自頂向下設計在大型風力發電機設計中的應用

周興，李正霞

(東方電氣風電有限公司，四川德陽，618000)

自頂向下設計在大型風力發電機設計中的應用

周興，李正霞

(東方電氣風電有限公司，四川德陽，618000)

根據風力發電機研發周期短、設計質量要求高的特點，文章將自頂向下的設計方法運用于大型風力發電機的設計。該方法通過定義設計意圖、建立骨架模型、共享數據和參數化建模，實現了風機產品各部分的并行設計，并有效提高了產品的可修改性。實驗證明該方法縮短設計周期30%以上。

自頂向下，骨架模型，風力發電機設計

0 引言

經過對國外風力發電技術的引進以及多年來的消化吸收，國內已經擁有相當的研發能力，然而激烈競爭的風機市場對風機的個性化需求也越來越高，因此縮短新機型的研發周期，提高機組的設計質量已經成為亟需解決的問題之一。而自頂向下的設計方法已被廣泛應用于汽車、機床等復雜機械的設計[1]，能夠有效提高設計效率。因此，本文將該方法應用于大型風力發電機的設計，實驗證明該方法能夠有效提高風機的設計效率，縮短設計周期30%以上。

1 模型規劃

自頂向下設計通過最頂層的產品結構，將設計規范傳遞到所有相關的局部組裝中，并可以在整個設計過程中，掌控模型相關性與衍生的改變，有效地管理外部參照。由于它是針對產品本身，而不是產品的某個零部件，因此自頂向下設計要求設計者在產品設計初期，就要充分考慮到所有零件的外觀、大小、位置和零件間的配合關系，根據其特點定義好設計意圖、規劃好結構設計實現方法、主控參數和因果參數等，并在設計周期允許的情況下，盡可能多地考慮到未來的設計變更。這樣，在模型優化設計時，可有效提高模型的可修改性，節省大量時間，從而在復雜的風機產品設計中，將設計效率大大提高。下面以3 MW海上風機的塔筒改進設計（簡稱FD119B塔筒設計）為例，闡述模型的規劃過程。

1.1 定義設計意圖[2]

在建模之前，必須深入研究項目的設計目標、設計周期以及產品的使用環境、需要實現的功能。從而定義產品設計規范，并在布局文件中繪制粗略的2D草圖。FD119B塔筒改造設計項目中，機組為FD115C的改造項目要求安裝在潮間帶，受海上鹽霧和天氣的影響，變壓器、中壓開關柜、低壓開關柜等柜體需要安裝在塔筒內，而變頻器散熱器、變壓器散熱器以及新增的鹽霧過濾器需要安裝在不被海水飛濺的塔筒外側[3]。根據設計要求，在布局文件中繪制粗略的2D草圖，如圖1所示，參數如表1所示。

圖1 FD119B塔筒布局文件

表1 FD119B主控參數表

其中，FD119B新增塔筒過渡段用于放置主變壓器和中壓開關柜，其高度L0取決于主變壓器的安裝高度和自身的外形尺寸；L1高度取決于主變壓器下部電纜的最小彎曲半徑和自身的維護要求；由于該項目為改造項目，第五段塔筒已完成生產，其長度保持不變，L2、L3、L4的高度需綜合考慮各平臺柜體的外形尺寸、安裝維護要求等因素后，方可確定。

1.2 建立骨架模型[3]

骨架模型是一個3D參數化布局，用來為組裝擷取重要的設計準則和設計意圖，主要通過基準特征（如基準點、基準面、坐標系）、曲面、曲線將設計意圖在整個設計中準確地傳遞，保證設計的穩定性。圖2為FD119B塔筒設計最頂層的骨架模型，它包括了整個設計中產品級的主控參數及其子組件裝配所需的基準面，如塔筒中心線、地基面、門框中心面等。

圖2FD119B塔筒設計的骨架模型

圖3 為FD119B塔筒的子組件——外圍平臺的骨架模型，該骨架既包括從塔筒傳遞過來的設計意圖——外部復制幾何，又包括組件內需要傳遞的設計信息——各基準面、曲線等。因此，在骨架建立過程必須理清主控參數控制范圍，這有利于建立精簡有效的骨架模型，讓每一個設計者都能迅速讀懂模型的設計意圖。

圖3 FD119B外圍平臺的骨架模型

2 共享數據

共享數據主要包括輸入特征、發布幾何、復制幾何和收縮包絡。共享數據可以將風機各部分設計進行系統化的分割，讓不同的設計人員同時獲得所負責部件的設計信息，并行完成風機的設計。以外圍平臺的設計為例，外圍平臺的設計只與第五段塔筒筒體及門框的位置有關，因此只需要向外圍平臺設計人員共享如圖4所示的數據即可。通過此類方法，分別向設計人員共享變壓器支架、入門平臺、變頻器安裝平臺、塔筒螺栓維護平臺所需的數據，就可完成各大部件的并行設計。

圖4 外圍平臺的共享數據

3 參數化建模

設計人員接收到共享數據后，開始對所負責的零部件進行建模，建模前要充分理解零部件的特點，對零部件進行形體分析，以確定設計變量和建模策略，然后進行參數化建模。

3.1 合理劃分部套

在復雜的風機設計中，每一個設計人員負責設計的子組件也是比較復雜的。以FD119B外圍平臺的設計為例，外圍平臺還需要進一步劃分為以下幾個部分：左部支架、中部支架、右部支架、護欄、斜撐、柵格板等。正確劃分部套能夠讓設計者的設計思路更加清晰，并大大減少后期投影工程圖紙的工作量。

3.2 創建參數化模型[4]

創建參數化模型最重要的途徑之一就是建立參數化的草圖，主要包含以下幾個方面[5]：

（1）合理、清晰地規劃零部件的草圖結構，以能夠完整地表達該零部件的設計意圖。每個草圖要盡可能簡單，要將復雜的草圖分解為簡單的草圖以便于約束和修改。同時要利用約束建立各個草圖之間的關聯關系，以使控制參數變更時，草圖之間的位置關系不會錯位。

（2）合理繪制草圖。對于比較復雜的草圖，最好避免一次繪制完所有的曲線，然后再加約束，這容易出現約束沖突，從而增加建立全約束的難度。一般要按設計意圖建立曲線，并且每建立一條或幾條曲線，要隨之建立相應的約束條件，修改尺寸約束到設計意圖值。這樣可以減少草圖曲線過約束、欠約束、約束矛盾發生的可能性。

（3）合理建立約束條件。將草圖通過幾何約束如固定、共線等定位到基準線、基準面；盡可能多地使用幾何約束，只有表達設計的關鍵控制參數才用尺寸約束，這樣可以減少參數的數量。

（4）在建立草圖時要隨時關注草圖的約束狀態。為了達到變型設計的要求，最好使草圖能夠完全約束，這樣可以減少出錯的可能。

4 組裝

通過自頂向下方法設計完成的模型，只需要采用缺省的方式即可完成裝配，非常方便，圖5為塔筒改造后的實例。該模型可控性非常好，在設計的任何階段發現問題，都可以通過調整表1中產品級的設計參數進行修改，并發布最新的共享數據，無需每個設計者都關心整個產品的設計細節，大大提高了工作效率。

Application of Top-down Method in Large-scale Wind Turbine Design

Zhou Xing，Li Zhengxia
（Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Based on the short cycle and the high design quality characteristic of wind turbine research and development,the topdown design method is applied to the design of large-scale wind turbine.The method implements concurrent design of the product by defining the design intent,setting up the skeleton model,sharing data and parameterizing modeling,then effectively improves the modifiability of products.Experiments prove that the method shortens the design cycle for about 30%.

top-down,skeleton model,wind turbine design

TP241

A

1674-9987（2015）04-0061-03

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.04.013

周興(1985-)，男，助理工程師，主要從事風電機組機械設計方面的工作。