張青雷， 郭井寬

（上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海 200070）

兆瓦級風力發(fā)電機組的數(shù)字化設(shè)計技術(shù)應(yīng)用

張青雷， 郭井寬

（上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海 200070）

對數(shù)字化設(shè)計在兆瓦級風力發(fā)電機組設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)進行研究。風力發(fā)電機組數(shù)字化設(shè)計主要包括風力發(fā)電機數(shù)字化定義、風力發(fā)電機三維設(shè)計、零件標準化模型、風力發(fā)電機功能化數(shù)字樣機、控制策略系統(tǒng)優(yōu)化、風力機數(shù)字化裝配等。大型風力發(fā)電機數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，可以縮短風力發(fā)電機核心部件的研發(fā)周期，支撐大型風力發(fā)電機關(guān)鍵部件的自主設(shè)計與制造。

風力發(fā)電機；數(shù)字化設(shè)計；自主研發(fā)

風力發(fā)電機的設(shè)計是典型的復(fù)雜機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)聯(lián)合設(shè)計，其數(shù)字化設(shè)計內(nèi)容涵蓋了空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、電磁理論、控制理論等學(xué)科的計算機輔助設(shè)計、計算機輔助分析、仿真模擬及三維可視化等內(nèi)容。

數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在兆瓦級風力發(fā)電機組設(shè)計中的應(yīng)用主要包括：風力發(fā)電機三維計算機輔助設(shè)計和計算輔助工程，整機虛擬設(shè)計和系統(tǒng)仿真，計算機輔助試驗及逆向工程，運行性能和空氣動力的仿真計算和分析，部件快速制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成化管理，變槳和偏航控制系統(tǒng)的優(yōu)化等［1-2］。

風力發(fā)電機的設(shè)計需要經(jīng)歷“設(shè)計—試驗—設(shè)計修改—再試驗”多次反復(fù)的過程。一種新型風力發(fā)電機的開發(fā)一般需要幾年時間，耗費巨大。國外應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計手段，在設(shè)計階段前瞻性地實現(xiàn)了對產(chǎn)品設(shè)計、制造、運行全生命周期的定量分析，避免了樣機試制、試驗及修改過程，節(jié)省了大量研發(fā)經(jīng)費，縮短了開發(fā)周期。目前，我國風力發(fā)電機的制造已具有一定的基礎(chǔ)，積累了初步的研發(fā)與制造經(jīng)驗，引進了一些較為先進的仿真設(shè)計軟件，搭建了基礎(chǔ)的風力發(fā)電機研發(fā)中心，但由于技術(shù)保密、人才培養(yǎng)、制造工藝及材料等原因，我國兆瓦級風力發(fā)電機組的研發(fā)體系還不完善，研究技術(shù)深度不夠，尤其是大型風力發(fā)電機的核心部件還處于帶料加工、合作生產(chǎn)或購買許可證在國內(nèi)組裝的困境，故迫切需要形成我國大型發(fā)電機的自主設(shè)計能力。

本文研究了數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在兆瓦級風力發(fā)電機組關(guān)鍵設(shè)計的應(yīng)用，主要包括：風力發(fā)電機數(shù)字化定義、整機部件三維設(shè)計、零部件標準化模型、結(jié)構(gòu)強度分析、風力發(fā)電機功能化數(shù)字樣機、控制策略系統(tǒng)優(yōu)化、風力發(fā)電機數(shù)字化裝配等，形成了風力發(fā)電機機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計能力，支撐了自主知識產(chǎn)權(quán)的大型風力發(fā)電機關(guān)鍵部件的設(shè)計制造。

1 風力發(fā)電機數(shù)字化定義

風力發(fā)電機數(shù)字化定義是指面向風力發(fā)電機產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)管理，以計算機輔助技術(shù)為支撐，用數(shù)字化的形式“虛擬地”設(shè)計新產(chǎn)品，并替代樣機和實物試驗，在計算機中對風力發(fā)電機的形狀、配合、運行進行綜合評價，完成新型風力發(fā)電機的設(shè)計。

風力發(fā)電機數(shù)字化定義包含了風力發(fā)電機從概念設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、工藝設(shè)計到生產(chǎn)運行的全過程。設(shè)計人員在計算機上建立完整的風力發(fā)電機三維數(shù)字化模型，用這些模型對風力發(fā)電機進行描述、評估、優(yōu)化，直至滿足設(shè)計要求。

2 風力發(fā)電機三維設(shè)計

風力發(fā)電機組一般由槳葉、齒輪箱、發(fā)電機、偏航裝置、變槳系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成［3］。為了在概念設(shè)計階段設(shè)計出滿足性能要求的零部件，往往需要反復(fù)驗證。風力發(fā)電機的三維設(shè)計就是根據(jù)概念建立全部的風力發(fā)電機零部件模型，使構(gòu)想的方案以數(shù)字化模型的方式表達出來。以1.25MW風力發(fā)電機組的開發(fā)為例，利用Solidworks軟件對風力發(fā)電機進行建模，可以得到符合要求的三維實體模型。圖1為風力發(fā)電機后機架及其零部件三維模型。

圖1 后機架及其零部件三維模型Fig.1 Three dimensional model of backward frame and its parts

3 零部件標準化模型

標準件庫主要用于標準化、系列化和通用化程度比較高的定型產(chǎn)品。風力發(fā)電機產(chǎn)品中有一些零部件設(shè)計所采用的數(shù)學(xué)模型及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)都是固定不變的，不同的只是產(chǎn)品的尺寸參數(shù)，對于這類零部件，可將己知條件及其他隨產(chǎn)品大小變化而變化的基本參數(shù)用相應(yīng)變量代替，建立標準件庫。標準件庫的使用可以減輕建模的工作量，庫中零件由其自身的特征和參數(shù)控制，可以方便地根據(jù)設(shè)計和裝配要求更換零件，減少模型存儲空間，實現(xiàn)資源共享。風力發(fā)電機標準件庫中包括一般的國家標準件和內(nèi)部設(shè)計通用件。

對1.25MW風力發(fā)電機組中的零件進行統(tǒng)計與分類，將這些零件在Solidworks軟件中建立標準零件庫。該庫具有零件100多件，分為24個系列。圖2為風力發(fā)電機標準件庫中的三維實體。

圖2 風力發(fā)電機標準件庫三維實體Fig.2 Three dimensional model of standard components of wind turbine

4 重要結(jié)構(gòu)強度校核

由于對風力發(fā)電機的功率、經(jīng)濟性、可靠性、耐久性要求的不斷提高，同時要求不斷減輕其結(jié)構(gòu)的自重，因此對其結(jié)構(gòu)強度與壽命的校核變得越來越復(fù)雜，也越來越重要。在兆瓦級風力發(fā)電機組的關(guān)鍵部件的開發(fā)中，對零件的強度和設(shè)備的使用壽命指標都需要運用工程數(shù)值分析中的有限元技術(shù)等方法分析、計算塔架、軸承等結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形等物理場量，從而在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)由線性、靜力計算分析到非線性、動力的計算分析［4-8］過程，然后運用并集成相關(guān)的理論和方法、行業(yè)規(guī)范及材料數(shù)據(jù)分析軟件進行結(jié)構(gòu)強度與壽命的評估。圖3為風力發(fā)電機軸承承載靜力分析結(jié)果。

圖3 風力發(fā)電機軸承承載靜力分析結(jié)果Fig.3 Results of static analysis for wind turbine bearing

5 風力發(fā)電機功能化數(shù)字樣機

在風力發(fā)電機的設(shè)計過程中，每一個零件都應(yīng)經(jīng)過分析優(yōu)化，但為保證整個風力發(fā)電機運動系統(tǒng)的良好性能，需要對運動部件進行運動學(xué)和動力學(xué)分析，建立機組機械系統(tǒng)的數(shù)字化功能樣機，給出機構(gòu)、整機的運動軌跡、速度、加速度及動反力的大小等，以預(yù)測零部件的可靠性和運動性。

風力發(fā)電機功能化數(shù)字樣機包含有變槳、偏航系統(tǒng)的剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)動力學(xué)分析，主要分析槳葉組件、偏航系統(tǒng)、主傳動系統(tǒng)、齒輪箱、變槳系統(tǒng)等運動機構(gòu)在無規(guī)律變化下的空氣動力，在運動構(gòu)件質(zhì)量慣性力作用下的變形與受力變化情況；建立塔架的柔性體模型和傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型，計算獲得模態(tài)信息文件，并導(dǎo)入機械系統(tǒng)動力力學(xué)自動分析軟件（ADAMS）中，使用風力發(fā)電機約束和測量施加方法［9-10］，按照風力發(fā)電機的運行情況，建立相應(yīng)的運動副和槳葉軸承系統(tǒng)載荷模型，并基于文獻［11］中建立的空氣動力學(xué)模型進行動力學(xué)分析，得到風力機各系統(tǒng)的運動情況。

6 控制策略系統(tǒng)優(yōu)化

風力發(fā)電機是將風能轉(zhuǎn)化為機械能再轉(zhuǎn)化為電能的裝置。風是自然條件，因此風力發(fā)電機往往處于復(fù)雜多變的載荷作用下，為提高風能利用效率，故需要對風力發(fā)電機控制策略進行仿真優(yōu)化。

在風力發(fā)電機的設(shè)計過程中，使用Solidworks建模軟件對計算模型建模、結(jié)構(gòu)軟件Ansys對結(jié)構(gòu)進行有限元分析、葉素理論對風速模型進行建模、仿真軟件Matlab對控制策略進行分析［12-13］，可以得到多方面的優(yōu)化設(shè)計。這對一種新型風力發(fā)電機的設(shè)計是至關(guān)重要的。圖4為風力發(fā)電機組啟動過程控制系統(tǒng)的優(yōu)化。圖中，k為比例系數(shù)，其加載方式與風速等因素相關(guān)。該性能數(shù)據(jù)與真實的物理樣機設(shè)計數(shù)據(jù)十分吻合，并為該機進一步提高性能指標提供了技術(shù)支持。

圖4 風力發(fā)電機啟動過程控制優(yōu)化Fig.4 Optimization curve of control systems in the wind turbine's starting process

7 風力發(fā)電機數(shù)字化裝配

風力發(fā)電機的零部件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實際裝配過程中易出現(xiàn)零部件間的干涉，影響安裝。風力發(fā)電機數(shù)字化裝配就是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對關(guān)鍵部件的三維模型進行數(shù)字化裝配，檢測零件設(shè)計的合理性、安裝的可達性與可維護性，實現(xiàn)裝配的可視化，從而為風力發(fā)電機的實際安裝提供一定的指導(dǎo)。

風力發(fā)電機的數(shù)字化裝配需要在CAD軟件中建立產(chǎn)品的裝配模型，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到虛擬現(xiàn)實軟件VIRTOOLS中，定義零部件位置、約束關(guān)系與層次關(guān)系，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中對模型進行安裝與拆卸操作，獲得合理的裝配工藝路線。

通過數(shù)字化軟件對風力發(fā)電機關(guān)鍵部件進行虛擬裝配，可以對風力發(fā)電機系統(tǒng)間的裝配性進行評價，優(yōu)化裝配的路徑，縮短實際安裝施工的時間，降低安裝成本。圖5為虛擬現(xiàn)實軟件中風力發(fā)電機輪轂等部件的數(shù)字化裝配。

圖5 風力發(fā)電機部件數(shù)字化裝配Fig.5 Digital assembly of wind turbine

8 結(jié) 語

數(shù)字化設(shè)計技術(shù)是實現(xiàn)大型復(fù)雜裝備產(chǎn)品快速研制的必要手段。本文對數(shù)字化設(shè)計在兆瓦級風力發(fā)電機組設(shè)計中的技術(shù)進行深入研究，并將該技術(shù)應(yīng)用到某型號風力發(fā)電機的研發(fā)中，這對風力發(fā)電機實現(xiàn)設(shè)計、制造集成、縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)費用、實現(xiàn)大型風力發(fā)電機組自主設(shè)計有著一定的推動作用。

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Application of Digitized Design to MW Grade Wind Turbine

ZHANG Qinglei，GUO Jingkuan
（Shanghai Electric Group Co.，Ltd.Central Academe，Shanghai 200070，China）

The key techniques in digitized design of MW grade wind turbine are studied.Applications of the design include digital definition of wind turbine，3Dmodeling of complete machine，standardized model of components，functional digital prototype，system optimization of control strategy，and assembling of wind turbine.Application of digitized design to MW grade wind turbine can shorten the development cycle of key components and provide help to independent design and manufacture.

wind turbine；digitized design；independent development

TK 83；TP 391.7

A

2095－0020（2011）03－0203－04

2011－04－25

上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人計劃資助（09XD1421100）

張青雷（1973－），男，高級工程師，專業(yè)方向為數(shù)字化設(shè)計與制造，E－mail：zhangql2＠shanghai－electric.com