杨文珺，陈小军，刘 浩 ，王小建，刘 婷

(1.湘电风能有限公司，湖南 湘潭 411102；2. 海上风力发电技术与检测国家重点实验室，湖南 湘潭 411102)

0 引言

近两年来，国内外风电产品市场竞争日益加剧，风机产品的机型越来越多，对其质量要求也越来越高。受国内风电行业抢装潮的影响，交货期非常短。面对这种市场现况，如何能满足用户的多样化需求，又在保障风电机组质量的前提下降低成本并按期交货，是每个主机厂家面临的严峻考验。

产品的通用化、系列化、模块化(通常称为“三化”)的标准化工作高级形式，是解决主机厂家质量、成本、交货期魔鬼三角的有效途径。通过“三化”设计，可以以最少的品种规格、最少的工作量及人力满足最多的需求，从而达到提高技术质量、降低生产成本、缩短交货周期、提升市场竞争力和用户满意度的目的[1]。

由于受风电场的地理环境、气象资源、沿途道路、用户需求等因素的影响，不同风电场的风力发电机组塔筒通常须定制化设计，从而形成一系列的塔筒，这些塔筒结构类似，只是某些几何参数不一样[2]。因此湘电风能有限公司在塔筒系列化设计中引入参数化设计理念，以提高塔筒结构设计的标准化、自动化水平，从而提高工作效率。

1 参数化设计原理

参数化设计是新一代智能化、自动化设计的热门手段之一，其基本思想是对于结构类似但规格不同的产品，实际设计时的差别仅在于特定的若干关键技术参数的选择，通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或修改已定义好的零件参数，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动[3]。章双全等[4]利用SolidWorks丰富的API函数接口，采用Visual Basic对其进行二次开发，生成风机塔筒结构参数化设计程序，从而实现塔筒结构的参数化自动建模，有效减少了设计人员的重复工作量。

参数化尺寸驱动的方式可以大大提高零部件设计和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计等方面都具有较大的应用价值。参数化设计记录了产品设计的全过程，能设计出一系列而非单一的在形状和功能上具有相似性的产品或零件，同一系列产品的第二次设计可直接通过修改第一次设计来实现，从而缩短产品的整个开发周期。

2 风力发电机组塔筒参数化设计

2.1 塔筒参数化设计方法

风力发电机组塔筒参数化设计常用的方法有两种：模块法和程序法。模块法是将不同机型或项目的同类零部件设置成多个模块，每个零部件都设置多个模块，塔筒总成装配时根据实际要求选择各个模块进行组装。程序法是利用程序创建零部件，这种方法需要将零部件的所有尺寸设置成全局变量。

我们对系列塔筒的结构及构成零部件进行了梳理和分析，塔筒主体结构一般包括基础段、底段、二段、三段、四段、顶段塔筒等几大部分，如图1所示。塔筒的部分零部件如高强度螺栓、法兰接地零部件等经整理已经设计成通用件，建立了塔筒通用件库，筒体、平台、内附件等零部件可进行参数化设计。如果我们只选取模块法，塔筒筒体等部分零部件无法实现参数化设计，而塔筒总成中零部件的所有尺寸很难整理完整；而程序法也不能完全适用于塔筒所有零部件的参数化设计。所以风力发电机组塔筒参数化设计采用模块法与程序法相结合的方法。

图1 塔筒主体结构框图

风力发电机组塔筒参数化设计要点在于无论采用何种方法都要将需要修改的尺寸设置成全局变量，其他相关尺寸根据逻辑关系与全局变量尺寸建立相应的方程式。在参数化设计中，根据不同机型或项目对全局变量参数创建好参数表格，完成全局变量参数修改，就能实现各个零部件及塔筒总成的参数化设计。

2.2 塔筒主体参数化设计

风力发电机组塔筒的一般设计程序为综合风机的功率、风电场的风资源数据、叶片的翼型、传动链的传动形式、机舱轮毂等总重量等数据，经过载荷计算与工程算法得到塔筒的主体参数，如塔筒的段数、高度、直径、壁厚等。由于每个机型或项目筒体的外形尺寸会发生变化，因此须将这些尺寸设置成全局变量。

塔筒主体参数化设计中，每段塔筒节数等并不能确定，很难对所有外形建立模块，因此不能采用模块法；而通过工程算法计算后能够得到筒体主体的所有尺寸，所以程序法会更适用于塔筒主体参数化设计。利用SolidWorks中的设计表格，将基本外形尺寸参数与Excel设计表相关联，通过更改设计表中的尺寸参数实现塔筒主体的参数化设计，大大缩短了塔筒主体图纸的生成时间。塔筒主体参数化设计如图2所示。

图2 塔筒主体参数化设计

2.3 塔筒平台附件参数化设计

塔筒内部附件设计构造看似多而杂，其实布置原理基本一致，同种功率机型的塔筒内附件设计相差不大。按照一定装配规律，利用原始驱动尺寸来驱动其他变化的尺寸，产生一系列的平台结构参数化设计。

塔筒平台参数化设计中，整理所有尺寸参数难度很大，因此不适合采用程序法；而同种机型塔筒平台相差不大，因此可以采用模块法将常用平台设置成不同模块会更智能。在平台模块中只需将平台直径设置为全局变量，根据逻辑关系与筒体外径、壁厚等原始尺寸建立方程式，如塔筒某段平台装配水平轴塔筒外径为L、壁厚为h，根据逻辑关系可以得到平台外径L平台=(L/2-h-15)×2。螺栓孔数、物料口等开口尺寸、平台梁尺寸等根据需求与全局变量建立相应的方程式，跟随全局变量的改变而发生相应的改变。塔筒平台附件参数化设计如图3所示。

2.4 塔筒其他内附件参数化设计

塔筒除了平台之外的其他内附件数量较多，装配逻辑关系较为繁琐，因此在参数化设计中最好的应对方法是尽可能将这些内附件设计成类标准件。塔筒内附件基本可分为两种，一种是外形尺寸参数完全确定的内附件，另一种是某个或者某几个尺寸参数需变化的内附件。塔筒内附件参数化设计如图4所示。

外形尺寸参数完全确定的内附件，如灭火器支架、主电缆夹等，将其不同机型下的各种形式设置成多个模块，每个模块其外形参数完全确定，只需将其安装要素设置成全局变量。在塔筒中类标准件的安装要素包括安装圆的直径、安装基准面角度、安装高度等。因此将这类内附件与塔筒焊接体的安装逻辑关系梳理好就能完成它们的参数化设计。

图3 塔筒平台附件参数化设计

某个或者某几个尺寸参数需变化的内附件，如各段爬梯、照明电缆走线架等，其需在安装要素设置成全局变量的基础上再将变化的尺寸参数也设置成全局变量。这类内附件还需注意在安装时其装配体下的某个零件和塔筒主体的关联尺寸和要求，所以这类内附件在参数化设计之后还需人为地去进行检查及修改。

图4 塔筒内附件参数化设计

3 结语

湘电风能有限公司在进行通用化设计的前提下，在塔筒设计中应用参数化设计，规范了塔筒设计流程、设计方法，结合模块化的设计方法，形成塔筒的系列化，极大地提高了风力发电机组新产品开发的速度和质量，缩短了产品的设计周期，降低了设计成本，提升了产品的市场竞争力，拓展了设计人员的设计思路，为风电机组产品的优化升级或再开发设计提供了高效的便捷性和可操作性，也为提升风力发电机组的标准化水平提供了新的思路。