大兆瓦海上風(fēng)電機(jī)組前機(jī)架的設(shè)計與仿真分析

司豪鵬

上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司 上海 200235

1 技術(shù)背景

風(fēng)電作為21世紀(jì)清潔能源的重要組成部分,既是雙碳目標(biāo)下實現(xiàn)清潔能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要途徑,又是未來能源系統(tǒng)中的重要基石。我國風(fēng)電在國家政策的鼓勵和綠色金融的賦能下,正在逐步走向強大和成熟。相比陸上風(fēng)電,海上風(fēng)電在節(jié)省用地、穩(wěn)定發(fā)電、并網(wǎng)便利性等諸多方面均超過陸上風(fēng)電,雖然起步較晚,但憑借自身優(yōu)越條件,近年來正在世界各地飛速發(fā)展[1]。在此背景下,大力發(fā)展海上風(fēng)電,對促進(jìn)我國能源綠色轉(zhuǎn)型,實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展,海上風(fēng)電機(jī)組呈現(xiàn)大型化、輕量化的發(fā)展趨勢,單機(jī)規(guī)模進(jìn)入超大型階段。當(dāng)然,并且海上風(fēng)電機(jī)組在復(fù)雜的海洋環(huán)境下長期運行,運維難度大,潛在風(fēng)險高。在這種復(fù)雜的條件下,為了確保整機(jī)和零部件在設(shè)計壽命內(nèi)穩(wěn)定安全運行,前機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校核尤為重要,必須對極限工況下的強度和疲勞損傷進(jìn)行仿真和計算,確保處于安全范圍內(nèi),由此可能帶來多輪迭代優(yōu)化,使設(shè)計周期延長,復(fù)雜度提高[2-3]。

有學(xué)者對風(fēng)電機(jī)組的機(jī)架進(jìn)行了研究。陳偉[4]以某大型風(fēng)電機(jī)組前機(jī)架為研究對象,綜合應(yīng)用商用優(yōu)化軟件和有限元方法,系統(tǒng)對前機(jī)架從概念設(shè)計到符合規(guī)范要求的最終設(shè)計構(gòu)型全過程進(jìn)行詳細(xì)闡述,為后續(xù)風(fēng)電機(jī)組相關(guān)零部件的優(yōu)化設(shè)計和分析提供了方法。何章濤[5]對某兆瓦級風(fēng)電機(jī)組前機(jī)架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化,屬于前機(jī)架的自主研發(fā)和探索性研究。趙俊達(dá)[6]通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計得到海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)前機(jī)架模型,在滿足強度要求的前提下,使質(zhì)量減小6.276 t,使減質(zhì)比達(dá)到25.1%。孫紅梅等[7]對某兆瓦級風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行形狀優(yōu)化,改進(jìn)前機(jī)架的結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)性能不變或有所提升的前提下,達(dá)到減小質(zhì)量、降低制造成本的目的。向琳玲等[8]對3 MW風(fēng)電機(jī)組前機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行單一目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化,在保證結(jié)構(gòu)性能達(dá)標(biāo)的情況下,獲得輕量化的機(jī)架模型。

筆者以大兆瓦半直驅(qū)式海上風(fēng)電機(jī)組前機(jī)架為基礎(chǔ),介紹前機(jī)架從設(shè)計思路、建模到有限元分析的整個設(shè)計過程。

2 前機(jī)架設(shè)計

前機(jī)架作為風(fēng)電機(jī)組的大鑄件之一,是機(jī)艙的重要組成部件。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組技術(shù)路線的不同,前機(jī)架的形式和連接部件有所不同,但是都對風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運行起到重要作用。目前常見的風(fēng)電機(jī)組機(jī)型分為直驅(qū)式、雙饋式、半直驅(qū)式。直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)采用多極電機(jī)與風(fēng)輪直接連接進(jìn)行驅(qū)動,取消齒輪箱部件,因此前機(jī)架一般為彎頭結(jié)構(gòu)形式,彎頭一端直接連接發(fā)電機(jī),另一端與偏航系統(tǒng)一起連接至塔筒。雙饋式和半直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)都采用包含齒輪箱在內(nèi)的驅(qū)動鏈部件,驅(qū)動鏈由前端軸系和后端齒輪箱組成,軸系與風(fēng)輪連接,驅(qū)動鏈與尾部的發(fā)電機(jī)連接。這兩種風(fēng)電機(jī)組的前機(jī)架一般都為方形結(jié)構(gòu),頂部承載驅(qū)動鏈,底部與偏航系統(tǒng)一起連接至塔筒上方,不同的是雙饋式風(fēng)電機(jī)組的齒輪箱采用聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)連接,而半直驅(qū)式的齒輪箱與尾部的發(fā)電機(jī)直連。由此可見,半直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組兼顧直驅(qū)式和雙饋式兩者的特點。與雙饋式風(fēng)電機(jī)組相比,半直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的齒輪傳動比較低。與直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組相比,半直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高。由此,半直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組能夠提高齒輪箱的可靠性,延長使用壽命,還能夠改善大功率直驅(qū)式發(fā)電機(jī)設(shè)計制造困難的狀況。當(dāng)然,無論何種形式的前機(jī)架,在機(jī)艙中都起著承載部件,連接風(fēng)電機(jī)組其它部件,保證風(fēng)電機(jī)組順利安裝、穩(wěn)定運行及可靠維護(hù)的作用[9]。

前機(jī)架的重要作用決定了必須具有高強度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐腐蝕、壽命長等特點。目前,國內(nèi)外大多采用球墨鑄鐵作為前機(jī)架的主要材料,其中QT400應(yīng)用最為廣泛。近年來,隨著風(fēng)電機(jī)組兆瓦級別越來越大,對前機(jī)架的強度要求越來越高,不少廠家開始使用QT500作為前機(jī)架的材料。筆者以QT400-18AL材料來進(jìn)行前機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

對于半直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組前機(jī)架,載荷傳遞路徑為葉片、輪轂、驅(qū)動鏈、前機(jī)架、偏航齒圈、塔筒。根據(jù)載荷傳遞路徑,設(shè)計前機(jī)架時主要考慮兩種工況。第一,極限載荷工況,承受來自輪轂中心傳遞的極限載荷。第二,疲勞載荷工況。

前機(jī)架的設(shè)計必須滿足強度、剛度、穩(wěn)定性、使用壽命等要求,評價標(biāo)準(zhǔn)有兩個:極限評價標(biāo)準(zhǔn)和疲勞評價標(biāo)準(zhǔn)。前者指前機(jī)架在各工況下所受的實際最大應(yīng)力要小于許用應(yīng)力,對于非疲勞熱點的局部區(qū)域,允許超過許用應(yīng)力,但塑性應(yīng)變應(yīng)小于1%。后者指前機(jī)架結(jié)構(gòu)的最大損傷值要小于1。

3 前機(jī)架建模

前機(jī)架在設(shè)計前需要根據(jù)需求,搜集相關(guān)參數(shù),以確定設(shè)計邊界。在設(shè)計開始階段,需要搜集三個方面的參數(shù):驅(qū)動鏈系統(tǒng)的參數(shù)、偏航系統(tǒng)的參數(shù)、后機(jī)架的參數(shù)。

近年來,很多學(xué)者采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法在風(fēng)電領(lǐng)域進(jìn)行了研究。潘祖興等[10]對4 MW～5 MW桁架式風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)過渡段進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計,重點研究影響過渡段結(jié)構(gòu)性能的拓?fù)鋮?shù),將設(shè)定方法和所得到的拓?fù)浣Y(jié)果作為相關(guān)設(shè)計的參考依據(jù)。牛磊[11]基于響應(yīng)曲面法對風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪轂優(yōu)化模型進(jìn)行尺寸優(yōu)化,獲得輪轂最佳壁厚的優(yōu)化方案。

筆者根據(jù)驅(qū)動鏈系統(tǒng)的參數(shù)、偏航系統(tǒng)的參數(shù)、后機(jī)架的參數(shù),建立前機(jī)架拓?fù)鋬?yōu)化模型,如圖1所示。前機(jī)架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖2所示。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果,提出多種技術(shù)方案進(jìn)行分析比較,確定優(yōu)選方案,得到初版方案的組成結(jié)構(gòu)、初步外形尺寸、基本特征參數(shù),同時與供應(yīng)商進(jìn)行技術(shù)交流,確認(rèn)可優(yōu)化項和技術(shù)要求,綜合建立初版模型,如圖3所示。

圖1 前機(jī)架拓?fù)鋬?yōu)化模型

圖2 前機(jī)架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

圖3 前機(jī)架初版模型

初版模型確定后,還需要進(jìn)一步確認(rèn)與前機(jī)架相關(guān)的部件詳細(xì)參數(shù),如下:

(1) 驅(qū)動鏈系統(tǒng)的參數(shù),包括驅(qū)動鏈仰角、高度、寬度,以及與前機(jī)架連接尺寸;

(2) 偏航系統(tǒng)的參數(shù),主要分為滑動式偏航、滾動式偏航、外偏航、內(nèi)偏航、偏航中心距、偏航驅(qū)動數(shù)量及布局要求、偏航制動數(shù)量及布局要求、偏航最大內(nèi)外徑要求、塔筒連接要求等;

(3) 后機(jī)架的參數(shù),包括后機(jī)架的連接方式和尺寸;

(4) 整機(jī)尺寸,以及輪轂中心到塔筒中心的尺寸;

(5) 機(jī)艙罩位置尺寸;

(6) 液壓系統(tǒng)位置尺寸;

(7) 電氣參數(shù),包括電氣布線、傳感器等的位置尺寸。

總體方案確定后,還需要綜合考慮前機(jī)架的結(jié)構(gòu)合理性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安裝運維等要求。

4 有限元分析

4.1 仿真模型

所搭建的大兆瓦海上風(fēng)電機(jī)組仿真模型由風(fēng)輪鎖定盤、主軸、前主軸承、后主軸承、軸承座、前機(jī)架、后機(jī)架、塔筒、卡鉗、偏航電機(jī)、偏航齒圈、齒輪箱連接環(huán)、前軸承端蓋、軸端擋圈組成,如圖4所示。載荷坐標(biāo)系選取為輪轂中心坐標(biāo)系,如圖5所示。其中,MX、MY、MZ依次為X、Y、Z方向上的扭矩,FX、FY、FZ依次為X、Y、Z方向上的靜載荷。仿真模型邊界條件的設(shè)置應(yīng)盡可能與實際情況相同[12]。

圖4 大兆瓦海上風(fēng)電機(jī)組仿真模型

圖5 載荷坐標(biāo)系

前機(jī)架、后機(jī)架與塔筒的連接如圖6所示。其中,紅色為固定連接,黃色為活動接觸。后機(jī)架與前機(jī)架之間、塔筒與偏航齒圈之間、上摩擦片與前機(jī)架之間、上卡鉗與側(cè)摩擦片之間、下摩擦片與下卡鉗之間、螺母與墊片之間、墊片與被連接件之間均為固定連接。前機(jī)架與軸承座之間、上摩擦片與偏航齒圈之間、上卡鉗與前機(jī)架之間、上卡鉗與下卡鉗之間、下摩擦片與偏航齒圈之間、側(cè)摩擦片與偏航齒圈之間均為活動接觸,摩擦因數(shù)依次為0.3、0.1、0.32、0.32、0.1、0.1。部分連接部位在結(jié)構(gòu)內(nèi)部,圖中無法顯示。

圖6 前機(jī)架、后機(jī)架與塔筒連接

輪轂中心節(jié)點通過點面接觸連接至輪轂與主軸連接端面上,齒輪箱等效質(zhì)量點通過點面接觸連接至齒輪箱齒圈上,發(fā)電機(jī)等效質(zhì)量點通過多節(jié)點約束連接至齒輪箱等效質(zhì)量點上,變流器、變壓器、后機(jī)架、配電柜、控制柜、機(jī)艙罩等效質(zhì)量點通過點面接觸連接至后機(jī)架連接面上。偏航電機(jī)與偏航齒圈之間通過多節(jié)點約束連接,使偏航電機(jī)的切向位移等于偏航齒圈的切向位移。

4.2 材料屬性

分析的主要對象是大兆瓦海上風(fēng)電機(jī)組前機(jī)架,對應(yīng)材料QT400-18AL的屈服強度為220 MPa,考慮安全因數(shù)為1.1,則用于極限校核的屈服強度為200 MPa。部件材料參數(shù)見表1。

表1 部件材料參數(shù)

4.3 極限強度計算條件

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的實際運行情況,所需計算的工況有七個。工況1為X向最大扭矩工況,工況2為X向最小扭矩工況,工況3為Y向最大扭矩工況,工況4為Y向最小扭矩工況,工況5為Z向最大扭矩工況,工況6為Z向最小扭矩工況,工況7為Y向和Z向最大合扭矩工況。

加載七個工況下輪轂中心坐標(biāo)系的極限靜載荷FX、FY、FZ、MX、MY、MZ及機(jī)艙各部件的重力載荷,極限靜載荷安全因數(shù)與重力安全因數(shù)應(yīng)保持一致,并加載全部螺栓預(yù)緊力。

4.4 極限強度計算結(jié)果

經(jīng)仿真計算,得到前機(jī)架七個工況極限靜載荷下的應(yīng)力云圖,如圖7～圖13所示。

圖7 工況1應(yīng)力云圖

圖8 工況2應(yīng)力云圖

圖9 工況3應(yīng)力云圖

圖10 工況4應(yīng)力云圖

圖11 工況5應(yīng)力云圖

圖13 工況7應(yīng)力云圖

極限強度計算結(jié)果統(tǒng)計見表2 。

由表2可知,前機(jī)架七個工況極限靜載荷下的極限應(yīng)力均小于200 MPa,因此前機(jī)架的結(jié)構(gòu)滿足極限強度要求。

4.5 疲勞強度計算條件

疲勞壽命曲線是用于評估材料耐久性和壽命的重要基礎(chǔ),一般通過疲勞試驗方法來確定材料的疲勞壽命曲線。根據(jù)相關(guān)規(guī)范,在不進(jìn)行疲勞試驗的情況下,可以根據(jù)材料的極限抗拉強度、屈服強度、彈性模量等合成一條近似的疲勞壽命曲線。通過以上方法,可以得到QT400-18AL的疲勞壽命曲線。根據(jù)QT400-18AL的材料特性,以及由規(guī)范擬合出的疲勞壽命曲線來分析前機(jī)架的疲勞強度。

仿真模型中應(yīng)用的主軸承、偏航軸承結(jié)構(gòu)、活動接觸連接會使輪轂中心載荷與前機(jī)架之間的應(yīng)力變?yōu)榉蔷€性關(guān)系,為使仿真更加符合實際情況,運用馬爾科夫矩陣來統(tǒng)計所得到的輪轂中心載荷各變量的均值與幅值。在加載單位疲勞載荷時,仿真模型中分別施加輪轂中心載荷各分量的正負(fù)幅值載荷,得到前機(jī)架的應(yīng)力結(jié)果后,再與時序疲勞載荷耦合,計算前機(jī)架的疲勞損傷值。若疲勞損傷值小于1,則認(rèn)為前機(jī)架滿足疲勞強度要求。

4.6 疲勞強度計算結(jié)果

前機(jī)架的疲勞損傷云圖如圖14所示,疲勞損傷最大區(qū)域如圖15所示。

圖14 前機(jī)架疲勞損傷云圖

圖15 前機(jī)架疲勞損傷最大區(qū)域

根據(jù)計算結(jié)果,可得前機(jī)架疲勞損傷值最大為 0.299 4,小于1,因此滿足疲勞強度要求。

5 總結(jié)與展望

筆者通過實際案例對大兆瓦海上風(fēng)電機(jī)組前機(jī)架的設(shè)計、建模、計算做了介紹與說明,提出的拓?fù)溆嬎恪⒌O(shè)計思路能在較大程度上減小鑄件自身質(zhì)量,提高設(shè)計效率。當(dāng)然大兆瓦風(fēng)電機(jī)組前機(jī)架的設(shè)計還存在一些困難,比如整體尺寸較大,鑄造、加工、運輸困難,國內(nèi)可制造的供應(yīng)商有限等。在未來,風(fēng)電機(jī)組前機(jī)架的設(shè)計還需不斷創(chuàng)新,提出方便運輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式,實現(xiàn)新材料發(fā)展帶來的質(zhì)量減小。

隨著時間的推移,傳統(tǒng)化石能源必將被可持續(xù)的清潔能源所代替。根據(jù)國家能源局發(fā)布的風(fēng)電發(fā)展十四五規(guī)劃,到2025年可再生能源年發(fā)電量達(dá)到3.3萬億kW·h左右。十四五期間,可再生能源發(fā)電量增量在全社會用電量增量中的占比超過50%,風(fēng)電和太陽能發(fā)電量實現(xiàn)翻倍。未來,風(fēng)電行業(yè)仍將持續(xù)快速發(fā)展。