基于有限元的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組金屬機(jī)艙罩設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

王 瑞 ，張 丹

（1.東方電氣風(fēng)電有限公司，四川 德陽(yáng) 618000；2.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065；3.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618000）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的大型發(fā)電設(shè)備，機(jī)艙罩作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重要的外部防護(hù)結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)基材主要是玻璃纖維復(fù)合材料[1，2]，但該材料存在以下缺點(diǎn)：

（1）造價(jià)高，單位造價(jià)每噸在5萬(wàn)元左右。

（2）周期長(zhǎng)，模具生產(chǎn)周期至少2個(gè)月，對(duì)于新機(jī)型的開(kāi)發(fā)成本較高。

（3）模具一旦定形，整體外形不可修改。

（4）采用手糊加工制造工藝[1]，尺寸精度差。

（5）玻璃纖維材料為易燃材料，防火性能差。

（6）玻璃纖維材料很難降解，不環(huán)保。

為降低機(jī)艙罩的生產(chǎn)成本，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保性，本文以Q235B為基材，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種用于3.0 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的金屬結(jié)構(gòu)機(jī)艙罩，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）造價(jià)低。每噸造價(jià)在3萬(wàn)元左右。

（2）無(wú)需生產(chǎn)模具，可明顯縮短新機(jī)型的開(kāi)發(fā)周期和制造成本。

（3）沒(méi)有模具，外形修改較為方便。

（4）整體采用焊接結(jié)構(gòu)，尺寸偏差易于控制。

（5）金屬具有較好的耐火性能。

（6）金屬可回收再利用。

1 金屬機(jī)艙罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)3.0 MW雙饋機(jī)組機(jī)艙的外形尺寸及結(jié)構(gòu)布局，本文采用了分塊組合的設(shè)計(jì)方案，將整個(gè)金屬機(jī)艙罩的前部、中部、尾部分成了若干塊。如圖1所示，每一個(gè)分塊內(nèi)部采用鋼結(jié)構(gòu)的骨架方式搭建，外部采用厚度為3 mm的金屬蒙皮，主要基材為Q235B.分塊之間采用法蘭加螺栓、螺母的連接方式，緊密的連接在一起。

圖1 金屬機(jī)艙罩結(jié)構(gòu)

2 載荷及工況設(shè)置

2.1 載荷設(shè)置

機(jī)艙罩所受載荷包括殼體自重、活載荷（雪載、冰載、人等）、風(fēng)載荷三部分[3]。對(duì)3.0 MW風(fēng)機(jī)金屬機(jī)艙罩相關(guān)載荷作如下設(shè)置：

（1）金屬機(jī)艙罩的自重63.7 kN.

（2）機(jī)艙頂部的雪載58.5 kN.

（3）覆蓋于整個(gè)機(jī)艙罩表面的冰載27.7 kN.

（4）維護(hù)人員在（20×20）cm2面積上1.5 kN.

（5）風(fēng)載 WSK= ρ/2·V2mind·A·CP.

式中：ρ為空氣密度；Vmind為風(fēng)速；A為受風(fēng)面積；CP為風(fēng)壓系數(shù)。

設(shè)置3.0 MW風(fēng)機(jī)適用地區(qū)為Ⅱ類(lèi)風(fēng)區(qū)，空氣密度0.961 kg/m3.機(jī)艙罩側(cè)面積38 m2，頂部表面積19.5 m2，底部表面積21 m2，尾部表面積9.3 m2.機(jī)艙罩每個(gè)表面受垂直氣流作用情況的Cp值見(jiàn)圖2所示。

圖2 金屬機(jī)艙罩Cp值

2.2 工況設(shè)置

在工況設(shè)置時(shí)，應(yīng)考慮以下載荷組合方式：

（1）靜載荷和活載荷的疊加。

（2）靜載荷和風(fēng)載的疊加。

詳細(xì)分為以下6種工況，詳見(jiàn)表1.

表1 金屬機(jī)艙罩工況設(shè)置

3 強(qiáng)度及變形分析

根據(jù)前述工況分析，下面對(duì)3.0 MW風(fēng)機(jī)的金屬機(jī)艙罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度及變形校核。

3.1 強(qiáng)度與變形理論

基于有限元方法的罩殼強(qiáng)度和變形分析有限元方程[4]為：

[K]{X}={P}

其中，[K]是機(jī)艙罩的剛度矩陣{X}={X1，X2，…XN}T為節(jié)點(diǎn)位移向量{P}={P1，P2，…PN}T為節(jié)點(diǎn)載荷向量；N為結(jié)構(gòu)總的自由度。

強(qiáng)度和變形分析有限元方程位移解為

{X}={K}T{P}

應(yīng)力解為

其中：

i，j=x，y，z{x1，x2，x3}={x，y，z}T·（i，j=1，2，3）

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形分析

按前述6種工況對(duì)金屬機(jī)艙罩進(jìn)行有限元分析，得到最大應(yīng)力分布及變形結(jié)果。見(jiàn)圖3.

圖3 金屬機(jī)艙罩等效應(yīng)力云圖

金屬罩殼材料為Q235B，取1.1材料安全系數(shù)，許用應(yīng)力168 MPa.極限強(qiáng)度分析結(jié)果表明：罩殼整體除局部筋板最大von-Mises等效應(yīng)力超過(guò)168 MPa以外，其它位置的等效應(yīng)力都在168 MPa以下。

圖4 金屬機(jī)艙罩變形云圖

如圖4所示，最大變形僅為20.957 3 mm，發(fā)生在機(jī)艙罩后端底部的金屬蒙皮上。

綜合分析，3.0 MW風(fēng)機(jī)的金屬機(jī)艙罩具有足夠的強(qiáng)度和剛度，在設(shè)計(jì)載荷工況下，其強(qiáng)度和變形均滿(mǎn)足使用要求。

4 振動(dòng)模態(tài)分析

首先對(duì)金屬機(jī)艙罩固有頻率進(jìn)行分析，如圖5、6、7所示。其中一階模態(tài)頻率為6.163 6 Hz，二階模態(tài)頻率為6.912 4 Hz，三階模態(tài)頻率為8.171 0 Hz.

在對(duì)機(jī)艙罩振動(dòng)模態(tài)分析時(shí)，應(yīng)將風(fēng)機(jī)等效為風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架三部分。不考慮地震等因素影響，機(jī)艙罩的外部激振源為風(fēng)輪。3 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪的一階至三階轉(zhuǎn)頻為0.157~0.375 Hz，均遠(yuǎn)低于金屬機(jī)艙罩的固有頻率，因此金屬機(jī)艙罩不會(huì)發(fā)生共振。

圖5 一階模態(tài)頻率6.163 6Hz

圖6 二階模態(tài)6.9124Hz

圖7 三階模態(tài)8.1710Hz

5 結(jié)論

傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙罩基本上都是玻璃纖維復(fù)合材料，其模具成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、精度差、易燃、不環(huán)保一直是這種材料難以克服的缺點(diǎn)。本文提出了一種以普通碳鋼Q235B為材料的金屬機(jī)艙罩設(shè)計(jì)方案。該方案在3.0 MW風(fēng)機(jī)機(jī)艙罩三維模型基礎(chǔ)上，采用有限元分析方法對(duì)金屬機(jī)艙罩的強(qiáng)度、變形、振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行了仿真。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的分析計(jì)算，驗(yàn)證了大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組金屬機(jī)艙罩設(shè)計(jì)的可行性，為后期金屬機(jī)艙罩的生產(chǎn)制造提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

[1]李 超，沈鳳亞，余國(guó)城.兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙罩強(qiáng)度分析與設(shè)計(jì)[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2012（3）：3-6.

[2]麻 磊，王廣慶，李 曼，等.兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙罩設(shè)計(jì)與計(jì)算方法[J].機(jī)械工程師，2012（5）：95-97.

[3]Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2010.

[4]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[5]楊 為，邱清盈，胡建軍.機(jī)械結(jié)構(gòu)的理論模態(tài)分析方法[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，27（6）：1-4.

[6]宋加佳，蔡 全，李智勇，等.兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙罩振動(dòng)模態(tài)分析[J].機(jī)械制造，2011，49（565）：15-16.