風(fēng)力機(jī)研發(fā)制造方案

1、姓名：董訓(xùn)偉 時間：2010 03,ANSYS在風(fēng)力機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用,一、風(fēng)能簡介二、我國風(fēng)能利用現(xiàn)狀三、風(fēng)力機(jī)研發(fā)制造現(xiàn)狀 風(fēng)力機(jī)基本原理國內(nèi)外研究制造情況風(fēng)力發(fā)電急需解決的關(guān)鍵技術(shù)四、ANSYS在風(fēng)力機(jī)行業(yè)的解決方案五、相關(guān)企業(yè)及科研院所,提綱,,,2060年，新能源將提供50％的能源需求,世界能源發(fā)展趨勢,各種可再生能源發(fā)展趨勢,可以看出風(fēng)能作為未來能源供應(yīng)重要組成部分的戰(zhàn)略地位受到世

2、界各國的普遍重視。,世界能源發(fā)展趨勢,風(fēng)能資源是清潔的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是新能源中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。世界上很多國家，尤其是發(fā)達(dá)國家，已充分認(rèn)識到風(fēng)電在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、緩解環(huán)境污染等方面的重要性，對風(fēng)電的開發(fā)給予了高度重視。近8年來，全世界風(fēng)電裝機(jī)容量年平均增長率超過30%，成為發(fā)展最快的能源。,,世界能源發(fā)展趨勢,風(fēng)能優(yōu)點：清潔無污染、蘊藏量大、可再生、分

3、布廣、施工周期短、投資靈活、占地 少、具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益 等,受到世界各國政府的高度重視。風(fēng)能缺點：密度低、不穩(wěn)定、地區(qū)差異大等缺點 不能阻擋風(fēng)能開發(fā)利用快速發(fā)展的強(qiáng)勁勢頭,世界能源發(fā)展趨勢,提綱,一、風(fēng)能簡介二、我國風(fēng)能利用現(xiàn)狀三、風(fēng)力機(jī)研發(fā)制造現(xiàn)狀 風(fēng)力機(jī)基本原理國內(nèi)外研究制造情況風(fēng)

4、力發(fā)電急需解決的關(guān)鍵技術(shù)四、ANSYS在風(fēng)力機(jī)行業(yè)的解決方案五、相關(guān)企業(yè)及科研院所,我國風(fēng)能利用現(xiàn)狀,開發(fā)新能源是國家能源建設(shè)實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，是促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、減少環(huán)境污染、推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的重要手段。風(fēng)電以其豐富的資源、良好的環(huán)境效益和逐步降低的發(fā)電成本，將成為21世紀(jì)中國重要的能源之一。,我國風(fēng)能的利用現(xiàn)狀,陸地 風(fēng)能儲量為2.53億kW近海 儲量7.5億kW陸地 風(fēng)電年上網(wǎng)電量按等效滿

5、 負(fù)荷2000h計，則每年可 提供5000億kWh海上 風(fēng)電年上網(wǎng)電量按等效滿 負(fù)荷2500h計，則每年可 提供1.8萬億kWh合計：2.3萬億kWh(相當(dāng)于05年全國的用電量),儲量豐富,我國風(fēng)能的利用現(xiàn)狀,我國風(fēng)能的利用現(xiàn)狀,我國風(fēng)能市場的繁榮超過了預(yù)期，創(chuàng)造了又一個記錄。據(jù)全球風(fēng)能委員會統(tǒng)計，全球風(fēng)電裝機(jī)再創(chuàng)紀(jì)錄，我國的風(fēng)電開發(fā)也達(dá)到了一個新的高度：,我國風(fēng)能

6、的利用現(xiàn)狀,我國風(fēng)能的利用現(xiàn)狀,發(fā)展迅速，建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大國家及政府有關(guān)部門重視和支持風(fēng)力發(fā)電專業(yè)隊伍和國產(chǎn)化水平逐漸提高,我國風(fēng)能的利用現(xiàn)狀,風(fēng)力發(fā)電存在的問題,對風(fēng)能資源勘察不夠全面風(fēng)電設(shè)備和制造技術(shù)落后風(fēng)電成本高政策扶持力度不夠,提綱,一、世界能源發(fā)展趨勢二、我國風(fēng)能利用現(xiàn)狀三、風(fēng)力機(jī)研發(fā)制造現(xiàn)狀 風(fēng)力機(jī)基本原理國內(nèi)外研究制造情況風(fēng)力發(fā)電急需解決的關(guān)鍵技術(shù)四、ANSYS在風(fēng)力機(jī)行業(yè)的解決方案五、相關(guān)

7、企業(yè)及科研院所,風(fēng)力機(jī)的分類,,H型,垂直軸風(fēng)力機(jī),Ф型,,水平軸風(fēng)力機(jī),風(fēng)力機(jī)的分類,太陽能熱氣流發(fā)電的例子,該裝置的主體部分是一個高達(dá)1000米的管道塔，底部塔身寬130米。塔身周圍是方圓7公里的溫室組成，溫室中裝有保溫材料。溫室中的保溫材料是夜間為空氣保溫而安裝的。地面空氣因為受到太陽光的照射變熱后，被吸入塔中管道中。熱空氣沿著管道上升，帶動管道內(nèi)安裝的渦輪發(fā)電機(jī)，電能就產(chǎn)生了。,澳大利亞建造了一座高1000米的熱氣流發(fā)電裝置,風(fēng)

8、力發(fā)電基本原理 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成,,風(fēng)力發(fā)電基本原理,三種能量形式的轉(zhuǎn)換：,追求的目標(biāo)：? 在風(fēng)速和風(fēng)向不斷變化的情況下如何獲得最大的風(fēng)能利用率 和轉(zhuǎn)換效率.? 在風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速變化不定的情況下如何獲得頻率和電壓穩(wěn)定的 交流電能 所涉及的學(xué)科： 涉及空氣動力、機(jī)械、電機(jī)、電力、電力電子、自動控制、通訊、計算機(jī)與化工防腐等多學(xué)科交叉的復(fù)雜科學(xué)問題。,提綱,一、世界能源發(fā)展趨勢二

9、、我國風(fēng)能利用現(xiàn)狀三、風(fēng)力機(jī)研發(fā)制造現(xiàn)狀 風(fēng)力機(jī)基本原理國內(nèi)外研究制造情況風(fēng)力發(fā)電急需解決的關(guān)鍵技術(shù)四、ANSYS在風(fēng)力機(jī)行業(yè)的解決方案五、相關(guān)企業(yè)及科研院所,國內(nèi)研究制造情況,代表單位: 保定中航惠騰風(fēng)電設(shè)備有限公司 生產(chǎn)產(chǎn)品: 600KW、750KW風(fēng)力機(jī)葉片 產(chǎn)量: 年產(chǎn)600KW葉片200套 技術(shù)來源: 引進(jìn)存在的問題: 沒有設(shè)計能

10、力,研發(fā)力量不足,產(chǎn)品品 種單一,制造工藝、產(chǎn)品質(zhì)量仍需提高.,葉片設(shè)計制造,國內(nèi)研究制造情況,蘭州電機(jī)廠 是目前風(fēng)力機(jī)配套發(fā)電機(jī)的主要生產(chǎn)廠家, 并在兆瓦級風(fēng)力機(jī)配套發(fā)電機(jī)的研發(fā)方面走在國內(nèi)前列 山西永濟(jì)電機(jī)廠 是目前風(fēng)力機(jī)配套發(fā)電機(jī)的主要生產(chǎn)廠家之一,

11、 但缺少兆瓦級風(fēng)力機(jī)配套發(fā)電機(jī)研發(fā)工作。,發(fā)電機(jī)設(shè)計制造,國內(nèi)研究制造情況,國內(nèi)目前中科院電工研究所在風(fēng)力機(jī)的控制系統(tǒng)方面,做了大量的工作.但最大控制功率不超過750KW 。蘭州電機(jī)廠正在與清華大學(xué)合作研究1兆瓦以上發(fā)電機(jī)的控制技術(shù),目前該技術(shù)還未進(jìn)入實用階段。目前國內(nèi)比較可靠的控制技術(shù)基本上采用德國西門子公司和ABB公司的技術(shù)。,風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng),國內(nèi)研究制造情況,新疆金風(fēng)科技有限公司 主導(dǎo)產(chǎn)品: 600K

12、W、750KW系列機(jī)組;正在消化 1.2MW直驅(qū)機(jī)組 特點: 以成套組裝為主,所有零部件全部依靠外協(xié),在 全國設(shè)有4個總裝廠 (新疆、河北隆化、溫州 廣東惠來)，市場運作能力較強(qiáng)存在的問題: 研發(fā)力量不足浙江運達(dá)風(fēng)力發(fā)電工程有

13、限公司 主導(dǎo)產(chǎn)品: 200KW、250KW和750KW系列機(jī)組 生產(chǎn)特點: 以引進(jìn)、消化為主存在的問題: 研發(fā)力量不足,整機(jī),國外研究制造狀況,國外風(fēng)力機(jī)研制的特點在于其有很強(qiáng)的試驗手段和制造手段。 目前國外在大型風(fēng)力機(jī)的研制方面走在前列的幾家代表性公司是: 德國NODEX公司 最大生產(chǎn)3.75 MW (海面) 德國GE公司

14、 最大生產(chǎn)3.6 MW (海面) 丹麥Vestas公司 最大生產(chǎn)4.5 MW (海面) 西班牙Gamesa公司 最大生產(chǎn)2.0 MW (海面),風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的核心部件之一 ,國內(nèi)還沒有完全掌握大功率風(fēng)輪的核心設(shè)計和制造技術(shù) 目前大功率風(fēng)力機(jī)主要依賴進(jìn)口或與國外合作生產(chǎn)大功率風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)主要依賴進(jìn)口引進(jìn)國外成套機(jī)組較多,引進(jìn)技術(shù)較少, 消化吸收不足

15、基礎(chǔ)研究與積累極缺,研發(fā)力量不足,國內(nèi)風(fēng)能利用存在的問題,國內(nèi)外研制的狀況對比，可以看出：,提綱,一、世界能源發(fā)展趨勢二、我國風(fēng)能利用現(xiàn)狀三、風(fēng)力機(jī)研發(fā)制造現(xiàn)狀 風(fēng)力機(jī)基本原理國內(nèi)外研究制造情況風(fēng)力發(fā)電急需解決的關(guān)鍵技術(shù)四、ANSYS在風(fēng)力機(jī)行業(yè)的解決方案五、相關(guān)企業(yè)及科研院所,現(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)設(shè)計是一個涉及面廣泛的系統(tǒng)工程，而其中的核心問題是氣動設(shè)計技術(shù)。 氣動設(shè)計已不僅僅與風(fēng)力機(jī)性能的考慮相關(guān)，還必須考

16、慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)布局和結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題、系統(tǒng)可靠性問題 氣動設(shè)計的最大難題是風(fēng)速與風(fēng)向的不穩(wěn)定性和隨機(jī)性，槳葉經(jīng)常運行在失速工況，使得傳動系統(tǒng)的動力輸入異常不規(guī)則，疲勞負(fù)載高于通常旋轉(zhuǎn)機(jī)械幾十倍 對于這種強(qiáng)隨機(jī)性氣動系統(tǒng)，目前還存在一些制約自主研發(fā)能力的基礎(chǔ)科學(xué)問題亟待解決。,風(fēng)力發(fā)電急需解決的關(guān)鍵技術(shù),風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)電機(jī)組最關(guān)鍵的核心部件，它直接影響著整個機(jī)組的性能和成本，風(fēng)機(jī)葉片占整機(jī)成本的20%～30%左右,風(fēng)力發(fā)電

17、急需解決的關(guān)鍵技術(shù),兆瓦級風(fēng)力機(jī)的維護(hù)成本,浙江蒼南風(fēng)電場,浙江鶴頂山風(fēng)電場,,風(fēng)力機(jī)的氣動模型 葉片優(yōu)化設(shè)計及氣動力計算 定常/非定常工況下的尾流、失速問題及其計算 流固耦合及疲勞壽命計算 高強(qiáng)度、輕質(zhì)復(fù)合材料及其制備技術(shù) 風(fēng)力機(jī)組的運行與優(yōu)化控制技術(shù) 風(fēng)力機(jī)的并網(wǎng)技術(shù)及其遠(yuǎn)程控制,風(fēng)力發(fā)電急需解決的關(guān)鍵技術(shù),提綱,一、世界能源發(fā)展趨勢二、我國風(fēng)能利用現(xiàn)狀三、風(fēng)力機(jī)研發(fā)制造現(xiàn)狀 風(fēng)力機(jī)基本原理國內(nèi)外

18、研究制造情況風(fēng)力發(fā)電急需解決的關(guān)鍵技術(shù)四、ANSYS在風(fēng)力機(jī)行業(yè)的解決方案五、相關(guān)企業(yè)及科研院所,風(fēng)電中CAE的使用,Blade design and performance,,Rotor sizing and acoustics,,Site selection, land and sea,,Tower design and FSI,,Generator and shaft design,,,,Wind farm config

19、uration for optimal power generation,風(fēng)電中CAE的使用,Blade design and performance,,Rotor sizing and acoustics,,Site selection, land and sea,,Tower design and FSI,,Generator and shaft design,,,,Wind farm configuration for optim

20、al power generation,氣動設(shè)計 推力系數(shù), CT 葉片的結(jié)構(gòu)完整性: 載荷和疲勞噪聲,葉片設(shè)計,挑戰(zhàn)在給定風(fēng)速和分布下的氣動效率復(fù)雜復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完整性噪音最小化降低高度又能保證最大推力,使用CAE的益處在預(yù)研中使用虛擬樣機(jī)代替風(fēng)洞和全尺寸試驗自動完成不同試驗條件和風(fēng)速條件下的設(shè)計降低設(shè)計成本,Photo © José Luis Gutiérrez, gra

21、phic courtesy of IMPSA S.A., Argentina,風(fēng)電中CAE的使用,Blade design and performance,,Rotor sizing and acoustics,,Site selection, land and sea,,Tower design and FSI,,Generator and shaft design,,,,Wind farm configuration for opt

22、imal power generation,,,,,結(jié)構(gòu)設(shè)計 塔架和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)完整性和安全性能量轉(zhuǎn)化效率, η安裝和保養(yǎng)費用,結(jié)構(gòu)設(shè)計,挑戰(zhàn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析風(fēng)-轉(zhuǎn)子誘導(dǎo)的震動地震安全和風(fēng)險預(yù)測發(fā)電機(jī)熱載荷,使用CAE益處在制造前評估產(chǎn)品的模態(tài)行為和非線性結(jié)構(gòu)特性獲得并理解設(shè)計過程中結(jié)構(gòu)間的流固耦合,Photo © Michael Utech,風(fēng)電中CAE的使用,Blade design and performa

23、nce,,Rotor sizing and acoustics,,Site selection, land and sea,,Tower design and FSI,,Generator and shaft design,,,,Wind farm configuration for optimal power generation,位置選擇和規(guī)劃 方案潛能最大化功率輸出: 最大值和平均值風(fēng)載: ultimate and fati

24、gueLogistics,,,風(fēng)力機(jī)位置選擇,挑戰(zhàn)風(fēng)力機(jī)的位置選擇以及其效率的最大化陡峭地形近海區(qū)安置變化的風(fēng)速和風(fēng)向下風(fēng)力機(jī)之間的陰影效應(yīng)功率輸出的預(yù)測,使用CAE益處優(yōu)化風(fēng)力機(jī)功率輸出和安置位置復(fù)雜地形中風(fēng)速的預(yù)測預(yù)測不同風(fēng)速的風(fēng)向下功率輸出,Wind velocities over complex terrain for a proposed wind farm,Wind velocity contours sh

25、owing the wake effect of one turbine on another,風(fēng)電機(jī)組仿真分析,機(jī)械結(jié)構(gòu)分析整體、零部件、連接部件等強(qiáng)度、振動、穩(wěn)定性、疲勞等運動系統(tǒng)（如運動系統(tǒng)）的運動模擬流體分析模擬風(fēng)場和風(fēng)力機(jī)安置點風(fēng)輪氣動性能分析氣動外形及風(fēng)輪總體參數(shù)設(shè)計耦合場分析流固耦合（如葉片）電磁分析電氣系統(tǒng)（如電機(jī)）的模擬控制系統(tǒng)的模擬防雷模擬,ANSYS在風(fēng)力機(jī)行業(yè)的解決方案,Mechanic

26、al 結(jié)構(gòu)力學(xué)就算，涵蓋線性、非線性、靜力、動力、疲勞、復(fù)合材料、優(yōu)化設(shè)計、概率設(shè)計、結(jié)構(gòu)熱結(jié)構(gòu)耦合等機(jī)械分析中幾乎所有功能。ANSYS CFX 、 FLUENT 可以對地貌風(fēng)場，塔架及尾流流場、覆冰、葉片 顫振、失速、風(fēng)力機(jī)氣動特性等進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)值模擬 BladeModeler 進(jìn)行葉

27、片型線設(shè)計 TurboGrid 針對葉輪自動化生成高質(zhì)量網(wǎng)格 CFX-Turbo 對設(shè)計好的葉型及整個葉輪進(jìn)行氣動性能分析CFX+ANSYS 獨特的流固耦合技術(shù)為氣動、氣彈提供雙向的數(shù)值模擬,風(fēng)電機(jī)組仿真分析－技術(shù)要點,,,,葉片結(jié)構(gòu)及工藝 強(qiáng)度與變形 振動模態(tài) 螺栓連接強(qiáng)度 疲勞,復(fù)合材料葉片,,,,,,復(fù)合材料葉片模型建立,,,,結(jié)構(gòu)形式,傳力形式,有限元模型,,風(fēng)電機(jī)組仿真分析－技術(shù)要點,,輪

28、轂（含主軸）,,,輪轂強(qiáng)度 輪轂疲勞壽命 輪轂與主軸連接強(qiáng)度 …,,,,30%,55%,,,輪轂強(qiáng)度,,,輪轂與主軸的連接強(qiáng)度,,,輪轂壽命評估,,,,計算域,載荷及位移定義位置及方式,,,,計算域,有限元模型,載荷及位移定義位置及方式,,螺栓定義/軸承模擬/網(wǎng)格處理,,,,計算域,有限元模型,載荷及位移定義位置及方式,疲勞載荷譜,有限元模型,風(fēng)電機(jī)組仿真分析－技術(shù)要點,,,主機(jī)架的極限強(qiáng)度及變形,,機(jī)艙結(jié)構(gòu),,,主機(jī)架強(qiáng)度及變

29、形 主機(jī)架與電機(jī)、偏航等的連接 振動特性，如諧振 疲勞壽命,,,,,,,計算域,有限元模型,加載及約束,風(fēng)電機(jī)組仿真分析－技術(shù)要點,,,塔架的屈曲穩(wěn)定性分析,,塔架,,,強(qiáng)度及變形 振動模態(tài) 屈曲穩(wěn)定性 連接(螺栓，焊接)強(qiáng)度 疲勞壽命,,,,,,,計算域,有限元網(wǎng)格,特征值屈曲計算,有門框和無門框,風(fēng)電機(jī)組仿真分析－實例展示,風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙底座,風(fēng)電機(jī)組塔架,風(fēng)電機(jī)組仿真分析－實例展示,風(fēng)電機(jī)組齒輪箱箱體,風(fēng)電機(jī)組齒輪箱行

30、星架,瑞士Crosin山脈,輸出功率是風(fēng)速三次方函數(shù)評估發(fā)電潛能測量方法至少一年（季節(jié)）東西兩側(cè)風(fēng)場地形范圍細(xì)節(jié),“Use of the numerical approach certainly helped us in making the right business decision.”,ANSYS CFD地貌風(fēng)場分析實例,地貌風(fēng)場速度矢量,ANSYS CFX地貌風(fēng)場分析實例,ANSYS CFX地貌風(fēng)場分析實例,地貌風(fēng)

31、場速度矢量,風(fēng)輪葉片設(shè)計及仿真分析,ANSYS CFX風(fēng)機(jī)氣動分析實例,氣動分析結(jié)果,風(fēng)力機(jī)葉片壓力面、吸力面壓力分布,Z=0截面風(fēng)場壓力分布,過軸線的風(fēng)場壓力分布,過軸線速度場云圖,過軸線的速度場矢量圖,氣動分析結(jié)果（尾渦）,理論,計算,ANSYS+CFX風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)分析實例,ANSYS+CFX風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)分析實例,太陽能電池板風(fēng)載分析,風(fēng)載作用下結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布,自通風(fēng)電機(jī)冷卻分析,模擬的軸向自通風(fēng)方式的電機(jī)冷卻，綜合考慮了轉(zhuǎn)子和定子