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能源风电

概述

人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。在当今世界,能源的发展,能源和环境,是全世界、全人类共同关心的问题,也是我国社会经济发展的重要问题。能源包括的方面非常广泛,主要包括光伏产业、风电能源、煤炭产业、节能环保、生物质能、海洋工程、热能动力等。

我国汽轮机发展起步比较晚,1955年制造出第一台6MW汽轮机,产生后发展迅速,到70年代末国产机组占到总容量的70%。1987年引进技术生产的300MW机组投入运行,1989年采用引进技术生产的600MW机组投入运行,2000年投入800MW机组运行。

1987年采用引进技术生产的300MW机组在石横电厂投入运行;1989年采用引进技术生产的600MW机组在平圩电厂投入运行;2000年从俄罗斯引进两台超临界800MW机组在绥中电厂投入运行。 汽轮机为大型精密动力机械,工作环境为高温、高压、高转速,研发和制造涉及到许多高科技领域,汽轮机的制造水平是一个国家科技和工业装备技术发展的标志之一。随着电力工业的迅猛发展及电网容量的不断扩大,汽轮机正在向高参数、大容量方向发展,提高汽轮机的安全性、经济性、负荷适应性和自动化水平始终是汽轮机发展的中心和重点。随着现代核电站的快速发展,研究适应于不同反应堆型的、性能良好的汽轮机具有特别重要的意义。

全世界利用地热的汽轮机的装机容量,1983年已有3190兆瓦,不过对熔岩等深层更高温度地热资源的利用尚待探索;利用太阳能的汽轮机电站已在建造,海洋温差发电也在研究之中。所有这些新能源方面的汽轮机尚待继续进行试验研究。汽轮机的发展瓶颈主要在材料上,材料问题解决了,单片的功率就可以更大。此外,汽轮机气缸的性能也是非常关键的技术之一。

随着CAE行业的快速发展,为更高性能的汽轮机的设计也提供了非常有力的分析手段。汽轮机结构方面的强度分析、接触分析、和断裂力学分析;振动方面的模态分析、响应分析。汽轮机气缸、喷嘴、叶片等结构的温度场分析、热固耦合分析、强度、振动等分析都可以很好的通过有限元方法进行解决,并且有限元法在汽轮机行业的应用正在快速的扩大和深入,为高性能汽轮机的设计提供更强大、更完善的解决方案。

应用领域

随着能源装备业的快速发展,有限元法在其中的应用也在逐步扩展和深入,不仅可以进行各种类型的单物理场分析,而且可以解决多学科、多领域的耦合分析,更加真实的模拟结构的状态,得到更精确、更可靠的结果数据。能源装备行业主要涉及到的分析有:

• 汽轮机结构非线性分析

• 叶片强度、振动、响应分析

• 叶片疲劳分析、优化分析

• 气缸强度及耦合场分析

• 喷嘴强度及耦合场分析

• 汽轮机热分析、热固耦合分析及热疲劳分析

• 汽轮机流场分析及流固耦合分析

• 核电设备强度分析

• 软件二次开发,分析流程定制

Abaqus在能源装备行业,拥有多年的分析经验,曾经和国内多家汽轮机和核电客户进行过深入的合作,现在与多家客户已经形成长期合作伙伴。在技术实力上我们能为您提供优质的技术支持,可根据您所遇到的问题,定制专业的解决方案,为您解决设计开发过程中遇到的各类问题。

汽轮机结构相对复杂,高质量网格划分难度较高,叶片结构特征尺寸差距较大,这给网格的划分带来巨大的挑战。我们专业的网格工程师,凭借多年技术经验积累,能够快速、精确地完成高质量六面体网格任务。汽轮机结构分析中存在大量接触,接触行为是严重非线性行为,大转速下叶片产生大的扭转变形需考虑几何大变形,这也属于非线性行为,最终导致计算难于收敛。我们运用全球公认的最强大非线性有限元分析软件abaqus能够很好的解决这些问题。对于接触问题,abaqus能够准确的计算接触面的压力,加上我们专为接触设计的网格,可以很好的解决汽轮机分析中所面临的非线性问题,得到精确的结果。此外还可以考虑叶片的材料非线性,进行弹塑性接触非线性分析。

叶片是汽轮机中非常关键的部件,叶片的强度分析、振动特性分析、响应分析、疲劳分析、优化分析等,都是叶片计算中非常重要的内容。叶片的载荷主要来源于自身的离心力,单只叶片能达到400~500吨,部分载荷来自于气动压力。可通过单只叶片定义循环对称约束,实现叶片快速计算,也可通过建立整圈叶片定义所有接触,计算完整的更加真实的叶片结构特性,提取拉筋、围带在各转速下的接触应力,工作齿的载荷分配;通过分析不同转速下叶片的振动特性,绘制坎贝尔图,避免汽轮机运行过程中在不同转速下产生共振,防止对结构的损伤;通过响应分析,考察不同节径时叶片对激振载荷的相应,判断动应力的状态;通过疲劳分析,可以判断汽轮机的疲劳状态,计算疲劳寿命周期,可通过工程算法,也可通过FE-safe软件进行分析;通过TOSCA对汽轮机进行拓扑优化分析,ISIGHT进行参数优化分析,提高汽轮机的性能。

汽轮机的工作状态比较复杂,有些情况下单纯的热分析、强度分析、流体分析已经不能满足要求,需要进行耦合分析,主要有热固耦合分析、流固耦合分析、热疲劳分析等。我们能够运用流体软件Fluent、结构软件abaqus实现以上耦合分析,考虑不同状态之间载荷的耦合效应。

风机机舱底座

风机机舱底座的静力和疲劳分析。风机的机舱座用于支撑主轴承箱以及其它的部分例如液压传动部分和主变速箱。主轴焊接在框架结构的前部,采用Abaqus 测试风机机舱底座同其他构件在焊接部位的疲劳特性以及在极值荷载下的风机机舱底座变形和验证其极限强度。

钢板使用四节点壳元素进行定义,如果模拟的区域不是很复杂或者应力较低,则使用三角壳元定义,使用定义的连接梁连接不同区域的子结构,附加于结构上面的例如齿轮箱以及其他结构通过点质量定义,焊接区域用shell元素定义。

叶片的静力,动力以及模态分析


叶片的参数化建模以及网格划分

大型风机叶片表层主要由复合材料组成,玻璃纤维/环氧树脂和木头层合板/环氧树脂是经典的材料,碳纤维材料目前正在广泛的应用中。这些材料在受压侧,受拉侧和剪切网格处组合粘结在一起。风机叶片的表面是复杂的三维曲面,形成了一个具有变化扭转角,变化弦长和变化轴线的翼刨面。在内部结构中的关键结构处设置较厚的粘结点。这样就使得风机叶片材料呈现出高度的各向异性。Abaqus模型采用Python脚本语言和数学几何定义的方法设计叶片。其中,自动操作不仅应用在经典分析中,比如网格收敛,而且应用在参数扫掠优化中,比如几何设计,材料使用,翼刨面或者刚度分布等。Python语言的数学功能可以用来创建几何和划分网格,用户可以输入弦长,扭转角,翼刨面去定义叶片的曲面外表属性。

用Python语言使得几何外形,内部形状,结构网格划分,材料,载荷,分析类型和后处理操作参数化,几何非线性和载荷工况参数化,灵敏度分析参数化。由于叶片表面是比较复杂的曲面,但是可以用简化拓扑法来定义几何外形,即可以用一系列从根部到尖端的二维截面来定义(figure1),并用三次样条算法来构造曲面。另外,叶片模型主要使用 0 厚度的线性壳单元,使用三维实体单元作为粘合节点,在叶片空腔内嵌入四个粘结层,起到支撑加固复合材料腔体的作用(如图2)。


另一个用户参量是考虑几何非线性的影响。当大变形发生的时候,这种考虑是非常必要的。还有就是要考虑复合物的脱粘或者层合板的分层,这些都是很容易添加进子程序中。分析后处理在很大程度上也是自动的,关键结果以txt文件输出。叶片尖端的方位,模型质量和最大变形都被输出出来,并且保存成TIF图片。直接创建场输出结果,并添加相应的颜色。

英国Rutherford Appleton实验室能源研究中心使用Python所做的风机叶片的热应力分析。考虑到叶片的制造缺陷影响,在缺陷处使用添加单元,重新连接单元和设置接触单元的方法反映真实工况。通过对经向的后处理结果和结构横截面应力的分析可以检测缺陷模型。通过对比试验,有限元结果和实验数据结果 是相当吻合的。

此解决方案是应用Abaqus用户子程序对风力发电机叶片结构进行强度极限分析。在分析中考虑到材料的非线性影响使其更能符合实际。根据提供的纤维 和基体的材料性能参数,纤维体积含量以及蒙皮和增强筋的铺层数据例如铺设角,层厚等,就能得到复合材料复杂叶片结构的整体承载能力和叶片的破坏位置。


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