风力发电机组后机架结构计算及优化方法

华美霞 董彦省 裘园 曹梦楠

摘  要：为了提高风电机组后机架的结构强度，优化结构设计的合理性，以5.0MW风机机组后机架为分析对象，利用ANSYS对后机架进行极限应力与整体变形仿真计算。通过建模仿真计算了解到，优化后机架不同部位的特征，其应力计算结果与变形量会有不同程度的变化。文章对后机架展开了不同优化方法的建模，以此来对后机架强度予以计算，并分析其计算结果，总结出后机架结构优化设计的思路与方案，为工程应用提供重要参考依据。

关键词：后机架;风电机组;结构优化

0 引言

风电技术装备是风电产业的重要组成部分，也是风电产业发展的基础和保障，风力发电机组是实现风能转换成电能的设备，通常风电机组内安装有传动机构、发电机、自动控制装置等;对兆瓦级以上风电机组的机架一般分成主机架和后机架两部分，后机架通常主要承受发电机及其它部件的重量，由于其悬臂较长，对整机强度尤其是塔筒强度有较大影响，另外发电机和其他的电气件安装在后机架上面，因此对后机架强度设计和优化就显得非常重要了，随着风电行业竞争越来越激烈，从之前的2MW到现在的6.MW、8.MW，风机的单机容量的越来越大，风机中各个零部件也随之增大、增重，对机架的载荷强度要求越来越高，然而风机的价钱，和风电度电的成本，风机的交付周期均已减半，导致现在好多企业都在实施产品的降本计划，在现有结构上后机架就要要求减重，简化结构，简化工艺，降低运输成本。本文就是以5.0MW风机机组后机架为分析对象，分析从哪些方面减轻后机架自身重量，简化自身结构，利用什么方法使后机架极限强度利用率提高到最大化。做到后机架结构更合理，原材料使用率更高，加工工序更合理。

1 后机架结构组成

风力发电机组后机架的主体构成如图1所示，后机架主体主要由连接板、上翼板、下翼板、左右立板、中梁立板、十字梁立板、后梁立板等构成。

1—连接板 2—上翼板 3—下翼板   4—左右立板   5—中梁立板

6—十字梁 立板   7—后梁立板

2 有限元模型

风机总体模型

为准确的分析后机架的受力状况，须建立完成的载荷路径，总体模型将于载荷传递的相关部件均考虑在内。建立发电机组支撑结构组件的总体模型如图2.1所示。

从风机整体模型看后机架前端与主机架采用螺栓进行连接，与发电机通过发电机弹性支撑进行连接，后机架主要受自身的重力，与发电机的重力所产生的压力，为了节省结构优化的时间，暂时不考虑其他受力影响，这样总体计算量较小，优化效率高，先使用简化的计算手法对后机架进行强度计算，选出一个最优的优化方案，在对最优的优化方案进行整体的仿真计算，在校核方案是否满足要求。

2.2 后机架子模型

为了消除应力集中，得到后机架关键部位更精确的解，对后机架局部的网格进行二次划分，细化了后机架焊趾附近与开孔处的局部网格。

2.3 材料属性

3 优化方案

以5.0MW风机机组后机架为分析对象，依次减薄后机架不同部分的板厚，利用ANSYS 对后机架进行极限应力与整体变形仿真计算 结果见表2。

方案1：针对后机架上下翼板厚度减4mm进行仿真计算;

方案2：针对后机架左右立板厚度减4mm进行仿真计算;

方案3：针对后机架十字梁立板厚度减厚4mm进行仿真计算;

方案4：针对后机架中梁立板，后梁立板厚度减4mm进行仿真计算。

综合以上仿真数据可以发现当上下翼板厚变薄，后机架变形量会有明显的变化，极限应力变化不是非常明显;左右立板厚变薄，后机架变形量变化不是非常明显，但是极限应力会有明显的变化;十字梁立板板厚变薄后机架变形量与极限应力变化都不是非常明显;中梁立板，后梁立板板厚变薄后机架变形量变化不是非常明显，但是极限应力会有明显的变化，以此可以推测出如果想维持后机架变形量改变不大的情况下结构优化可以从十字梁立板、中梁立板、后梁立板开始减薄，针对应力较大的区域可以局部增加加强筋，来降低应力集中的风险，如果要选择减薄上下翼板与左右立板的话，针对的后机架的变形量可以采取高度补偿的方法来弥补后机架安装发电机时因为后机架变形下沉导致无法实现发电机对中的问题。

方案5针对后机架上下翼板、左右立板减薄2mm，十字梁立板减薄4mm，中梁立板，后梁立板减薄2mm，后梁立板发电机底部增加加強筋，进行仿真计算。极限与变形满足设计要求，进一步对后机架进行详细的计算，对后机架进行11个工况进行分析计算，后机架极限为：281mpa，疲劳为0.37，可见后机架疲劳强度与极限满足设计要求。

4 结论

本文以5.0MW风机机组后机架为分析对象，对后机架不同部位的板厚减薄，对应力集中位置增加加强筋，进行极限与疲劳仿真后，结果表明，满足要求。

参考文献

[1]任清晨. 风力发电机组原理和技术基础[M].北京：机械工业出版社，2018.12

[2]姚兴佳. 风力发电机组设计与制造[M].北京：机械工业出版社，2014.4

[3]许京荆. Ansys Workbench工程实例详解[M]. 北京：人民邮电出版社，2015.5