兆瓦级风力发电机组的数字化设计技术应用

张青雷， 郭井宽

（上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海 200070）

兆瓦级风力发电机组的数字化设计技术应用

张青雷， 郭井宽

（上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海 200070）

对数字化设计在兆瓦级风力发电机组设计中的关键技术进行研究。风力发电机组数字化设计主要包括风力发电机数字化定义、风力发电机三维设计、零件标准化模型、风力发电机功能化数字样机、控制策略系统优化、风力机数字化装配等。大型风力发电机数字化设计技术的应用，可以缩短风力发电机核心部件的研发周期，支撑大型风力发电机关键部件的自主设计与制造。

风力发电机；数字化设计；自主研发

风力发电机的设计是典型的复杂机械系统和控制系统联合设计，其数字化设计内容涵盖了空气动力学、结构力学、电磁理论、控制理论等学科的计算机辅助设计、计算机辅助分析、仿真模拟及三维可视化等内容。

数字化设计技术在兆瓦级风力发电机组设计中的应用主要包括：风力发电机三维计算机辅助设计和计算辅助工程，整机虚拟设计和系统仿真，计算机辅助试验及逆向工程，运行性能和空气动力的仿真计算和分析，部件快速制造、产品数据集成化管理，变桨和偏航控制系统的优化等［1-2］。

风力发电机的设计需要经历“设计—试验—设计修改—再试验”多次反复的过程。一种新型风力发电机的开发一般需要几年时间，耗费巨大。国外应用数字化设计手段，在设计阶段前瞻性地实现了对产品设计、制造、运行全生命周期的定量分析，避免了样机试制、试验及修改过程，节省了大量研发经费，缩短了开发周期。目前，我国风力发电机的制造已具有一定的基础，积累了初步的研发与制造经验，引进了一些较为先进的仿真设计软件，搭建了基础的风力发电机研发中心，但由于技术保密、人才培养、制造工艺及材料等原因，我国兆瓦级风力发电机组的研发体系还不完善，研究技术深度不够，尤其是大型风力发电机的核心部件还处于带料加工、合作生产或购买许可证在国内组装的困境，故迫切需要形成我国大型发电机的自主设计能力。

本文研究了数字化设计技术在兆瓦级风力发电机组关键设计的应用，主要包括：风力发电机数字化定义、整机部件三维设计、零部件标准化模型、结构强度分析、风力发电机功能化数字样机、控制策略系统优化、风力发电机数字化装配等，形成了风力发电机机械系统和控制系统的数字化设计能力，支撑了自主知识产权的大型风力发电机关键部件的设计制造。

1 风力发电机数字化定义

风力发电机数字化定义是指面向风力发电机产品全生命周期的数据管理，以计算机辅助技术为支撑，用数字化的形式“虚拟地”设计新产品，并替代样机和实物试验，在计算机中对风力发电机的形状、配合、运行进行综合评价，完成新型风力发电机的设计。

风力发电机数字化定义包含了风力发电机从概念设计、技术设计、工艺设计到生产运行的全过程。设计人员在计算机上建立完整的风力发电机三维数字化模型，用这些模型对风力发电机进行描述、评估、优化，直至满足设计要求。

2 风力发电机三维设计

风力发电机组一般由桨叶、齿轮箱、发电机、偏航装置、变桨系统、控制系统、塔架等部件组成［3］。为了在概念设计阶段设计出满足性能要求的零部件，往往需要反复验证。风力发电机的三维设计就是根据概念建立全部的风力发电机零部件模型，使构想的方案以数字化模型的方式表达出来。以1.25MW风力发电机组的开发为例，利用Solidworks软件对风力发电机进行建模，可以得到符合要求的三维实体模型。图1为风力发电机后机架及其零部件三维模型。

图1 后机架及其零部件三维模型Fig.1 Three dimensional model of backward frame and its parts

3 零部件标准化模型

标准件库主要用于标准化、系列化和通用化程度比较高的定型产品。风力发电机产品中有一些零部件设计所采用的数学模型及产品结构都是固定不变的，不同的只是产品的尺寸参数，对于这类零部件，可将己知条件及其他随产品大小变化而变化的基本参数用相应变量代替，建立标准件库。标准件库的使用可以减轻建模的工作量，库中零件由其自身的特征和参数控制，可以方便地根据设计和装配要求更换零件，减少模型存储空间，实现资源共享。风力发电机标准件库中包括一般的国家标准件和内部设计通用件。

对1.25MW风力发电机组中的零件进行统计与分类，将这些零件在Solidworks软件中建立标准零件库。该库具有零件100多件，分为24个系列。图2为风力发电机标准件库中的三维实体。

图2 风力发电机标准件库三维实体Fig.2 Three dimensional model of standard components of wind turbine

4 重要结构强度校核

由于对风力发电机的功率、经济性、可靠性、耐久性要求的不断提高，同时要求不断减轻其结构的自重，因此对其结构强度与寿命的校核变得越来越复杂，也越来越重要。在兆瓦级风力发电机组的关键部件的开发中，对零件的强度和设备的使用寿命指标都需要运用工程数值分析中的有限元技术等方法分析、计算塔架、轴承等结构的应力、变形等物理场量，从而在结构上实现由线性、静力计算分析到非线性、动力的计算分析［4-8］过程，然后运用并集成相关的理论和方法、行业规范及材料数据分析软件进行结构强度与寿命的评估。图3为风力发电机轴承承载静力分析结果。

图3 风力发电机轴承承载静力分析结果Fig.3 Results of static analysis for wind turbine bearing

5 风力发电机功能化数字样机

在风力发电机的设计过程中，每一个零件都应经过分析优化，但为保证整个风力发电机运动系统的良好性能，需要对运动部件进行运动学和动力学分析，建立机组机械系统的数字化功能样机，给出机构、整机的运动轨迹、速度、加速度及动反力的大小等，以预测零部件的可靠性和运动性。

风力发电机功能化数字样机包含有变桨、偏航系统的刚柔耦合多体系统动力学分析，主要分析桨叶组件、偏航系统、主传动系统、齿轮箱、变桨系统等运动机构在无规律变化下的空气动力，在运动构件质量惯性力作用下的变形与受力变化情况；建立塔架的柔性体模型和传动系统动力学模型，计算获得模态信息文件，并导入机械系统动力力学自动分析软件（ADAMS）中，使用风力发电机约束和测量施加方法［9-10］，按照风力发电机的运行情况，建立相应的运动副和桨叶轴承系统载荷模型，并基于文献［11］中建立的空气动力学模型进行动力学分析，得到风力机各系统的运动情况。

6 控制策略系统优化

风力发电机是将风能转化为机械能再转化为电能的装置。风是自然条件，因此风力发电机往往处于复杂多变的载荷作用下，为提高风能利用效率，故需要对风力发电机控制策略进行仿真优化。

在风力发电机的设计过程中，使用Solidworks建模软件对计算模型建模、结构软件Ansys对结构进行有限元分析、叶素理论对风速模型进行建模、仿真软件Matlab对控制策略进行分析［12-13］，可以得到多方面的优化设计。这对一种新型风力发电机的设计是至关重要的。图4为风力发电机组启动过程控制系统的优化。图中，k为比例系数，其加载方式与风速等因素相关。该性能数据与真实的物理样机设计数据十分吻合，并为该机进一步提高性能指标提供了技术支持。

图4 风力发电机启动过程控制优化Fig.4 Optimization curve of control systems in the wind turbine's starting process

7 风力发电机数字化装配

风力发电机的零部件众多，结构复杂，在实际装配过程中易出现零部件间的干涉，影响安装。风力发电机数字化装配就是利用虚拟现实技术对关键部件的三维模型进行数字化装配，检测零件设计的合理性、安装的可达性与可维护性，实现装配的可视化，从而为风力发电机的实际安装提供一定的指导。

风力发电机的数字化装配需要在CAD软件中建立产品的装配模型，通过数据转化到虚拟现实软件VIRTOOLS中，定义零部件位置、约束关系与层次关系，在虚拟现实环境中对模型进行安装与拆卸操作，获得合理的装配工艺路线。

通过数字化软件对风力发电机关键部件进行虚拟装配，可以对风力发电机系统间的装配性进行评价，优化装配的路径，缩短实际安装施工的时间，降低安装成本。图5为虚拟现实软件中风力发电机轮毂等部件的数字化装配。

图5 风力发电机部件数字化装配Fig.5 Digital assembly of wind turbine

8 结 语

数字化设计技术是实现大型复杂装备产品快速研制的必要手段。本文对数字化设计在兆瓦级风力发电机组设计中的技术进行深入研究，并将该技术应用到某型号风力发电机的研发中，这对风力发电机实现设计、制造集成、缩短研发周期、降低研发费用、实现大型风力发电机组自主设计有着一定的推动作用。

［1］王 超，张怀宁，王辛慧，等.风力发电技术及其发展方向［J］.电站系统工程，2006，22（2）：11－13.

［2］金 鑫，杜 静，何玉林，等.仿真技术在风力机总体性能分析中的应用［J］.系统仿真学报，2007，19（12）：2823－2826，2830.

［3］张锁怀，陈 杨，张青雷.MW级风力发电机组的三维建模［J］.机械设计与制造，2009（4）：108－110.

［4］刘 雄，李钢强，陈 严，等.水平轴风力机筒型塔架动态响应分析［J］.太阳能学报，2010，31（4）：412－417.

［5］Zhang Xiong，Wang Tianshu.Computing structure dynamics［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2007.

［6］Clongh R W，Penzien J.Dynamics of structures［M］.2nd ed.New York：McGraw Hill，1993.

［7］陆 萍，秦惠芳，栾芝云.基于有限元法的风力机塔架结构动态分析［J］.机械工程学报，2002，38（9）：127－130.

［8］Bossanyi E A.GH Bladed theory manual，GH report.282／BR／09［R］.Bristol，UK：Garrad Hassan＆Partners Ltd，2006.

［9］张锁怀，王开专，张青雷.MW级风力发电机组联合仿真运动分析［J］.太阳能学报，2010，31（1）：79－85.

［10］张青雷，郭井宽.兆瓦级风力发电机组变桨机构建模和仿真［J］.上海电机学院学报，2008，11（2）：154－159.

［11］张青雷，卞光祥，郭井宽.风力发电机组空气动力学建模与应用［J］.上海电机学院学报，2009，12（4）：336－341.

［12］陈 进，王旭东，沈文忠，等.风力机叶片的形状优化设计［J］.机械工程学报，2010，46（3）：131－134.

［13］Fuglsang F，Madsen H A.Optimization method for wind turbine rotors［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1999，80（1／2）：191－206.

Application of Digitized Design to MW Grade Wind Turbine

ZHANG Qinglei，GUO Jingkuan
（Shanghai Electric Group Co.，Ltd.Central Academe，Shanghai 200070，China）

The key techniques in digitized design of MW grade wind turbine are studied.Applications of the design include digital definition of wind turbine，3Dmodeling of complete machine，standardized model of components，functional digital prototype，system optimization of control strategy，and assembling of wind turbine.Application of digitized design to MW grade wind turbine can shorten the development cycle of key components and provide help to independent design and manufacture.

wind turbine；digitized design；independent development

TK 83；TP 391.7

A

2095－0020（2011）03－0203－04

2011－04－25

上海市优秀学科带头人计划资助（09XD1421100）

张青雷（1973－），男，高级工程师，专业方向为数字化设计与制造，E－mail：zhangql2＠shanghai－electric.com