風力發電機組塔筒參數化設計

楊文珺，陳小軍，劉 浩 ，王小建，劉 婷

(1.湘電風能有限公司，湖南 湘潭 411102；2. 海上風力發電技術與檢測國家重點實驗室，湖南 湘潭 411102)

0 引言

近兩年來，國內外風電產品市場競爭日益加劇，風機產品的機型越來越多，對其質量要求也越來越高。受國內風電行業搶裝潮的影響，交貨期非常短。面對這種市場現況，如何能滿足用戶的多樣化需求，又在保障風電機組質量的前提下降低成本并按期交貨，是每個主機廠家面臨的嚴峻考驗。

產品的通用化、系列化、模塊化(通常稱為“三化”)的標準化工作高級形式，是解決主機廠家質量、成本、交貨期魔鬼三角的有效途徑。通過“三化”設計，可以以最少的品種規格、最少的工作量及人力滿足最多的需求，從而達到提高技術質量、降低生產成本、縮短交貨周期、提升市場競爭力和用戶滿意度的目的[1]。

由于受風電場的地理環境、氣象資源、沿途道路、用戶需求等因素的影響，不同風電場的風力發電機組塔筒通常須定制化設計，從而形成一系列的塔筒，這些塔筒結構類似，只是某些幾何參數不一樣[2]。因此湘電風能有限公司在塔筒系列化設計中引入參數化設計理念，以提高塔筒結構設計的標準化、自動化水平，從而提高工作效率。

1 參數化設計原理

參數化設計是新一代智能化、自動化設計的熱門手段之一，其基本思想是對于結構類似但規格不同的產品，實際設計時的差別僅在于特定的若干關鍵技術參數的選擇，通過改動圖形的某一部分或某幾部分的尺寸，或修改已定義好的零件參數，自動完成對圖形中相關部分的改動，從而實現對圖形的驅動[3]。章雙全等[4]利用SolidWorks豐富的API函數接口，采用Visual Basic對其進行二次開發，生成風機塔筒結構參數化設計程序，從而實現塔筒結構的參數化自動建模，有效減少了設計人員的重復工作量。

參數化尺寸驅動的方式可以大大提高零部件設計和修改的速度，在產品的系列設計、相似設計等方面都具有較大的應用價值。參數化設計記錄了產品設計的全過程，能設計出一系列而非單一的在形狀和功能上具有相似性的產品或零件，同一系列產品的第二次設計可直接通過修改第一次設計來實現，從而縮短產品的整個開發周期。

2 風力發電機組塔筒參數化設計

2.1 塔筒參數化設計方法

風力發電機組塔筒參數化設計常用的方法有兩種：模塊法和程序法。模塊法是將不同機型或項目的同類零部件設置成多個模塊，每個零部件都設置多個模塊，塔筒總成裝配時根據實際要求選擇各個模塊進行組裝。程序法是利用程序創建零部件，這種方法需要將零部件的所有尺寸設置成全局變量。

我們對系列塔筒的結構及構成零部件進行了梳理和分析，塔筒主體結構一般包括基礎段、底段、二段、三段、四段、頂段塔筒等幾大部分，如圖1所示。塔筒的部分零部件如高強度螺栓、法蘭接地零部件等經整理已經設計成通用件，建立了塔筒通用件庫，筒體、平臺、內附件等零部件可進行參數化設計。如果我們只選取模塊法，塔筒筒體等部分零部件無法實現參數化設計，而塔筒總成中零部件的所有尺寸很難整理完整；而程序法也不能完全適用于塔筒所有零部件的參數化設計。所以風力發電機組塔筒參數化設計采用模塊法與程序法相結合的方法。

圖1 塔筒主體結構框圖

風力發電機組塔筒參數化設計要點在于無論采用何種方法都要將需要修改的尺寸設置成全局變量，其他相關尺寸根據邏輯關系與全局變量尺寸建立相應的方程式。在參數化設計中，根據不同機型或項目對全局變量參數創建好參數表格，完成全局變量參數修改，就能實現各個零部件及塔筒總成的參數化設計。

2.2 塔筒主體參數化設計

風力發電機組塔筒的一般設計程序為綜合風機的功率、風電場的風資源數據、葉片的翼型、傳動鏈的傳動形式、機艙輪轂等總重量等數據，經過載荷計算與工程算法得到塔筒的主體參數，如塔筒的段數、高度、直徑、壁厚等。由于每個機型或項目筒體的外形尺寸會發生變化，因此須將這些尺寸設置成全局變量。

塔筒主體參數化設計中，每段塔筒節數等并不能確定，很難對所有外形建立模塊，因此不能采用模塊法；而通過工程算法計算后能夠得到筒體主體的所有尺寸，所以程序法會更適用于塔筒主體參數化設計。利用SolidWorks中的設計表格，將基本外形尺寸參數與Excel設計表相關聯，通過更改設計表中的尺寸參數實現塔筒主體的參數化設計，大大縮短了塔筒主體圖紙的生成時間。塔筒主體參數化設計如圖2所示。

圖2 塔筒主體參數化設計

2.3 塔筒平臺附件參數化設計

塔筒內部附件設計構造看似多而雜，其實布置原理基本一致，同種功率機型的塔筒內附件設計相差不大。按照一定裝配規律，利用原始驅動尺寸來驅動其他變化的尺寸，產生一系列的平臺結構參數化設計。

塔筒平臺參數化設計中，整理所有尺寸參數難度很大，因此不適合采用程序法；而同種機型塔筒平臺相差不大，因此可以采用模塊法將常用平臺設置成不同模塊會更智能。在平臺模塊中只需將平臺直徑設置為全局變量，根據邏輯關系與筒體外徑、壁厚等原始尺寸建立方程式，如塔筒某段平臺裝配水平軸塔筒外徑為L、壁厚為h，根據邏輯關系可以得到平臺外徑L平臺=(L/2-h-15)×2。螺栓孔數、物料口等開口尺寸、平臺梁尺寸等根據需求與全局變量建立相應的方程式，跟隨全局變量的改變而發生相應的改變。塔筒平臺附件參數化設計如圖3所示。

2.4 塔筒其他內附件參數化設計

塔筒除了平臺之外的其他內附件數量較多，裝配邏輯關系較為繁瑣，因此在參數化設計中最好的應對方法是盡可能將這些內附件設計成類標準件。塔筒內附件基本可分為兩種，一種是外形尺寸參數完全確定的內附件，另一種是某個或者某幾個尺寸參數需變化的內附件。塔筒內附件參數化設計如圖4所示。

外形尺寸參數完全確定的內附件，如滅火器支架、主電纜夾等，將其不同機型下的各種形式設置成多個模塊，每個模塊其外形參數完全確定，只需將其安裝要素設置成全局變量。在塔筒中類標準件的安裝要素包括安裝圓的直徑、安裝基準面角度、安裝高度等。因此將這類內附件與塔筒焊接體的安裝邏輯關系梳理好就能完成它們的參數化設計。

圖3 塔筒平臺附件參數化設計

某個或者某幾個尺寸參數需變化的內附件，如各段爬梯、照明電纜走線架等，其需在安裝要素設置成全局變量的基礎上再將變化的尺寸參數也設置成全局變量。這類內附件還需注意在安裝時其裝配體下的某個零件和塔筒主體的關聯尺寸和要求，所以這類內附件在參數化設計之后還需人為地去進行檢查及修改。

圖4 塔筒內附件參數化設計

3 結語

湘電風能有限公司在進行通用化設計的前提下，在塔筒設計中應用參數化設計，規范了塔筒設計流程、設計方法，結合模塊化的設計方法，形成塔筒的系列化，極大地提高了風力發電機組新產品開發的速度和質量，縮短了產品的設計周期，降低了設計成本，提升了產品的市場競爭力，拓展了設計人員的設計思路，為風電機組產品的優化升級或再開發設計提供了高效的便捷性和可操作性，也為提升風力發電機組的標準化水平提供了新的思路。