模塊化設計在風力發電機開發中的應用

賈 冰，張 雷，吳 兵

(國電聯合動力技術有限公司，北京 100039)

1 模塊與模塊化設計

所謂模塊，就是可組合成系統的、具有某種確定功能和接口結構的、典型的通用獨立單元［1］。

模塊化設計，即將產品的若干要素組合在一起，組成一個具有特定功能的子系統，將這個子系統作為通用性的模塊與其他產品要素進行多種組合，構成新的系統，產生多種不同功能或相同功能、不同性能的系列產品。通過對不同模塊的組合，可以用有限資源組合成為多種不同類型的產品。

2 模塊化設計在風力發電機開發中的應用

風力發電機，簡稱風機，是將風能轉化為電能的裝置，主要由葉片、發電機、機械部件和電氣部件組成。

近年來風能市場的快速發展驅動了各國在風力發電機行業的投入，風力發電機的開發具有批量化、定制式的特點。傳統研發方式從設計到投放市場時間較長，而變化的市場對產品研發時間提出了更高的要求。模塊化設計通過預定的標準接口，將產品分解成由相互獨立產品模塊組成的柔性產品平臺，可以根據客戶的需求定制出不同特點的產品。

在工業領域中，各行業對模塊劃分都有自己相應的標準，英國學者SUH［2］從功能－結構參數映射的角度定義了模塊化設計的概念:模塊化設計是一種分析結果的產生，這種結果以產品、過程和系統的形式表現，并滿足預定的需求，其方法是選擇適當的結構域設計參數，完成從功能需求域到設計參數域的映射。

依據上述設計思想，模塊化設計首先是根據客戶的總需求，將總需求劃分為一系列子需求;根據子需求完成從用戶需求域到模塊功能域的映射，在映射的過程中應考慮子需求和子模塊功能之間的對應關系;然后在考慮模塊性能的基礎上完成從模塊功能域到模塊結構域的映射，在此步驟中應同樣考慮其對應關系;由于結構是功能的載體，功能的聚類最終要映射為一定的結構體，即最終由子模塊結構匯總為整體結構［3－5］，如圖1 所示。

圖1 模塊化設計過程

根據上述過程，在風機開發的實際過程中，可以參照需求、功能與結構的映射對產品按這3個層次進行模塊劃分。

a.需求層。在風力發電機開發的實際過程中，客戶的需求是風力發電機開發的基本方向，由于受到地理特征、風場等級、交通運輸等各種情況的制約，客戶的需求各不相同，可根據需求特點劃分為總需求和子需求。風力發電機各部分的基本結構是相對固定的，所以可以將風力發電機模塊劃分為固定模塊和可選模塊。固定模塊是根據風力發電機的固有特性劃分的，構成了風力發電機最基本的需求，其組成了風力發電機的基本結構;可選模塊則是根據客戶需求不同可以變化或調整的模塊。如圖2所示。

圖2 固定模塊與可選模塊

b.功能層。在需求層基礎上，從功能設計的角度，對產品進行功能分析，全面概括產品所應具備的各項功能，并按一定的原則對這些功能進行調整、分解、合并，最終將風機產品劃分為一系列功能模塊。功能層的主要任務是站在設計開發人員的角度上通過技術原理實現產品功能。在功能層中首先要分析用戶所提出的需求，然后重新設計或者對既有模塊的功能單元進行修訂，從而形成一系列新功能單元，以滿足這些需求。最后，再對這些功能單元進行整合，將那些關系密切的功能單元劃分在一起，從而形成一系列功能模塊或者子模塊［6］。

c.結構層。在功能層的基礎上，從結構設計的角度，對產品進行結構上的劃分。結構層模塊的劃分要盡量與功能模塊的劃分一一對應，以便把功能模塊的劃分原則體現在結構中［7］。而對于風機而言，其基本結構是相對固定的，所以只需要對其部分結構進行修訂即可。

上述原則在風機開發設計中同樣適用，風機是由多個部件組成的復雜的機械裝置，其主要組成為機械裝置、電氣裝置、復合材料等。傳統設計是以風機結構的不同來劃分成不同的部分，如轉子葉輪裝配、機艙裝配等并逐層分解，其結構層較多，更改底層部件時往往會影響其上級部件的相應屬性，從而導致開發時間較長。應用模塊化設計的理念，可以將其各部件組合成為相應的模塊或子模塊，進行快速的設計或變更，從而節省大量的人力和開發時間。如圖3所示。

圖3 從傳統設計到模塊化設計

當客戶提出相應需求時，根據客戶提供的信息，開發人員通過分析其特定需求在風機基本功能上的變化，對特殊需求的模塊進行編制、修訂和優化，最后配置上既有的基本模塊或者子模塊。在這種模式下，開發人員只需調整較少的部分即可完成風力發電機的整體設計。如圖4所示，2.0MW近海型風機與2.0MW常溫型風機相比，需要增加排水/除濕系統這個可選模塊(本文只以此模塊為例)，這是因為近海地區空氣潮濕，為了避免對機械和電氣元器件的腐蝕，根據客戶需要而增加此模塊。

圖4 根據客戶需求進行配置管理

作為風機類產品，往往以發電量作為一個系列或者產品平臺，如1.5MW系列風機、2.0MW系列風機、3.0MW系列風機，不同系列的相同功能(特性)的模塊可以組成模塊庫，在開發產品時可以根據其不同的特性快速衍生出相應系列的機型。如在輪轂裝配模塊庫可以包含1.5MW的輪轂裝配模塊、2.0MW的輪轂模塊等，根據不同的需求開發人員可以調用其模塊庫中的內容進行組合，從而避免進行再設計。此外，可以將模塊進行加密后組成客戶模塊庫，將客戶模塊庫對客戶開放，客戶可以根據自己的需求搭配相應的內容，開發人員采納其合理內容作為設計輸入條件，這樣能夠極大地滿足客戶的需求，避免在開發過程中出現不必要的偏差。模塊庫管理如圖5所示。

圖5 模塊庫管理

3 結束語

利用模塊化設計方法，產品開發不僅只是針對一種產品，而且充分考慮了擴展和變型的可能。2.0MW系列風機在研發過程中，充分利用了模塊化設計的理念。開發人員以陸上常溫型風機為基礎，將風機各通用的部件組合成的固定模塊，并根據地理特征、風場等級、風輪直徑等條件組合成一系列的可選模塊，通過模塊的組合和優化，縮短了風機開發設計的時間并滿足了客戶的需求。根據市場反饋，2.0MW系列風力發電機產品具有配置靈活性大、開發周期短、質量及供貨容易保證等特點，受到客戶極大的好評。

［1］ 童時中.模塊化原理設計方法及應用［M］.北京:中國標準出版社，2000:20－23.

［2］ SUH N P.The Principle of Design［M］.Oxford:Oxford University Press，1990.

［3］ 吳俊庭，萬立.機床產品設計中的模塊化技術研究［J］.中國機電工業，2007(12):94－95.

［4］ 杜陶鈞，黃鴻.模塊化設計中模塊劃分的分級、層次特性的討論［J］.機電產品開發與創新，2003(2):51－53.

［5］ 張磊.模塊化設計在客車車身設計中的應用研究［D］.長春:吉林大學，2013.

［6］ 侯亮，唐任仲，徐燕申.產品模塊化設計理論、技術與應用研究進展［J］.機械工程學報，2004(1):56－61.

［7］ 張寶輝，龔京忠，李國喜，等.產品模塊化設計中的功能模塊劃分方法研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2004(9):55－59.