大型海上風(fēng)力發(fā)電機組外部散熱器支架設(shè)計

陳方述，陽雪兵，石 峰

(1.湘電風(fēng)能有限公司，湖南 湘潭 411101；2.海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及檢測國家重點實驗室，湖南 湘潭 411101)

0 引言

近年來，風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源得到廣泛應(yīng)用，風(fēng)力發(fā)電已成為全球增長最快的新能源[1]。風(fēng)力發(fā)電機組在我國的發(fā)展越來越迅速，各種子系統(tǒng)不斷增多，結(jié)構(gòu)形式也越來越復(fù)雜。冷卻系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機組的主要子系統(tǒng)之一，直接關(guān)系到風(fēng)機的整機運行性能，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，有空冷式、水冷式等。某大型海上風(fēng)力發(fā)電機的水冷式冷卻系統(tǒng)包括外部散熱器、內(nèi)部水冷泵組等，外部散熱器設(shè)置在風(fēng)機外部，面臨臺風(fēng)、結(jié)冰、海洋腐蝕等惡劣環(huán)境，對散熱器支架的強度、可靠性等都要求較高。本文設(shè)計了一種安裝方便、抗臺風(fēng)、抗腐蝕的外部散熱器支架，并利用SolidWorks對外部散熱器支架進行三維建模[2]，然后采用ANSYS Workbench對支架進行了力學(xué)分析[3]。

1 外部散熱器布置形式

外部散熱器設(shè)置在風(fēng)力發(fā)電機機艙靠近發(fā)電機側(cè)，整體結(jié)構(gòu)包括散熱器芯體和散熱器支架，芯體安裝于支架上，支架安裝于機艙鑄件上，連接形式均為螺栓連接，如圖1所示。外部散熱器需與機艙工業(yè)設(shè)計外形整體相契合，同時還要滿足后期的維護、更換等使用要求。

圖1 外部散熱器在風(fēng)機上的布置

2 外部散熱器支架設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

此型風(fēng)機的應(yīng)用環(huán)境為海上超強臺風(fēng)區(qū)域，要求具有足夠的結(jié)構(gòu)強度以抵抗強風(fēng)載荷，防腐等級為C5-M[4]，因此散熱器支架機艙外部結(jié)構(gòu)材質(zhì)選用022Cr17Ni12Mo2不銹鋼，其具有優(yōu)良的耐海洋腐蝕性能、良好的焊接及力學(xué)性能[5，6]；支架機艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)處在機艙罩內(nèi)部封閉環(huán)境中，材質(zhì)選用Q355D鋼。022Cr17Ni12Mo2不銹鋼和Q355D鋼材料性能見表1。

表1 022Cr17Ni12Mo2不銹鋼和Q355D鋼材料性能

2.2 外部散熱器支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

外部散熱器支架分為內(nèi)部底座和外部支架兩部分，兩部分之間用螺栓連接，其三維模型分別如圖2、圖3所示。內(nèi)部底座設(shè)置在機艙罩內(nèi)部，包括安裝座和立柱兩部分，均采用Q355D方管焊接制作。外部支架采用型材方管焊接制作，設(shè)計成反支座結(jié)構(gòu)，所有對接接頭位置用筋板加強，減小應(yīng)力集中。外部支架由于采用022Cr17Ni12Mo2不銹鋼材料制作，價格相對較高，因此在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)盡量提高材料利用效率，減少加工。

圖2 散熱器支架內(nèi)部底座三維模型 圖3 散熱器支架外部支架三維模型

3 外部散熱器支架結(jié)構(gòu)分析

3.1 載荷分析

風(fēng)機的工作環(huán)境為極風(fēng)等級為IEC-T類強臺風(fēng)區(qū)域，參考極端風(fēng)速為：10 min平均風(fēng)速57 m/s、3 s平均風(fēng)速79.8 m/s。風(fēng)力載荷為主要的載荷，分析時只考慮在極限最大風(fēng)速下支架正面垂直方向迎風(fēng)的受力情況，此時，散熱器支架受力最大。

垂直氣流下風(fēng)力載荷計算公式[7]為：

(1)

其中：ρ為空氣密度，20 ℃環(huán)境下ρ=1.225 kg/m3；Vwind為最大風(fēng)速，Vwind=79.8 m/s；A為受力參考面，散熱器支架共安裝有4片散熱器芯體，芯體與支架正向等效受力總面積A=7.9 m2；Cp為風(fēng)阻系數(shù)，垂直氣流方向下，Cp=0.8。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)計算可得：Fsk=24 651 N。

3.2 強度計算

利用有限元法對外部散熱器支架進行受力分析，在SolidWorks中建立模型后導(dǎo)入ANSYS Workbench中進行計算。對支架立柱與機艙內(nèi)部鑄件相連接部分施加約束，約束所有自由度；在支架安裝散熱器芯體處施加風(fēng)載作用力Fsk進行計算。得到的外部散熱器支架整體結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖和位移云圖分別如圖4、圖5所示。

從圖4可以看出，在風(fēng)載荷作用下，最大應(yīng)力為107 MPa，發(fā)生在支架外部斜撐與立柱連接位置，小于材料許用應(yīng)力240 MPa，滿足強度要求。

圖4 外部散熱器支架整體結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖

從圖5可以看出，在風(fēng)載荷作用下最大位移為18 mm，發(fā)生在散熱器支架的頂部位置，這是因為頂部為整個懸臂梁結(jié)構(gòu)支架的遠端部分，因此此處位移最大。

圖5 外部散熱器支架整體結(jié)構(gòu)位移云圖

4 結(jié)語

(1)通過ANSYS Workbench對風(fēng)力發(fā)電機的外部散熱器支架在受到風(fēng)載荷作用下進行了有限元分析，得到了支架的位移和等效應(yīng)力云圖，可為外部散熱器支架的進一步優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

(2)通過分析計算結(jié)果可知，外部散熱器支架在風(fēng)載荷作用下的位移和應(yīng)力都在許用范圍內(nèi)，設(shè)計強度滿足要求。