風電機組機艙罩框架設計與吊裝調姿過程載荷分析

0 引言

機艙罩作為風電機組的外殼，保護內部各個元器件不受外界惡劣環境的影響，承受各種復雜載荷，是風電機組的重要部件之一。近年來，隨著風力發電機組大型化的快速發展，風機功率不斷增加，機組與機艙罩尺寸也越來越大，所受風載荷在同等條件下也越來越大

。機艙罩一般安裝于鋼制框架上，再固定于機艙鑄件，所受載荷都直接傳遞于框架之上，因此，要求機艙罩框架具有足夠的結構強度和承載能力，再加上平價時代的到來，對制造成本、交付效率等提出了越來越高的要求，因此還要求框架具有結構簡單、安裝方便、便于維護等特點。

本文根據上述要求，基于某型大兆瓦海上風電機組，設計了一種機艙罩框架，利用SolidWorks對機艙罩框架進行三維建模

，采用ANSYSWorkbench對框架進行力學分析

，并對裝配時框架的吊裝調姿過程進行了載荷分析，為機艙罩框架和類似產品設計提供參考。

研究對象在唾液樣本采集前60 min未進食，且12 h內未進行過口腔清潔措施。采樣時先讓受試者用無菌蒸餾水漱口，然后再用5 mL無菌EP管收集其非刺激性唾液3 mL，并立即在冰浴下(約-4 ℃)轉送至實驗室，置于-20 ℃冰箱保存備用。

1 機艙罩框架結構設計

機艙罩框架在風電機組中的位置見圖1所示，機艙罩支點通過螺栓安裝于框架上，框架通過螺栓與機艙鑄件固定，框架與機艙罩外形整體相契合。

“西湖山水還依舊……看到斷橋橋未斷，我寸腸斷，一片深情付東流！”白衣女子一揮水袖，哀怨的歌聲隱隱傳來。

在SolidWorks中建立模型后，導入ANSYSWorkbench中進行計算，對框架與機艙鑄件連接部分施加全約束，對機艙罩與框架連接部分，施加風載作用力F

與重力載荷G，計算時，前、后框架做整體考慮，計算得到的應力云圖見圖3所示，位移云圖見圖4所示。

根據圣唯南原理，在保證模型的力學特征與實物相近的情況下，對框架結構的焊縫，圓角等微小特征進行精簡，將模型進行簡化，同時考慮計算精度和便利性，采用前、后框架整體建模計算的方式，減少計算量。根據GL2010規范，對框架結構來說，機艙罩傳遞過來的載荷主要為風載荷和自重載荷，框架受力分析主要考慮這兩種載荷的作用。框架的材質選用Q355D鋼

，材質參數見表1所示。

2 機艙罩框架有限元分析

為滿足道路運輸條件，以及最大限度減少風機裝配時的安裝工時，提高裝配效率，同時為了減少風機運維工作量，框架設計成前、后兩部分，通過4個法蘭連接。機艙罩與框架頂部和兩側對稱設置的支點連接，機艙鑄件與框架底部設置的支點連接。上述所有連接均通過螺栓連接，見圖2所示。

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風機的工作環境為等級為IEC-T類強臺風區域，風速為79m/s，取機艙罩單側受極限風載的受力情況進行分析，此時，框架受力最大，考慮足夠的安全性，利用系數取0.8，垂直氣流下風力載荷計算公式

為：

機艙罩及其附件重量為：G=80000N。

其中：ρ為空氣密度，ρ=1.225kg/m

；V

為最大風速，V

=79m/s；A為受力面，A=54m

；C

為風阻系數，C

=0.8，以上數據，代入式（1）計算可得：

整個框架結構處在機艙罩內部封閉環境中，該框架結構采用方管、矩形管等型材焊接后加工，結構簡單，其中底部與機艙鑄件連接處采用300×200×8（mm）矩形管，其余主體框架采用200×200×8（mm）方管。

框架結構的空中姿態調整，一般采用2臺吊車相互配合進行

。機艙罩框架安裝時，先將前框架在機艙鑄件上落位安裝，再將后框架起吊與前框架和機艙鑄件進行對接安裝。前框架結構規則，重量相對較小，安裝簡單，吊裝過程本文不作分析。后框架為不規則結構，重量較重，起吊時先用主吊吊起后框架，吊離地面后，此時后框架為傾斜狀態，再利用輔吊將后框架調整至水平姿態，與前框架對接，為避免吊裝時產生變形，增加了工藝支撐桿，裝配完成后拆除，見圖5所示。

3 吊裝調姿過程載荷分析

從應力、位移云圖可以看出，最大應力處在前框架底梁與機艙鑄件連接位置，為179MPa，小于材料許用應力323MPa，滿足要求。最大位移為3.5mm，發生在框架頂部一側機艙罩連接支點位置，滿足框架使用要求。因此，框架強度滿足設計要求。

后框架重心位于結構內部某一空間點上，與模型中心不一致，調姿過程中重心不斷變化，本文主要對后框架從吊離地面后的傾斜狀態到水平狀態的調姿過程中載荷變化情況進行分析，采用吊帶作用于框架節點起吊，主吊點為F1，輔吊點為F2。吊離地面時，僅F1作用，α為后框架與水平線傾角，此時框架傾角為-34.6°，然后輔吊點F2作用，將后框架調姿至水平狀態。受載示意見圖6所示，各吊點調姿過程的載荷數據見表2。

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調姿過程載荷變化見圖7所示，調姿過程中，主吊點載荷不斷減小，從-34.6°到-30°載荷急劇減小，而后變化不大，輔吊點載荷不斷增大，從-34.6°到-30°載荷急劇增大，而后變化不大。在此過程中，需注意放緩起吊速度，控制好框架的晃動，防止起吊動作過大產生吊裝危險。

4 結語

本文提出了一種結構簡單、安裝與維護方便的機艙罩框架，對框架進行了有限元分析，得到框架的應力、位移云圖等計算數據，均在許用范圍內，滿足設計要求。同時，分析了框架裝配吊裝調姿過程中各吊點載的變化情況，總結了吊裝調姿過程中的注意事項，對風電機組大尺寸框架類結構的設計與吊裝方案制定提供了借鑒和參考。

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