MW级风力发电机叶片锁定装置强度分析及改进

时间：2024-07-28

董姝言，何海建，孟令锐，杨扬，晁贯良

(许昌许继风电科技有限公司，河南许昌 461000)

风能是一种清洁可再生能源，风力发电就是将风能转化为电能的过程。风力发电机是集机械、电气及空气动力学等学科为一体的综合设备，其大多安装在环境恶劣、气候复杂的地区，在运行过程中存在许多隐患，需要定期进行维护或检修，以及时发现故障及隐患，保证风机的效率[1]。

叶片锁定装置是一个单独的钢制结构，当工作人员需要在叶片上进行安装、维护或检修时，把叶片锁定装置用螺栓连接在轮毂上，卡住变桨轴承与叶片连接螺栓，用以固定叶片，防止其意外旋转，以确保工作人员安全。分析叶片锁定装置的强度非常重要[2-3]，它应能抵抗安装或维护期间的阵风(工况DLC8.1)和年阵风(工况DLC8.2)以保证叶片锁定的功能[4]。

本文基于有限元软件ANSYS对某MW级风机的叶片锁定装置进行计算，建立部件间的接触关系，研究在极限工况下叶片锁定装置及连接螺栓的静强度，校核其使用安全性，并对叶片锁定装置的结构进行了改进。

1 叶片锁定装置有限元分析

1.1 前处理

为了准确分析叶片锁定装置的受力情况，基于比较完整的载荷传递路径建立模型，本文建立了包括叶片、叶片锁定装置、变桨轴承、轮毂、变桨电机、叶片锁定装置与轮毂连接螺栓、变桨轴承和叶片连接螺栓等的有限元分析模型，如图1、图2所示。模型删除了倒角、螺栓孔、凸台等不影响刚度的小特征[5-6]，同时考虑到轮毂结构的对称性，为减少计算规模，其中轮毂为1/3模型。

图1 叶片锁定装置有限元剖面模型

图2 叶片锁定装置及连接螺栓

螺栓和垫片采用实体单元模拟，变桨轴承的滚子采用只受压的link单元模拟。变桨电机采用实体单元模拟，变桨齿轮采用beam单元模拟，变桨齿轮和变桨轴承内环间的齿轮啮合采用只受压的link单元模拟，以确保载荷沿一个方向传递。

叶片锁定装置与轮毂之间为摩擦接触，叶片螺栓与叶片锁定装置之间也为摩擦接触，摩擦系数为0.2，其余部件间的接触关系设置为绑定。

1.2 材料

模型中，叶片为各向同性复合材料，轮毂和变桨电机为铸铁，叶片锁定装置、变桨轴承和螺栓材料为结构钢，各部件材料属性见表1。

表1 材料属性

1.3 边界条件和载荷

在轮毂下风向端面施加固定约束，轮毂两侧切割面约束法向位移。在叶根中心建立节点，使用beam单元将叶根中心与叶片端面连接，形成载荷伞，用于载荷的施加。

叶片锁定装置的强度计算需考虑螺栓预紧力和叶根极限变桨载荷。由于螺栓预紧过程的不确定性，因此在强度评估时需考虑最大和最小两种螺栓预紧力。最大预紧力使螺栓受到的力较大，而最小预紧力使螺栓连接面发生滑移的概率较大。由VDI 2230可知，螺栓预紧力为屈服强度的70%；考虑到螺栓的紧固方法，螺栓最大和最小预紧力采用±17%的分散系数[7]。螺栓参数见表2。

表2 螺栓参数

叶片锁定装置强度计算采用两步加载求解，第一步对叶片锁定装置与轮毂连接螺栓施加螺栓预紧力，第二步按照叶根坐标系在叶根中心施加极限变桨载荷，计算叶片锁定装置和螺栓在极限载荷下的静强度。在计算中，分别施加最大和最小两种螺栓预紧力，载荷也分别考虑最大和最小两种极限载荷，即共对4种工况进行强度评估，工况设置见表3。

表3 强度计算工况

2 极限强度计算

2.1 螺栓极限强度

从有限元计算结果中提取叶片锁定装置与轮毂连接螺栓在不同截面处所受的轴向力Fz、弯矩Mx和My，并由此计算螺栓所受的轴向应力σax和弯曲应力分量σbend,x，σbend,y，从而得到螺栓总应力σtot的计算公式：

(1)

计算后螺栓总应力见表4。

表4 螺栓总应力 MPa

螺栓极限应力安全系数可由式(2)计算得到：

(2)

式中：SRFext1为螺栓的极限应力安全系数；RP,0.2为螺栓的屈服强度，其值为940 MPa；γtot为安全系数，依据GL规范，此处γtot=1.1[2]。

叶片锁定装置与轮毂连接螺栓的极限强度见表5，表中SRFext1,bolti为第i个连接螺栓的极限应力安全系数，从表中可以看出4个工况下螺栓的最小SRF值均大于1，满足极限强度要求。

因此，有效控制施工质量必须充分认识项目划分的重要性，确保项目划分的合理性，熟悉和坚持规程、规范和标准，最后管理、评定出质量合格的工程。

表5 极限强度结果

2.2 叶片锁定装置极限强度

叶片锁定装置极限强度安全系数SREext2采用式(3)计算：

(3)

式中：Re为结构钢屈服强度，其值为345 MPa[8]；σeqv为叶片锁定装置最大等效应力。

叶片锁定装置的von Mises应力云图如图3所示，叶片锁定装置最大应力出现在叶片锁定装置与叶片螺栓接触的位置，其值为247.6 MPa，小于材料屈服强度，即安全系数大于1，满足极限强度需求。

图3 叶片锁定装置应力云图

2.3 变桨轴承和叶片螺栓滑移强度

评估变桨轴承和叶片连接螺栓滑移强度采用第3种工况即最小螺栓预紧力和最大叶根载荷工况下的结果，因为在这种加载条件下最有可能发生滑移。

许用剪切力Fshear,allowable计算公式为：

Fshear,allowable=(Fpretension·nbolts)μ

(4)

式中：Fpretension为最小螺栓预紧力，其值为464.8 kN；nbolts为螺栓个数，其值为1；μ为接触面摩擦系数，其值为0.2。

(5)

式中：Mz为叶根极限弯矩，其值根据GL规范计算得到，为56 436 N·m；PCD为螺栓连接分度圆直径。

滑移强度SRFslip为：

(6)

SRF值小于1，因此当施加最小预紧力时，变桨轴承内环和叶片螺栓间会发生滑移。

3 结构改进

现有叶片锁定装置有3个U形口可以卡住3根螺栓，在安装时需协调3根螺栓的位置，装配有一定的难度。由于载荷分布是不均匀的，实际上仅有1根螺栓承受载荷。同时由于不同机型的风力发电机，变桨轴承和叶片连接螺栓的数量和分布往往也不同，因此现有的叶片锁定装置通用性不强。基于上述原因，本文对叶片锁定装置结构进行改进，改进前后结构的对比如图4所示。新的叶片锁定装置包括2个部件：锁定座和钢帽。锁定座和钢帽是分离的。锁定座与改进前的结构相似，但只有1个U形口。钢帽内部是六边形结构，与叶片螺栓头的尺寸相符合。安装时先将钢帽套在叶片螺栓上，再把锁定座的U形槽口卡住钢帽，调整位置把锁定座螺栓连接在轮毂上。1套叶片锁定装置可以卡住1根螺栓，1个风机可使用2套叶片锁定装置同时固定2根叶片螺栓。

图4 叶片锁定装置改进前后对比

对改进后的叶片锁定装置进行分析，有限元模型如图5所示。钢帽与叶片螺栓之间、钢帽与叶片锁定装置之间均设置为摩擦接触，其余设置与前述相同。计算结果如图6所示。从图中可以看出，2个叶片锁定装置受力均匀，叶片锁定装置最大应力为300 MPa，其极限安全系数为1.045；因有2根螺栓同时承受载荷，叶片螺栓滑移强度为原来的2倍，即1.72 ，可见改进后的叶片锁定装置满足使用需求。

图5 改进后叶片锁定装置及连接螺栓

图6 改进后叶片锁定装置应力云图