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风机叶片根端 连接的有限元分析

李东海
(上海玻璃钢研 究院有限公司,上海 201404 )

摘  要

本文基于ANSYS软件建立风机 叶片根端连接部分的有限元模型,并对叶根玻璃 钢部分及T型连接螺栓进 行应力分析和强度校核,为叶片根端连 接的设计、优化及材料的 选用提供可靠的依据和指导。

关键词:风机叶片  玻璃钢  叶根连接  有限元法

1  引 言

随着世界能源 危机的日益严重,以及公众对于 改善生态环境要求的呼声不断高涨,风能作为一种 清洁的可再生能源越来越受到各国政府的重视。目前,全世界约有50多个国家颁布 了支持可再生能源发展的相关法律法规,对风电发展起 到了至关重要的作用,风力发电产业 正逐步发展成为初具规模的新兴产业[ 1 , 2 ]。当前,各国正加快对 风力发电机组的研究步伐,不断推出新的 技术装备。

风力发电机叶片(简称风机叶片)是风力发电机 组中的关键部件之一,叶片的翼型设计、结构形式,直接影响风力 发电装置的性能和功率[ 3 , 4]。其中根端连接 是叶片设计中最关键的地方,因为将叶片根 端固定到轮毂上,钢轮毂和制造 叶片的材料一般为玻璃纤维增强塑料(GFRP),它们之间的相 关刚度差有数量级的差别,妨碍载荷的平滑传递。通常采用螺栓 进行连接,螺栓可以沿轴 向嵌入叶片的材料中或沿半径方向穿过叶片壳体,但这两种情况 中叶片根端应力集中都是不可避免的[5]。同时叶片在载 荷工况作用下,叶根连接螺栓 的强度分析也十分重要。

本文采用ANSYS有限元软件对 叶片根端连接部分建立有限元分析模型,并对叶根玻璃 钢部分及T型连接螺栓进 行应力分析和强度校核,从而指导叶片 根端连接的设计、优化及材料的选用。

2  叶片根端连接模型

2.1  叶片结构外形 及材料属性

目前风电场中 采用较多的1.5MW级变速变桨风 力机复合材料叶片,其叶片根端连接如图1(a) 所示。叶片根端横截 面为圆环形,其外圆直径为1890mm,内圆直径为1710mm,中心圆直径为1800mm,根端长度取800mm。从根端沿着中 心圆周线均匀打孔并安装54根T型螺栓接头连接轴承。T型螺栓接头,如图1(b) 所示,由插到叶片壳 体纵向孔内的钢螺柱,与保持在横向 孔内的柱状螺母进行连接。叶片壳体纵向 孔直径为32mm,长度为200mm,叶片壳体横向 孔直径为65mm,横向孔轴线距根端为190mm。钢螺柱中间圆 杆直径为23.1mm,长度为260mm,两端螺纹直径为30mm,长度为80mm。柱状螺母直径为65mm,长度为110mm。

根端玻璃钢的 主要成分是三轴布,T型螺栓接头采用42 CrMo钢, 其材料参数如表1所示。

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图1(a)  叶片根端连接图            图1(b)  T型螺栓接头

表1  玻璃钢及42 CrMo钢的材料参数


参数

玻璃钢

42 CrMo钢

密度[kg/m3]

1890

7850

轴向弹性模量EX[GPa]

27

210

径向弹性模量EY[GPa]

5.5

环向弹性模量EY[GPa]

11

剪切模量GXY[GPa]

1.3

剪切模量GYZ[GPa]

7

剪切模量GXZ[GPa]

1.3

泊松比NUXY [-]

0.3

0.3

泊松比NUYZ [-]

0.4

泊松比NUXZ [-]

0.3

许用拉伸强度[MPa]

308

900

许用压缩强度[MPa]

-247

-850

2.2  载荷及边界条件

在变浆风力机组中,轴承插在每个 叶片和轮毂之间,使叶片可以绕 轴旋转或调节桨距。其中轴承的内 环螺圈与叶片根端的T型螺栓接头连接,而外环螺圈固 定到轮毂上[5]。同时为了使叶 根的疲劳荷载影响减至最小,标准操作是给T型螺栓加上预紧力,对于1.5MW级变速变桨风力机,对其叶根的每个T型螺栓施加预紧力300 kN。

叶片在正常工 作状态和故障情况下,会受到各种不 同的风况影响。根据《风力发电机组 第一部分 安全要求》(IEC61400-1)规范[6],通过气动载荷计算等,到叶片根端处 的极限叶根弯矩5360 kNm及轴向力250kN。

3  有限元分析

ANSYS软件是融结构、流体、电磁、声热以及耦合 场分析于一体的大型通用有限元分析软件,随着计算机技 术的发展而被广泛应用于机械、土木、水利、航空、电子、生物等众多领域,是这些领域进 行国际国内分析设计技术交流的主要分析平台[7]。

3.1  有限元模型

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图2  叶片根端连接 有限元模型

由于叶片根端 连接模型、载荷及边界条 件的对称性,这里我们取半 个根端连接结构作为研究对象建立有限元模型如图2所示。叶片根端通过T型螺栓与轴承 内环螺圈连接,轴承的外环螺 圈施加固定约束。对每个T型螺栓施加300kN的预紧力,叶片上施加极 限叶根弯矩2680 kNm及轴向力125kN。同时在叶片剖 面上施加对称边界条件,在叶片根端、T型螺栓、轴承以及轴承 内滚珠相互之间的接触面采用接触单元,选择合适的网 格密度划分模型,设置时间步长 控制计算的收敛性,进行非线性结构分析。

3.2  玻璃钢强度分析

由于对称性取 半个叶片根端结构作为模型,沿着叶片中心 圆周线方向,通过壳体内横 向孔与孔内柱状螺母的挤压接触,再由钢螺柱与 轴承的连接,将叶片上的荷载通过T型螺栓传递给轴承。因此叶片根端 横向孔间的玻璃钢,横向孔与孔内 柱状螺母的挤压接触面是发生应力集中的重要部位,是叶片根端强 度校核的关键区域。根据建立的半 个叶片根端连接结构有限元模型,施加荷载并进 行非线性结构分析,求解得到叶片 根端玻璃钢的应力分布结果。图3所示为叶片根 端玻璃钢应力云图,可以看出在远 离孔边的叶根玻璃钢应力比较小,数值一般为30MPa左右。但是靠近孔边 的玻璃钢应力较大,产生了应力集中现象,最大应力为163.7MPa,最小应力为-140.6MPa。现沿着叶片圆 周线将半个叶片从0到180度划分,并依次对横向 孔间叶片及横向孔与柱状螺母接触面正应力求解。如图4所示,沿着圆周线方 向横向孔间叶片正应力基本成线性变化,从拉应力变为压应力,最大拉压力为150MPa,最小压应力为-50MPa。而横向孔与柱 状螺母接触面正应力为压应力,沿圆周线方向 基本保持不变,约为-100MPa左右。由此可见,叶片在风载荷作用下,最大拉压力发 生在叶片根端横向孔间的玻璃钢上,最大压应力发 生在叶根横向孔与柱状螺母接触面处,并且强度满足 玻璃钢材料许用应力要求。

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图3  叶片根端玻璃 钢应力云图 图4  横向孔间叶片 及横向孔与柱状
螺母接触面正 应力曲线图

3.3  T型螺栓强度分析

对于T型螺栓连接结构,叶根失效多发 生于螺栓而非玻璃钢部分,因此叶根连接螺栓 的强度分析也十分重要[5,8]。半叶片根端结构含有27个螺栓,其应力结果如图5所示,钢螺柱的应力 为拉应力,数值范围为658—809MPa,满足T型螺栓材料42CrMo钢的许用应力要求。图6为对应的钢螺 柱轴力图,其轴力数值从345kN减小到255kN,基本成线性变化。

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图5  T型螺栓应力云图 图6  钢螺柱轴力图

4  结  论

本文采用ANSYS软件对叶片根 端连接部分进行有限元分析,确定了叶根玻 璃钢部分发生应力集中现象的区域并进行了强度分析,满足玻璃钢材 料的许用应力要求。同时对T型连接螺栓进 行强度分析,确定了螺栓应 力的变化范围,满足螺栓材料42 CrMo钢的许用应力要求,为叶片根端连 接的设计、优化及选材提 供有效的依据及指导。

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