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風機葉片根端連接的有限元分析

李東海
(上海玻璃鋼研究院有限公司,上海 201404 )

摘  要

本文基于ANSYS軟件建立風機葉片根端連接部分的有限元模型,并對葉根玻璃鋼部分及T型連接螺栓進行應力分析和強度校核,為葉片根端連接的設計、優化及材料的選用提供可靠的依據和指導。

關鍵詞:風機葉片  玻璃鋼  葉根連接  有限元法

1  引 言

隨著世界能源危機的日益嚴重,以及公眾對于改善生態環境要求的呼聲不斷高漲,風能作為一種清潔的可再生能源越來越受到各國政府的重視。目前,全世界約有50多個國家頒布了支持可再生能源發展的相關法律法規,對風電發展起到了至關重要的作用,風力發電產業正逐步發展成為初具規模的新興產業[ 1 , 2 ]。當前,各國正加快對風力發電機組的研究步伐,不斷推出新的技術裝備。

風力發電機葉片(簡稱風機葉片)是風力發電機組中的關鍵部件之一,葉片的翼型設計、結構形式,直接影響風力發電裝置的性能和功率[ 3 , 4]。其中根端連接是葉片設計中最關鍵的地方,因為將葉片根端固定到輪轂上,鋼輪轂和制造葉片的材料一般為玻璃纖維增強塑料(GFRP),它們之間的相關剛度差有數量級的差別,妨礙載荷的平滑傳遞。通常采用螺栓進行連接,螺栓可以沿軸向嵌入葉片的材料中或沿半徑方向穿過葉片殼體,但這兩種情況中葉片根端應力集中都是不可避免的[5]。同時葉片在載荷工況作用下,葉根連接螺栓的強度分析也十分重要。

本文采用ANSYS有限元軟件對葉片根端連接部分建立有限元分析模型,并對葉根玻璃鋼部分及T型連接螺栓進行應力分析和強度校核,從而指導葉片根端連接的設計、優化及材料的選用。

2  葉片根端連接模型

2.1  葉片結構外形及材料屬性

目前風電場中采用較多的1.5MW級變速變槳風力機復合材料葉片,其葉片根端連接如圖1(a) 所示。葉片根端橫截面為圓環形,其外圓直徑為1890mm,內圓直徑為1710mm,中心圓直徑為1800mm,根端長度取800mm。從根端沿著中心圓周線均勻打孔并安裝54根T型螺栓接頭連接軸承。T型螺栓接頭,如圖1(b) 所示,由插到葉片殼體縱向孔內的鋼螺柱,與保持在橫向孔內的柱狀螺母進行連接。葉片殼體縱向孔直徑為32mm,長度為200mm,葉片殼體橫向孔直徑為65mm,橫向孔軸線距根端為190mm。鋼螺柱中間圓桿直徑為23.1mm,長度為260mm,兩端螺紋直徑為30mm,長度為80mm。柱狀螺母直徑為65mm,長度為110mm。

根端玻璃鋼的主要成分是三軸布,T型螺栓接頭采用42 CrMo鋼, 其材料參數如表1所示。

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圖1(a)  葉片根端連接圖            圖1(b)  T型螺栓接頭

表1  玻璃鋼及42 CrMo鋼的材料參數


參數

玻璃鋼

42 CrMo鋼

密度[kg/m3]

1890

7850

軸向彈性模量EX[GPa]

27

210

徑向彈性模量EY[GPa]

5.5

環向彈性模量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

許用拉伸強度[MPa]

308

900

許用壓縮強度[MPa]

-247

-850

2.2  載荷及邊界條件

在變漿風力機組中,軸承插在每個葉片和輪轂之間,使葉片可以繞軸旋轉或調節槳距。其中軸承的內環螺圈與葉片根端的T型螺栓接頭連接,而外環螺圈固定到輪轂上[5]。同時為了使葉根的疲勞荷載影響減至最小,標準操作是給T型螺栓加上預緊力,對于1.5MW級變速變槳風力機,對其葉根的每個T型螺栓施加預緊力300 kN。

葉片在正常工作狀態和故障情況下,會受到各種不同的風況影響。根據《風力發電機組第一部分 安全要求》(IEC61400-1)規范[6],通過氣動載荷計算等,到葉片根端處的極限葉根彎矩5360 kNm及軸向力250kN。

3  有限元分析

ANSYS軟件是融結構、流體、電磁、聲熱以及耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件,隨著計算機技術的發展而被廣泛應用于機械、土木、水利、航空、電子、生物等眾多領域,是這些領域進行國際國內分析設計技術交流的主要分析平臺[7]。

3.1  有限元模型

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圖2  葉片根端連接有限元模型

由于葉片根端連接模型、載荷及邊界條件的對稱性,這里我們取半個根端連接結構作為研究對象建立有限元模型如圖2所示。葉片根端通過T型螺栓與軸承內環螺圈連接,軸承的外環螺圈施加固定約束。對每個T型螺栓施加300kN的預緊力,葉片上施加極限葉根彎矩2680 kNm及軸向力125kN。同時在葉片剖面上施加對稱邊界條件,在葉片根端、T型螺栓、軸承以及軸承內滾珠相互之間的接觸面采用接觸單元,選擇合適的網格密度劃分模型,設置時間步長控制計算的收斂性,進行非線性結構分析。

3.2  玻璃鋼強度分析

由于對稱性取半個葉片根端結構作為模型,沿著葉片中心圓周線方向,通過殼體內橫向孔與孔內柱狀螺母的擠壓接觸,再由鋼螺柱與軸承的連接,將葉片上的荷載通過T型螺栓傳遞給軸承。因此葉片根端橫向孔間的玻璃鋼,橫向孔與孔內柱狀螺母的擠壓接觸面是發生應力集中的重要部位,是葉片根端強度校核的關鍵區域。根據建立的半個葉片根端連接結構有限元模型,施加荷載并進行非線性結構分析,求解得到葉片根端玻璃鋼的應力分布結果。圖3所示為葉片根端玻璃鋼應力云圖,可以看出在遠離孔邊的葉根玻璃鋼應力比較小,數值一般為30MPa左右。但是靠近孔邊的玻璃鋼應力較大,產生了應力集中現象,最大應力為163.7MPa,最小應力為-140.6MPa。現沿著葉片圓周線將半個葉片從0到180度劃分,并依次對橫向孔間葉片及橫向孔與柱狀螺母接觸面正應力求解。如圖4所示,沿著圓周線方向橫向孔間葉片正應力基本成線性變化,從拉應力變為壓應力,最大拉壓力為150MPa,最小壓應力為-50MPa。而橫向孔與柱狀螺母接觸面正應力為壓應力,沿圓周線方向基本保持不變,約為-100MPa左右。由此可見,葉片在風載荷作用下,最大拉壓力發生在葉片根端橫向孔間的玻璃鋼上,最大壓應力發生在葉根橫向孔與柱狀螺母接觸面處,并且強度滿足玻璃鋼材料許用應力要求。

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圖3  葉片根端玻璃鋼應力云圖 圖4  橫向孔間葉片及橫向孔與柱狀
螺母接觸面正應力曲線圖

3.3  T型螺栓強度分析

對于T型螺栓連接結構,葉根失效多發生于螺栓而非玻璃鋼部分,因此葉根連接螺栓的強度分析也十分重要[5,8]。半葉片根端結構含有27個螺栓,其應力結果如圖5所示,鋼螺柱的應力為拉應力,數值范圍為658—809MPa,滿足T型螺栓材料42CrMo鋼的許用應力要求。圖6為對應的鋼螺柱軸力圖,其軸力數值從345kN減小到255kN,基本成線性變化。

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圖5  T型螺栓應力云圖 圖6  鋼螺柱軸力圖

4  結  論

本文采用ANSYS軟件對葉片根端連接部分進行有限元分析,確定了葉根玻璃鋼部分發生應力集中現象的區域并進行了強度分析,滿足玻璃鋼材料的許用應力要求。同時對T型連接螺栓進行強度分析,確定了螺栓應力的變化范圍,滿足螺栓材料42 CrMo鋼的許用應力要求,為葉片根端連接的設計、優化及選材提供有效的依據及指導。

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