风电机组桁架式内部框架初步设计探讨

0 引言

在风电机组设计中，将变压器、变流器从塔基移至机舱，由机舱到塔架、再到集电线路的电缆，仅需一根35kV 中压电缆，可极大减少电缆用量，降低电能损耗。对于双馈机组，发电机由固定在主机架上的后机架支撑，后机架为悬臂梁结构。当变流器、变压器布置在机舱时，也由后机架支撑。变流器、变压器自身的尺寸以及所需的维护空间较大，其在后机架上的布置通常如图1 所示，因此会导致后机架的悬臂长度增大，通常为不含变流器、变压器时的2 倍。变压器的重量通常在15 吨以上，当其放置在机舱尾部时，后机架的整体受力情况非常恶劣，刚度很难满足设计要求。

桁架式结构是一种常见的结构形式，广泛的应用于工程机械的各个领域，例如输电杆塔、吊车臂等。在风电领域，桁架结构也广泛应用，例如轮毂中心高超过200 米的超高塔架，最有效的塔架解决方案就是桁架塔。风电机组的叶片采用桁架式结构也是未来大功率机组的趋势，文献[1]中提到了采用超车算法来优化风电机组的叶片的桁架结构。文献[2]、[3]还提到了复合材料的桁架结构。

内部框架作为机舱内的支撑部件，主要为机舱外部罩体的安装提供附着点。当桁架结构应用于内部框架时，其可以与主机架、后机架形成一个整体的桁架结构，使后机架承担的各大部件的重量分散到整体的桁架结构。当前对于桁架结构的计算方法也很成熟，除节点法、有限元法等传统的计算分析方法之外，新的计算方法也在不断更新迭代，文献[4]采用了拓扑优化的方法，对桁架式的车架结构进行了优化。文献[5]则采用了神经网络对输电塔的桁架结构进行了优化。

本文研究的内容即为采用传统的有限元法，对桁架式内部框架的初步设计进行探讨。首先将各部件的载荷等效为施加在后机架尾部的集中力；其次，以某一双馈机组的桁架式内部框架为例，计算其内部杆件在不同状态下与主机架、后机架组成的整体结构的强度、刚度，得出其布置形式与其刚度、强度之间的关系；最后，本文指出了在桁架式内部框架的设计过程中，需要对风电机组的各指标进行整体考虑。

1 后机架受力分析及简化

后机架支撑的主要大部件为发电机、变流器和变压器，如图1 所示。为提高分析计算的效率，同时不影响计算结果的精确度，需要将上述部件的重量折算为施加在后机架尾部的集中力。

后机架的受力如图 2 所示，其中 F₁ 、 F₂ 、 F₃ 分别代表发电机、变流器和变压器产生的竖直向下的集中力，力的作用点为部件的重心位置。G 为后机架自身所受的重力。F 为上述载荷折算于后机架尾部的集中力。l，l1，l2，l3 和 1_g 分别为等效的集中力、发电机、变流器、变压器、后机架的自重的载荷到后机架与主机架连接面的距离。

集中力F 可由式1.1 计算得出

式中 λ 为安全系数，此处取1.1。

2 桁架式内部框架强度和刚度分析

将桁架式内部框架的腹杆、弦杆、斜杆等单纯受拉压载荷的结构简化成为杆单元。对于后机架，因其承受的弯矩较大，且产生了弯曲变形，因此采用梁单元对其进行简化，并将其与杆单元在节点处进行耦合，截面分别为“工”字形和正方形。

本文根据某双馈机组建立的整体桁架结构的有限元模型如图3 所示，图中腹杆之后的桁架有2 个节距。由于机组的内部框架是单层桁架结构，且左右对称，因此本文的分析模型选取单侧进行分析。后机架、内部框架前侧固定于主机架上，主机架刚度较大，因此用固定约束代替主机架。对模型施加固定约束和等效载荷，求解后位移和应力云图如图4、图5 所示。从图中可以看出，最大位移出现在后机架的末端，最大应力出现在斜杆1。

由于机舱受高度、长度的限制，内部框架的弦杆的高度、长度均已确定，无法进行优化，而斜杆2、斜杆3 并未被完全约束，斜杆2 与弦杆的夹角 a 可在一定范围内变化，因此在设计该结构时，需确定角 a 最合理的角度，如图6 所示。

本文选取了角 a 在 28^∘ 到 50^∘ 之间共10 个角度， 并将计算得到的10 组数据制作成折线图，从折线图中可以看出，当角 a 从 50^∘ 变到 28°时，桁架整体的位移量逐渐减小，尤其是从 50^∘ 到30°的变化过程中，位移量减小明显， 30^∘ 到 28^∘ 时，位移量的减小则比较慢，说明随着 a 的较小，桁架的整体刚度提高，α 减小到30°后，刚度基本达到最大，提高空间有限。最大应力却随 α_a 的减小显著增大，角 达到 30^∘ 后，仍有明显增大。因此当角 a 减小到 30^∘ 刚度仍为无法满足设计要求时，可以考虑增加节距数量。

3 桁架结构布置约束

实际情况是后机架存在发电机、变流器、液压泵等部件。一些部件如发电机、变流器和变压器采用风冷散热的方式，需要直接向机舱外部排风。当出风口朝向机舱罩侧壁时，出风口位置有可能于桁架式内部框架的斜杆、腹杆等重叠。

在一个桁架式内部框架结构初步设计时，机舱内支撑结构整体的强度、刚度是设计的重要指标，但不是唯一指标，例如整机以及各部件的散热也是重要的指标，因此在设计时需要同时考虑。当整体支撑结构的刚度不足时，可以适当减小斜杆角度，使之接近 30^∘ ，当斜杆与部件出风口重合时，则需要调节斜杆角度避开出风口，此时达到了杆系布置的平衡。

4 结语

本文通过有限单元法，分析了桁架式内部框架整体的强度、刚度随斜杆角度变化的趋势。通过分析结果可知，当斜杆角度减小时，桁架式内部框架的整体刚度增大，但桁架内各杆的应力也随之增大；当斜杆角度达到30°时，桁架式内部框架的整体刚度不再明显增大，而桁架内各杆的应力继续增大，因此可得出当斜杆角度达到30°时，整体桁架结构的刚度仍无法满足设计要求时，需考虑增加桁架结构的节距数量来满足刚度需求。

在风电机组设计过程中，由于机舱内布局需要整体规划，桁架式内部框架的各杆无法按照计算得出的最优值进行设计，但是按照刚度、应力随斜杆角度的变化趋势，可以使整体设计在满足其他性能指标时，斜杆的角度尽可能减小。

[1] 张培泽.基于超车算法的风力机叶片桁架结构设计及优化[D].华中科技大学.2024

[2] 何坤涛.复合材料桁架设计及优化[D]. 华中科技大学.2021

[3] 李旭.复合材料桁架设计及优化[J]. 舰船科学技术，2022，44(8)：1[4] 饶浩耀.桁架式车架结构优化与刚度分析[J].机械设计，2024，41(7)：28-35[5] 孟祥俊伟.基于数据驱动的输电塔结构智能规划方法[J].中国工程机械学报，2024，22(6)：794-799