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【6h】

海上风力发电机组传动链关键零部件疲劳特性分析

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目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

① 风力发电机组建模仿真研究现状

② 风力发电机组疲劳研究现状

1.3 论文主要研究内容

2 海上风力发电机组运行原理

2.1 引言

2.2.1 风力发电机组基本结构及传动原理

2.2.2 风力发电机组系统拓扑分析

2.3 风力发电机组运行控制策略

2.3.1 变速控制

2.3.2 变桨控制

2.4 本章小结

3 海上风力发电机组系统动力学建模

3.1 引言

3.2 风力发电机组系统动力学建模方法

3.3 海上风力发电机组空气动力学及水动力学建模

3.3.1 空气动力学建模

3.3.2 水动力学建模

3.4.1 刚柔耦合多体动力学基本理论

3.4.2 柔性体建模

3.4.3 传动链建模

3.5 海上风力发电机组系统动力学模型

3.6 本章小结

4 海上风力发电机组传动链关键零部件疲劳载荷分析

4.1 引言

4.2.1 齿轮动载荷分析

4.2.2 齿轮应力分析

4.2.3齿轮疲劳载荷谱编制

4.3.1轴承动载荷分析

4.3.2轴承当量动载荷求解

4.3.3轴承疲劳载荷谱编制

4.4 本章小结

5 海上风力发电机组传动链关键零部件疲劳损伤分析

5.1 引言

5.2.1 齿轮材料 S-N曲线

5.2.2 齿轮疲劳损伤分析

5.3 风力发电机组传动链轴承短期疲劳损伤分析

5.4.1 风力发电机组全寿命周期风速分布规律

5.4.2齿轮和轴承全寿命疲劳损伤计算

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间申请专利目录

C. 作者在攻读学位期间参与的科研项目目录

D. 学位论文数据集

致谢

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摘要

风力发电是目前最具发展潜力的新能源技术,发展风电技术对我国的能源转型和解决环境污染起着至关重要的作用。相比于陆地而言,海上风力资源更加丰富,加上国家政策的支持,发展海上风力发电机组已经成为了必然趋势。近海单柱式风力发电机组是目前我国技术相对比较成熟的海上风力发电机组,与陆上风力发电机组相比,风浪的叠加作用使近海单柱式风力发电机组运行环境更加复杂多变,其零部件受载情况更加恶劣,严重影响其运行寿命。建立完整的近海单柱式风力发电机组整机模型,计算随机风载下风力发电机组关键零部件的动载荷,分析全寿命周期内零部件的疲劳特性,对海上风力发电机组的优化设计和可靠运行有着重要的意义。  论文主要研究内容如下:  ①对NREL的5MW近海单柱式风力发电机组结构和工作原理进行分析,根据风力发电机组的基本结构建立其系统拓扑关系图;综合考虑风力发电机组的空气动力学、水动力学、多体动力学特性和构件柔性,结合变速控制和变桨控制,基于Simpack软件建立风力发电机组系统动力学模型;  ②建立不同平均风速的湍流风模型,分析不同平均风速下传动链中齿轮、轴承关键零部件的动载荷。结果表明,低于额定风速时,齿轮和轴承的动载荷随风速变化明显,高于额定风速时,齿轮和轴承的动载荷变化不明显;  ③分析齿轮的弯曲应力、接触应力和轴承的当量动载荷,制定齿轮和轴承的疲劳载荷谱,对各风速下传动链中齿轮和轴承的短期疲劳损伤进行分析,结合风场风速频率分布情况,得到不同风速下疲劳损伤值占20年全寿命周期损伤值得比例。结果表明,风速区间3~11m/s产生的损伤值仅占总损伤值的21.9%,12~25m/s风速区间损伤值占比78.1%;  ④分析全寿命周期传动链中各齿轮和轴承疲劳特性,结果表明。各齿轮和轴承的全寿命周期损伤值均未达到疲劳失效的极限值,低速级主轴附近和高速级输出轴附近齿轮和轴承损伤值较大,而中间级的齿轮和轴承疲劳损伤值较小。

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