风电机组主传动链多维耦合振动机理及能量传递特性研究

Gear transmission system is an important mechanism of wind turbine, and it has adirect relationship with the running stability and service life of the whole drives.   This research is aiming at discovering system multidimensional coupled mechanisms, improving the operational stability. The dynamic model of wind turbine transmission system will be built according to the equilibrium relationship of the system dynamic force and the structure elastic deformation. In the model the environments(such as instantaneous gust, turbulence effects etc) and operating(such as pitch operation, unit start-stop etc) condition of the wind turbine and the transmission system internal extinction are considered as external excitation. The dynamic characteristics of the system and the key components under the extreme running condition will be calculated. The mechanisms of the system vibration energy produce, wastage and transfer will researched, the influence of the aerodynamic load, operation condition on the vibrational energy transfer characteristics of the transmission system will be analyzed. The wind turbine gear drive system modal parameters、dynamic characteristics and vibrational energy test will be carried out, the analysis model will be modified based on the parameter sensitivity analysis. The achievements of this project will provide theoretical basis to the design of planetary transmission system with high reliability.

主传动链是风力发电机组的重要组成部分，直接关系着整机的运转稳定性与使用寿命。本项目以提高风电机组主传动链运转平稳性为目标，引入风电机组极端运行环境与工况条件（瞬时阵风，湍流效应、变桨操作和机组启停等）的影响，综合考虑弹性构件子系统、支撑结构子系统间的耦合作用，同时以各子系统间的变形协调关系为基础，建立主传动链多维耦合动力学模型，探索风电机组主传动链多维耦合作用机理及其影响规律。关键内容包括研究计算极端运行条件下，风电机组主传动链及关键零部件的动态特性；研究多源激励下各子系统振动能量的产生、损耗与传递机理；研究风机运行工况、传动链设计参数等对系统能量传递特性的影响；进行主传动链动态测试平台构建，开展传动系统模态参数测试、动态特性与振动能量测试试验，进一步修正系统模型。本项目研究成果将为提高风电机组主传动链运转平稳性设计及风力发电机组高可靠性运行提供理论指导。

中国风能资源储量居世界首位，开发利用潜力大，为缓解对传统能源的依赖性，风电产业发展面临着前所未有的机遇和挑战。机组运行工况条件复杂多变，现有国产化机组普遍存在稳定性差，使用寿命短等不足。本项目系统的开展了风电机组主传动链动态激励计算方法，风电行星齿轮传动系统刚柔耦合建模方法，极端条件下风电行星齿轮传动系统动态特性以及风电齿轮传动系统实验台搭建与实验测试方法的研究。本项目工作的主要内容和成果有：1.开展了各运行条件下风力发电机组风载荷仿真计算研究，验证了项目中所提出的方法的正确性。系统的计算了正常风力条件，极端风力条件与极端运行条件下等（共计9种工况条件）风力发电机组动载荷变化规律。提出了综合考虑齿轮结构变形、轮齿变形以及轮齿接触变形的齿轮时变刚度计算方法。2.综合考虑各齿轮的偏心误差、装配误差的影响，采用有限元法将连续系统离散为轴-轴、轴-齿轮等基础单元，对各基础单元进行单独建模，建立了计入齿圈柔性的行星齿轮传动动力学模型。3.以外部风载荷为激励，分析得到了系统动载荷，以及稳态风、启动工况、停机（刹车）工况条件下的系统响应特性。结果显示：在风机启动时,系统转速与动载荷振动幅值均逐渐增大,变桨操作介入后，产生瞬时过载,系统振动响应幅值急剧增大至26.7%；停机工况下，刹车及变桨的双重作用，使动载荷与转速迅速减小直至停止工作。4.搭建了风电主传动链实验模型，开展了振动、热传导及动应力特性等试验，进一步验证与修正所建模型与方法的准确性。本项目研究成果将为提高风电机组主传动链运转平稳性设计及风力发电机组高可靠性运行提供理论指导。