基于有限元的大型风力发电机组金属机舱罩设计开发

王 瑞 ，张 丹

（1.东方电气风电有限公司，四川 德阳 618000；2.四川大学制造科学与工程学院，四川 成都 610065；3.四川工程职业技术学院，四川 德阳 618000）

0 引言

风力发电机组是将风能转化为电能的大型发电设备，机舱罩作为风力发电机组重要的外部防护结构，传统基材主要是玻璃纤维复合材料[1，2]，但该材料存在以下缺点：

（1）造价高，单位造价每吨在5万元左右。

（2）周期长，模具生产周期至少2个月，对于新机型的开发成本较高。

（3）模具一旦定形，整体外形不可修改。

（4）采用手糊加工制造工艺[1]，尺寸精度差。

（5）玻璃纤维材料为易燃材料，防火性能差。

（6）玻璃纤维材料很难降解，不环保。

为降低机舱罩的生产成本，提高风力发电机组的经济性、安全性和环保性，本文以Q235B为基材，设计开发了一种用于3.0 MW双馈风力发电机组的金属结构机舱罩，具有以下优点：

（1）造价低。每吨造价在3万元左右。

（2）无需生产模具，可明显缩短新机型的开发周期和制造成本。

（3）没有模具，外形修改较为方便。

（4）整体采用焊接结构，尺寸偏差易于控制。

（5）金属具有较好的耐火性能。

（6）金属可回收再利用。

1 金属机舱罩结构设计

根据3.0 MW双馈机组机舱的外形尺寸及结构布局，本文采用了分块组合的设计方案，将整个金属机舱罩的前部、中部、尾部分成了若干块。如图1所示，每一个分块内部采用钢结构的骨架方式搭建，外部采用厚度为3 mm的金属蒙皮，主要基材为Q235B.分块之间采用法兰加螺栓、螺母的连接方式，紧密的连接在一起。

图1 金属机舱罩结构

2 载荷及工况设置

2.1 载荷设置

机舱罩所受载荷包括壳体自重、活载荷（雪载、冰载、人等）、风载荷三部分[3]。对3.0 MW风机金属机舱罩相关载荷作如下设置：

（1）金属机舱罩的自重63.7 kN.

（2）机舱顶部的雪载58.5 kN.

（3）覆盖于整个机舱罩表面的冰载27.7 kN.

（4）维护人员在（20×20）cm2面积上1.5 kN.

（5）风载 WSK= ρ/2·V2mind·A·CP.

式中：ρ为空气密度；Vmind为风速；A为受风面积；CP为风压系数。

设置3.0 MW风机适用地区为Ⅱ类风区，空气密度0.961 kg/m3.机舱罩侧面积38 m2，顶部表面积19.5 m2，底部表面积21 m2，尾部表面积9.3 m2.机舱罩每个表面受垂直气流作用情况的Cp值见图2所示。

图2 金属机舱罩Cp值

2.2 工况设置

在工况设置时，应考虑以下载荷组合方式：

（1）静载荷和活载荷的叠加。

（2）静载荷和风载的叠加。

详细分为以下6种工况，详见表1.

表1 金属机舱罩工况设置

3 强度及变形分析

根据前述工况分析，下面对3.0 MW风机的金属机舱罩结构进行强度及变形校核。

3.1 强度与变形理论

基于有限元方法的罩壳强度和变形分析有限元方程[4]为：

[K]{X}={P}

其中，[K]是机舱罩的刚度矩阵{X}={X1，X2，…XN}T为节点位移向量{P}={P1，P2，…PN}T为节点载荷向量；N为结构总的自由度。

强度和变形分析有限元方程位移解为

{X}={K}T{P}

应力解为

其中：

i，j=x，y，z{x1，x2，x3}={x，y，z}T·（i，j=1，2，3）

3.2 结构强度及变形分析

按前述6种工况对金属机舱罩进行有限元分析，得到最大应力分布及变形结果。见图3.

图3 金属机舱罩等效应力云图

金属罩壳材料为Q235B，取1.1材料安全系数，许用应力168 MPa.极限强度分析结果表明：罩壳整体除局部筋板最大von-Mises等效应力超过168 MPa以外，其它位置的等效应力都在168 MPa以下。

图4 金属机舱罩变形云图

如图4所示，最大变形仅为20.957 3 mm，发生在机舱罩后端底部的金属蒙皮上。

综合分析，3.0 MW风机的金属机舱罩具有足够的强度和刚度，在设计载荷工况下，其强度和变形均满足使用要求。

4 振动模态分析

首先对金属机舱罩固有频率进行分析，如图5、6、7所示。其中一阶模态频率为6.163 6 Hz，二阶模态频率为6.912 4 Hz，三阶模态频率为8.171 0 Hz.

在对机舱罩振动模态分析时，应将风机等效为风轮、机舱、塔架三部分。不考虑地震等因素影响，机舱罩的外部激振源为风轮。3 MW双馈风力发电机组风轮的一阶至三阶转频为0.157~0.375 Hz，均远低于金属机舱罩的固有频率，因此金属机舱罩不会发生共振。

图5 一阶模态频率6.163 6Hz

图6 二阶模态6.9124Hz

图7 三阶模态8.1710Hz

5 结论

传统的风力发电机组机舱罩基本上都是玻璃纤维复合材料，其模具成本高、生产周期长、精度差、易燃、不环保一直是这种材料难以克服的缺点。本文提出了一种以普通碳钢Q235B为材料的金属机舱罩设计方案。该方案在3.0 MW风机机舱罩三维模型基础上，采用有限元分析方法对金属机舱罩的强度、变形、振动模态进行了仿真。经过详细的分析计算，验证了大型风力发电机组金属机舱罩设计的可行性，为后期金属机舱罩的生产制造提供了有力的数据支撑。

[1]李 超，沈凤亚，余国城.兆瓦级风力发电机机舱罩强度分析与设计[J].玻璃钢/复合材料，2012（3）：3-6.

[2]麻 磊，王广庆，李 曼，等.兆瓦级风力发电机组机舱罩设计与计算方法[J].机械工程师，2012（5）：95-97.

[3]Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2010.

[4]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2011.

[5]杨 为，邱清盈，胡建军.机械结构的理论模态分析方法[J].重庆大学学报（自然科学版），2004，27（6）：1-4.

[6]宋加佳，蔡 全，李智勇，等.兆瓦级风力发电机组机舱罩振动模态分析[J].机械制造，2011，49（565）：15-16.