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建立风力发电机虚拟仿真的可靠途径

发布时间:2016年12月25日

 

 

LMS工程咨询部协助世界领先制造商开发风力发电机声学性能

       风力发电机巨大的物理外形以及特有的辐射噪声使得风力发电机早期开发中的声学仿真工程极富挑战性。世界领先的风力发电机制造商与LMS公司工程咨询部合作开发了一种混合振动-噪声仿真模型,并且使用离地面100多米的风力发电机实际工况的测量数据来验证仿真模型。构建的与真实风力发电机等比的声学模型帮助工程师以极高的精度有效地预测远场的风力发电机声辐射。双方的精诚合作、技术交流和丰富的工程经验帮助整个开发团队克服了仿真建模和物理试验过程中的各种困难,同时风力发电机制造商还创立了一套稳健的风力发电机声学仿真方法。在创建和验证振动噪声仿真模型的过程中,还采用了先进的测试技术。


清洁、天然、无限的能源

     很多国家政府越来越致力于提高可再生能源的使用,而不再局限于传统的能源消耗。随着欧洲各国对生态环保以及清洁能源的重视,预计风能在未来25年内的增长将占欧洲能源需求的25%左右。在世界范围内,像美国、印度、日本、中国、加拿大、澳大利亚和新西兰等的风力发电机市场也在飞速发展。

      当人们站在风力发电机旁,常常惊诧其庞大的外形。制造商最大的风力发电机高约120米,叶片的风轮直径长达110米,其风轮叶片的扫掠面积大约8,000平方米!风力发电机的传动装置主要由大型齿轮箱和发电机装备组成,通过叶轮将风能转换为机械转矩,然后再转换成电能。风力发电机的控制系统和电力转换系统确保风机在任何自然风力条件下,都能够在某个频率上输出稳定电压。

虚拟仿真技术优化风力发电机的声学性能
       风力发电机产生的噪声受到很多因素影响,包括风机叶片的尺寸和外形设计;传动系统运转以及自然风的方向、风力和风湍流强度。粗略地讲,兆瓦级风力发电机在距风力机表面130-150米处的噪音值可达45-55dBA。 在平均风速下,风力发电机的噪声仅仅能压过风湍流、植物落叶和/或交通噪声,这些生活中常见的背景噪声源的噪声水平大约为10-15dBA。齿轮箱(齿轮对或者齿轮组的啮合),发电机(机电电极之间的相互作用),以及系统液压设备内部产生的动态力会导致零部件发出特殊音调的噪声。而这些动态力会导致局部外壳表面振动,将噪声辐射至周围区域。此外,传动系统中的旋转机械激发的噪声也可以直接通过结构噪声路径辐射到周围环境。

       为了努力降低风力发电机的噪声,风机制造商与LMS公司的工程咨询部开展了一系列建模和仿真的联合开发项目。“我们之所以开展这些项目,主要是因为声学仿真技术能够在开发流程的前期评估设计改进。”德国制造商的声学与振动工程部负责人,Laurent Bonnet说:“我们在这些项目中获得的建模仿真经验为构建更精确的风力发电机模型打下了基础,使我们能够对多个设计方案进行声学性能的预测。声学仿真非常有助于追踪单个噪声源,并利于在开发的早期阶段调整设计以提高声学性能。”

       在初始合作项目中,制造商选择了1.5兆瓦的风力发电机平台,这种风力发电机是目前世界范围内使用最广泛的风机类型之一。LMS公司的工程咨询顾问使用结构有限元、声学边界有限元和声传递向量(ATV)相结合的建模方法,帮助制造商开发了与真实风力发电机等比的、验证过的振动-噪声虚拟模型。

采用试验技术创建/验证风力发电机的有限元模型
       在构建完整、精确、大小一致的风力发电机有限元模型过程中,开发团队面临的工程困难之一是:如何精确表述构成风力发电机的所有关键零部件,例如叶片、轮毂、风轮、塔架、齿轮箱、制动器、发电塔的底板和机舱。而独特的模态试验能够详细了解风力发电机37米长的叶片的结构特征。风力发电机叶片采用的材料为复合材料层压板,各种几何曲率拓扑的外形拥有相对较小的结构阻尼。其他需要描述的复杂子系统包括大型油冷却齿轮箱装配,和重160吨、高100米的全高碳钢结构的风力发电机塔架。

       除了模态分析和动态评估获得的传递函数,工程师还测量并验证了频响函数(FRF),来描述各种风力发电机部件之间的接口特性。这种测试方法使得工程师能够正确定义适当的刚度值和接触区域表述。在构建各个单独零部件模型并定义接触面之后,工程师将相关的零部件装配成子系统,例如轮毂和三个风轮叶片装配在一起。考虑每个子系统,工程师再采用特定的测量方法,更新整体的FRF分析和连接处的传递函数。随后,项目开发团队对风力发电机整体装配进行FRF分析,来修正结构系统级有限元模型,并验证模型整体传递函数。

在机舱内进行工作测量

      “测试工作还包括对风力发电机整机的工况测量,这样能够鉴定声级、振动和力。”Laurent Bonnet说:“在LMS试验团队的支持下,我们采用6套LMS SCADAS III数采前端——总共400个测量通道——分别在风力发电机内部、外部和周围采集变形、振动和声学响应。”项目工程师使用LMS Test.Lab试验软件控制同步数据采集,并进行所需的各种数据分析。还有一套配备了无线LAN的测试系统,对旋转的风轮叶片进行应力测量。为了能够精确地仿真声学模型,试验不仅提供了大量的数据,LMS Test.Lab的工作变形(ODS)功能还可以快速提供有价值的信息,了解风力发电机各个零部件的结构变形情况。试验工程师们凭借惊人的毅力,花费了几周的时间才成功完成了这项极富挑战性的试验任务。安装传感器设备需要工程师具有灵活的身手,因为工程师必须从机舱顶部进入,爬楼梯至风机内部,然后才能进入巨型叶片的内腔,将应变测量传感器安装在测量位置上。在长时间的测试过程中,工程师们不得不在狭小的机舱内,忍受寒冷的自然环境。在最冷的几天里,试验专家们在几乎冻僵的情况下,仍使用挂着冰柱的LMS SCADAS数采前端来完成艰巨的试验工作。

精确的声学仿真和灵活的设计优化

       基于前期创建的系统级结构有限元模型,工程师使用特定的“skinning”程序得到风力发电机的边界有限元(BE)模型。声学边界有限元模型能够仿真风机各个系统部件的局部表面振动产生的声功率。这些信息可以作为ATV的输入数据,ATV(Acoustic Transfer Vector)方法是LMS公司独特的声学分析技术,集成在LMS Virtual.Lab平台中,可以精确有效地将声功率转换为远场噪声辐射。“ATV能够通过虚拟仿真的方法可靠地判定整个风力发电机系统的噪声辐射,帮助我们实现最终的目标。”Laurent Bonnet解释说。“声音辐射的仿真结果和测量结果之间的相关性分析达到了比较满意的水平,也证实了新的振动-声学仿真方法的确能够满足我们的需求。”

       确定性声学仿真技术的主要优势之一是支持各种分析方法,这些分析结果为特殊噪声源提供了详细的见解。工程师通过后处理,能够追踪特定系统部件的模态贡献量,分析单个面板和载荷对整体噪声辐射的贡献。从这些分析中获得的工程信息对于设计改进和新产品开发来说至关重要。确定性声学仿真可以在200Hertz的频率上进行虚拟设计,这样可以追踪明显的结构噪声现象,并可靠地进行处理。

       与上述的振动-声学仿真方法类似,风力发电机制造商还开发了混合SEA和远场声全息法。制造商的工程师使用混合SEA方法构建风力发电机模型,并且分析非确定性噪声和振动源。远场声全息法是另一种高频建模方法,能够基于远场鉴定噪声辐射,并按照统计学的方法提取明显的声学现象。

开发具备卓越声学性能的风力发电机
       在未来风力发电机开发流程中采用的混合仿真技术能够帮助客户从整个风力发电机到各个子部件上实现一系列的结构和声学目标。“这项创新性方法增强了我们的工程团队在高效率鉴定设计概念和开发最有效的部件变型方面的开发能力。先进的测试工作为风力发电机的机械运作提供了详细的信息,有助于创建/验证振动-声学仿真模型,并令建模中遇到的困难变得更加容易理解。另外一个很重要的方面,这个项目的成功得益于LMS公司工程顾问和我们的工程师专业的技术和丰富的经验。这项创新性方法增强了我们的工程团队在高效率鉴定设计概念和开发最有效的部件变型方面的开发能力。先进的测试工作为风力发电机的机械运作提供了详细的信息,有助于创建/验证振动-声学仿真模型,并令建模中遇到的困难变得更加容易理解。另外一个很重要的方面,这个项目的成功得益于LMS公司工程顾问和我们的工程师专业的技术和丰富的经验。”

       目前,风力发电机的制造商和LMS公司正在实施后续的模型创建项目,将基于已有的振动-声学建模经验。后续的项目将针对公司更大型的风力发电机变型设计展开。通过将传动系统产生的力应用于内部齿轮箱和发电机的区域,而不是应用于齿轮箱在传动机械下面的安装区域,仿真的精确度将得到进一步的提高。同时,仿真帮助工程师鉴定几种可能的设计改进,来提高声学性能,他们将使用风机整机的物理样机试验数据进行验证。大量的设计修改提议有可能在新的风力发电机设计修改方案中实现。这种策略证实了稳健的振动-声学仿真流程在开发具有卓越声学性能的风力发电机方面,提供了更多的价值。

 






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