大型風(fēng)力發(fā)電機組塔頂法蘭連接螺栓強度分析

崔戈

一、引言

塔筒作為風(fēng)力發(fā)電機組的重要組成之一，起著連接和承載的重要作用。隨著風(fēng)電機組向兆瓦級、大機組發(fā)展，塔筒的結(jié)構(gòu)尺寸越來越大，塔簡法蘭的直徑和厚度也越來越大，所要滿足的承載要求也越來越高。塔頂是塔筒結(jié)構(gòu)的薄弱位置，塔頂法蘭是連接塔簡與主機架的重要連接件。在風(fēng)力發(fā)電機組運行時，作用于風(fēng)輪和機艙的載荷會通過主機架傳遞到偏航軸承上，再傳遞到塔頂法蘭和塔筒上。由于風(fēng)作用力的不穩(wěn)定性，塔頂法蘭承受動態(tài)載荷，長期作用下，塔頂法蘭極易遭到破壞，為了提高風(fēng)力發(fā)電機組的可靠性，必須對塔頂法蘭進(jìn)行強度分析。

本文以3MW風(fēng)力發(fā)電機組為例，將塔頂法蘭的連接螺栓作為分析對象，綜合運用有限元分析理論及計算方法，對塔頂法蘭和偏航軸承之間的連接螺栓組的受力進(jìn)行了分析研究，并對塔頂法蘭連接螺栓進(jìn)行安全校核。

二、結(jié)構(gòu)概述

大型風(fēng)電機組的偏航軸承多選取回轉(zhuǎn)支承，塔簡與主機架之間連接軸承采用四點接觸軸承，并通過雙列螺栓連接。塔頂法蘭與偏航軸承外圈通過螺栓連接，偏航軸承內(nèi)圈又與主機架通過螺栓連接，偏航軸承內(nèi)外圈的傳力是通過滾子實現(xiàn)的，偏航軸承傳遞到法蘭的力是通過接觸面實現(xiàn)的，這些都屬于非線性接觸。

針對塔頂法蘭連接螺栓的分析基于塔筒坐標(biāo)系，z軸方向為塔筒軸線向上。

三、有限元分析

（一）模型及載荷數(shù)據(jù)

以某3MW風(fēng)力發(fā)電機組為例，機組塔簡與主機架之間通過偏航軸承和螺栓連接安裝，塔頂法蘭外徑3040mm，內(nèi)徑2700mm，偏航軸承外徑3040mm、內(nèi)徑2570mm，內(nèi)外圈螺栓各96個。

載荷以客戶提供的載荷數(shù)據(jù)作為依據(jù)，載荷數(shù)值見表1。

（二）材料性能

本次分析是基于線彈性材料范疇，接觸邊界非線性的假設(shè)條件。模型涉及的材料屬性如表2：

（三）分析模型及其約束

塔簡頂部法蘭，偏航軸承內(nèi)外圈及主機架假體全部采用以八節(jié)點六面體單元為主的分網(wǎng)模式，螺栓采用三維粱單元建立，粱單元截面形狀與螺栓應(yīng)力面積一致，滾珠以拉壓雙線性桿單元（Linkl0）建立模擬受力。在法蘭連接面中心建立節(jié)點并施加法蘭中心集中載荷，該節(jié)點與主機架假體截面處節(jié)點通過多點約束連接，法蘭與軸承、軸承與主機架假體及墊片與軸承，墊片與塔架接觸面全部采用“Touch”方法模擬。塔簡底端截面施加全位移約束。

（四）計算結(jié)果

本次分析以完全Newton-Raphson迭代法，自調(diào)節(jié)增量法提交于ANSYS完成計算。螺栓最大等效應(yīng)力分析結(jié)果見圖1。

由ANSYS軟件的計算結(jié)果顯示，螺栓最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)圈螺栓組，值為748MPa，小于螺栓材料的屈服強度940MPa，安全系數(shù)1.15;法蘭連接區(qū)域接觸狀態(tài)良好。

綜上所述該風(fēng)力發(fā)電機組的塔頂法蘭連接螺栓強度及連接狀態(tài)均滿足規(guī)范設(shè)計要求。