大型风力发电机组轮毂结构强化的优化对策分析

【摘 要】我国是风力大国，随着相关技术的快速发展，大型风力发电机组已经得到越来越多的应用，而发电机组容量的不断增大亦预示着风力机和其零部件承受的负载越高，其安全隐患及寿命必然会受到影响，因此本文对大型风力发电机组的关键部件轮毂结构强化进行了分析，并采用了相应的优化对策。

【关键词】大型风力发电机组；轮毂结构强化；优化对策

能源、环境问题已经成为我国可持续发展的关键问题，而风力发电则是有效保护环境又能提供清洁能源的主要措施，它无污染、投资方便、施工周期短，社会效益和经济效益都十分可观。伴随我国风力发电机组单机容量的不断扩大，必须从其关键部件上对症下药，才能确保大型风力发电机组的安全运行和使用寿命。而对于风力发电机组的重要部件轮毂设计的优劣则直接影响风电机组的正常运行和使用寿命，因此必须对其采用相应的优化对策，从而达到在保证风力发电机组安全运行的基础上，降低其成本、减轻其重量的多重目的。

一、轮毂在大型风力发电机组的重要性

在大型风力发电机组中，轮毂是核心构件，其不仅承担着与驱动链的连接，并将风轮的扭矩传递给驱动链的责任，而且要承担着风力发电机组容量增大而带来的更大的负荷。一般，风力发电机组的轮毂在整个风力发电机组的重量中占15%左右，由此可看出轮毂在风电机组设计和制造过程中的重要。尤其是近年来，风力发电机组的容量不断增大，目前已安装的最大机组容量已达到5MW的大型风力发电机组，最大风轮直径更是达到150米左右，塔架高度高达100米，轮毂的重量也达到60吨左右，这种大容量的风力发电机组导致轮毂的负荷加大，而且工况更为复杂，因此轮毂设计的优劣直接关乎整个机组的运行和使用寿命，由此可见轮毂在风力发电机组中的重要地位。

二、轮毂材料和单元属性

鉴于轮毂在风力发电机组中举足轻重的地位，要保证整个风力发电机组的可靠性和安全性，除了准确确定轮毂各部位的应力分布外，还应注重轮毂材料的选择和各单元属性，进而再进行拓扑优化设计，如此才能确保轮毂的可靠性，进而为整个大型风电机组的安全运行和使用寿命提高保证。

1、轮毂材料性能

风力发电机组的轮毂考虑到低温冲击韧性，均选择铸铁材料，而叶片又要具有较好的刚性和耐磨性，所以叶片轴承多选为轴承钢。需要注意的是，在大多数情况下，有限源程序没有单位，所以在给定材料参数时，均为其数值本身所含的特定单位，计算材料属性时必须注意单位的统一，建议使用国际单位（kg-m-N-s）。当前，在经常使用的CAD软件进行轮毂实体模型的构建时，经常选择mm为单位，这就导致在利用软件进行有限元导入时，mm单位制度被保存，所以在定义材料之初即应采用封闭的单位（kg-m-N-s），以保持单位的统一性。

2、轮毂材料的安全性

确保轮毂材料的安全，即应在对风力发电机组结果完整性进行检查时以国内或国际相关材料的设计标准为基础，再在此基础上考虑不同材料的强度，比如材料的固有可变性，以及加工方法和加工的控制范围等，对此根据不同的标准将材料的局部安全系数R分成若干个局面安全系数R1、R2等。若材料标准给出其他不确定性局部安全系数，亦应将其考虑在内。总之，材料局部安全系数应根据上述材料性能进行判断和确定，且以相关试验进行最终确定。比如，当使用95%置信度和95%存活率的典型材料性能时，选用材料的局部安全系数应＞1.1。所以，要计算材料综合系数，必须将其尺寸效应和外部环境即紫外线辐射、湿度等造成的材料强度降低或发生缺陷的情况考虑进去，即当材料没有性能存活率和变异系数的规定时，可对其进行假定，令其性能存活率为95%，变异系数为10%，值得注意的是，当进行连接件和其强度分析时，在上述局部安全系数规定的基础上，还须采用1.15的接头系数，对受力铸件，还应采用1.25～2.0的铸件系数。就轮毂而言，其为受力铸件，所以将其铸件系数定为1.25，定其性能存活率为95%，以及变异系数为10%，一般材料的系数为1.1，通过公式即可计算材料的安全系数为1.375。

三、轮毂的拓扑优化设计

轮毂在大型风力发电机组中的重要性已经不言而喻，因此，要保证整个机组运行的安全可靠以及使用寿命，就必须对其结构进行相应的优化。对此，以往采取的办法大都是设计者根据国内或国际同类产品的经验，或直接参照同类产品进行类别和估算，进而制定设计方案。然后在初始方案的基础上进行再加工，比如对设计参数进行刚度和强度等性能的计算和分析，进而验证各性能是否满足设计标准，如此反复多次计算分析，以及进行性能检验即可进行相应的参数修改，进而达到设计指标的要求。然而，实践已经证明，按照此种方法进行的设计往往还有很大的提升空间，与最佳的设计方案还有不小的距离，所以要想得到最佳的设计方案，就必须从风力发电机组的关键构建轮毂上着手，即建立最佳的轮毂数学模型、再进行相应变量设计，进而得出最佳的轮毂设计。

一个设计方案可以用一组基本参数的数值来表示。这些基本参数可以是构件的长度、截面积尺寸、某些点的坐标值等几何量，也可以是重量、惯性矩、力或力矩等物理量，还可以是应力、变形、固有频率、效率等代表性能的导出量。但是，对于某个具体的优化设计问题，并不是要求对所有的基本参数都用优化方法进行修改调整。例如，对某个机械结构进行优化设计，一些工艺、结构布置等方面的参数，或者某些工作性能的参数，可根据已有的经验预先取为定值。这样，对于这个优化设计方案来说，它们就称为设计常数。在优化设计中，需要在优化过程中不断进行修改、调整，一直处于变化状态的基本参数，称为设计变量，又叫优化参数，风力发电机组轮毂的优化设计亦然，具体如下：

1、设计变量

所谓的设计变量其实质是一组变量的统称，因此可用一个列向量表示，这个列向量即被称为设计变量向量，其中的分量次序没有具体要求，可根据实际使用的方便进行任意选择。而由N个设计变量组成的实空间即为设计空间。

2、约束条件

在设计中必须注意设计中的约束条件，比如面积和质量取负值的情况不能出现在设计方案中，因此在实际设计时必须考虑这些约束条件，并将约束的性质分成性能约束和侧面约束两大方面，进而针对性地提出相应的性能要求，比如轮毂结构即必须满足强度和疲劳度等性能的要求，而只针对设计变量加以限制的约束即为侧面约束，轮毂设计中的壁厚尺寸区间以及尺寸数值是否符合铸造要求等都属于侧面约束范围。

3、目标函数

所谓目标函数，即使设计优化得以实现的函数，它可有效评价设计方案的优劣，因此亦称评价函数，一般以f（x）表示，其包含的范围较多，比如结构的体积、重量、功耗、成本等等。对于轮毂的目标函数主要即在满足相应性能要求的基础上，使轮毂重量最轻，即以轮毂的质量为目标函数。

4、设计方法

（1）选定区域，即要获得最佳的拓扑结构，首先应确定一个固定的设计区域，然后再进行相应的离散处理，即构成单元的有限元分析模型；（2）对低应力区域人为制定软化单元，一般优化结束后，一些相对较软的单元被视为孔洞，因此，可将此部分材料从设计区域刨除，剩余的部分即为最优的拓扑结构。当然，这种方法说起来容易，要实现并非易事，具体困难如下①较软的单元定义并非唯一，所以要将其从区域中剔除亦不唯一，这就造成了最终的最优拓扑结构亦不唯一；②此方法的实现对有限单元法的分析模型过于依赖，所以此种方法虽然直观，但是不确定因素亦较多。当然，虽然此方法存在一定的局限性，但是只要在操作中模型的构造合理，结构拓扑优化的问题便会转化成相对简单的尺寸优化问题，因此其实际意义是显而易见到。

在轮毂结构优化设计中，鉴于轮毂和风电机组主轴连接处要承载较大应力的情况，所以网格的密度要可能大，这样才能保证其结构的准确性，另外其与导流罩连接处则承担的应力较小，因此相应的网格密度亦可相应的减小。与此同时，还要注重结构的整体性，即对优化设计进行全面的优化，比如制造成本、加工技术等方面要通盘考虑。在PROE中对模型进行修改时，还应注意轮毂的优化拓扑结构设计最大静应力强度和最大许用应力，进而判断优化设计后的轮毂的强度是否满足需求，方可用于相应的工程实践中。

总结

本文从大型风力发电机组轮毂的目标函数建立即设计上着手，有效优化了轮毂的强度，不但节约了开发时间，而且具有一定的经济价值，当然，要想真正实现我国国产化大型风力发电机组的自主设计和研发，、实现大型风力发电机组的产业化和商业化发展，还有很多严峻的挑战和困难需要克服，因此，仍需科研设计工作者不但探索、实践。