基于不同材料的大型風(fēng)電機(jī)艙罩研究＊

王瑞，張丹，楊富昭

（1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽 618000；2.四川省高溫合金切削工藝技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，四川德陽 618000）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙罩殼作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要防護(hù)結(jié)構(gòu)，具有以下作用：①防護(hù)作用。可保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在惡劣的氣象條件下正常工作，保護(hù)內(nèi)部設(shè)備和作業(yè)人員不受風(fēng)沙、雨雪、鹽霧、紫外線輻射等外部因素的侵害。②隔噪作用。隔絕風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部設(shè)備（如齒輪箱、發(fā)電機(jī)）運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲，防止噪聲影響到風(fēng)機(jī)周圍的居民或牲畜。③防污作用。防止機(jī)艙內(nèi)部的油脂泄漏到機(jī)組外部，污染環(huán)境。④降低風(fēng)阻。機(jī)艙罩殼設(shè)計(jì)形狀規(guī)則、表面平整，可有效降低風(fēng)通過時(shí)的阻力。⑤美化外觀。機(jī)艙罩可美化風(fēng)機(jī)的外觀，另外罩殼外壁還可噴涂機(jī)組的標(biāo)識(shí)，增加了機(jī)組的辨識(shí)性。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙罩長期遭受自然界及外界環(huán)境的侵襲，故對(duì)其強(qiáng)度的要求比較高，同時(shí)要有耐候性、抗腐蝕性、抗溫差性、抗老化性、抗疲勞性、抗紫外線輻射等性能，除此之外，考慮到整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的承重，要求機(jī)艙罩質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、承載能力大。因此風(fēng)力機(jī)組機(jī)艙罩材料方向的研究與應(yīng)用已得到廣泛的關(guān)注。目前主流的風(fēng)電機(jī)艙罩材料有非金屬復(fù)合材料和金屬材料2 種[1-2]。這2 種材料在設(shè)計(jì)制造和強(qiáng)度分析、生產(chǎn)成本上有很大的不同。

1 非金屬復(fù)合材料機(jī)艙罩

1.1 非金屬復(fù)合材料機(jī)艙罩設(shè)計(jì)制造方法

隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，復(fù)合材料工業(yè)得到迅速發(fā)展，非金屬復(fù)合材料機(jī)艙罩主要由實(shí)心層合板殼體和結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋組成。實(shí)心層合板由不飽和聚酯樹脂和玻璃纖維增強(qiáng)材料構(gòu)成，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋一般采用矩形空心斷面結(jié)構(gòu)的玻璃纖維層壓板材料。

非金屬復(fù)合材料機(jī)艙罩常用的成型工藝為手糊成型工藝，機(jī)艙罩的制造工藝流程為：加工原模→模具制造→模具打磨→罩殼制造。

1.2 非金屬復(fù)合材料機(jī)艙罩失效準(zhǔn)則

1.2.1 基本假設(shè)

為確定復(fù)合材料層合板殼單元的剛度，基于經(jīng)典層合板理論計(jì)算復(fù)合材料板上的作用力與結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的關(guān)系，需做如下假設(shè)：①層合板的各單層粘接牢固，層間不產(chǎn)生滑移；②層合板是薄板，忽略σz，各單層按平面應(yīng)力狀態(tài)分析；③層合板彎曲變形在小撓度范圍，變形前垂直于中面的直線在變形后仍保持直線，并垂直于中面，忽略了垂直于中面的平面內(nèi)剪應(yīng)變，即γxz=γyz=0，且該直線的長度不變，即εz=0。

1.2.2 復(fù)合材料最大應(yīng)力失效準(zhǔn)則

復(fù)合材料是正交各向異性材料，其縱向強(qiáng)度與橫向強(qiáng)度往往不一樣[3]，而且許多材料的拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度也不相同，剪切強(qiáng)度和單軸強(qiáng)度之間又沒有一定的關(guān)系。因此，在平面應(yīng)力狀態(tài)下單層板的基本強(qiáng)度指標(biāo)有7 個(gè)，如表1 所示。

表1 平面應(yīng)力狀態(tài)下單層板的基本強(qiáng)度指標(biāo)

最大應(yīng)力準(zhǔn)則為：

1.2.3 材料強(qiáng)度及安全系數(shù)要求

在采用最大應(yīng)力準(zhǔn)則下，再考慮材料的安全系數(shù)，根據(jù)GL 2010 規(guī)范5.5.2.3 要求[4]，可計(jì)算出纖維拉伸纖維間失效時(shí)的總安全系數(shù)γMa為：

式（1）中，γM0、Cia（i=1，2，3，4）的取值詳如表2 所示。

表2 材料安全系數(shù)

機(jī)艙罩殼體材料一般選用手糊纖維氈M300 和手糊纖維布W600，材料具體參數(shù)如表3 所示。

表3 材料參數(shù)

其中手糊纖維氈M300 的拉伸強(qiáng)度為115 MPa，手糊纖維布W600 的拉伸強(qiáng)度為332 MPa。那么這2 種材料的許用強(qiáng)度如下。

2 金屬材料機(jī)艙罩

2.1 金屬材料機(jī)艙罩設(shè)計(jì)制造方法

金屬材料機(jī)艙罩主要由金屬蒙皮與金屬框架組成，材料采用普通的碳鋼材料。

金屬材料機(jī)艙罩的制造工藝流程為：板材切割下料→點(diǎn)焊定位→整體預(yù)裝配→在預(yù)裝配狀態(tài)實(shí)施滿焊接→無損探傷、校形→防腐處理→罩殼整體裝配。

2.2 金屬材料機(jī)艙罩失效準(zhǔn)則

金屬機(jī)艙罩的殼體與框架材料一般選用最常用的碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B，厚度在16 mm 以下，強(qiáng)度為235 MPa[5]，根據(jù)GL 2010 規(guī)范5.3.2.1 要求，材料本身的安全系數(shù)1.1[4]，材料許用應(yīng)力213 MPa。

3 機(jī)艙罩設(shè)計(jì)分析案例

以4 MW 風(fēng)電機(jī)組為例，分別對(duì)2 種不同材料的機(jī)艙罩進(jìn)行設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析。

3.1 機(jī)艙罩設(shè)計(jì)方案

4 MW 非金屬復(fù)合材料機(jī)艙罩上半為（M300/W600）4/頂部balsa 木/（M300/W600）4/M300，機(jī)艙罩下半為（M300/W600）6/（M300/W600）8/（M300/W600）4/M300，其中最厚的位置為31 mm，最薄的位置為5 mm，主體平均厚度約為12 mm。4 MW金屬材料機(jī)艙罩整體采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B，其中金屬蒙皮厚度4 mm，金屬框架厚度8 mm。

4 MW 金屬機(jī)艙罩殼與非金屬相比質(zhì)量增加約2.7 t，由于Q235-B 材料本身價(jià)格不高，沒有模具費(fèi)用，因此金屬罩殼的成本主要存在于焊接工藝、涂裝等制造成本。總的來說，金屬機(jī)艙罩殼的生產(chǎn)成本與樹脂材料相比有所降低。

3.2 機(jī)艙罩強(qiáng)度分析

3.2.1 受載計(jì)算

3.2.1.1 風(fēng)速

風(fēng)速與所選取的風(fēng)區(qū)有關(guān)，GL 2010 規(guī)范4.2.1 按照50 年一遇10 min 的極限風(fēng)速Vref將風(fēng)區(qū)劃分為3 類基本風(fēng)區(qū)I、Ⅱ、Ⅲ和1 類特殊風(fēng)區(qū)S[5]，這4 類風(fēng)區(qū)下的風(fēng)機(jī)等級(jí)基本參數(shù)如表4 所示。

表4 風(fēng)機(jī)等級(jí)基本參數(shù)

表4 中，Vref為基準(zhǔn)風(fēng)速，Vave為輪轂高度處年平均風(fēng)速，AI15為較高湍流強(qiáng)度下15 m/s 湍流強(qiáng)度特征值，a為斜率參數(shù)，BI15為較低湍流強(qiáng)度下15 m/s 湍流強(qiáng)度特征值。本文中的4 MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組考慮采用Ⅱ類風(fēng)區(qū)，具體信息如表5 所示。

表5 Ⅱ類風(fēng)區(qū)具體信息

3.2.1.2 機(jī)艙Cp值

依據(jù)GL 2010 規(guī)范6.4.3.2.3，在風(fēng)向確定的情況下可得出機(jī)艙罩各表面的Cp值[5]。機(jī)艙罩的簡化Cp值如圖1 所示，其中正對(duì)風(fēng)向的機(jī)艙罩面為迎風(fēng)面Cp=+0.8（壓力），與之對(duì)應(yīng)的面為背風(fēng)面Cp=-0.5（吸力），與風(fēng)向平行的面Cp=-0.6（吸力）。

圖1 機(jī)艙罩的簡化Cp值

3.2.1.3 空氣密度

空氣密度取標(biāo)準(zhǔn)空氣密度1.225 kg/m3。

利用風(fēng)速v、作用面積A、Cp值和空氣密度ρ就可計(jì)算出機(jī)艙罩的受載情況：

3.2.1.4 載荷安全系數(shù)

依據(jù)GL 2010 規(guī)范4.3.2 要求選取載荷安全系數(shù)[5]，載荷安全系數(shù)如表6 所示。

表6 載荷安全系數(shù)

3.2.2 極限強(qiáng)度分析

基于前述的強(qiáng)度失效準(zhǔn)則，利用ANASYS 分析軟件[6]，以4 MW 風(fēng)電機(jī)組為例，分別對(duì)2 種不同材料的機(jī)艙罩進(jìn)行極限強(qiáng)度分析，如圖2、圖3 所示。

圖2 4 MW 非金屬復(fù)合材料機(jī)艙罩強(qiáng)度分析應(yīng)力云圖

經(jīng)分析，非金屬復(fù)合材料機(jī)艙罩手糊纖維氈最大應(yīng)力為45.4 MPa，手糊纖維布最大應(yīng)力為109 MPa，極限強(qiáng)度滿足要求。

強(qiáng)度分析的結(jié)果表明：金屬機(jī)艙罩最大von-Mises等效應(yīng)力約為103 MPa，極限強(qiáng)度滿足要求。

4 結(jié)束語

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組眾多的采購部件中，機(jī)艙罩殼作為較大的結(jié)構(gòu)部件，約占風(fēng)機(jī)總成本的3%左右，隨著目前風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)的逐步下調(diào)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組降本壓力正在逐漸加大，因此選用何種材料的機(jī)艙罩，對(duì)控制整個(gè)風(fēng)機(jī)的成本具有較大的影響。

4.1 2 種材料機(jī)艙罩的優(yōu)缺點(diǎn)

非金屬復(fù)合材料機(jī)艙罩優(yōu)點(diǎn)為：①不需復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備，投資少，適合中國鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展；②生產(chǎn)技術(shù)易掌握，生產(chǎn)人員只需經(jīng)過短期培訓(xùn)即可進(jìn)行生產(chǎn)；③可與其他材料復(fù)合制作成一體，厚度可變化。但也具有明顯的缺點(diǎn)：①強(qiáng)度校核的方法和過程較為復(fù)雜；②一般采用手糊成型工藝，生產(chǎn)效率低，尺寸偏差大；③易受操作人員技能水平及生產(chǎn)環(huán)境條件的影響，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定；④加工時(shí)粉塵多，環(huán)境污染大。

金屬材料機(jī)艙罩優(yōu)點(diǎn)為：①Q(mào)235B 是普通材質(zhì)的鋼材，應(yīng)用十分廣泛，價(jià)格不高；②金屬材料的加工制造依靠機(jī)床保證，尺寸偏差易于控制；③針對(duì)單一金屬材料的強(qiáng)度校核較為簡單。其缺點(diǎn)在于：①金屬機(jī)艙罩長期暴露在大氣環(huán)境中，需考慮整體防腐；②金屬的熱傳導(dǎo)系數(shù)高，需要加大機(jī)艙內(nèi)部散熱通風(fēng)量。在低溫地區(qū)，還要考慮機(jī)艙內(nèi)部的保溫措施。

4.2 機(jī)艙罩的選取原則

在風(fēng)電機(jī)艙罩方案的選取上首先應(yīng)充分考慮到風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境，并結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的整體結(jié)構(gòu)方案及外形尺寸，核算出機(jī)艙罩的生產(chǎn)制造成本，再綜合考慮機(jī)艙罩的生產(chǎn)效率（交貨期要求）、車間裝配、后期運(yùn)輸條件等因素，最終確定選用哪種材料的機(jī)艙罩，并設(shè)計(jì)出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案和制造工藝，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙罩的最優(yōu)性價(jià)比。