大型海上風力發電機組外部散熱器支架設計

陳方述，陽雪兵，石 峰

(1.湘電風能有限公司，湖南 湘潭 411101；2.海上風力發電技術及檢測國家重點實驗室，湖南 湘潭 411101)

0 引言

近年來，風能作為一種清潔的可再生能源得到廣泛應用，風力發電已成為全球增長最快的新能源[1]。風力發電機組在我國的發展越來越迅速，各種子系統不斷增多，結構形式也越來越復雜。冷卻系統是風力發電機組的主要子系統之一，直接關系到風機的整機運行性能，其結構形式多種多樣，有空冷式、水冷式等。某大型海上風力發電機的水冷式冷卻系統包括外部散熱器、內部水冷泵組等，外部散熱器設置在風機外部，面臨臺風、結冰、海洋腐蝕等惡劣環境，對散熱器支架的強度、可靠性等都要求較高。本文設計了一種安裝方便、抗臺風、抗腐蝕的外部散熱器支架，并利用SolidWorks對外部散熱器支架進行三維建模[2]，然后采用ANSYS Workbench對支架進行了力學分析[3]。

1 外部散熱器布置形式

外部散熱器設置在風力發電機機艙靠近發電機側，整體結構包括散熱器芯體和散熱器支架，芯體安裝于支架上，支架安裝于機艙鑄件上，連接形式均為螺栓連接，如圖1所示。外部散熱器需與機艙工業設計外形整體相契合，同時還要滿足后期的維護、更換等使用要求。

圖1 外部散熱器在風機上的布置

2 外部散熱器支架設計

2.1 設計要求

此型風機的應用環境為海上超強臺風區域，要求具有足夠的結構強度以抵抗強風載荷，防腐等級為C5-M[4]，因此散熱器支架機艙外部結構材質選用022Cr17Ni12Mo2不銹鋼，其具有優良的耐海洋腐蝕性能、良好的焊接及力學性能[5，6]；支架機艙內部結構處在機艙罩內部封閉環境中，材質選用Q355D鋼。022Cr17Ni12Mo2不銹鋼和Q355D鋼材料性能見表1。

表1 022Cr17Ni12Mo2不銹鋼和Q355D鋼材料性能

2.2 外部散熱器支架結構設計

外部散熱器支架分為內部底座和外部支架兩部分，兩部分之間用螺栓連接，其三維模型分別如圖2、圖3所示。內部底座設置在機艙罩內部，包括安裝座和立柱兩部分，均采用Q355D方管焊接制作。外部支架采用型材方管焊接制作，設計成反支座結構，所有對接接頭位置用筋板加強，減小應力集中。外部支架由于采用022Cr17Ni12Mo2不銹鋼材料制作，價格相對較高，因此在進行結構設計時應盡量提高材料利用效率，減少加工。

圖2 散熱器支架內部底座三維模型 圖3 散熱器支架外部支架三維模型

3 外部散熱器支架結構分析

3.1 載荷分析

風機的工作環境為極風等級為IEC-T類強臺風區域，參考極端風速為：10 min平均風速57 m/s、3 s平均風速79.8 m/s。風力載荷為主要的載荷，分析時只考慮在極限最大風速下支架正面垂直方向迎風的受力情況，此時，散熱器支架受力最大。

垂直氣流下風力載荷計算公式[7]為：

(1)

其中：ρ為空氣密度，20 ℃環境下ρ=1.225 kg/m3；Vwind為最大風速，Vwind=79.8 m/s；A為受力參考面，散熱器支架共安裝有4片散熱器芯體，芯體與支架正向等效受力總面積A=7.9 m2；Cp為風阻系數，垂直氣流方向下，Cp=0.8。

將相關數據代入式(1)計算可得：Fsk=24 651 N。

3.2 強度計算

利用有限元法對外部散熱器支架進行受力分析，在SolidWorks中建立模型后導入ANSYS Workbench中進行計算。對支架立柱與機艙內部鑄件相連接部分施加約束，約束所有自由度；在支架安裝散熱器芯體處施加風載作用力Fsk進行計算。得到的外部散熱器支架整體結構等效應力云圖和位移云圖分別如圖4、圖5所示。

從圖4可以看出，在風載荷作用下，最大應力為107 MPa，發生在支架外部斜撐與立柱連接位置，小于材料許用應力240 MPa，滿足強度要求。

圖4 外部散熱器支架整體結構等效應力云圖

從圖5可以看出，在風載荷作用下最大位移為18 mm，發生在散熱器支架的頂部位置，這是因為頂部為整個懸臂梁結構支架的遠端部分，因此此處位移最大。

圖5 外部散熱器支架整體結構位移云圖

4 結語

(1)通過ANSYS Workbench對風力發電機的外部散熱器支架在受到風載荷作用下進行了有限元分析，得到了支架的位移和等效應力云圖，可為外部散熱器支架的進一步優化設計提供依據。

(2)通過分析計算結果可知，外部散熱器支架在風載荷作用下的位移和應力都在許用范圍內，設計強度滿足要求。