風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片葉根的受力性能綜述

摘 要：風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的部件之一，葉片根部是葉片與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子輪轂連接的關(guān)鍵部分，葉根工作時處于復(fù)雜的拉壓、彎扭和剪切載荷組合工況中，因此葉根連接部位必須具有滿足要求的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性能，因此，葉根連接部分受力性能對葉片的安全運(yùn)行起著決定性的作用。

關(guān)鍵詞：葉片葉根；受力性能；綜述

上個世紀(jì)初，風(fēng)力發(fā)電作為一種具有商業(yè)發(fā)展價值和發(fā)展前景的健康新型能源形式，已經(jīng)獲得了極大程度的發(fā)展。隨著美麗中國、人與自然和諧發(fā)展的呼聲、風(fēng)力資源開發(fā)技術(shù)的不斷深入研究、發(fā)展和運(yùn)用實踐，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計方案的深入討論和研究越來越多。

風(fēng)機(jī)葉片是一個纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的薄殼結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)分為3個部分：第一部分為根部，材質(zhì)一般為金屬；第二部分為外殼，一般為復(fù)合材料，通常是使用玻璃纖維增強(qiáng)材料與基體樹脂復(fù)合而成，一張葉片由兩個灌注成型的外殼構(gòu)件粘合而成；第三部分為支撐外殼的主梁，即加強(qiáng)筋或加強(qiáng)框，一般為玻璃纖維或碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是發(fā)電機(jī)組中的部件之一，通過葉片的旋轉(zhuǎn)把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，最后將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。葉片根部是葉片與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子輪轂連接的關(guān)鍵部分，葉片在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中同時承受的氣動力、重力及離心力等復(fù)雜載荷影響都將通過葉根傳遞到的發(fā)電機(jī)輪轂上，由此，葉根承受著復(fù)雜的擠壓、彎扭、剪切載荷組合作用，因此葉根連接部位必須具有滿足要求的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性能。因此，葉根連接部分受力性能對葉片的安全運(yùn)行起著決定性的作用[ 1 ]。

大尺寸葉片的根部與發(fā)電機(jī)輪轂之間常采用雙頭螺紋桿連接，在葉片根部預(yù)浸料鋪層過程中，預(yù)先將加工好的螺栓套筒埋入，由于螺栓套筒是圓形截面形式，與周圍的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料接觸面積較小，不利于葉片結(jié)構(gòu)承受外部荷載，所以需要在螺栓兩側(cè)填充 “工”字形墊塊或矩形墊塊。

螺栓套筒與周圍的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連接部位受力情況復(fù)雜，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組各部件連接中易不滿足要求的部位。隨著發(fā)電機(jī)組的大型化趨勢發(fā)展，葉片更柔更長，葉片與發(fā)電機(jī)輪轂或者軸承的螺栓連接部位成為承受復(fù)雜交變載荷、惡劣工況的連接部位。統(tǒng)計資料表明，由于葉根連接處螺栓緊縮斷裂、葉根被拔出導(dǎo)致的葉片安全質(zhì)量事故相當(dāng)嚴(yán)重。為提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性與穩(wěn)定性，重點研究葉片葉根部分的連接安全性、有效性和持久性對整個機(jī)組的健康運(yùn)行和使用壽命有重要工程實踐意義[ 2 ]。

在以玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片主要材料的葉片結(jié)構(gòu)形式中，葉片與根部的連接構(gòu)造設(shè)計是關(guān)鍵問題。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片通常要承受自重，慣性力，等十幾到幾十噸的作用，還要考慮極端風(fēng)荷載影響。為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的強(qiáng)度、剛度和局部穩(wěn)定性，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料葉片通常做成氣動外殼包裹主梁的形式，共同承擔(dān)外部荷載作用。

資料表明，國外有關(guān)風(fēng)力機(jī)葉片的相關(guān)研究主要集中在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的數(shù)值分析等方面，如數(shù)值迭代算法：利用已知條件，通過迭代過程逐漸接近設(shè)計目標(biāo)；大部分研究著重于對數(shù)值計算算法的改進(jìn)，以提高迭代過程的準(zhǔn)確性、收斂性與快速性。對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的研究成果不多[ 3 ]。

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率與葉片長度平方成正比，而葉片重力與葉片長度立方成正比，隨著單機(jī)發(fā)電容量越來越大，葉片越來越長，葉片結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性能要求隨之越來越高，提高材料強(qiáng)度、剛度就提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性，這樣可以避免葉片在極端風(fēng)載荷作用下與塔架碰撞。普通玻璃纖維的性能已趨于極限，不能滿足大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片性能要求。因此，目前比較可行的方案是使用強(qiáng)度和模量更高的玻璃纖維。其中，關(guān)鍵問題是雙頭螺紋桿和葉根聯(lián)接區(qū)域的受力性能。

用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雙頭螺紋桿和葉根的螺栓連接分析研究目前還比較少。一般情況下，螺紋桿的強(qiáng)度主要包括了靜力強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。為了保證螺紋桿連接既不會在最大載荷下發(fā)生靜力強(qiáng)度破壞，也不會在循環(huán)載荷下發(fā)生疲勞斷裂，就必須對螺紋桿連接進(jìn)行靜力強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度校核。螺紋桿連接中，如何提高疲勞強(qiáng)度是關(guān)鍵問題[ 4 ]。

大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片都是采用蒙皮與主梁結(jié)合的構(gòu)造形式。目前對葉片的有限元計算中，主要根據(jù)葉片的結(jié)構(gòu)實體，選用復(fù)合材料殼單元來建立主梁和氣動外殼模型，無法充分考慮根部復(fù)雜的連接結(jié)構(gòu)對局部受力性能的影響。

多數(shù)學(xué)者對葉片根部進(jìn)行分析研究時，一般采用ANSYS中的SOLID186六面體層合實體單元，根據(jù)鋪層工藝設(shè)定有關(guān)參數(shù)進(jìn)行根部的三維有限元建模，參數(shù)主要有各單層的材料特性、各單層的鋪設(shè)角度和厚度等，ANSYS根據(jù)輸入的參數(shù)計算葉片結(jié)構(gòu)在整體坐標(biāo)系下的單層剛度矩陣，利用葉片結(jié)構(gòu)邊界條件計算應(yīng)變和應(yīng)力。有學(xué)者研究表明在有限元中葉片結(jié)構(gòu)按等效同向材料計算得到的位移準(zhǔn)確度較高，但是等效的均質(zhì)材料模型不能直接得到單層應(yīng)力、應(yīng)變。只能對感興趣的子層按層合結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步分析以得到單層應(yīng)力 [ 5 ]。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蓋曉玲，田德，王海寬.風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片技術(shù)的發(fā)展概況與趨勢[J].農(nóng)村牧區(qū)機(jī)械化，2006（4）：53-56.

[2] 李彥蓉.風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)有限元分析[D].北京：華北電力大學(xué)，2011.

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[5] 潘燕環(huán)，徐加初，王蟠.風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片根部的有限元建模研究[J].中北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，31（4）：429-431.

作者簡介：

周新坪（1990-），男，漢族，四川閬中人，工學(xué)碩士在讀，研究方向：結(jié)構(gòu)工程和橋梁檢測。