MW級風力發電機葉片鎖定裝置強度分析及改進

董姝言，何海建，孟令銳，楊 揚，晁貫良

(許昌許繼風電科技有限公司，河南 許昌 461000)

風能是一種清潔可再生能源，風力發電就是將風能轉化為電能的過程。風力發電機是集機械、電氣及空氣動力學等學科為一體的綜合設備，其大多安裝在環境惡劣、氣候復雜的地區，在運行過程中存在許多隱患，需要定期進行維護或檢修，以及時發現故障及隱患，保證風機的效率[1]。

葉片鎖定裝置是一個單獨的鋼制結構，當工作人員需要在葉片上進行安裝、維護或檢修時，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，以確保工作人員安全。分析葉片鎖定裝置的強度非常重要[2-3]，它應能抵抗安裝或維護期間的陣風(工況DLC8.1)和年陣風(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級風機的葉片鎖定裝置進行計算，建立部件間的接觸關系，研究在極限工況下葉片鎖定裝置及連接螺栓的靜強度，校核其使用安全性，并對葉片鎖定裝置的結構進行了改進。

1 葉片鎖定裝置有限元分析

1.1 前處理

為了準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、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]，同時考慮到輪轂結構的對稱性，為減少計算規模，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。變槳電機采用實體單元模擬，變槳齒輪采用beam單元模擬，變槳齒輪和變槳軸承內環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，摩擦系數為0.2，其余部件間的接觸關系設置為綁定。

1.2 材料

模型中，葉片為各向同性復合材料，輪轂和變槳電機為鑄鐵，葉片鎖定裝置、變槳軸承和螺栓材料為結構鋼，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

在輪轂下風向端面施加固定約束，輪轂兩側切割面約束法向位移。在葉根中心建立節點，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。

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

表2 螺栓參數

葉片鎖定裝置強度計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緊力，第二步按照葉根坐標系在葉根中心施加極限變槳載荷，計算葉片鎖定裝置和螺栓在極限載荷下的靜強度。在計算中，分別施加最大和最小兩種螺栓預緊力，載荷也分別考慮最大和最小兩種極限載荷，即共對4種工況進行強度評估，工況設置見表3。

表3 強度計算工況

2 極限強度計算

2.1 螺栓極限強度

從有限元計算結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，并由此計算螺栓所受的軸向應力σax和彎曲應力分量σbend,x，σbend,y，從而得到螺栓總應力σtot的計算公式：

(1)

計算后螺栓總應力見表4。

表4 螺栓總應力 MPa

螺栓極限應力安全系數可由式(2)計算得到：

(2)

式中：SRFext1為螺栓的極限應力安全系數；RP,0.2為螺栓的屈服強度，其值為940 MPa；γtot為安全系數，依據GL規范，此處γtot=1.1[2]。

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

因此，有效控制施工質量必須充分認識項目劃分的重要性，確保項目劃分的合理性，熟悉和堅持規程、規范和標準，最后管理、評定出質量合格的工程。

表5 極限強度結果

2.2 葉片鎖定裝置極限強度

葉片鎖定裝置極限強度安全系數SREext2采用式(3)計算：

(3)

式中：Re為結構鋼屈服強度，其值為345 MPa[8]；σeqv為葉片鎖定裝置最大等效應力。

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

圖3 葉片鎖定裝置應力云圖

2.3 變槳軸承和葉片螺栓滑移強度

評估變槳軸承和葉片連接螺栓滑移強度采用第3種工況即最小螺栓預緊力和最大葉根載荷工況下的結果，因為在這種加載條件下最有可能發生滑移。

許用剪切力Fshear,allowable計算公式為：

Fshear,allowable=(Fpretension·nbolts)μ

(4)

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

(5)

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

滑移強度SRFslip為：

(6)

SRF值小于1，因此當施加最小預緊力時，變槳軸承內環和葉片螺栓間會發生滑移。

3 結構改進

現有葉片鎖定裝置有3個U形口可以卡住3根螺栓，在安裝時需協調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，實際上僅有1根螺栓承受載荷。同時由于不同機型的風力發電機，變槳軸承和葉片連接螺栓的數量和分布往往也不同，因此現有的葉片鎖定裝置通用性不強。基于上述原因，本文對葉片鎖定裝置結構進行改進，改進前后結構的對比如圖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。鎖定座與改進前的結構相似，但只有1個U形口。鋼帽內部是六邊形結構，與葉片螺栓頭的尺寸相符合。安裝時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個風機可使用2套葉片鎖定裝置同時固定2根葉片螺栓。

圖4 葉片鎖定裝置改進前后對比

對改進后的葉片鎖定裝置進行分析，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置為摩擦接觸，其余設置與前述相同。計算結果如圖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力為300 MPa，其極限安全系數為1.045；因有2根螺栓同時承受載荷，葉片螺栓滑移強度為原來的2倍，即1.72 ，可見改進后的葉片鎖定裝置滿足使用需求。

圖5 改進后葉片鎖定裝置及連接螺栓

圖6 改進后葉片鎖定裝置應力云圖

4 結束語

本文基于有限元軟件ANSYS對某MW級風機的葉片鎖定裝置進行了極限強度計算，并進行了結構改進。改進后的結果表明，葉片鎖定裝置強度滿足設計要求，改善了應力集中現象，較好地解決了滑移問題，為葉片鎖定裝置的結構設計提供了參考。