風力發電機組塔筒螺栓斷裂對結構的影響分析

歐陽儒賢，胡良明，向凱，黃昊

（1.鄭州大學，河南鄭州 450000；2.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，河南鄭州 450046；3.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

0 引言

近年來，我國風力發電行業發展迅速，總裝機容量多年來位居世界第一。隨著對風機單機功率需求的增大，風機的規模也越來越大，因此對風機安全運行的要求也越來越高。目前，MW級的風機塔架高度已經超過100 m，塔架一般由多段塔筒通過法蘭-螺栓相連，并施加一定的螺栓預緊力，以維持其剛度和整體性。在長期的風荷載交變作用下，螺栓會產生松動并損失預緊力，預緊力的降低又會加劇疲勞損傷導致螺栓斷裂，引起倒塔事故[1]。目前，檢測螺栓的方法大多是通過人工定期檢查，但螺栓數量眾多且不易檢測，因此，需要一種方便觀測且有效的指標來判斷螺栓工作情況。已有不少學者研究了螺栓損傷對結構的影響。瞿偉廉[2]基于共軛梯度法，將桿截面剛度折減等效為螺栓損傷，建立了等效模型，證明了螺栓松動會引起剛度折減。殷越[3]研究了機匣結構的螺栓聯接部分的拉伸剛度與預緊力、內壓載荷之間的關系，并通過固有頻率來間接表示。邵俊[4]以剛性機匣為模型，研究不同預緊力作用下頻率的變化，結果表明預緊力會使模型固有頻率增大，且對各階頻率影響程度不同。陳凱[5]經過簡化建立了風機彈簧-梁模型，并對其進行了動力分析，發現只有在螺栓大面積松動或斷裂時，才會導致塔筒頻率明顯降低。

以上研究均為簡化或局部模型，雖然提高了模型的計算速度，但未對塔筒關鍵部位法蘭等位置的受力情況進行深入探究。為此本文基于ABAQUS有限元軟件，采用C3D8R實體單元建立風力機塔筒精細化計算模型，對其進行靜力及模態分析，研究螺栓斷裂對塔架結構影響的規律，為今后在實際工程中判斷螺栓的工作性態提供了參考。

1 計算模型

1.1 幾何參數及材料參數

風力機塔筒結構如圖1所示。

圖1 風力機塔筒組結構圖Fig.1 Wind turbine structure

塔架形式為錐形塔筒結構，材料為Q345E鋼材，總高度為81.86 m，塔筒自重為156.8 t，機艙、輪轂及葉片總重為127 t。塔底直徑為4.2 m，塔頂直徑為3 m，最大壁厚為34 mm，最小壁厚為20 mm，分為4段，由上至下分別定義為A，B，C和D段。

每段塔筒之間由法蘭-螺栓相連，并給螺栓施加一定預緊力，法蘭由下至上分別定義為FL1，FL2和FL3，每層法蘭分布的螺栓分別為98，96根和102根，螺栓規格為10.9級，材料為42CrMo。各材料參數見表1。

表1 材料參數Table 1 Material parameters

1.2 有限元建模

基于ABAQUS有限元軟件建立風力機塔筒計算模型，模型整體采用C3D8R實體單元。借鑒文獻[6]～[8]的建模及接觸設置方法，對模型做出一定簡化，具體操作為省略內部附屬設備和門洞結構。將機艙與葉片以質量點RP-1代替，設置在塔頂中心位置，并與塔筒頂部耦合接觸。建立簡化混凝土基礎模型，并與塔筒綁定接觸，基礎底部視為完全固結。將螺栓和螺母分開建模，忽略其螺紋結構，把六邊形螺母、螺帽簡化為圓形，螺母與螺栓之間施加綁定約束tie，各段塔筒法蘭-法蘭以及法蘭-螺栓之間均設為摩擦接觸，并設置為小滑移。整體模型劃分為六面體網格，塔筒整體模型及模型局部細節如圖2所示。

圖2 塔筒整體模型及模型局部細節Fig.2 Overall model and local details of tower drum

1.3 荷載施加

風力發電機組主要受3種外力，分別為葉片和塔身所受的風荷載、螺栓預緊力和自身重力荷載。本次模擬塔筒在暴風風速為40 m/s時的停機狀態，模型荷載施加情況如圖3所示。

圖3 塔筒施加荷載示意圖Fig.3 Diagram of tower loads

根據《結構風壓和風振計算》[9]計算風荷載，將塔頂氣動力Fxy以集中力的形式施加于塔頂質量點上，塔身風荷載ωk以面壓力的形式施加于塔筒的迎風側。

式中：Ab為風機槳葉的投影面積；CT為推力系數，通常取1.6；n為風機葉片的數目，該風機葉片數為3；ρ為空氣密度，取1.08 kg/m3；V為暴風風速。

式中：βz為z高度處的風振系數；μz為風壓高度變化系數；μs為風荷載體型系數；ω0為基本風壓，約取600 N/m2。

因螺栓數量較多，采用降溫法施加螺栓預緊力[10]，其原理為通過螺栓降溫使螺栓產生收縮變形，當收縮受到法蘭的阻礙時，就會產生內部拉力，即預緊力。螺栓所受的溫度荷載為

式中：Q0為螺栓預緊力；α為螺栓材料的線膨脹系數；E為螺栓材料的彈性模量；A為螺栓的截面面積。

1.4 計算工況

為研究螺栓斷裂對風機的影響，探究了多種工況下的塔筒應力、位移及頻率。

①螺栓斷裂只出現在FL1主風向一側，且斷裂比例分別為5%，10%，15%和20%。

②螺栓斷裂只出現在FL2主風向一側，且斷裂比例分別為5%，10%，15%和20%。

同時對比分析了在螺栓未受損傷情況下的風機靜動態響應。共擬定9種工況，各工況以代號表示，如表2所示。

表2 模擬方案Table 2 Simulation scheme

2 計算結果分析

2.1 塔架應力與位移分析

由ABAQUS有限元軟件計算得到塔筒應力云圖和位移云圖（圖4，5）。

圖4 塔筒應力云圖Fig.4 Nephogram of tower stress

由圖4可知，在D0工況時，塔筒迎風側應力水平略大于背風側，且隨高度的增加而減小。在塔筒連接處，法蘭部分應力水平會明顯大于周圍塔壁應力，塔筒最大等效應力值（222.6 MPa）出現在塔筒根部位置。塔筒材料Q345E鋼材屈服強度為345 MPa，考慮材料安全系數，許用應力[σ]=230 MPa，塔筒最大等效應力小于塔筒許用應力，因此塔筒是安全的。由圖5可知，塔筒位移隨著高度的增加而增加，最大值為73.66 cm。根據《高聳結構設計規范》[11]中的規定，結構最大位移限值為塔架高度的1/75，因此塔架滿足設計要求。

圖5 塔筒位移云圖Fig.5 Nephogram of tower displacement

各工況下法蘭盤局部應力云圖如圖6，7所示。

圖6 各工況下FL1局部應力云圖Fig.6 Nephogram of FL1 local stress under various working conditions

由圖6和圖7可知：當FL1和FL2處螺栓斷裂時，斷裂螺栓處的法蘭均出現應力集中現象，應力值遠超過塔筒材料允許應力值，這是由于螺栓斷裂導致法蘭處發生不協調變形，法蘭位置會比塔筒壁先進入屈服狀態；當螺栓斷裂比例相同，FL1處螺栓斷裂時，法蘭及筒壁的應力水平明顯大于FL2處；當FL2處螺栓斷裂比例達到15%時，法蘭處最大應力值才會超過其材料允許應力值；FL1處螺栓斷裂比例為10%時，法蘭最大應力值就達到了材料的屈服強度345 MPa。因此，在螺栓發生斷裂后應及時維護，避免損傷進一步擴大。

圖7 各工況下FL2局部應力云圖Fig.7 Nephogram of FL2 local stress under various working conditions

塔頂變化率ai為

式中：U0為D0工況下塔頂位移；Ui，j為塔筒頂部位移，i為螺栓斷裂位置，i=1，2，j為螺栓斷裂比例，j=0，5%，10%，15%，20%。

各工況下塔筒的最大位移均出現在塔筒頂部，各工況下塔頂位移值及變化率a如表3所示。由表3可知：隨著螺栓斷裂比例增加，塔頂位移也在增加，并且FL1處螺栓斷裂比FL2處螺栓斷裂對塔筒位移影響大；工況D1-15的塔筒位移增量為7.2%，工況D1-20的塔筒位移增量更是達到了18.5%，隨著斷裂比例增加，位移增量也逐漸增大。可見螺栓斷裂對塔頂位移有顯著影響，因此可作為觀測指標來判定螺栓的斷裂情況。

表3 塔頂位移值Table 3 Tower top displacement value

2.2 模態分析

由于塔筒受低階頻率的影響較大，因此本次取前三階頻率進行分析，由ABAQUS有限元軟件計算得到的風機各階頻率如表4所示。

表4 各工況塔筒頻率Table 4 Tower frequency under various working conditionsHz

由表4可知：風機的各階頻率均隨著螺栓斷裂比例增大而減小，且在螺栓斷裂比例相同情況下，FL1處螺栓斷裂造成頻率下降的幅值更大；在工況D1-20，風機的一階頻率為0.298 07 Hz，處于風輪旋轉頻率f的±10%內，有引起風電塔共振的危險。因此，螺栓斷裂比例增大前應及時修理，以避免造成更大的危害。

當風機未受損傷時，一階頻率f1，0為0.308 21 Hz，根據文獻[12]中經驗公式計算得到該風機的一階頻率為0.319 Hz，誤差僅為3%，模擬結果與計算結果相近，說明該模型具有較高的準確性。該風機工作額定轉速為16.5 r/min，則風輪旋轉頻率fa為0.275 Hz，葉片通過頻率fb為0.825 Hz，塔架的固有頻率要求在±10%內避開這兩個值。風機的一階頻率正好避開fa與fb的±10%，因此結構是安全的。

令βi=fi，0/fi，j-1，fi，j為固有頻率，i為風機固有頻率的階數（i=1，2，3），j表示螺栓斷裂比例（j=0，5%，10%，15%，20%）。變化率β與FL1，FL2處螺栓斷裂比例的關系如圖8所示。由圖可知：螺栓斷裂比例對風機一階頻率的影響較大，對二、三階頻率的影響不大，二、三階頻率的變化率一直保持在1%以內；FL1位置處的螺栓斷裂對頻率的影響更大，當螺栓斷裂比例為20%時，一階頻率相比正常狀態下降低了0.01 Hz。因此，可以通過塔筒的一階固有頻率的變化來反映螺栓的斷裂程度。

圖8 βi與螺栓斷裂比例的關系曲線Fig.8 Relationship curve betweenβi and bolt fracture ratio

3 結論

①螺栓斷裂時法蘭盤會出現應力集中，隨著螺栓斷裂比例增加，法蘭較塔筒壁更易進入屈服狀態，因此在運行過程中應重點關注塔筒法蘭。

②塔筒頂部位移受螺栓斷裂影響顯著，當斷裂螺栓的位置越靠下、比例越大，塔頂的位移越大，可將塔頂位移作為檢測螺栓斷裂的判據。

③模態頻率受螺栓斷裂影響明顯，當斷裂螺栓的位置越靠下、比例越高，風電塔的固有頻率越低，以一階頻率最為敏感，可將塔筒一階頻率變化率作為檢測螺栓斷裂的判據。