風力發電機組塔筒參數化設計

潘宇

摘要：近兩年來，國內外風電產品市場競爭日趨激烈，風電機組型號越來越多，質量要求也越來越高。由于國內風電行業的搶購，交貨期很短。面對這種市場形勢，如何在保證風電機組質量的前提下，滿足用戶多樣化的需求，降低成本，按期交貨，是每個主機廠商面臨的嚴峻考驗。

關鍵詞：風力發電;機組;塔筒參數化;設計

1風能開發利用

長期以來，經濟發展大多是以有限的能源為代價，如煤炭、石油和其他礦產。因此，能源枯竭和環境污染問題日益嚴重，引起了世界各國的關注。為了保證人類生存環境的質量和可持續發展，必須通過切實可行的措施來解決環境問題和能源問題。不可再生資源需要控制、合理配置和利用，無公害可再生能源需要開發利用，如水能、太陽能、風能等。

中國幅員遼闊，地形類型多樣，風能資源豐富。與常規能源發電相比，風力發電具有成本低、無污染、不破壞周邊生態環境等優點。在風能和電能的轉換過程中，風力發電機組是其利用的重要組成部分。隨著科學技術的迅速發展和應用，風力發電機組的控制技術得到了整體優化和改進，提高了其可靠性、效率和應用的智能性。基于風力發電設施體積小、結構簡單的特點，不僅占地面積小，而且實施過程復雜度低，建設周期相對較短，有效地保證了經濟效益和社會效益。特別是近年來，國家對風電開發企業給予了重要的政策引導和支持，使風電產業得到快速發展，加強了風能開發利用效率，也大大提高了風電機組控制技術的發展速度。

2參數化設計原理

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。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。

3風力發電機組塔筒參數化設計

3.1 塔筒參數化設計方法

風電機組塔架參數化設計的常用方法有模塊法和程序法。模塊化方法是將不同型號或項目的相似部件設置成多個模塊，每個部件設置多個模塊，在塔架組裝時根據實際需要選擇每個模塊進行組裝。程序方法是通過程序創建組件。此方法需要將組件的所有維度設置為全局變量。

對該系列塔的結構和組成進行了梳理和分析。塔架的主要結構一般包括基礎部分、底部部分、第二部分、第三部分、第四部分和頂部部分，如圖1所示。對塔架的部分部件，如高強度螺栓、法蘭接地部件等進行了整理和設計。建立了塔筒體通用零件庫，實現了筒體、平臺、內件等零件的參數化。如果只采用模塊化方法，就不能實現塔殼等部分零件的參數化設計，很難完成塔架裝配中各部件的全部尺寸，也不能完全應用于塔架各部件的參數化設計。因此，風電機組塔架的參數化設計采用模塊法與程序法相結合的方法。

風電機組塔架參數化設計的關鍵在于，無論采用何種方法，都應將需要修改的尺寸設定為全局變量，并根據邏輯關系和全局變量大小建立相應的其他相關尺寸方程。在參數化設計中，根據不同模型或工程的全局變量參數建立參數表，完成全局變量參數的修改，實現各構件和塔架組件的參數化設計。

3.2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。

3.3 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。

3.4塔筒其他內附件參數化設計

除平臺外，塔筒其他內部附件數量較多，裝配邏輯較為復雜。因此，在參數化設計中解決這一問題的最佳方法是將這些內部附件設計成盡可能標準的零件。塔筒內件基本上有兩種，一種是外形尺寸參數完全確定的內件，另一種是有一個或幾個尺寸參數需要改變的內件。

對于外形尺寸參數完全確定的內部附件，如滅火器支架、主纜夾等，將不同型號的各種形式設置成多個模塊。每個模塊的形狀參數都是完全確定的，只需要將其安裝元素設置為全局變量。塔架標準件的安裝要素包括安裝圓直徑、安裝基準面角度和安裝高度。因此，理清內部附件與塔筒焊接體的安裝邏輯關系，即可完成參數化設計。

對于需要改變一個或多個尺寸參數的內部附件，如每段梯子、照明電纜架等，在將安裝元件設置為全局變量的基礎上，將可變尺寸參數設置為全局變量。這種內部附件在安裝過程中還需要注意組件下的某個部件和塔體的相關尺寸和要求，因此這類內部附件需要在參數化設計后進行人工檢查和修改。

結論

在通用設計的前提下，將參數化設計應用于塔架設計，規范了塔架設計過程和設計方法。結合模塊化設計方法，形成塔架系列化，大大提高了風電機組新產品開發的速度和質量，縮短了設計周期，降低了設計成本，提高了產品的市場競爭力，拓展了設計人員的設計思路，提供了高效的方便性和可操作性為風電機組產品的優化升級或再開發設計，也為提高風電機組標準化水平提供了新思路。

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