王瑞,張丹,楊富昭
(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川德陽 618000;2.四川省高溫合金切削工藝技術(shù)工程實驗室,四川德陽 618000)
風(fēng)力發(fā)電機組機艙罩殼作為風(fēng)力發(fā)電機組的重要防護結(jié)構(gòu),具有以下作用:①防護作用。可保證風(fēng)力發(fā)電機組在惡劣的氣象條件下正常工作,保護內(nèi)部設(shè)備和作業(yè)人員不受風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機組內(nèi)部設(shè)備(如齒輪箱、發(fā)電機)運轉(zhuǎn)時的噪聲,防止噪聲影響到風(fēng)機周圍的居民或牲畜。③防污作用。防止機艙內(nèi)部的油脂泄漏到機組外部,污染環(huán)境。④降低風(fēng)阻。機艙罩殼設(shè)計形狀規(guī)則、表面平整,可有效降低風(fēng)通過時的阻力。⑤美化外觀。機艙罩可美化風(fēng)機的外觀,另外罩殼外壁還可噴涂機組的標(biāo)識,增加了機組的辨識性。
由于風(fēng)力發(fā)電機組機艙罩長期遭受自然界及外界環(huán)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(fēng)電機組的承重,要求機艙罩質(zhì)量輕、強度高、承載能力大。因此風(fēng)力機組機艙罩材料方向的研究與應(yīng)用已得到廣泛的關(guān)注。目前主流的風(fēng)電機艙罩材料有非金屬復(fù)合材料和金屬材料2 種[1-2]。這2 種材料在設(shè)計制造和強度分析、生產(chǎn)成本上有很大的不同。
隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展,復(fù)合材料工業(yè)得到迅速發(fā)展,非金屬復(fù)合材料機艙罩主要由實心層合板殼體和結(jié)構(gòu)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(gòu)成,結(jié)構(gòu)加強筋一般采用矩形空心斷面結(jié)構(gòu)的玻璃纖維層壓板材料。
非金屬復(fù)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。
1.2.1 基本假設(shè)
為確定復(fù)合材料層合板殼單元的剛度,基于經(jīng)典層合板理論計算復(fù)合材料板上的作用力與結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的關(guān)系,需做如下假設(shè):①層合板的各單層粘接牢固,層間不產(chǎn)生滑移;②層合板是薄板,忽略σz,各單層按平面應(yīng)力狀態(tài)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(nèi)剪應(yīng)變,即γxz=γyz=0,且該直線的長度不變,即εz=0。
1.2.2 復(fù)合材料最大應(yīng)力失效準(zhǔn)則
復(fù)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(guān)系。因此,在平面應(yīng)力狀態(tài)下單層板的基本強度指標(biāo)有7 個,如表1 所示。
表1 平面應(yīng)力狀態(tài)下單層板的基本強度指標(biāo)
最大應(yīng)力準(zhǔn)則為:
1.2.3 材料強度及安全系數(shù)要求
在采用最大應(yīng)力準(zhǔn)則下,再考慮材料的安全系數(shù),根據(jù)GL 2010 規(guī)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(shù)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(shù)
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(shù)如表3 所示。
表3 材料參數(shù)
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。
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(yù)裝配→在預(yù)裝配狀態(tài)實施滿焊接→無損探傷、校形→防腐處理→罩殼整體裝配。
金屬機艙罩的殼體與框架材料一般選用最常用的碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B,厚度在16 mm 以下,強度為235 MPa[5],根據(jù)GL 2010 規(guī)范5.3.2.1 要求,材料本身的安全系數(shù)1.1[4],材料許用應(yīng)力213 MPa。
以4 MW 風(fēng)電機組為例,分別對2 種不同材料的機艙罩進行設(shè)計與強度分析。
4 MW 非金屬復(fù)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(jié)構(gòu)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(zhì)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??偟膩碚f,金屬機艙罩殼的生產(chǎn)成本與樹脂材料相比有所降低。
3.2.1 受載計算
3.2.1.1 風(fēng)速
風(fēng)速與所選取的風(fēng)區(qū)有關(guān),GL 2010 規(guī)范4.2.1 按照50 年一遇10 min 的極限風(fēng)速Vref將風(fēng)區(qū)劃分為3 類基本風(fēng)區(qū)I、Ⅱ、Ⅲ和1 類特殊風(fēng)區(qū)S[5],這4 類風(fēng)區(qū)下的風(fēng)機等級基本參數(shù)如表4 所示。
表4 風(fēng)機等級基本參數(shù)
表4 中,Vref為基準(zhǔn)風(fēng)速,Vave為輪轂高度處年平均風(fēng)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(shù),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(fēng)力發(fā)電機組考慮采用Ⅱ類風(fēng)區(qū),具體信息如表5 所示。
表5 Ⅱ類風(fēng)區(qū)具體信息
3.2.1.2 機艙Cp值
依據(jù)GL 2010 規(guī)范6.4.3.2.3,在風(fēng)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(fēng)向的機艙罩面為迎風(fēng)面Cp=+0.8(壓力),與之對應(yīng)的面為背風(fēng)面Cp=-0.5(吸力),與風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)空氣密度1.225 kg/m3。
利用風(fēng)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(shù)
依據(jù)GL 2010 規(guī)范4.3.2 要求選取載荷安全系數(shù)[5],載荷安全系數(shù)如表6 所示。
表6 載荷安全系數(shù)
3.2.2 極限強度分析
基于前述的強度失效準(zhǔn)則,利用ANASYS 分析軟件[6],以4 MW 風(fēng)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(fù)合材料機艙罩強度分析應(yīng)力云圖
經(jīng)分析,非金屬復(fù)合材料機艙罩手糊纖維氈最大應(yīng)力為45.4 MPa,手糊纖維布最大應(yīng)力為109 MPa,極限強度滿足要求。
強度分析的結(jié)果表明:金屬機艙罩最大von-Mises等效應(yīng)力約為103 MPa,極限強度滿足要求。
在風(fēng)力發(fā)電機組眾多的采購部件中,機艙罩殼作為較大的結(jié)構(gòu)部件,約占風(fēng)機總成本的3%左右,隨著目前風(fēng)電上網(wǎng)電價的逐步下調(diào),風(fēng)力發(fā)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(fēng)機的成本具有較大的影響。
非金屬復(fù)合材料機艙罩優(yōu)點為:①不需復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備,投資少,適合中國鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展;②生產(chǎn)技術(shù)易掌握,生產(chǎn)人員只需經(jīng)過短期培訓(xùn)即可進行生產(chǎn);③可與其他材料復(fù)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(fù)雜;②一般采用手糊成型工藝,生產(chǎn)效率低,尺寸偏差大;③易受操作人員技能水平及生產(chǎn)環(huán)境條件的影響,產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定;④加工時粉塵多,環(huán)境污染大。
金屬材料機艙罩優(yōu)點為:①Q(mào)235B 是普通材質(zhì)的鋼材,應(yīng)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(huán)境中,需考慮整體防腐;②金屬的熱傳導(dǎo)系數(shù)高,需要加大機艙內(nèi)部散熱通風(fēng)量。在低溫地區(qū),還要考慮機艙內(nèi)部的保溫措施。
在風(fēng)電機艙罩方案的選取上首先應(yīng)充分考慮到風(fēng)電機組的運行環(huán)境,并結(jié)合風(fēng)電機組的整體結(jié)構(gòu)方案及外形尺寸,核算出機艙罩的生產(chǎn)制造成本,再綜合考慮機艙罩的生產(chǎn)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(shè)計出最優(yōu)的設(shè)計方案和制造工藝,實現(xiàn)機艙罩的最優(yōu)性價比。