郭艷伸，常喜強(qiáng)，張新燕，雷晨昊

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊　830047；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司調(diào)度控制中心，新疆 烏魯木齊　830006；3.國(guó)網(wǎng)新疆烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊　830011)

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基于ANSYS的風(fēng)力機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承熱分析

郭艷伸1，常喜強(qiáng)2，張新燕1，雷晨昊3

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830047；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司調(diào)度控制中心，新疆 烏魯木齊830006；3.國(guó)網(wǎng)新疆烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊830011)

風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，提高發(fā)電機(jī)組可靠性成為了一個(gè)重要的課題,其中發(fā)電機(jī)軸承運(yùn)行可靠性就是其中之一。利用傳熱學(xué)、摩擦學(xué)理論分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承正常及風(fēng)速突變狀態(tài)下的發(fā)熱機(jī)理和傳熱特點(diǎn)，通過(guò)ANSYS軟件建模求解出溫度場(chǎng)、熱流密度等熱力學(xué)量并對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行分析。研究結(jié)果對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承故障診斷以及優(yōu)化設(shè)計(jì)有參考意義。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)；可靠性；傳熱；軸承；溫度場(chǎng)

當(dāng)今世界全球變暖、能源緊缺以及環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，許多國(guó)家都把發(fā)展可再生能源當(dāng)做一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略舉措，所以近些年包括風(fēng)電在內(nèi)的可再生能源發(fā)展迅速，風(fēng)電已經(jīng)成為繼火電和水電之后的第三大主力電源[1]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障率偏高，加之風(fēng)電機(jī)組輪轂高以及地處環(huán)境惡劣等因素的影響，使得維修成本高、維修周期長(zhǎng)、維修困難的問(wèn)題阻礙了風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。為了風(fēng)力發(fā)電的大規(guī)模發(fā)展并且提高發(fā)電效益，就要提高風(fēng)力機(jī)組的故障診斷技術(shù)，做到能預(yù)防為主，提前發(fā)現(xiàn)缺陷，防止設(shè)備故障的發(fā)生，能科學(xué)安排檢修計(jì)劃，提高風(fēng)力機(jī)組穩(wěn)定性，做到效益最佳。

在風(fēng)力機(jī)組常發(fā)生的故障中，發(fā)電機(jī)軸承失效發(fā)生率較高，故障類(lèi)型包括磨損失效、疲勞剝落、腐蝕失效、斷裂失效、壓痕失效、膠合失效和保持架損壞[3]。這些故障無(wú)一不伴隨著電機(jī)軸承溫度場(chǎng)的變化，所以監(jiān)測(cè)軸承溫度場(chǎng)的變化就可以了解軸承的運(yùn)行狀態(tài)以及故障狀況。風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承的熱力學(xué)分析為風(fēng)力機(jī)組故障診斷提供了理論依據(jù)。

1　風(fēng)力發(fā)電理論

1.1風(fēng)能

風(fēng)力發(fā)電就是利用風(fēng)能發(fā)出電能的發(fā)電設(shè)備。根據(jù)動(dòng)能定理，運(yùn)動(dòng)的物體就具有能量，單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)半徑為R的風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能即風(fēng)功率為

(1)

式中，m為空氣質(zhì)量，kg；v為風(fēng)速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m2；A為風(fēng)力機(jī)葉輪掃過(guò)面積，m。

當(dāng)風(fēng)能流過(guò)的橫截面積為單位面積即為1m2時(shí)所計(jì)算出的風(fēng)功率就是風(fēng)能密度。

(2)

由式(2)可以看出，風(fēng)能密度和風(fēng)速的三次方成正比，因此單位風(fēng)速的增加會(huì)造成風(fēng)能密度較大的增量，這在風(fēng)速突變時(shí)對(duì)風(fēng)力機(jī)組會(huì)形成不小的沖擊力。

由于風(fēng)速是隨著時(shí)間不斷變化的，所以風(fēng)能密度也隨著時(shí)間不斷變化，這就提出了一個(gè)平均風(fēng)能密度的概念。

(3)

式中，T為周期，即求取平均值的時(shí)間長(zhǎng)度，平均風(fēng)能密度表示了一段時(shí)間風(fēng)能密度的平均值。

1.2直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有直驅(qū)式、半直驅(qū)式和雙饋式。相比于雙饋式風(fēng)機(jī)，直驅(qū)式風(fēng)機(jī)有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電磁兼容性強(qiáng)、維護(hù)成本低、損耗小、受風(fēng)速限制小、噪音小等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。此外由于運(yùn)行原理的差異，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著發(fā)電功率的升高而有明顯的上升，當(dāng)然軸承溫度也隨之有較明顯的升高，而雙饋式發(fā)電機(jī)由于控制系統(tǒng)的調(diào)控，轉(zhuǎn)速變化較小，造成軸承溫度變化不明顯，軸承溫度蘊(yùn)含信息較少，研究?jī)r(jià)值較小。因此主要對(duì)永磁直驅(qū)式風(fēng)力機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承進(jìn)行研究。

直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要設(shè)備有風(fēng)機(jī)葉片、永磁同步發(fā)電機(jī)和整流逆變裝置3個(gè)部分。如圖1所示。

圖1　直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要組成部分

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最主要的設(shè)備，也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組區(qū)別于其他設(shè)備最重要的標(biāo)志。它的作用是捕捉風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。葉片上帶有避雷裝置、變槳裝置和鎖定銷(xiāo)，避雷裝置用以保護(hù)葉片不受雷擊損壞，變槳裝置用于改變槳葉角，鎖定銷(xiāo)用于檢修時(shí)鎖定葉片防止轉(zhuǎn)動(dòng)。由于風(fēng)速不斷變化，機(jī)組發(fā)出的電能頻率也隨之變化，整流逆變模塊可以改變所發(fā)出電能的頻率，這樣就可以使電能符合并入電網(wǎng)的條件，才能并網(wǎng)發(fā)電。

風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能通過(guò)主軸傳遞到永磁同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為頻率變化的電能，再通過(guò)整流逆變器轉(zhuǎn)化為符合并網(wǎng)條件的電能送入電網(wǎng)。

由貝茲理論可知：[4]

(4)

式中，Cp為風(fēng)力機(jī)輸出功率系數(shù)，它與葉尖速度與風(fēng)速之比λ有關(guān)，又與槳葉節(jié)距角α有關(guān)。在α和風(fēng)速不變的情況下，不同的λ值即不同的葉尖速度對(duì)應(yīng)著不同的Cp值；但是只有一個(gè)最佳λ值λmax使Cp取到最大值Cpmax，這時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率最大，也就是說(shuō)α不變時(shí)為了使風(fēng)能利用率最大，風(fēng)力機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)速是一一對(duì)應(yīng)的，隨著風(fēng)速的不斷上升，葉輪轉(zhuǎn)速也要不斷上升，這是下面研究的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)之一[5]。

2　傳熱學(xué)基本理論

傳熱學(xué)就是研究由溫差引起的熱能傳遞規(guī)律的學(xué)科。熱能的傳遞有3種方式：熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)和熱輻射。

物體之間沒(méi)有宏觀(guān)的相對(duì)移動(dòng)，而是依靠分子、自由電子等等微觀(guān)粒子的熱運(yùn)動(dòng)而使熱量發(fā)生傳遞的熱量傳遞方式稱(chēng)為熱傳導(dǎo)。通過(guò)大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出了導(dǎo)熱現(xiàn)象的規(guī)律傅里葉定律：

(5)

熱對(duì)流是由于流體各部分之間存在宏觀(guān)上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成冷熱流體相互摻混而產(chǎn)生的量能傳遞的過(guò)程。在工程中常常最關(guān)心的是流體流過(guò)固體表面時(shí)的熱能傳遞現(xiàn)象，這稱(chēng)之為對(duì)流傳熱。對(duì)流傳熱中熱量的傳遞計(jì)算用牛頓冷卻公式：

流體被加熱時(shí)q=h(tw-tf)

(6)

流體被冷卻時(shí)q=h(tf-tw)

(7)

式中：tw和tt分別為壁面溫度和流體溫度，℃；h為表面換熱系數(shù)，W/m2。表面換熱系數(shù)的大小和很多因素有關(guān)，包括流體的物理性質(zhì)，換熱表面的形狀、物理性質(zhì)和布置、流體流速大小。[6]

熱輻射是物體之間通過(guò)電磁波傳遞能量的傳熱方式。由于只用到了熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱，所以就不再對(duì)熱輻射做詳細(xì)介紹。

3　有限元理論

有限元計(jì)算法是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代計(jì)算方法，其理論基礎(chǔ)是數(shù)值分析。它把連續(xù)的工程結(jié)構(gòu)離散化，劃分出許多有限的單元，推導(dǎo)出每個(gè)單元的單元矩陣，再把這些矩陣拼接成總矩陣，施加約束條件形成總矩陣方程，然后求解這個(gè)方程，求解方法有迭代、直接法和隨機(jī)法，最后就是進(jìn)行后處理，顯示和提取出用戶(hù)想要的求解信息。

通過(guò)有限元的思想可以看出，有限元分析的步驟包括幾何建模、網(wǎng)格劃分、施加約束條件、求解以及后處理。幾何建?？梢酝ㄟ^(guò)有限元軟件自帶的建模工具DM建模也可以導(dǎo)入在第三方建模軟件上建立的模型。

4　風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承的摩擦生熱以及散熱分析

4.1軸承的摩擦生熱

研究發(fā)電機(jī)軸承的熱源是首要工作，發(fā)電機(jī)軸承的熱量主要來(lái)自于摩擦功率損失，其中包括滾子的自旋生熱、滾子與油脂的拖動(dòng)生熱、油脂與內(nèi)外圈的拖動(dòng)生熱、保持架與滾子的摩擦生熱[8]。在不考慮每一項(xiàng)摩擦生熱大小的情況下，把軸承作為一個(gè)整體考慮，其摩擦生熱計(jì)算公式為

(8)

式中：ni為軸的轉(zhuǎn)速，r/min；Mf為軸承摩擦力矩，N·m。

4.2軸承的散熱分析

內(nèi)圈、滾子、外圈和潤(rùn)滑油脂都有摩擦生熱，軸承承載區(qū)和非承載區(qū)發(fā)熱特性區(qū)別較大，滾子在內(nèi)外圈接觸面滾動(dòng)產(chǎn)生熱量，對(duì)于內(nèi)外圈接觸面來(lái)說(shuō)是一個(gè)周期變化的移動(dòng)熱源，這樣計(jì)算過(guò)于復(fù)雜以至于無(wú)法進(jìn)行研究，需要對(duì)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。由于滾子滾動(dòng)速度快，在這樣短暫的時(shí)間內(nèi)摩擦產(chǎn)生的熱量無(wú)法傳導(dǎo)入軸承內(nèi)部，所以設(shè)定內(nèi)外圈接觸面被均勻加熱，軸承溫度分布中心對(duì)稱(chēng)。設(shè)定內(nèi)套圈與電機(jī)主軸接觸的表面，外套圈與電機(jī)定子接觸的表面溫度不變[9]，軸承兩側(cè)與空氣強(qiáng)制對(duì)流換熱，滾子與滾道間油膜厚度忽略不計(jì)，滾子與潤(rùn)滑油脂有對(duì)流換熱，摩擦生熱產(chǎn)生的熱量折合入內(nèi)外圈表面熱源。

5　風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承有限元建模以及網(wǎng)格劃分

5.1ANSYS-Workbench軟件簡(jiǎn)介

ANSYS是結(jié)合有限元思想和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)的一款計(jì)算機(jī)仿真軟件，在CAE領(lǐng)域有著巨大的市場(chǎng)，自ANSYS7.0之后，ANSYS公司推出了Mechanical APDL和ANSYS-Workbench兩個(gè)版本，兩個(gè)版本用同一個(gè)求解器，所以求解精度是基本相同的。ANSYS-Workbench軟件求解過(guò)程分為6個(gè)步驟：添加材料庫(kù)、幾何模型數(shù)據(jù)、網(wǎng)格控制劃分、邊界條件設(shè)定和載荷施加、分析計(jì)算、計(jì)算結(jié)果后處理顯示[7]，如圖2。

圖2　ANSYS-Workbench項(xiàng)目流程圖

圖中B2到B7每一個(gè)單元格代表分析流程中的一個(gè)步驟，根據(jù)分析項(xiàng)目圖由上到下執(zhí)行每一個(gè)單元格命令，就可以完成所要研究問(wèn)題的數(shù)值模擬工作。對(duì)比于經(jīng)典版的命令流即Mechanical APDL方式ANSYS-Workbench具有更好的用戶(hù)交互界面，更容易操作，學(xué)習(xí)入門(mén)相對(duì)容易，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

5.2軸承建模及網(wǎng)格劃分

利用ANSYS-workbench自帶建模工具DesignModeler對(duì)軸承進(jìn)行建模。由于軸承溫度場(chǎng)中心對(duì)稱(chēng)，所以只對(duì)一個(gè)滾子進(jìn)行建模。建模完成后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在Details of mesh中的Relevance Center選項(xiàng)中選擇fine選項(xiàng)，其他為默認(rèn)值，劃分結(jié)果如圖3。

圖3　模型及網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析中的重要一步，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對(duì)求解結(jié)果影響非常大，提高網(wǎng)格質(zhì)量可以顯著提高求解結(jié)果精度，只有劃分好網(wǎng)格才能進(jìn)行下一步的分析計(jì)算。網(wǎng)格劃分得到8 6317個(gè)節(jié)點(diǎn)，3 8134個(gè)單元，單元質(zhì)量平均值為0.79，縱橫比平均值為1.97，雅克比比率為1.08，翹曲因子為3.44×10-15，平行偏差為9.18，傾斜度為0.318。從這些數(shù)據(jù)來(lái)看網(wǎng)格質(zhì)量較好，無(wú)需再對(duì)網(wǎng)格劃分進(jìn)行調(diào)整。

6　正常運(yùn)行狀態(tài)分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下轉(zhuǎn)速不變，軸承摩擦生熱不變，是一個(gè)穩(wěn)態(tài)熱分析。以一臺(tái)2 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，滿(mǎn)載運(yùn)行狀態(tài)下軸承摩擦生熱損失按照1%計(jì)算，熱功率為10 kW。取軸承鋼及滾子導(dǎo)熱系數(shù)λ為50 W/(m·K),油脂與滾子對(duì)流換熱系數(shù)為90W/(m2·K),軸承兩側(cè)表面與空氣強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)為50 W/(m2·K),軸承滾道表面熱源熱流密度q為8.9×105W/ m2，軸承外表面溫度為42℃，軸承內(nèi)表面溫度為67℃。分別在不同運(yùn)行功率下對(duì)模型加載求解得到如圖4的軸承穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)云圖。

圖4　1/4滿(mǎn)載功率時(shí)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布圖

圖5　1/2滿(mǎn)載功率時(shí)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布圖

圖6　3/4滿(mǎn)載功率時(shí)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布圖

圖7　滿(mǎn)載功率時(shí)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布圖

由滿(mǎn)載穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)云圖可以看出軸承運(yùn)行最高溫度出現(xiàn)在內(nèi)圈滾道上，最高溫度228.44℃,所以?xún)?nèi)圈滾道材料表面要采用更耐熱材料或者添加鍍層。內(nèi)圈最高溫度到最低溫度有186℃的溫度差，產(chǎn)生了一個(gè)從紅色區(qū)域輻射而出的溫度梯度，這將產(chǎn)生熱變形。外圈溫度和溫度梯度都較低，承受的熱應(yīng)力較小。對(duì)比不同功率下穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)云圖可以發(fā)現(xiàn)隨著功率的提高，軸承溫度和溫度梯度都不斷上升，對(duì)軸承的損害越大。

7　風(fēng)速突變狀態(tài)下分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開(kāi)始在1 MW負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行，做一個(gè)穩(wěn)態(tài)熱分析，得到瞬態(tài)熱分析的初始溫度場(chǎng)，風(fēng)速突變，機(jī)組功率在5 s內(nèi)從1 MW均勻升高至2 MW滿(mǎn)載狀態(tài)并保持滿(mǎn)載運(yùn)行。前面已述隨著發(fā)電機(jī)組功率的提高葉輪轉(zhuǎn)速也不斷升高，摩擦生熱產(chǎn)生熱量也隨之上升，達(dá)到滿(mǎn)載狀態(tài)時(shí)摩擦生熱量不再變化，摩擦熱損失功率為20 kW。從1 s時(shí)發(fā)電機(jī)功率開(kāi)始上升，6 s時(shí)發(fā)電機(jī)達(dá)到額定功率，做一個(gè)時(shí)長(zhǎng)為60 s的瞬態(tài)熱分析。軸承鋼密度為7 810 kg/m3，比熱容為465 J/(kg·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)恒定不變，其他邊界條件不變，圖8為第6.0 s軸承瞬態(tài)溫度場(chǎng)云圖，圖9為軸承最高溫度點(diǎn)溫度變化曲線(xiàn)。

圖8　第6.0 s時(shí)軸承溫度場(chǎng)云圖

圖9　軸承最高溫度點(diǎn)溫度變化曲線(xiàn)

從圖8可以看出相比于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，當(dāng)發(fā)電機(jī)功率上升時(shí)軸承溫度場(chǎng)溫度梯度更大，會(huì)產(chǎn)生更大的熱應(yīng)力，對(duì)軸承的健康運(yùn)行不利，所以發(fā)電機(jī)應(yīng)盡量減少功率波動(dòng)或者風(fēng)力機(jī)組要盡量安裝在風(fēng)速穩(wěn)定地區(qū)。

從圖9可以看出，在1～6 s的功率增加階段，溫度幾乎呈直線(xiàn)上升，在6 s后的功率不變階段溫度上升速度開(kāi)始下降，但溫度還是在持續(xù)上升，直到40 s時(shí)溫度場(chǎng)基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)，變化的溫度場(chǎng)將會(huì)產(chǎn)生非定常熱應(yīng)力，軸承長(zhǎng)期承受非定常熱應(yīng)力作用易使軸承失效。

8　結(jié)　語(yǔ)

前面分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承的摩擦生熱和散熱特點(diǎn)，通過(guò)ANSYS-Workbench建立起了風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承的模型并在正常運(yùn)行和風(fēng)速突變兩種工況下進(jìn)行了仿真分析。穩(wěn)態(tài)分析表明正常運(yùn)行狀態(tài)下軸承存在定常熱應(yīng)力，對(duì)軸承運(yùn)行影響較小。瞬態(tài)分析結(jié)果表明在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生非定常熱應(yīng)力，易使軸承疲勞，減短軸承壽命。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝位置很高加之軸承本身結(jié)構(gòu)原因，造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承溫度很難用儀器儀表直接測(cè)量，所以對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承運(yùn)行狀態(tài)的了解和優(yōu)化設(shè)計(jì)有參考意義。

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With the rapid development of wind power industry, it has become an important subject to improve the stability of generating unit, including the reliability of generator bearing operation. Using heat transfer theory and tribology theory, the heating mechanism and heat transfer characteristics of wind turbine bearing are analyzed under the normal wind speed and the wind speed mutation. The bearing is modeled by ANSYS software to calculate the temperature field, heat flux density and other thermodynamic quantities, and the results are analyzed to deduce some conclusions, which gives a reference value to fault diagnosis of wind turbine generator bearings and its design optimization.

wind turbine generator; reliability; heat transfer; bearing; temperature field

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51367015)

TM14

A

1003-6954(2016)04-0006-05

2016-06-08)

郭艷伸(1989)，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)力機(jī)組故障診斷；

常喜強(qiáng)(1976)，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)分析與控制、調(diào)度運(yùn)行控制工作。