叶的特性。0020（3）对桨叶施加载荷和约束风力机最主要承受载荷的部件是桨叶，桨叶各个位置的受力比较复杂，桨叶所承受的是来自空气中动力和离心力还有自身重力。依据叶素理论，该桨叶的空气动力方程为说明书CN104199998A4/4页6式中，大气的动力为，攻角度为，桨叶的弦。
12、长为，在垂直方向气流的速度为V上升力系数，阻力系数为。0021为简化计算，可以完全忽略轴倾角所引起的在垂直于旋转平面上的重力分力1；同时也充分考虑到桨叶的内部结构都是材料填充层，所以不是采用部分约束方式，而是应用桨叶根部内截面完全约束的方式，这样所计算出的值与测量值更接近。002222计算结果将有限元数值计算值与测量值比较。该桨叶的工作频率小于固有频率，所以不产生共振，系统性能优良。一阶和二阶的误差较小，三阶误差超过了百分之十，四阶和五阶的误差变化明显，以上分析可以得知，当桨叶在阶数较低时，该桨叶模型固有频率的计算值精度很高。0023在确定有限元模型、单元类型、网格划分和载荷约束条件之后，对其模型进行了振型分析，如图3所示。图3中一阶振型为挥舞，它的最大位移点集中在桨叶的根部，而二阶最大位移集中在桨叶的自由端，三阶开始出现摆振，四阶和五阶也出现摆振。通过分析，完全可以知道该桨叶的主要振动形式不是摆振扭转。挥舞是该桨叶低阶时主要的振动形式，它的能量主要表现为该桨叶截面的弯曲振动。说明书CN104199998A1/1页7图1图2图3说明书附图CN104199998A。