風(fēng)力發(fā)電機組后機架結(jié)構(gòu)計算及優(yōu)化方法

華美霞 董彥省 裘園 曹夢楠

摘? 要：為了提高風(fēng)電機組后機架的結(jié)構(gòu)強度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，以5.0MW風(fēng)機機組后機架為分析對象，利用ANSYS對后機架進行極限應(yīng)力與整體變形仿真計算。通過建模仿真計算了解到，優(yōu)化后機架不同部位的特征，其應(yīng)力計算結(jié)果與變形量會有不同程度的變化。文章對后機架展開了不同優(yōu)化方法的建模，以此來對后機架強度予以計算，并分析其計算結(jié)果，總結(jié)出后機架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的思路與方案，為工程應(yīng)用提供重要參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：后機架;風(fēng)電機組;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

風(fēng)電技術(shù)裝備是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和保障，風(fēng)力發(fā)電機組是實現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備，通常風(fēng)電機組內(nèi)安裝有傳動機構(gòu)、發(fā)電機、自動控制裝置等;對兆瓦級以上風(fēng)電機組的機架一般分成主機架和后機架兩部分，后機架通常主要承受發(fā)電機及其它部件的重量，由于其懸臂較長，對整機強度尤其是塔筒強度有較大影響，另外發(fā)電機和其他的電氣件安裝在后機架上面，因此對后機架強度設(shè)計和優(yōu)化就顯得非常重要了，隨著風(fēng)電行業(yè)競爭越來越激烈，從之前的2MW到現(xiàn)在的6.MW、8.MW，風(fēng)機的單機容量的越來越大，風(fēng)機中各個零部件也隨之增大、增重，對機架的載荷強度要求越來越高，然而風(fēng)機的價錢，和風(fēng)電度電的成本，風(fēng)機的交付周期均已減半，導(dǎo)致現(xiàn)在好多企業(yè)都在實施產(chǎn)品的降本計劃，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上后機架就要要求減重，簡化結(jié)構(gòu)，簡化工藝，降低運輸成本。本文就是以5.0MW風(fēng)機機組后機架為分析對象，分析從哪些方面減輕后機架自身重量，簡化自身結(jié)構(gòu)，利用什么方法使后機架極限強度利用率提高到最大化。做到后機架結(jié)構(gòu)更合理，原材料使用率更高，加工工序更合理。

1 后機架結(jié)構(gòu)組成

風(fēng)力發(fā)電機組后機架的主體構(gòu)成如圖1所示，后機架主體主要由連接板、上翼板、下翼板、左右立板、中梁立板、十字梁立板、后梁立板等構(gòu)成。

1—連接板 2—上翼板 3—下翼板?? 4—左右立板?? 5—中梁立板

6—十字梁 立板?? 7—后梁立板

2 有限元模型

風(fēng)機總體模型

為準確的分析后機架的受力狀況，須建立完成的載荷路徑，總體模型將于載荷傳遞的相關(guān)部件均考慮在內(nèi)。建立發(fā)電機組支撐結(jié)構(gòu)組件的總體模型如圖2.1所示。

從風(fēng)機整體模型看后機架前端與主機架采用螺栓進行連接，與發(fā)電機通過發(fā)電機彈性支撐進行連接，后機架主要受自身的重力，與發(fā)電機的重力所產(chǎn)生的壓力，為了節(jié)省結(jié)構(gòu)優(yōu)化的時間，暫時不考慮其他受力影響，這樣總體計算量較小，優(yōu)化效率高，先使用簡化的計算手法對后機架進行強度計算，選出一個最優(yōu)的優(yōu)化方案，在對最優(yōu)的優(yōu)化方案進行整體的仿真計算，在校核方案是否滿足要求。

2.2 后機架子模型

為了消除應(yīng)力集中，得到后機架關(guān)鍵部位更精確的解，對后機架局部的網(wǎng)格進行二次劃分，細化了后機架焊趾附近與開孔處的局部網(wǎng)格。

2.3 材料屬性

3 優(yōu)化方案

以5.0MW風(fēng)機機組后機架為分析對象，依次減薄后機架不同部分的板厚，利用ANSYS 對后機架進行極限應(yīng)力與整體變形仿真計算 結(jié)果見表2。

方案1：針對后機架上下翼板厚度減4mm進行仿真計算;

方案2：針對后機架左右立板厚度減4mm進行仿真計算;

方案3：針對后機架十字梁立板厚度減厚4mm進行仿真計算;

方案4：針對后機架中梁立板，后梁立板厚度減4mm進行仿真計算。

綜合以上仿真數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)上下翼板厚變薄，后機架變形量會有明顯的變化，極限應(yīng)力變化不是非常明顯;左右立板厚變薄，后機架變形量變化不是非常明顯，但是極限應(yīng)力會有明顯的變化;十字梁立板板厚變薄后機架變形量與極限應(yīng)力變化都不是非常明顯;中梁立板，后梁立板板厚變薄后機架變形量變化不是非常明顯，但是極限應(yīng)力會有明顯的變化，以此可以推測出如果想維持后機架變形量改變不大的情況下結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以從十字梁立板、中梁立板、后梁立板開始減薄，針對應(yīng)力較大的區(qū)域可以局部增加加強筋，來降低應(yīng)力集中的風(fēng)險，如果要選擇減薄上下翼板與左右立板的話，針對的后機架的變形量可以采取高度補償?shù)姆椒▉韽浹a后機架安裝發(fā)電機時因為后機架變形下沉導(dǎo)致無法實現(xiàn)發(fā)電機對中的問題。

方案5針對后機架上下翼板、左右立板減薄2mm，十字梁立板減薄4mm，中梁立板，后梁立板減薄2mm，后梁立板發(fā)電機底部增加加強筋，進行仿真計算。極限與變形滿足設(shè)計要求，進一步對后機架進行詳細的計算，對后機架進行11個工況進行分析計算，后機架極限為：281mpa，疲勞為0.37，可見后機架疲勞強度與極限滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文以5.0MW風(fēng)機機組后機架為分析對象，對后機架不同部位的板厚減薄，對應(yīng)力集中位置增加加強筋，進行極限與疲勞仿真后，結(jié)果表明，滿足要求。

參考文獻

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