宋培龍，葛春麗，侯驊玲，焦守雷，劉子哲，游慧鵬，董營(yíng)

（中車山東風(fēng)電有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

0 引言

隨著日益加劇的能源危機(jī)和環(huán)境惡化問題，作為可再生的、環(huán)保的、廉價(jià)的資源，風(fēng)能得到了越來越多的重視[1]～[3]。隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展以及2020年之后陸上風(fēng)電“平價(jià)時(shí)代”的到來，風(fēng)電市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也愈發(fā)激烈。從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、降低機(jī)組生產(chǎn)成本和后期維護(hù)成本，是整機(jī)制造企業(yè)應(yīng)對(duì)嚴(yán)峻市場(chǎng)環(huán)境的有效解決辦法。

雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的后機(jī)架是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)重要的、基本的鋼結(jié)構(gòu)部件，與主機(jī)架一起共同承載了機(jī)艙重量和外力載荷。后機(jī)架主要承載發(fā)電機(jī)（重量一般為6～13 t）、電氣控制柜、機(jī)艙罩及其他機(jī)艙附件的重量。對(duì)后機(jī)架進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常、穩(wěn)定運(yùn)行的保證，也是整機(jī)提質(zhì)降本的有效途徑[4]，[5]。雙饋型機(jī)組機(jī)艙結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙饋型機(jī)組機(jī)艙結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of nacelle structure of doubly-fed wind turbines

1 后機(jī)架的結(jié)構(gòu)形式

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作過程中，后機(jī)架（圖2）運(yùn)行工況比較惡劣，主梁（縱梁和橫梁）一般選擇承載能力大、工藝性好、制造方便的箱型梁結(jié)構(gòu)或工字梁結(jié)構(gòu)。

圖2 后機(jī)架示意圖Fig.2 Rare frame diagram

2 不同主梁結(jié)構(gòu)的后機(jī)架對(duì)比分析

2.1 強(qiáng)度理論

后機(jī)架承載時(shí)主要承受豎直方向的彎矩，左、右兩側(cè)主梁為承載主體，在強(qiáng)度分析過程中可將兩側(cè)主梁等效成懸臂梁架構(gòu)[6]（圖3）。

圖3 后機(jī)架結(jié)構(gòu)分析簡(jiǎn)圖Fig.3 The structure analysis diagram of rare frame

通過對(duì)比箱型主梁和工字型主梁的抗彎強(qiáng)度來體現(xiàn)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)形式的后機(jī)架的承載能力。由材料力學(xué)的理論[7]可知，純彎曲時(shí)梁橫截面上的彎曲正應(yīng)力σ為

圖4為工字梁截面和箱型梁截面示意圖。

圖4 工字梁和箱型梁截面示意圖Fig.4 Cross section diagram of I-beam and box-beam

式中：B為翼緣板寬度；t為翼緣板厚度；d為腹板厚度；h為腹板高度。

由式（3），（4）可以看出：B，t，h和d均對(duì)工字梁和箱型梁WZ有影響；箱型梁的腹板與對(duì)稱軸y軸的距離c對(duì)WZ沒有影響。

2.2 強(qiáng)度與經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，箱型主梁和工字型主梁結(jié)構(gòu)的后機(jī)架的生產(chǎn)工藝類似，制造成本一般取決于焊接件重量。因此，在其設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和重量之間的關(guān)系。

工字梁和箱型梁的單位長(zhǎng)度質(zhì)量的變化與截面積的變化為正比例關(guān)系。因此，通過控制變量法和特殊值法，在保證截面積變化量ΔS和M相同的前提下，改變其中一個(gè)變量帶來的WZ的變化可用來分析該變量對(duì)主梁的抗彎強(qiáng)度的影響。

2.2.1 B為變量

取h為160 mm，t為20 mm，d為10 mm和ΔS為800 mm2，B為變量時(shí)，其對(duì)WZ的影響情況如表1和圖5所示。當(dāng)工字梁的截面積S工和箱型梁的截面積S箱相同時(shí)，WZ的變化情況如圖6所示。

圖6 截面積相同時(shí)WZ的變化曲線Fig.6 The curve of WZ with the same cross-section area

由表1和圖5，6可知：增大B可以增大工字梁和箱型梁的WZ；B相同時(shí)，WZ箱＞W(wǎng)Z工；截面積相同時(shí)，WZ工＞W(wǎng)Z箱；B從200 mm開始，以10 mm的變化量遞增至350 mm時(shí)，WZ工的增量ΔWZ工和WZ箱的增量ΔWZ箱相同，均為32 533 mm3。

圖5 B為變量時(shí)對(duì)WZ的影響情況Fig.5 The effect of parameter B as a variable on WZ

表1 B為變量時(shí)對(duì)WZ的影響情況Table 1 The effect of parameter B as a variable on WZ

2.2.2 t為變量

取B為200 mm，h為160 mm，d為10 mm和ΔS為800 mm2，當(dāng)t為變量時(shí)，其對(duì)WZ的影響情況如表2和圖7所示。

表2 t為變量時(shí)對(duì)WZ的影響情況Table 2 The effect of parameter t as a variable on WZ

圖7 t為變量時(shí)對(duì)WZ的影響情況Fig.7 The effect of parameter t as a variable on WZ

當(dāng)工字梁和箱型梁的截面積S相同時(shí)，WZ的變化情況如圖8所示。

圖8 截面積相同時(shí)WZ的變化曲線Fig.8 The curve of WZ with the same cross-section area

由表2和圖7，8可知：增大t可以增大工字梁和箱型梁的WZ；當(dāng)t相同時(shí)，WZ箱＞W(wǎng)Z工；當(dāng)截面積S相同時(shí)，WZ工＞W(wǎng)Z箱；當(dāng)t從20 mm開始，以1 mm的變化量遞增至35 mm時(shí)，ΔWZ工由33 221 mm3增加至35 480 mm3，ΔWZ箱由32 883 mm3增加至35 220 mm3，雖然均呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì)，但是增量較小。

2.2.3 h為變量

取B為200 mm，t為20 mm，d為10 mm和ΔS為800 mm2，當(dāng)h為變量時(shí)，其對(duì)工字梁和箱型梁WZ的影響情況如表3和圖9所示。當(dāng)工字梁和箱型梁的S相同時(shí)，WZ的變化情況如圖10所示。

圖9 h為變量時(shí)對(duì)WZ的影響情況Fig.9 The effect of parameter h as a variable on WZ

圖10 截面積相同時(shí)WZ的變化曲線Fig.10 The curve of WZ with the same cross-section area

表3 h為變量時(shí)對(duì)WZ的影響情況Table 3 The effect of parameter h as a variable on WZ

續(xù)表3

由表3和圖9，10可知：增大h可以增大工字梁和箱型梁的WZ；當(dāng)h相同時(shí)，WZ箱＞W(wǎng)Z工；當(dāng)S相同時(shí)，WZ工＞W(wǎng)Z箱；當(dāng)h從160 mm開始，以40 mm的變化量遞增至760 mm時(shí)，ΔWZ工由179 644 mm3增加至255 867 mm3，ΔWZ箱由201 067 mm3增加至351 874 mm3，呈現(xiàn)出較為明顯的遞增趨勢(shì)，且增量較大。

2.2.4 d為變量

取B為100 mm，h為160 mm，t為20 mm和ΔS為800 mm2，當(dāng)d為變量時(shí)，其對(duì)工字梁和箱型梁WZ的影響情況見表4和圖11。當(dāng)工字梁和箱型梁S相同時(shí)，WZ的變化情況如圖12所示。

圖12 S相同時(shí)WZ的變化曲線Fig.12 The curve of WZ with the same cross-section area S

由表4和圖11，12可知：增大d可以增大工字梁和箱型梁的WZ；當(dāng)d相同時(shí)，WZ箱＞W(wǎng)Z工；當(dāng)S相同時(shí)，WZ工=WZ箱；當(dāng)d從10 mm開始，以2.5 mm的變化量遞增至47.5 mm時(shí)，ΔWZ工和ΔWZ箱均為定值，ΔWZ工為8 533 mm3，ΔWZ箱為17 067 mm3。

表4 d為變量時(shí)對(duì)WZ的影響情況Table 4 The effect of parameter d as a variable on WZ

圖11 d為變量時(shí)對(duì)WZ的影響情況Fig.11 The effect of parameter d as a variable on WZ

2.2.5 梁的截面參數(shù)對(duì)抗彎截面系數(shù)的貢獻(xiàn)度

為探究梁的各截面參數(shù)對(duì)WZ的貢獻(xiàn)度的大小，在S相同的情況下，分別選取表1～4中B，t，h和d作為變量時(shí)所引起的WZ的變化進(jìn)行比較，結(jié)果如圖13所示。

圖13 各截面參數(shù)對(duì)WZ的影響Fig.13 Influence of different sectional parameters on WZ

由圖13可知：h的變化對(duì)工字梁和箱型梁的WZ的貢獻(xiàn)度最大，t和B的貢獻(xiàn)度次之，d的貢獻(xiàn)度最?。籬對(duì)工字梁WZ的影響明顯大于對(duì)箱型梁WZ的影響。

3 結(jié)論

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組后機(jī)架的設(shè)計(jì)過程中，基于經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性因素的考慮，通過分析工字梁截面和箱型梁截面各參數(shù)對(duì)其抗彎強(qiáng)度的影響，得出如下結(jié)論。

①在承受豎直方向載荷時(shí)，B，t，h和d的增大，均能使梁的WZ增大，但影響程度不同。h的變化對(duì)梁的WZ的變化貢獻(xiàn)度最大，t和B的貢獻(xiàn)度次之，d的貢獻(xiàn)度最小。②當(dāng)B，t，h和d相同的情況下，箱型梁WZ和截面積（質(zhì)量）均大于工字梁；當(dāng)梁的截面積（質(zhì)量）相同的情況下，WZ工≥WZ箱，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

③在后機(jī)架的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)優(yōu)先考慮選用工字型主梁結(jié)構(gòu)；當(dāng)需要提高后機(jī)架的承載時(shí)，結(jié)合實(shí)際空間尺寸的情況，可適當(dāng)增大h或選擇箱型主梁結(jié)構(gòu)。