风机叶片根端连接的有限元分析

2013-08-06 by:广州Ansys应用推广中心来源:仿真在线

风机叶片根端连接的有限元分析

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。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。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。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,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。

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。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,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。

3.1 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。

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。半叶片根端结构含有27个螺栓,其应力结果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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