兆瓦级风力发电机机舱灌注成型研究

薛浩鹏，吴海亮

(天津东汽风电叶片工程有限公司 天津300480)

兆瓦级风力发电机机舱灌注成型研究

薛浩鹏，吴海亮

(天津东汽风电叶片工程有限公司 天津300480)

指出风电技术在遏制温室效应、改善生态环境以及可再生能源利用方面都具有非常重要的现实意义。从分析风力发电机组机舱罩体设计要求、规范以及主要技术出发，阐述了兆瓦级风电机舱罩壳采用灌注成型的原因、灌注工艺优势以及设计改进流程。并通过有限元计算优化设计、改进工艺等方式，阐述了如何逐步提升机舱罩壳的经济性和提高市场竞争力的方法。

机舱罩壳 灌注工艺 有限元分析 环境 成本

近年来，风电作为一种清洁能源，在全球范围内迅猛发展。风电技术在遏制温室效应、改善生态环境以及可再生能源的利用方面具有非常重要的现实意义。由于国家生态建设和经济发展的要求，社会市场对于风力发电机的需求量不断增加。[1-2]为了适应市场需求，机舱罩壳的生产面临着提高生产效率、降低生产成本、改善操作环境等问题。因此，设计优化工艺势在必行。本文主要按照 GL规范，通过有限元计算优化机舱结构，采用灌注工艺生产机舱罩，改善原有手糊工艺操作环境差、材料成本高等问题。

1 主要设计要求和规范

1.1 主要设计要求

风力发电机组机舱罩体由几个部分组成，内置风电设备。机舱罩可以保护驱动部件，降低噪声辐射，保障维护期间人员的安全。

使用环境条件如下：①运行温度范围－40～50,℃；②需具备一定防盐雾腐蚀能力(由于机组暴露于海洋气候条件下，有盐雾产生，并且露水经常凝结在机舱罩壳外表面，内部则很少产生露水)；③能承受极端风载，保护内部发电设备不受损坏；④耐紫外，在紫外强度 100,W/m2下，材料不发生明显变化；⑤能达到使用寿命20年。

1.2 设计规范

风力发电机机组机舱罩由两部分组成，在使用过程中，受到永久性载荷(结构自重等)和可变载荷(风载荷、雪载荷和安全检修载荷等)的影响。计算的载荷工况按照 GL2010 Guideline的要求设置，[3]工况如表1所示：

表1 机舱罩壳载荷工况Tab.1 Nacelle load conditions

2 主要技术内容

2.1 材料测试及参数确定

2.1.1 材料测试

按照玻璃钢样条实验标准进行制样，通过万能试验机，对样条进行拉伸压缩剪切实验，得出材料的力学性能，作为有限元结构分析的数据依据。

2.1.2 材料参数确定

复合材料是正交各向异性材料，单层的强度指标有5个。分别为纵向拉伸强度(Xt)、纵向压缩强度(Xc)、横向拉伸强度(Yt)、横向压缩强度(Yc)和面内剪切强度(S)。

单层的失效准则是用以判别单层在偏轴向应力作用或平面应力状态下是否失效的准则，本测试采用最大应力失效准则。

在采用最大应力准则下，根据GL2010采用的安全系数如表2所示。[3]

表2 安全系数组成Tab.2 Composition of safety coefficients

安全系数为 2.21，对于短切毡、方格布和纤维布复合材料，由于单层纵方向和横方向性能相同，则各单层材料的许用应力如表3所示。[4-7]

表3 许用应力(单位：MPa)Tab.3 Allowable stress(Unit：MPa)

2.2 主要研究内容和技术方案

2.2.1 机舱罩壳的结构设计

① 机舱罩壳网格模型。由于机舱罩壳为壳体结构且需要承受拉、压、弯、剪的复杂载荷，因此采用2,D shell单元建立有限元模型(Shell单元可以承受拉、压、弯、剪的平面单元，可以定义各向同性板壳材料或复合材料层合板，用当量截面定义单元的抗拉压、抗弯、抗剪材料和性能)。[8]

② 边界条件设置。机舱罩通过挂件悬挂在主机架的弹性元件上，因此挂件处即是固定机舱罩的位置，在有限元模型中需要约束挂件挂孔处全部节点的 6个自由度。作用在机舱罩壳上的载荷包括重力、活动载荷和风载，必要情况下还需考虑冰雪载荷的影响。[9]

重力通过在有限元模型中施加重力加速度实现加载。只有当工人维修机舱罩时，活动载荷才起作用，工程实践中的活动载荷树脂和施加位置按照规范加载。

风载作用在机舱上的载荷按下式进行计算：

其中ρ为空气密度，1.225,kg/m3；vwind为风速，根据不同风区确定；A为风载作用面积；cw为风压系数。

根据GL2010 Guidline，对方形结构，风压系数Cw按图1进行简化：[3]

图1 风压系数Cw简化值Fig.1 Simplified value of Coefficient of wind pressure Cw

③ 静强度计算结果及分析(见表4)。在考虑2.21的材料安全系数下，材料的失效系数小于1，材料在这些工况下不会发生破坏，机舱罩壳的静强度满足要求。

④ 稳定性计算结果及分析。根据GL2010 Guideline规范的要求，对产品在活载下的屈曲因子要求大于等于 2.04。根据边界条件，在最大风载和最大活载响应下的稳定性结果见表5。

表4 静强度分析结果Tab.4 Static strength analysis result

表5 稳定性分析结果Tab.5 Stability analysis result

计算结果均大于 2.04，保证了产品在最大活载下不会发生结构失稳。

2.2.2 工艺改进和优化

① 灌注工艺简介。“真空树脂导入工艺”又称为“真空辅助树脂扩散模塑工艺”或“真空辅助树脂转移模塑工艺”。该工艺原理为借助真空的驱动，把树脂注入预制成形的增强材料中，模具由柔性膜和刚性半模组成。由于增强材料为真空所压紧，树脂的渗透速度一般较慢，要依靠导流介质(导流布或导流管)的帮助。真空树脂导入的基本原理是利用导流介质，在部件表面形成高流速的渗透区，使树脂迅速达到产品整个表面，浸渍主要是通过厚度方向来实现的，从而大大缩短树脂的渗透途径和时间，依靠高真空度，制品的孔隙率可达1%～1.5%,，纤维体积含量在50%,以上。[10-11]

② 手糊工艺和灌注工艺对比。灌注工艺相比手糊工艺具有以下优势：产品性能优良，成品率高；产品质量稳定，重复性好；抗疲劳性能提高，可减轻结构重量；环境友善；产品一体性好；减少了原材料使用，减少用工；产品精度好。

2.2.3 机舱产品的经济性研究

虽然灌注工艺在原材料方面比手糊工艺要节省很多，但由于需要增加真空袋、导流网、脱模布等耗材，因此为了准确反映出工艺改进对于产品经济性的提升，我们分别采用灌注工艺与手糊工艺进行了产品试制。灌注耗材价格约为每套1万元。通过工艺改进优化，可降低材料及人力成本至 1.5万元每套。

根据测算可以看出，经过工艺改进，每套机舱罩能降低成本 5,000元。在大型风力发电机机舱罩壳上，采用灌注工艺具有很好的经济性，有比较大的竞争力。

3 结 语

通过有限元分析，在保证结构强度稳定的基础上，对机舱结构进行优化，保证机舱罩壳满足 20年的使用寿命。有限元分析结果为机舱罩壳的灌注工艺改进提供了设计和理论基础。 灌注工艺替代手糊工艺，可以使生产对环境更加友善，并且大大改善工人的操作环境，实现以人为本的生产理念。通过成型工艺改进，实现了产品的优化并使产品的经济性得到了提升，在市场中具有更大的竞争力。

综上所述，对于大型风力发电机机舱罩壳，采用灌注工艺成型是发展趋势。随着耗材的国产化和风电整体成本的降低，灌注工艺可以应用在更多风电行业制品上。■

［1］ 沈观林，胡更开. 复合材料力学[M]. 北京：清华大学出版社，2006.

［2］ 叶杭冶. 风力发电系统的设计、运行与维护[M]. 北京：电子工业出版社，2010.

［3］ 德国劳氏般级社. 风机认证指南(GL2010)[S].

［4］ GB/T1447—2005. 纤维增强塑料拉伸性能试验方法[S].

［5］ GB/T1448—2005. 纤维增强塑料压缩性能试验方法[S].

［6］ GB/T1463—2005. 纤维增强塑料密度和相对密度试验方法[S].

［7］ GB/T3355—2005. 纤维增强塑料纵横剪切试验方法[S].

［8］ 李伟，段成红，吴祥. 碳纤维复合材料强度的有限元模拟[J]. 玻璃钢/复合材料，2011(1)：20-23.

［9］ 李成良，陈淳. 风力机叶片的结构分析与铺层优化设计[J]. 玻璃钢/复合材料，2009(6)：50-53.

［10］ 张朝辉. ANSYS11. 0结构分析工程应用实例解析[M].北京：机械工业出版社，2008.

［11］ 周祝林，吴伯明，贺志远，等. 新型 3,D夹层结构复合材料风电用 SEC-W01-1250机舱罩强度、刚度和稳定性设计计算报告[J]. 玻璃钢/复合材料，2010(1)：63-66.

On Vacuum Infusion of MW Level Wind Turbine Nacelles

XUE Haopeng，WU Hailiang
(TianJin Dongqi Wind Turbine Blade Engineering Co.，LTD，Tianjin 300480，China)

This paper points out that wind power technology has a great practical significance in containing greenhouse effect，improving ecological environment and promoting the use of renewable energy resources．From the aspects of wind turbine nacelle design requirements，specifications and main techniques，the reason，process advantages and design improvement procedures of the MW level nacelle cover of wind turbine generator system were expounded．Through finite element optimization design and process improvement，methods of gradually improving nacelle cover’s economical efficiency and strengthening their market competitiveness were discussed.

nacelle；vacuum infusion process；finite element analysis；environment；cost

TK83

A

1006-8945(2015)09-0041-02

2015-08-07