文 | 肖進(jìn)，梁瑞利，夏俊怡

兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組葉片鎖定裝置研究

文 | 肖進(jìn)，梁瑞利，夏俊怡

兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)電場吊裝風(fēng)輪，以及對風(fēng)輪中的故障變槳電機(jī)或變槳齒輪箱進(jìn)行維修或更換時(shí)，都必須采用葉片鎖定裝置將風(fēng)輪葉片進(jìn)行鎖定，以防止其轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保護(hù)操作人員的安全。本文對兩種不同的葉片鎖定裝置從鎖定方式和承載能力兩方面進(jìn)行分析，以期找出最佳的葉片鎖定裝置設(shè)計(jì)方案。

葉片鎖定裝置鎖定方式

現(xiàn)行風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪大體由葉片、變槳軸承、輪轂體、葉片鎖定裝置等零部件構(gòu)成（其余與本文無關(guān)的零部件圖中均未體現(xiàn)），其中葉片安裝在變槳軸承內(nèi)圈，變槳軸承外圈及葉片鎖定裝置直接安裝在輪轂體上，見圖1。

以下兩種葉片鎖定方式都能夠可靠地鎖定風(fēng)輪葉片，使葉片與輪轂體之間不產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)：

1.卡葉片螺母式鎖定方式。

2.卡變槳軸承內(nèi)齒圈式鎖定方式。

一、卡葉片螺母式鎖定方式

卡葉片螺母式葉片鎖定裝置主要由底板、加強(qiáng)筋和頂板焊接而成，具體結(jié)構(gòu)見圖2。

卡葉片螺母式葉片鎖定裝置工作原理如下：當(dāng)需要對風(fēng)輪葉片進(jìn)行鎖定時(shí)，先調(diào)節(jié)葉片鎖定裝置，以保證葉片鎖定裝置頂板上的兩個(gè)葉片螺母卡槽可以可靠地將葉片固定螺母卡住，再將葉片鎖定裝置用緊固件直接固定在輪轂體上，從而完成對風(fēng)輪葉片的鎖定。具體示意見圖3。

二、卡變槳軸承內(nèi)齒圈式鎖定方式

卡變槳軸承內(nèi)齒圈式葉片鎖定裝置主要由底板、加強(qiáng)筋、頂板和卡齒板焊接而成，具體結(jié)構(gòu)見圖4。

卡變槳軸承內(nèi)齒圈式葉片鎖定裝置工作原理如下：當(dāng)需要對風(fēng)輪葉片進(jìn)行鎖定時(shí)，先調(diào)節(jié)葉片鎖定裝置，以保證葉片鎖定裝置卡齒板上的兩個(gè)齒可以可靠地卡入變槳軸承內(nèi)齒圈，再將葉片鎖定裝置用緊固件直接固定在輪轂體上，從而完成對風(fēng)輪葉片的鎖定，具體示意見圖5。

兩種葉片鎖定裝置承載能力（有限元）分析

一、材料特性

假定兩種葉片鎖定裝置均采用Q345D板材焊接而成，Q345D板材材料特性如表1所示。

表1　葉片鎖定裝置的材料屬性（Q345D）

二、載荷

假定本文涉及的風(fēng)電機(jī)組功率為2MW，風(fēng)輪直徑110m，適用風(fēng)電場為Ⅲ A類。載荷計(jì)算是根據(jù)GL規(guī)范和IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。計(jì)算得到維修工況的葉根轉(zhuǎn)矩MZ＝30kN· m。

將此葉根轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為葉片鎖定裝置所受徑向力:F＝MZ/r＝30kN· m /1.15m＝26kN（r為葉片鎖定裝置受力點(diǎn)到葉根中心的距離），載荷示意圖見圖6。

三、有限元模型的建立

強(qiáng)度分析采用abaqus軟件完成，兩種葉片鎖定裝置對應(yīng)的有限元模型如圖7和圖8所示，模型采用二次修正單元C3D10M進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型中所有單元的雅克比大于0.7，長寬比小于5，單元質(zhì)量很好。由于兩種葉片鎖定裝置均為面受載，且因?yàn)榧庸ふ`差，葉片鎖定時(shí)，葉片鎖定裝置頂板上只可能有一個(gè)卡槽與工件接觸受力。所以最終加載按照P=F/A添加單個(gè)受力面的壓強(qiáng)（P為受力面壓強(qiáng)，F(xiàn)為以上計(jì)算出的徑向力，A為徑向力作用在葉片鎖定裝置上的受力面積）。

四、計(jì)算結(jié)果

兩種葉片鎖定裝置有限元計(jì)算結(jié)果如圖9和圖10所示，在相同的維修工況下，卡葉片螺母式葉片鎖定裝置最大馮米塞斯應(yīng)力為297.6MPa，而卡變槳軸承內(nèi)齒圈葉片鎖定裝置最大馮米塞斯應(yīng)力為218.4MPa，均滿足設(shè)計(jì)要求。

因?yàn)槿~片鎖定裝置只在維修時(shí)才進(jìn)行安裝，風(fēng)電機(jī)組正常工作時(shí)是不安裝的。因此，葉片鎖定裝置不需要進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。

兩種葉片鎖定裝置優(yōu)缺點(diǎn)分析

根據(jù)以上對卡葉片螺母式葉片鎖定裝置和卡變槳軸承內(nèi)齒圈式葉片鎖定裝置的鎖定方式和承載能力對比，可以得出以下結(jié)論：

（1）現(xiàn)場裝配方面：由于兩種葉片鎖定裝置都需要調(diào)整安裝，因此現(xiàn)場裝配難度相同。

（2）后期拓展方面：由于卡葉片螺母式葉片鎖定裝置受螺母與螺母之間的間隙影響很大，所以，對于葉片固定螺栓很多的情況下，卡葉片螺母式葉片鎖定裝置將不再適用（因?yàn)轫敯迓菽缚ú郯搴裉。?，具體示意見圖11?？ㄗ儤S承內(nèi)齒圈式葉片鎖定裝置是該情況下的唯一選擇。

（3）承受載荷方面：通過以上有限元分析可以看出，在同一維修工況下，卡變槳軸承內(nèi)齒圈式葉片鎖定裝置承載能力是卡葉片螺母式變槳鎖定裝置的1.36倍。所以對于維修工況葉根轉(zhuǎn)矩較大的工況下，卡變槳軸承內(nèi)齒圈式葉片鎖定裝置是更好的選擇。

結(jié)語

綜上，卡變槳軸承內(nèi)齒圈式葉片鎖定裝置是一種表現(xiàn)非常優(yōu)異的葉片鎖定裝置，而且此種葉片鎖定裝置能適應(yīng)各種變槳軸承。隨著風(fēng)電機(jī)組功率的不斷加大，此種葉片鎖定裝置將是大兆瓦機(jī)組的最優(yōu)選擇。

（作者單位：中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司風(fēng)電事業(yè)部）