兆瓦级风力发电机组后机架结构形式分析与研究

宋培龙，葛春丽，侯骅玲，焦守雷，刘子哲，游慧鹏，董营

（中车山东风电有限公司，山东 济南 250022）

0 引言

随着日益加剧的能源危机和环境恶化问题，作为可再生的、环保的、廉价的资源，风能得到了越来越多的重视[1]～[3]。随着风电产业的飞速发展以及2020年之后陆上风电“平价时代”的到来，风电市场竞争也愈发激烈。从设计角度出发，优化产品结构、降低机组生产成本和后期维护成本，是整机制造企业应对严峻市场环境的有效解决办法。

双馈型风力发电机组的后机架是风力发电机组机舱内重要的、基本的钢结构部件，与主机架一起共同承载了机舱重量和外力载荷。后机架主要承载发电机（重量一般为6～13 t）、电气控制柜、机舱罩及其他机舱附件的重量。对后机架进行合理的结构设计不仅是风力发电机组正常、稳定运行的保证，也是整机提质降本的有效途径[4]，[5]。双馈型机组机舱结构如图1所示。

图1 双馈型机组机舱结构示意图Fig.1 Diagram of nacelle structure of doubly-fed wind turbines

1 后机架的结构形式

在风力发电机组工作过程中，后机架（图2）运行工况比较恶劣，主梁（纵梁和横梁）一般选择承载能力大、工艺性好、制造方便的箱型梁结构或工字梁结构。

图2 后机架示意图Fig.2 Rare frame diagram

2 不同主梁结构的后机架对比分析

2.1 强度理论

后机架承载时主要承受竖直方向的弯矩，左、右两侧主梁为承载主体，在强度分析过程中可将两侧主梁等效成悬臂梁架构[6]（图3）。

图3 后机架结构分析简图Fig.3 The structure analysis diagram of rare frame

通过对比箱型主梁和工字型主梁的抗弯强度来体现对应结构形式的后机架的承载能力。由材料力学的理论[7]可知，纯弯曲时梁横截面上的弯曲正应力σ为

图4为工字梁截面和箱型梁截面示意图。

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

式中：B为翼缘板宽度；t为翼缘板厚度；d为腹板厚度；h为腹板高度。

由式（3），（4）可以看出：B，t，h和d均对工字梁和箱型梁WZ有影响；箱型梁的腹板与对称轴y轴的距离c对WZ没有影响。

2.2 强度与经济性对比

在实际生产过程中，箱型主梁和工字型主梁结构的后机架的生产工艺类似，制造成本一般取决于焊接件重量。因此，在其设计过程中需要综合考虑其结构强度和重量之间的关系。

工字梁和箱型梁的单位长度质量的变化与截面积的变化为正比例关系。因此，通过控制变量法和特殊值法，在保证截面积变化量ΔS和M相同的前提下，改变其中一个变量带来的WZ的变化可用来分析该变量对主梁的抗弯强度的影响。

2.2.1 B为变量

取h为160 mm，t为20 mm，d为10 mm和ΔS为800 mm2，B为变量时，其对WZ的影响情况如表1和图5所示。当工字梁的截面积S工和箱型梁的截面积S箱相同时，WZ的变化情况如图6所示。

图6 截面积相同时WZ的变化曲线Fig.6 The curve of WZ with the same cross-section area

由表1和图5，6可知：增大B可以增大工字梁和箱型梁的WZ；B相同时，WZ箱＞WZ工；截面积相同时，WZ工＞WZ箱；B从200 mm开始，以10 mm的变化量递增至350 mm时，WZ工的增量ΔWZ工和WZ箱的增量ΔWZ箱相同，均为32 533 mm3。

图5 B为变量时对WZ的影响情况Fig.5 The effect of parameter B as a variable on WZ

表1 B为变量时对WZ的影响情况Table 1 The effect of parameter B as a variable on WZ

2.2.2 t为变量

取B为200 mm，h为160 mm，d为10 mm和ΔS为800 mm2，当t为变量时，其对WZ的影响情况如表2和图7所示。

表2 t为变量时对WZ的影响情况Table 2 The effect of parameter t as a variable on WZ

图7 t为变量时对WZ的影响情况Fig.7 The effect of parameter t as a variable on WZ

当工字梁和箱型梁的截面积S相同时，WZ的变化情况如图8所示。

图8 截面积相同时WZ的变化曲线Fig.8 The curve of WZ with the same cross-section area

由表2和图7，8可知：增大t可以增大工字梁和箱型梁的WZ；当t相同时，WZ箱＞WZ工；当截面积S相同时，WZ工＞WZ箱；当t从20 mm开始，以1 mm的变化量递增至35 mm时，ΔWZ工由33 221 mm3增加至35 480 mm3，ΔWZ箱由32 883 mm3增加至35 220 mm3，虽然均呈现出递增趋势，但是增量较小。

2.2.3 h为变量

取B为200 mm，t为20 mm，d为10 mm和ΔS为800 mm2，当h为变量时，其对工字梁和箱型梁WZ的影响情况如表3和图9所示。当工字梁和箱型梁的S相同时，WZ的变化情况如图10所示。

图9 h为变量时对WZ的影响情况Fig.9 The effect of parameter h as a variable on WZ

图10 截面积相同时WZ的变化曲线Fig.10 The curve of WZ with the same cross-section area

表3 h为变量时对WZ的影响情况Table 3 The effect of parameter h as a variable on WZ

续表3

由表3和图9，10可知：增大h可以增大工字梁和箱型梁的WZ；当h相同时，WZ箱＞WZ工；当S相同时，WZ工＞WZ箱；当h从160 mm开始，以40 mm的变化量递增至760 mm时，ΔWZ工由179 644 mm3增加至255 867 mm3，ΔWZ箱由201 067 mm3增加至351 874 mm3，呈现出较为明显的递增趋势，且增量较大。

2.2.4 d为变量

取B为100 mm，h为160 mm，t为20 mm和ΔS为800 mm2，当d为变量时，其对工字梁和箱型梁WZ的影响情况见表4和图11。当工字梁和箱型梁S相同时，WZ的变化情况如图12所示。

图12 S相同时WZ的变化曲线Fig.12 The curve of WZ with the same cross-section area S

由表4和图11，12可知：增大d可以增大工字梁和箱型梁的WZ；当d相同时，WZ箱＞WZ工；当S相同时，WZ工=WZ箱；当d从10 mm开始，以2.5 mm的变化量递增至47.5 mm时，ΔWZ工和ΔWZ箱均为定值，ΔWZ工为8 533 mm3，ΔWZ箱为17 067 mm3。

表4 d为变量时对WZ的影响情况Table 4 The effect of parameter d as a variable on WZ

图11 d为变量时对WZ的影响情况Fig.11 The effect of parameter d as a variable on WZ

2.2.5 梁的截面参数对抗弯截面系数的贡献度

为探究梁的各截面参数对WZ的贡献度的大小，在S相同的情况下，分别选取表1～4中B，t，h和d作为变量时所引起的WZ的变化进行比较，结果如图13所示。

图13 各截面参数对WZ的影响Fig.13 Influence of different sectional parameters on WZ

由图13可知：h的变化对工字梁和箱型梁的WZ的贡献度最大，t和B的贡献度次之，d的贡献度最小；h对工字梁WZ的影响明显大于对箱型梁WZ的影响。

3 结论

在风力发电机组后机架的设计过程中，基于经济性和实用性因素的考虑，通过分析工字梁截面和箱型梁截面各参数对其抗弯强度的影响，得出如下结论。

①在承受竖直方向载荷时，B，t，h和d的增大，均能使梁的WZ增大，但影响程度不同。h的变化对梁的WZ的变化贡献度最大，t和B的贡献度次之，d的贡献度最小。②当B，t，h和d相同的情况下，箱型梁WZ和截面积（质量）均大于工字梁；当梁的截面积（质量）相同的情况下，WZ工≥WZ箱，具有较好的经济性。

③在后机架的设计过程中，应优先考虑选用工字型主梁结构；当需要提高后机架的承载时，结合实际空间尺寸的情况，可适当增大h或选择箱型主梁结构。