風電葉片根部螺栓預埋安裝技術

王 慧

（中材科技（錫林郭勒）風電葉片有限公司，內蒙古錫林郭勒 026000）

0 引言

風電機組在實際運行中，螺柱受到軸向拉伸作用，容易出現松動的情況，過小的葉片預緊力會增大螺栓的交變應力，降低螺栓的運行壽命與可靠性[1]。風電葉片的形態以薄殼狀為主，由纖維復合材料制成，葉片的硬度性能較好。風電葉片根部螺栓預埋安裝的連接方式，與發電機的輪轂和螺栓套有關，在設計中應當綜合考慮預埋螺栓套的性能，根據預埋安裝要求，將經過特殊加工的螺栓，按照一定的預埋方式旋入，并在兩側填充角條[2]。本文提出了風電葉片根部螺栓預埋安裝技術的研究。

1 風電葉片根部螺栓預埋安裝技術

1.1 構建預埋安裝有限元模型

風電葉片根部的各個連接部件通常選用對稱結構，螺栓預埋的葉片連接結構，主要包括輪轂、軸承、連接螺栓、螺母等，與葉片根部的玻璃纖維共同灌注。本文構建的預埋安裝有限元模型中的葉片根部連接結構參數設置，如表1 所示。

表1 葉片根部連接結構參數設置

模型采用葉根的半對稱結構，整個結構的組成材料以合金鋼和玻璃鋼為主，通過玻纖布灌注成形，有限元模型構建的材料參數設置，如表2 所示。

表2 有限元模型材料參數

輪轂底部采用全約束的方式，使對稱平面的自由度受到一定的約束。保持各個相鄰連接部件之間的穩定性，調整法蘭、軸承內圈深度等接觸系數，控制風電葉片的摩擦因數為0.35，設置輪轂一側的葉片根部斷面中心點為模型的參考點。螺栓的初始預緊力為265 kN。根據螺栓連接受到的應力與軸向載荷，計算螺栓拉力的變化范圍：

其中，P0表示風電葉片螺栓承受的拉力大小，P1表示螺栓受到的總體預緊力，P 表示風電葉片螺栓的工作載荷，Kc表示載荷的相對剛度。

其中，C1表示風電葉片的螺栓最大剛度，C2表示螺栓的連接受力剛度。

通過上述計算，能夠獲得螺栓的剛度、拉力的最優化范圍與疲勞最大程度時的工作載荷。改變螺栓的連接長度，保持應力參數不變，改變風電葉片的法蘭厚度等參數，通過計算獲得螺栓的損傷因子，如表3 所示。

表3 不同連接參數的螺栓損傷因子結果

在不同的螺栓連接參數下，損傷因子的計算結果存在一定的差異。增加風電葉片軸承的高度與螺紋深度，降低螺栓的損傷因子，增強葉片根部螺栓的應力載荷與變化范圍。改變風電葉片螺栓套的內外徑、光桿直徑等參數，計算螺栓的損傷因子，如表4 所示。

表4 改變螺栓部分參數的損傷因子結果

改變螺栓因子的內外徑參數后，為了滿足風電葉片極限強度的需求，應當適當調整螺栓的預緊力，控制損傷因子的變化范圍，提高螺栓法蘭厚度的應用效果與經濟性，增加葉片根部的可靠性。

1.2 風電葉片根部螺栓預埋連接方式設計

基于上述的預埋安裝有限元模型構建完畢后，根據葉片根部的幾何尺寸和屬性，設計螺栓預埋的連接方式。對螺栓的輪轂結構采用約束控制，增加復合材料之間的接觸面積，緊固連接螺栓與鋼套筒。向模型中施加載荷作用，調整葉片的擺動角度與拉力，施加最大軸向拉力650 kN。保持螺栓的最大應力范圍在495～560 MPa，了解輪轂的兩個端點，約束螺栓的應力集中點，通過螺栓桿的端點進行圓角處理。

在風電葉片根部螺栓的預埋連接方式設計中，不需要對復合材料進行打孔操作，安裝一定數量的螺栓，調整各個螺栓之間的距離，最終達到減少應力的目的。將鋼套筒的最大應力設置為206 MPa，均勻分布在鋼套筒端口處，應力作用分布的連接方式呈現T 形，提高螺栓安裝的穩定性。當螺栓受到偏心力的作用時，葉片根部的彎矩增大，根部彎矩與螺栓受到的彎曲應力作用呈現非線性變化關系[3]。風電葉片根部連接結構的接觸設置要求較高，在兩端螺栓部件接觸區域與葉片殼體之間建立摩擦接觸，設置摩擦因數為0.25，將預埋螺栓套埋入殼體中，連接葉片殼體相鄰單元的點。

調節螺栓法蘭與軸承之間的載荷壓力，減少由于載荷壓力產生的剪切力，保證螺栓在預埋安裝時的穩定，減少材料由于屈服彎曲產生的靜力破壞。

1.3 優化螺栓預埋安裝應力傳遞模式

根據風電葉片根部的尺寸與截面面積，施加彎矩受力，對根部螺栓的加載方式進行調整，劃分有限元模型。針對風電葉片的靜力分析，根部螺栓的軸向力具有單一性，通過縮小模型的參數，將螺栓與螺母之間進行連接，基于螺紋的傳遞載荷作用，采用摩擦接觸的方式簡化模型[4]。

由于傳遞模式進行了調整，風電葉片載荷的傳遞與受力狀況也發生了改變，通過綁定的連接方式，將螺栓與螺栓套進行連接，調整載荷的軸向傳遞方向。設置傳力構件填充纖維布，受力構件為葉片蒙皮，通過風電葉片與根部螺栓的接觸面，將載荷按照剪力的傳遞形式進行傳遞。運用網格劃分工具，將有限元模型劃分為958 742 個六面體網格，保證網格中含有254 163 個網格節點。

結合液壓拉伸器的作用，加大螺栓的裝配預緊力，控制預緊力的離散范圍。螺栓預埋安裝的受力形式包括很多種，其中，通過慣性載荷進行傳遞更有安全性，增加螺栓的軸向拉力，當載荷作用力較大時，降低施加在螺栓上的預緊力，避免螺栓上的部件出現滑移的現象。當載荷壓力與外載壓力呈現非線性變化時，調節螺栓的拉力方向，減少由于外載壓力產生的壓縮作用，穩定螺栓的載荷系數變化[5]。

當螺栓的應力傳遞模式符合預埋安裝標準時，擴大連接部件的接觸面積，增大載荷系數，保證應力作用與外載壓力的變化在標準范圍內。假設螺栓的連接體系能夠承載較大的載荷壓力，控制夾件的剛度結構，調節風電葉片根部的接觸面積和中心參考點，根據螺栓的彎矩范圍和載荷的分布情況，完成螺栓的預埋安裝應力傳遞模式優化。

2 試驗分析

2.1 試驗準備

為了驗證本文提出的風電葉片根部螺栓預埋安裝技術的有效性，進行了如下試驗測試。設置本次試驗的目標預緊力小于螺栓的屈服強度，選取2 臺2.5 MW 的風電機組輪轂和配套的軸承，以及300 顆同批次號生產的螺栓。將螺栓平均分成6 組，保證每組具有50 顆螺栓，將所有的分組進行標號處理，把所有的分組按照1、2、3、4、5、6 排序，采用測試儀分別測量每組螺栓的法蘭厚度與長度，在風電葉片根部螺栓螺紋面進行預緊力調節，控制螺栓的伸長量。設置螺栓的預緊力均勻分布，保持正態分布，通過軸向拉伸葉片根部螺栓，獲取到螺栓部件的極限承載力與應力作用范圍。為了方便獲取螺栓預埋安裝的預緊力效果，將葉片簡化為直平面，在葉片根部進行打孔操作，保持橫向間距保持在35～75 mm。查看提取應力的結果值，調節變截面區域的應力大小，確定葉片根部螺栓界面中心與法蘭厚度。

2.2 結果分析

設置本文提出的風電葉片根部螺栓預埋安裝技術為試驗組，傳統的預埋安裝技術為對照組，對比兩種技術方法的螺栓安裝預緊力偏差，如表5 所示。根據表中的各項偏差的結果可知，本文提出的預埋安裝技術整體的偏差值較小，與預期安裝效果更接近，根部螺栓的預緊效果更有優勢。

表5 螺栓預埋安裝預緊力偏差對比 %

3 結束語

本文提出的風電葉片根部螺栓預埋安裝技術，通過調節螺栓連接的應力作用值，提升風電機組運行的可靠性與穩定性。通過建立預埋安裝有限元模型，計算出螺栓部件的損傷因子，獲取螺栓的預緊力和相應的載荷強度，設計風電葉片根部螺栓預埋的連接方式，增加復合材料之間的約束控制。試驗證明，本文提出的預埋安裝技術的預緊力偏差較小，整體的安裝效果更接近預期效果，能夠提高風電機組運行的穩定性，適用于風電葉片的根部螺栓安裝。