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1、姓名：董训伟 时间：2010 03,ANSYS在风力机设计中的应用,一、风能简介二、我国风能利用现状三、风力机研发制造现状 风力机基本原理国内外研究制造情况风力发电急需解决的关键技术四、ANSYS在风力机行业的解决方案五、相关企业及科研院所,提纲,2060年，新能源将提供50的能源需求,世界能源发展趋势,各种可再生能源发展趋势,可以看出风能作为未来能源供应重要组成部分的战略地位受到世界各国的普遍重视。,世界能源发展趋势,风能资源是清洁的可再生能源，风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。世界上很多国家，尤其是发达国家，已充分认识到风电在调整能源结构、缓解环
2、境污染等方面的重要性，对风电的开发给予了高度重视。近8年来，全世界风电装机容量年平均增长率超过30%，成为发展最快的能源。,世界能源发展趋势,风能优点：清洁无污染、蕴藏量大、可再生、分 布广、施工周期短、投资灵活、占地 少、具有较好的经济效益和社会效益 等,受到世界各国政府的高度重视。风能缺点：密度低、不稳定、地区差异大等缺点 不能阻挡风能开发利用快速发展的强劲势头,世界能源发展趋势,提纲,一、风能简介二、我国风能利用现状三、风力机研发制造现状 风力机基本原理国内外研究制造情况风力发电急需解决的关键技术四、ANSYS在风力机行业的解决方案五、相关企业及科研院所,我国风能利用现状,开发新能源是国
3、家能源建设实施可持续发展战略的需要，是促进能源结构调整、减少环境污染、推进技术进步的重要手段。风电以其丰富的资源、良好的环境效益和逐步降低的发电成本，将成为21世纪中国重要的能源之一。,我国风能的利用现状,陆地 风能储量为2.53亿kW近海 储量7.5亿kW陆地 风电年上网电量按等效满 负荷2000h计，则每年可 提供5000亿kWh海上 风电年上网电量按等效满 负荷2500h计，则每年可 提供1.8万亿kWh合计：2.3万亿kWh(相当于05年全国的用电量),储量丰富,我国风能的利用现状,我国风能的利用现状,我国风能市场的繁荣超过了预期，创造了又一个记录。据全球风能委员会统计，全球风电装机再
4、创纪录，我国的风电开发也达到了一个新的高度：,我国风能的利用现状,我国风能的利用现状,发展迅速，建设规模不断扩大国家及政府有关部门重视和支持风力发电专业队伍和国产化水平逐渐提高,我国风能的利用现状,风力发电存在的问题,对风能资源勘察不够全面风电设备和制造技术落后风电成本高政策扶持力度不够,提纲,一、世界能源发展趋势二、我国风能利用现状三、风力机研发制造现状 风力机基本原理国内外研究制造情况风力发电急需解决的关键技术四、ANSYS在风力机行业的解决方案五、相关企业及科研院所,风力机的分类,H型,垂直轴风力机,型,水平轴风力机,风力机的分类,太阳能热气流发电的例子,该装置的主体部分是一个高达100
5、0米的管道塔，底部塔身宽130米。塔身周围是方圆7公里的温室组成，温室中装有保温材料。温室中的保温材料是夜间为空气保温而安装的。地面空气因为受到太阳光的照射变热后，被吸入塔中管道中。热空气沿着管道上升，带动管道内安装的涡轮发电机，电能就产生了。,澳大利亚建造了一座高1000米的热气流发电装置,风力发电基本原理 风力发电系统的基本构成,风力发电基本原理,三种能量形式的转换：,追求的目标：在风速和风向不断变化的情况下如何获得最大的风能利用率 和转换效率.在风力机转速变化不定的情况下如何获得频率和电压稳定的 交流电能 所涉及的学科：涉及空气动力、机械、电机、电力、电力电子、自动控制、通讯、计算机与化
6、工防腐等多学科交叉的复杂科学问题。,提纲,一、世界能源发展趋势二、我国风能利用现状三、风力机研发制造现状 风力机基本原理国内外研究制造情况风力发电急需解决的关键技术四、ANSYS在风力机行业的解决方案五、相关企业及科研院所,国内研究制造情况,代表单位:保定中航惠腾风电设备有限公司 生产产品:600KW、750KW风力机叶片 产量:年产600KW叶片200套 技术来源:引进存在的问题:没有设计能力,研发力量不足,产品品 种单一,制造工艺、产品质量仍需提高.,叶片设计制造,国内研究制造情况,兰州电机厂 是目前风力机配套发电机的主要生产厂家,并在兆瓦级风力机配套发电机的研发方面走在国内前列 山西永济
7、电机厂 是目前风力机配套发电机的主要生产厂家之一,但缺少兆瓦级风力机配套发电机研发工作。,发电机设计制造,国内研究制造情况,国内目前中科院电工研究所在风力机的控制系统方面,做了大量的工作.但最大控制功率不超过750KW。兰州电机厂正在与清华大学合作研究1兆瓦以上发电机的控制技术,目前该技术还未进入实用阶段。目前国内比较可靠的控制技术基本上采用德国西门子公司和ABB公司的技术。,风力机控制系统,国内研究制造情况,新疆金风科技有限公司 主导产品:600KW、750KW系列机组;正在消化 1.2MW直驱机组 特点:以成套组装为主,所有零部件全部依靠外协,在 全国设有4个总装厂(新疆、河北隆化、温州
8、广东惠来)，市场运作能力较强存在的问题:研发力量不足浙江运达风力发电工程有限公司 主导产品:200KW、250KW和750KW系列机组 生产特点:以引进、消化为主存在的问题:研发力量不足,整机,国外研究制造状况,国外风力机研制的特点在于其有很强的试验手段和制造手段。目前国外在大型风力机的研制方面走在前列的几家代表性公司是:德国NODEX公司 最大生产3.75 MW(海面)德国GE公司 最大生产3.6 MW(海面)丹麦Vestas公司 最大生产4.5 MW(海面)西班牙Gamesa公司 最大生产2.0 MW(海面),风轮是风力发电设备的核心部件之一,国内还没有完全掌握大功率风轮的核心设计和制造技
9、术 目前大功率风力机主要依赖进口或与国外合作生产大功率风力机控制系统主要依赖进口引进国外成套机组较多,引进技术较少,消化吸收不足 基础研究与积累极缺,研发力量不足,国内风能利用存在的问题,国内外研制的状况对比，可以看出：,提纲,一、世界能源发展趋势二、我国风能利用现状三、风力机研发制造现状 风力机基本原理国内外研究制造情况风力发电急需解决的关键技术四、ANSYS在风力机行业的解决方案五、相关企业及科研院所,现代大型风力机设计是一个涉及面广泛的系统工程，而其中的核心问题是气动设计技术。气动设计已不仅仅与风力机性能的考虑相关，还必须考虑整机的结构布局和结构动力学问题、系统可靠性问题 气动设计的最大
10、难题是风速与风向的不稳定性和随机性，桨叶经常运行在失速工况，使得传动系统的动力输入异常不规则，疲劳负载高于通常旋转机械几十倍 对于这种强随机性气动系统，目前还存在一些制约自主研发能力的基础科学问题亟待解决。,风力发电急需解决的关键技术,风机叶片是风电机组最关键的核心部件，它直接影响着整个机组的性能和成本，风机叶片占整机成本的20%30%左右,风力发电急需解决的关键技术,兆瓦级风力机的维护成本,浙江苍南风电场,浙江鹤顶山风电场,风力机的气动模型 叶片优化设计及气动力计算 定常/非定常工况下的尾流、失速问题及其计算 流固耦合及疲劳寿命计算 高强度、轻质复合材料及其制备技术 风力机组的运行与优化控制
11、技术 风力机的并网技术及其远程控制,风力发电急需解决的关键技术,提纲,一、世界能源发展趋势二、我国风能利用现状三、风力机研发制造现状 风力机基本原理国内外研究制造情况风力发电急需解决的关键技术四、ANSYS在风力机行业的解决方案五、相关企业及科研院所,风电中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 opti
12、mal power generation,风电中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 optimal power generation,气动设计 推力系数,CT 叶片的结构完整性:载荷和疲劳噪声,叶片设计,挑战在给定风速和分布下的气动效率复杂复合材料构件的结构完整性噪音最小化降低高度又能保证最大推力,使
13、用CAE的益处在预研中使用虚拟样机代替风洞和全尺寸试验自动完成不同试验条件和风速条件下的设计降低设计成本,Photo Jos Luis Gutirrez,graphic courtesy of IMPSA S.A.,Argentina,风电中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 optimal powe
14、r generation,结构设计 塔架和转子结构完整性和安全性能量转化效率,安装和保养费用,结构设计,挑战结构的稳定性分析风-转子诱导的震动地震安全和风险预测发电机热载荷,使用CAE益处在制造前评估产品的模态行为和非线性结构特性获得并理解设计过程中结构间的流固耦合,Photo Michael Utech,风电中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
15、 farm configuration for optimal power generation,位置选择和规划 方案潜能最大化功率输出:最大值和平均值风载:ultimate and fatigueLogistics,风力机位置选择,挑战风力机的位置选择以及其效率的最大化陡峭地形近海区安置变化的风速和风向下风力机之间的阴影效应功率输出的预测,使用CAE益处优化风力机功率输出和安置位置复杂地形中风速的预测预测不同风速的风向下功率输出,Wind velocities over complex terrain for a proposed wind farm,Wind velocity contou
16、rs showing the wake effect of one turbine on another,风电机组仿真分析,机械结构分析整体、零部件、连接部件等强度、振动、稳定性、疲劳等运动系统（如运动系统）的运动模拟流体分析模拟风场和风力机安置点风轮气动性能分析气动外形及风轮总体参数设计耦合场分析流固耦合（如叶片）电磁分析电气系统（如电机）的模拟控制系统的模拟防雷模拟,ANSYS在风力机行业的解决方案,Mechanical 结构力学就算，涵盖线性、非线性、静力、动力、疲劳、复合材料、优化设计、概率设计、结构热结构耦合等机械分析中几乎所有功能。ANSYS CFX、FLUENT 可以对地貌风场，
17、塔架及尾流流场、覆冰、叶片 颤振、失速、风力机气动特性等进行准确的数值模拟 BladeModeler 进行叶片型线设计 TurboGrid 针对叶轮自动化生成高质量网格 CFX-Turbo 对设计好的叶型及整个叶轮进行气动性能分析CFX+ANSYS 独特的流固耦合技术为气动、气弹提供双向的数值模拟,风电机组仿真分析技术要点,叶片结构及工艺 强度与变形 振动模态 螺栓连接强度 疲劳,复合材料叶片,复合材料叶片模型建立,结构形式,传力形式,有限元模型,风电机组仿真分析技术要点,轮毂（含主轴）,轮毂强度 轮毂疲劳寿命 轮毂与主轴连接强度,30%,55%,轮毂强度,轮毂与主轴的连接强度,轮毂寿命评估,
18、计算域,载荷及位移定义位置及方式,计算域,有限元模型,载荷及位移定义位置及方式,螺栓定义/轴承模拟/网格处理,计算域,有限元模型,载荷及位移定义位置及方式,疲劳载荷谱,有限元模型,风电机组仿真分析技术要点,主机架的极限强度及变形,机舱结构,主机架强度及变形 主机架与电机、偏航等的连接 振动特性，如谐振 疲劳寿命,计算域,有限元模型,加载及约束,风电机组仿真分析技术要点,塔架的屈曲稳定性分析,塔架,强度及变形 振动模态 屈曲稳定性 连接(螺栓，焊接)强度 疲劳寿命,计算域,有限元网格,特征值屈曲计算,有门框和无门框,风电机组仿真分析实例展示,风电机组机舱底座,风电机组塔架,风电机组仿真分析实例展
19、示,风电机组齿轮箱箱体,风电机组齿轮箱行星架,瑞士Crosin山脉,输出功率是风速三次方函数评估发电潜能测量方法至少一年（季节）东西两侧风场地形范围细节,“Use of the numerical approach certainly helped us in making the right business decision.”,ANSYS CFD地貌风场分析实例,地貌风场速度矢量,ANSYS CFX地貌风场分析实例,ANSYS CFX地貌风场分析实例,地貌风场速度矢量,风轮叶片设计及仿真分析,ANSYS CFX风机气动分析实例,气动分析结果,风力机叶片压力面、吸力面压力分布,Z=0截面风
20、场压力分布,过轴线的风场压力分布,过轴线速度场云图,过轴线的速度场矢量图,气动分析结果（尾涡）,理论,计算,ANSYS+CFX风力机结构分析实例,ANSYS+CFX风力机结构分析实例,太阳能电池板风载分析,风载作用下结构变形和应力分布,自通风电机冷却分析,模拟的轴向自通风方式的电机冷却，综合考虑了转子和定子的铁耗，交流线圈和励磁线圈的铜耗，以及机械损耗和杂项损耗。模拟的出口空气温度和实际值相差很小。对设计有很大的指导作用,提纲,一、世界能源发展趋势二、我国风能利用现状三、风力机研发制造现状 风力机基本原理国内外研究制造情况风力发电急需解决的关键技术四、ANSYS在风力机行业的CFD解决方案五、相关企业及科研院所,T,
