风力发电机组关键机械结构件设计评估

风力发电机组关键机械结构件设计评估

李作伟

木垒深能能源开发有限公司 新疆昌吉 831900

摘要：有效开展关键机械结构件的设计评估应做好两个方面工作：首先应对设计评估资料的内容进行全面审查；其次应对关键机械结构件有限元强度分析的计算结果通过独立计算进行验证。

关键词：风力发电机组关键机械结构件设计评估

前言：设计认证主要的目的是企业为了确保风力发电机整体的设计是否符合国家标准、是否符合一些技术要求，是否符合一些设计条件。设计评估的整体过程需要对设计的基础信息、设计出的机械的制造能力以及安全性能的相关实验。而设计评估就是设计认证的真正核心部分。

一、风电机组基本类型

风力发电机组按照运行方式不同，分为恒速、双速和变速机组，每种形式又根据功率调节方式不同，分为被动失速调节、主动失速调节和变桨距调节三种形式。这些不同运行方式和功率调节方式的组合，形成了多种不同类型的风电机组。失速调节风电机组利用桨叶的气动失速特性对功率进行限制，分为被动失速和主动失速，被动失速机组也称为定桨距风电机组，当风力发电机组需脱网停机时，叶尖扰流器可按照控制指令进行释放，并大角度旋转形成气动阻力，使叶轮转速迅速下降。恒速风电机组的风轮转速不变，其发电机组通常与电网直接连接，通过软起动装置或电容器组实现发电机转子转速调节。优点是结构简单、电气控制系统造价低，缺点是风能转换效率低、电能质量控制差、机械部件应力大。为了提高风能转换效率，有些恒速风电机组中装备双速发电机，在两个转速下恒速工作。变桨距风力发电机组的桨叶桨距角同样可调。与主动失速机组不同的是，变桨距机组在超过额定风速范围时，通过增大桨叶桨距角，改变升力和阻力比例，达到输出稳定的风轮功率的目的。但是也同样由于需要变桨距调节机构，设备结构复杂，可靠性降低。

二、关键机械结构件设计评估

1.关键机械结构件设计评估工作是整机设计评估工作的核心之一。在开展对关键机械结构件设计评估工作之前，申请人至少应提交的设计评估资料包括：设计图纸、设计技术规范、有限元强度分析报告及其有限元分析模型。这三类文件分别从不同方面对关键机械结构件的设计进行规定或明确，相互关连，缺一不可。通过对设计评估资料内容的全面审查和独立计算，可进一步确保关键机械结构件设计的可靠性。风能是取之不尽、用之不竭的可再生能源，但在利用风能时，首先遇到的一个问题就是由于风的随机性，特别是台风，通常具有风速大、湍流强、风向变化大等特点。因此，很难从理论上分析台风风力的大小和风向及其随时间的变化。这就给风力发电机组的设计带来了困难，无论是桨叶翼型的设计，还有塔架的设计，都与台风的作用形式有着密切的关系，所以建立能够模拟台风的三维湍流风场模型进行风电机组的仿真计算是一个至关重要的问题。鉴于我国东南沿海地区台风频繁，通过与国家气象局和中国电力科学研究院合作，理论上可直接根据以往气象数据来实现分析研究区域台风特性数据，工程上可采用高灵敏度、宽量程的风速风向仪器，通过在风场多点安装测风塔的形式实现获取原始数据。在收集完台风特性数据之后，再通过专业的数理分析软件统计出所需的台风风况，通过与国家气象局合作，建立台风湍流模型、台风极端风速模型、台风极限运行阵风模型、台风极端风向变化等，再通过模型仿真计算不断优化模型。

2.设计评估资料审查。设计评估材料的审查对于关键机械结构件整体来说至关重要，但是在实际过程中，评估材料在上交过程中却会有许多问题，上交的材料中很多技术要求都达不到实际标准，并且实际的情况跟材料中描述的情况也并不一样，这也导致关键机械结构件在设计过程中出现问题，而在使用过程中也会有不少安全隐患，因此相关部门需要对申请人提交的评估材料进行全面审查，尽可能减少安全隐患，降低事故发生率。（1）设计图纸审查。在对设计图纸进行审查时需要对相关设备的图号、版本号、材料牌号等相关数据进行记录，同时对关键机械结构件的关键尺寸、表面情况进行记录，在对这些数据进行记录的同时，确认是否与标准尺寸符合，是否达到了相关标准。（2）设计技术规范审查。关键机械结构件根据使用材料的不同，相关构建的标准也相对不同，而实际中球磨铸件与合金钢锻件是最为常见的关键机械结构件，这些构建在规定方面有不同的要求，本文对球磨铸件与合金钢锻件设计中需要进行审查的内容进行介绍，在实际过程中需要相关核查人员检查关键机械结构件文件名称以及版本号，同时也需要了解关键机械结构件使用的环境，并且审查关键机械结构件的一些机械性能要求是否达标，铸造的质量是否达标，不过多出现表面缺陷或者内部出现缺陷的情况。另一方面也需要审核关键机械结构件表面的反腐措施是否完全。而对合金钢锻件进行审查时不仅需要审查球磨铸件所要求的内容，同时需要了解合金钢锻件的化学成分、取样位置、热处理工艺等信息。（3）有限元强度计算报告及有限元模型审查。有限元强度计算报告以及有限元模型的相关审查内容不同于以上两种审查，在实际的审查过程中需要记录文件的名称以及版本信息，并且审查分析对象的说明信息，对载荷的坐标系以及施加的位置进行审查，而对材料特性以及单元进行系统的审查，也需要审查系统的边界约束条件。同时模型的简化说明、反作用力验证、错误与警告单元检查也是审核内容，关键结构件的一些物理信息也要进行审查，其中极限强度应力值、疲劳强度计算采用的安全系数、单位载荷应力结果、单位载荷变形结果、极限强度计算采用的安全系数、疲劳强度计算损伤值等，这些数据都需要与设计图纸一致。

3.独立计算。独立计算是设计评估机构的核心手段，通过独立计算，相关评估机构可以很好的计算关键机械结构件有限元强度的信息，是否最终数据符合相关标准。而独立计算的有两个方面，一个是极限强度校核计算另一个则是疲劳强度计算。而无论是哪种计算方式，在实际的计算过程中依旧会有很多不稳定的因素会影响到最终的计算结果，很多时候最终的结果差异性都很大。其中人为因素就是其中之一，不同的技术人员对设备的核心知识有自我的理解，因此在实际数学建模的过程中，很多建模的方式以及数据都不同，采用的软件也不一样，最终出来的数据有很大差异。另一方面行业内部不同的技术人员，分析能力会受到经验、能力等方面的影响，也会最终影响到独立计算的最终结果。因此目前评估机构更多的采用的是独立计算进行验证，能够尽可能减少有限元强度分析的最终错误。极限强度的校核计算其实是通过相关评估人员通过仿真的计算模式建立相关计算模型最终解得结果，在实际过程中根据计算结果与相关设计的标准进行对比，可以最终验证极限强度是否符合标准。

结语：风力发电机组关键机械结构件的安全性关乎风电企业的发展，本文通过对关键机械结构件评估方法进行介绍，进一步提高风力发电机组关关键机械结构件的评估工作进行，提升关键机械结构件的质量，为我国风电产业的发展提供帮助。

参考文献：

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