基于不同材料的大型風電機艙罩研究＊

王瑞，張丹，楊富昭

（1.四川工程職業技術學院，四川德陽 618000；2.四川省高溫合金切削工藝技術工程實驗室，四川德陽 618000）

風力發電機組機艙罩殼作為風力發電機組的重要防護結構，具有以下作用：①防護作用?？杀ＷC風力發電機組在惡劣的氣象條件下正常工作，保護內部設備和作業人員不受風沙、雨雪、鹽霧、紫外線輻射等外部因素的侵害。②隔噪作用。隔絕風力發電機組內部設備（如齒輪箱、發電機）運轉時的噪聲，防止噪聲影響到風機周圍的居民或牲畜。③防污作用。防止機艙內部的油脂泄漏到機組外部，污染環境。④降低風阻。機艙罩殼設計形狀規則、表面平整，可有效降低風通過時的阻力。⑤美化外觀。機艙罩可美化風機的外觀，另外罩殼外壁還可噴涂機組的標識，增加了機組的辨識性。

由于風力發電機組機艙罩長期遭受自然界及外界環境的侵襲，故對其強度的要求比較高，同時要有耐候性、抗腐蝕性、抗溫差性、抗老化性、抗疲勞性、抗紫外線輻射等性能，除此之外，考慮到整個風電機組的承重，要求機艙罩質量輕、強度高、承載能力大。因此風力機組機艙罩材料方向的研究與應用已得到廣泛的關注。目前主流的風電機艙罩材料有非金屬復合材料和金屬材料2 種[1-2]。這2 種材料在設計制造和強度分析、生產成本上有很大的不同。

1 非金屬復合材料機艙罩

1.1 非金屬復合材料機艙罩設計制造方法

隨著復合材料應用領域的發展，復合材料工業得到迅速發展，非金屬復合材料機艙罩主要由實心層合板殼體和結構加強筋組成。實心層合板由不飽和聚酯樹脂和玻璃纖維增強材料構成，結構加強筋一般采用矩形空心斷面結構的玻璃纖維層壓板材料。

非金屬復合材料機艙罩常用的成型工藝為手糊成型工藝，機艙罩的制造工藝流程為：加工原模→模具制造→模具打磨→罩殼制造。

1.2 非金屬復合材料機艙罩失效準則

1.2.1 基本假設

為確定復合材料層合板殼單元的剛度，基于經典層合板理論計算復合材料板上的作用力與結構響應之間的關系，需做如下假設：①層合板的各單層粘接牢固，層間不產生滑移；②層合板是薄板，忽略σz，各單層按平面應力狀態分析；③層合板彎曲變形在小撓度范圍，變形前垂直于中面的直線在變形后仍保持直線，并垂直于中面，忽略了垂直于中面的平面內剪應變，即γxz=γyz=0，且該直線的長度不變，即εz=0。

1.2.2 復合材料最大應力失效準則

復合材料是正交各向異性材料，其縱向強度與橫向強度往往不一樣[3]，而且許多材料的拉伸強度和壓縮強度也不相同，剪切強度和單軸強度之間又沒有一定的關系。因此，在平面應力狀態下單層板的基本強度指標有7 個，如表1 所示。

表1 平面應力狀態下單層板的基本強度指標

最大應力準則為：

1.2.3 材料強度及安全系數要求

在采用最大應力準則下，再考慮材料的安全系數，根據GL 2010 規范5.5.2.3 要求[4]，可計算出纖維拉伸纖維間失效時的總安全系數γMa為：

式（1）中，γM0、Cia（i=1，2，3，4）的取值詳如表2 所示。

表2 材料安全系數

機艙罩殼體材料一般選用手糊纖維氈M300 和手糊纖維布W600，材料具體參數如表3 所示。

表3 材料參數

其中手糊纖維氈M300 的拉伸強度為115 MPa，手糊纖維布W600 的拉伸強度為332 MPa。那么這2 種材料的許用強度如下。

2 金屬材料機艙罩

2.1 金屬材料機艙罩設計制造方法

金屬材料機艙罩主要由金屬蒙皮與金屬框架組成，材料采用普通的碳鋼材料。

金屬材料機艙罩的制造工藝流程為：板材切割下料→點焊定位→整體預裝配→在預裝配狀態實施滿焊接→無損探傷、校形→防腐處理→罩殼整體裝配。

2.2 金屬材料機艙罩失效準則

金屬機艙罩的殼體與框架材料一般選用最常用的碳素結構鋼Q235B，厚度在16 mm 以下，強度為235 MPa[5]，根據GL 2010 規范5.3.2.1 要求，材料本身的安全系數1.1[4]，材料許用應力213 MPa。

3 機艙罩設計分析案例

以4 MW 風電機組為例，分別對2 種不同材料的機艙罩進行設計與強度分析。

3.1 機艙罩設計方案

4 MW 非金屬復合材料機艙罩上半為（M300/W600）4/頂部balsa 木/（M300/W600）4/M300，機艙罩下半為（M300/W600）6/（M300/W600）8/（M300/W600）4/M300，其中最厚的位置為31 mm，最薄的位置為5 mm，主體平均厚度約為12 mm。4 MW金屬材料機艙罩整體采用普通碳素結構鋼Q235B，其中金屬蒙皮厚度4 mm，金屬框架厚度8 mm。

4 MW 金屬機艙罩殼與非金屬相比質量增加約2.7 t，由于Q235-B 材料本身價格不高，沒有模具費用，因此金屬罩殼的成本主要存在于焊接工藝、涂裝等制造成本。總的來說，金屬機艙罩殼的生產成本與樹脂材料相比有所降低。

3.2 機艙罩強度分析

3.2.1 受載計算

3.2.1.1 風速

風速與所選取的風區有關，GL 2010 規范4.2.1 按照50 年一遇10 min 的極限風速Vref將風區劃分為3 類基本風區I、Ⅱ、Ⅲ和1 類特殊風區S[5]，這4 類風區下的風機等級基本參數如表4 所示。

表4 風機等級基本參數

表4 中，Vref為基準風速，Vave為輪轂高度處年平均風速，AI15為較高湍流強度下15 m/s 湍流強度特征值，a為斜率參數，BI15為較低湍流強度下15 m/s 湍流強度特征值。本文中的4 MW 風力發電機組考慮采用Ⅱ類風區，具體信息如表5 所示。

表5 Ⅱ類風區具體信息

3.2.1.2 機艙Cp值

依據GL 2010 規范6.4.3.2.3，在風向確定的情況下可得出機艙罩各表面的Cp值[5]。機艙罩的簡化Cp值如圖1 所示，其中正對風向的機艙罩面為迎風面Cp=+0.8（壓力），與之對應的面為背風面Cp=-0.5（吸力），與風向平行的面Cp=-0.6（吸力）。

圖1 機艙罩的簡化Cp值

3.2.1.3 空氣密度

空氣密度取標準空氣密度1.225 kg/m3。

利用風速v、作用面積A、Cp值和空氣密度ρ就可計算出機艙罩的受載情況：

3.2.1.4 載荷安全系數

依據GL 2010 規范4.3.2 要求選取載荷安全系數[5]，載荷安全系數如表6 所示。

表6 載荷安全系數

3.2.2 極限強度分析

基于前述的強度失效準則，利用ANASYS 分析軟件[6]，以4 MW 風電機組為例，分別對2 種不同材料的機艙罩進行極限強度分析，如圖2、圖3 所示。

圖2 4 MW 非金屬復合材料機艙罩強度分析應力云圖

經分析，非金屬復合材料機艙罩手糊纖維氈最大應力為45.4 MPa，手糊纖維布最大應力為109 MPa，極限強度滿足要求。

強度分析的結果表明：金屬機艙罩最大von-Mises等效應力約為103 MPa，極限強度滿足要求。

4 結束語

在風力發電機組眾多的采購部件中，機艙罩殼作為較大的結構部件，約占風機總成本的3%左右，隨著目前風電上網電價的逐步下調，風力發電機組降本壓力正在逐漸加大，因此選用何種材料的機艙罩，對控制整個風機的成本具有較大的影響。

4.1 2 種材料機艙罩的優缺點

非金屬復合材料機艙罩優點為：①不需復雜的生產設備，投資少，適合中國鄉鎮企業的發展；②生產技術易掌握，生產人員只需經過短期培訓即可進行生產；③可與其他材料復合制作成一體，厚度可變化。但也具有明顯的缺點：①強度校核的方法和過程較為復雜；②一般采用手糊成型工藝，生產效率低，尺寸偏差大；③易受操作人員技能水平及生產環境條件的影響，產品質量不穩定；④加工時粉塵多，環境污染大。

金屬材料機艙罩優點為：①Q235B 是普通材質的鋼材，應用十分廣泛，價格不高；②金屬材料的加工制造依靠機床保證，尺寸偏差易于控制；③針對單一金屬材料的強度校核較為簡單。其缺點在于：①金屬機艙罩長期暴露在大氣環境中，需考慮整體防腐；②金屬的熱傳導系數高，需要加大機艙內部散熱通風量。在低溫地區，還要考慮機艙內部的保溫措施。

4.2 機艙罩的選取原則

在風電機艙罩方案的選取上首先應充分考慮到風電機組的運行環境，并結合風電機組的整體結構方案及外形尺寸，核算出機艙罩的生產制造成本，再綜合考慮機艙罩的生產效率（交貨期要求）、車間裝配、后期運輸條件等因素，最終確定選用哪種材料的機艙罩，并設計出最優的設計方案和制造工藝，實現機艙罩的最優性價比。