董姝言，何海建，孟令銳，楊 揚(yáng)，晁貫良

(許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌 461000)

風(fēng)能是一種清潔可再生能源，風(fēng)力發(fā)電就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的過程。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是集機(jī)械、電氣及空氣動力學(xué)等學(xué)科為一體的綜合設(shè)備，其大多安裝在環(huán)境惡劣、氣候復(fù)雜的地區(qū)，在運(yùn)行過程中存在許多隱患，需要定期進(jìn)行維護(hù)或檢修，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障及隱患，保證風(fēng)機(jī)的效率[1]。

葉片鎖定裝置是一個單獨(dú)的鋼制結(jié)構(gòu)，當(dāng)工作人員需要在葉片上進(jìn)行安裝、維護(hù)或檢修時(shí)，把葉片鎖定裝置用螺栓連接在輪轂上，卡住變槳軸承與葉片連接螺栓，用以固定葉片，防止其意外旋轉(zhuǎn)，以確保工作人員安全。分析葉片鎖定裝置的強(qiáng)度非常重要[2-3]，它應(yīng)能抵抗安裝或維護(hù)期間的陣風(fēng)(工況DLC8.1)和年陣風(fēng)(工況DLC8.2)以保證葉片鎖定的功能[4]。

本文基于有限元軟件ANSYS對某MW級風(fēng)機(jī)的葉片鎖定裝置進(jìn)行計(jì)算，建立部件間的接觸關(guān)系，研究在極限工況下葉片鎖定裝置及連接螺栓的靜強(qiáng)度，校核其使用安全性，并對葉片鎖定裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。

1 葉片鎖定裝置有限元分析

1.1 前處理

為了準(zhǔn)確分析葉片鎖定裝置的受力情況，基于比較完整的載荷傳遞路徑建立模型，本文建立了包括葉片、葉片鎖定裝置、變槳軸承、輪轂、變槳電機(jī)、葉片鎖定裝置與輪轂連接螺栓、變槳軸承和葉片連接螺栓等的有限元分析模型，如圖1、圖2所示。模型刪除了倒角、螺栓孔、凸臺等不影響剛度的小特征[5-6]，同時(shí)考慮到輪轂結(jié)構(gòu)的對稱性，為減少計(jì)算規(guī)模，其中輪轂為1/3模型。

圖1 葉片鎖定裝置有限元剖面模型

圖2 葉片鎖定裝置及連接螺栓

螺栓和墊片采用實(shí)體單元模擬，變槳軸承的滾子采用只受壓的link單元模擬。變槳電機(jī)采用實(shí)體單元模擬，變槳齒輪采用beam單元模擬，變槳齒輪和變槳軸承內(nèi)環(huán)間的齒輪嚙合采用只受壓的link單元模擬，以確保載荷沿一個方向傳遞。

葉片鎖定裝置與輪轂之間為摩擦接觸，葉片螺栓與葉片鎖定裝置之間也為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.2，其余部件間的接觸關(guān)系設(shè)置為綁定。

1.2 材料

模型中，葉片為各向同性復(fù)合材料，輪轂和變槳電機(jī)為鑄鐵，葉片鎖定裝置、變槳軸承和螺栓材料為結(jié)構(gòu)鋼，各部件材料屬性見表1。

表1 材料屬性

1.3 邊界條件和載荷

在輪轂下風(fēng)向端面施加固定約束，輪轂兩側(cè)切割面約束法向位移。在葉根中心建立節(jié)點(diǎn)，使用beam單元將葉根中心與葉片端面連接，形成載荷傘，用于載荷的施加。

葉片鎖定裝置的強(qiáng)度計(jì)算需考慮螺栓預(yù)緊力和葉根極限變槳載荷。由于螺栓預(yù)緊過程的不確定性，因此在強(qiáng)度評估時(shí)需考慮最大和最小兩種螺栓預(yù)緊力。最大預(yù)緊力使螺栓受到的力較大，而最小預(yù)緊力使螺栓連接面發(fā)生滑移的概率較大。由VDI 2230可知，螺栓預(yù)緊力為屈服強(qiáng)度的70%；考慮到螺栓的緊固方法，螺栓最大和最小預(yù)緊力采用±17%的分散系數(shù)[7]。螺栓參數(shù)見表2。

表2 螺栓參數(shù)

葉片鎖定裝置強(qiáng)度計(jì)算采用兩步加載求解，第一步對葉片鎖定裝置與輪轂連接螺栓施加螺栓預(yù)緊力，第二步按照葉根坐標(biāo)系在葉根中心施加極限變槳載荷，計(jì)算葉片鎖定裝置和螺栓在極限載荷下的靜強(qiáng)度。在計(jì)算中，分別施加最大和最小兩種螺栓預(yù)緊力，載荷也分別考慮最大和最小兩種極限載荷，即共對4種工況進(jìn)行強(qiáng)度評估，工況設(shè)置見表3。

表3 強(qiáng)度計(jì)算工況

2 極限強(qiáng)度計(jì)算

2.1 螺栓極限強(qiáng)度

從有限元計(jì)算結(jié)果中提取葉片鎖定裝置與輪轂連接螺栓在不同截面處所受的軸向力Fz、彎矩Mx和My，并由此計(jì)算螺栓所受的軸向應(yīng)力σax和彎曲應(yīng)力分量σbend,x，σbend,y，從而得到螺栓總應(yīng)力σtot的計(jì)算公式：

(1)

計(jì)算后螺栓總應(yīng)力見表4。

表4 螺栓總應(yīng)力 MPa

螺栓極限應(yīng)力安全系數(shù)可由式(2)計(jì)算得到：

(2)

式中：SRFext1為螺栓的極限應(yīng)力安全系數(shù)；RP,0.2為螺栓的屈服強(qiáng)度，其值為940 MPa；γtot為安全系數(shù)，依據(jù)GL規(guī)范，此處γtot=1.1[2]。

葉片鎖定裝置與輪轂連接螺栓的極限強(qiáng)度見表5，表中SRFext1,bolti為第i個連接螺栓的極限應(yīng)力安全系數(shù)，從表中可以看出4個工況下螺栓的最小SRF值均大于1，滿足極限強(qiáng)度要求。

因此，有效控制施工質(zhì)量必須充分認(rèn)識項(xiàng)目劃分的重要性，確保項(xiàng)目劃分的合理性，熟悉和堅(jiān)持規(guī)程、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，最后管理、評定出質(zhì)量合格的工程。

表5 極限強(qiáng)度結(jié)果

2.2 葉片鎖定裝置極限強(qiáng)度

葉片鎖定裝置極限強(qiáng)度安全系數(shù)SREext2采用式(3)計(jì)算：

(3)

式中：Re為結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度，其值為345 MPa[8]；σeqv為葉片鎖定裝置最大等效應(yīng)力。

葉片鎖定裝置的von Mises應(yīng)力云圖如圖3所示，葉片鎖定裝置最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉片鎖定裝置與葉片螺栓接觸的位置，其值為247.6 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度，即安全系數(shù)大于1，滿足極限強(qiáng)度需求。

圖3 葉片鎖定裝置應(yīng)力云圖

2.3 變槳軸承和葉片螺栓滑移強(qiáng)度

評估變槳軸承和葉片連接螺栓滑移強(qiáng)度采用第3種工況即最小螺栓預(yù)緊力和最大葉根載荷工況下的結(jié)果，因?yàn)樵谶@種加載條件下最有可能發(fā)生滑移。

許用剪切力Fshear,allowable計(jì)算公式為：

Fshear,allowable=(Fpretension·nbolts)μ

(4)

式中：Fpretension為最小螺栓預(yù)緊力，其值為464.8 kN；nbolts為螺栓個數(shù)，其值為1；μ為接觸面摩擦系數(shù)，其值為0.2。

(5)

式中：Mz為葉根極限彎矩，其值根據(jù)GL規(guī)范計(jì)算得到，為56 436 N·m；PCD為螺栓連接分度圓直徑。

滑移強(qiáng)度SRFslip為：

(6)

SRF值小于1，因此當(dāng)施加最小預(yù)緊力時(shí)，變槳軸承內(nèi)環(huán)和葉片螺栓間會發(fā)生滑移。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

現(xiàn)有葉片鎖定裝置有3個U形口可以卡住3根螺栓，在安裝時(shí)需協(xié)調(diào)3根螺栓的位置，裝配有一定的難度。由于載荷分布是不均勻的，實(shí)際上僅有1根螺栓承受載荷。同時(shí)由于不同機(jī)型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，變槳軸承和葉片連接螺栓的數(shù)量和分布往往也不同，因此現(xiàn)有的葉片鎖定裝置通用性不強(qiáng)?；谏鲜鲈?，本文對葉片鎖定裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)的對比如圖4所示。新的葉片鎖定裝置包括2個部件：鎖定座和鋼帽。鎖定座和鋼帽是分離的。鎖定座與改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)相似，但只有1個U形口。鋼帽內(nèi)部是六邊形結(jié)構(gòu)，與葉片螺栓頭的尺寸相符合。安裝時(shí)先將鋼帽套在葉片螺栓上，再把鎖定座的U形槽口卡住鋼帽，調(diào)整位置把鎖定座螺栓連接在輪轂上。1套葉片鎖定裝置可以卡住1根螺栓，1個風(fēng)機(jī)可使用2套葉片鎖定裝置同時(shí)固定2根葉片螺栓。

圖4 葉片鎖定裝置改進(jìn)前后對比

對改進(jìn)后的葉片鎖定裝置進(jìn)行分析，有限元模型如圖5所示。鋼帽與葉片螺栓之間、鋼帽與葉片鎖定裝置之間均設(shè)置為摩擦接觸，其余設(shè)置與前述相同。計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，2個葉片鎖定裝置受力均勻，葉片鎖定裝置最大應(yīng)力為300 MPa，其極限安全系數(shù)為1.045；因有2根螺栓同時(shí)承受載荷，葉片螺栓滑移強(qiáng)度為原來的2倍，即1.72 ，可見改進(jìn)后的葉片鎖定裝置滿足使用需求。

圖5 改進(jìn)后葉片鎖定裝置及連接螺栓

圖6 改進(jìn)后葉片鎖定裝置應(yīng)力云圖

4 結(jié)束語

本文基于有限元軟件ANSYS對某MW級風(fēng)機(jī)的葉片鎖定裝置進(jìn)行了極限強(qiáng)度計(jì)算，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。改進(jìn)后的結(jié)果表明，葉片鎖定裝置強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，改善了應(yīng)力集中現(xiàn)象，較好地解決了滑移問題，為葉片鎖定裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。