某型风电机组变桨系统托盘安装螺栓强度校核及其优化研究

2016-03-04赵春雨黄冬明倪敏李学旺

风能 2016年11期

文 | 赵春雨，黄冬明，倪敏，李学旺

文 | 赵春雨，黄冬明，倪敏，李学旺

螺栓连接是在兆瓦级风电机组中最常见的连接方式，螺栓连接的安全性关系到机组全生命周期内的正常运转。因此对机组各连接螺栓的受载研究非常重要，基于机组运行的特点，机组中的螺栓连接、极限状态以及疲劳状态均是研究的重点。极限强度主要受运行中最大载荷影响，疲劳强度主要受循环动载荷影响。

变桨系统对机组非常重要，根据风速的变化，变桨系统通过调整桨叶角度控制机组功率，同时保证机组在满发电量时减小承受的载荷。因此变桨系统对于机组非常重要，变桨系统的损坏，将导致机组飞车、叶片折断、关键部件断裂等后果。

作为机组重要组成部分的变桨系统，通过两根长螺栓将变桨托盘与轮毂固定连接，螺栓规格为10.9级M36，使用拉伸器预紧。托盘的四角通过弹性支承上的螺栓施加预紧，使托盘通过弹性支承与轮毂压紧贴合，以保证托盘与轮毂连接的稳定性。系统分布如图1所示。

变桨托盘连接螺栓的安全性，关系到变桨系统的正常运行，螺栓断裂不仅导致变桨系统损坏，还将对附属部件造成磕碰等二次破坏。

在风电机组的运行周期内，随着轮毂的旋转，变桨系统的重力对螺栓产生交变载荷。在此受力特征下，如果螺栓疲劳满足要求，则极限强度必然满足要求，因此对螺栓强度分析中，仅需对螺栓进行疲劳强度分析。

模型简述

为降低计算规模，在保证局部刚度对螺栓受力影响的前提下，仅取部分轮毂作为边界条件用于计算。简化变桨托盘模型结构，仅保留与螺栓相连的夹紧件及套筒，通过施加集中力方式，在托盘重心位置将变桨托盘重力施加到简化的托盘假体上。通过分析可以发现，四角支承件的变形将引起螺栓弯曲变形，因此四角支承变形越小，连接螺栓弯曲应力越小。可见支腿刚度对螺栓分析结果至关重要，所以模型简化中，保留支腿实体模型用于模拟真实支承刚度。简化后模型如图2所示。

为了模拟受载时各部件之间的分离及压紧状态，各夹紧件之间通过标准接触连接，螺母和套筒之间通过绑定接触连接，即认为螺栓存在一定的柔度，螺母不会发生滑移。如图3所示。

由于四角的支撑刚度对螺栓受力影响极大，所以在尽量保证四角支腿刚度真实的情况下，对弹性支撑的刚度也需要模拟。由于缺少弹性支承数据，引用机舱罩弹性支承刚度作为参考，纵向刚度为15.00E+06N/m，横向刚度2.00E+06N/m。

边界条件

如图4所示，对有限元模型约束轮毂假体切割边界部分，变桨托盘重心与托盘假体刚性连接，在重心位置施加托盘重力。根据VDI2230计算方法，假定螺栓最大预紧力使螺栓产生0.9倍屈服，即施加730kN目标预紧力。托盘重力700kg，计算中考虑1.35倍载荷系数。

基于螺栓受力特点，交变载荷均由轮毂旋转引起，即一个循环周期内，载荷沿螺栓轴线旋转360°，在该周期内，螺栓外表面周向同一位置的最大应力变化，作为应力幅值，对螺栓进行疲劳分析。通过施加如图4中所示的载荷，对比分析托盘螺栓在±Fy以及±Fz交变载荷作用下的应力幅值，得出螺栓相应的最大损伤。

结果分析

通过施加上文（边界条件）介绍的载荷，分别提取螺栓在Fy和-Fy载荷下螺栓同一位置的应力幅值变化，以及在Fz和-Fz载荷下螺栓同一位置的应力幅值变化，根据GL2010中关于螺栓疲劳的计算方法，进行疲劳计算。采用疲劳参数如表1所示。由于疲劳分析中载荷采用的重力载荷，而该螺栓仅承受托盘重力影响，所以如果疲劳满足要求，则极限强度也满足要求。

通过ansys提取螺栓应力结果，并进行应力修正，得到在Y向载荷下，螺纹处应力最大幅值为36.56MPa；在Z向载荷作用下，螺栓应力最大幅值为51.13MPa。因此螺栓在Z向载荷下所受应力幅值最大。螺栓疲劳强度计算时，根据循环应力幅51.13MPa计算，此时许用循环次数为2.39E+06。

经由Bladed模拟得出，风电机组在20年运行期间内，风轮大概旋转1.125E+08转。

表1 原始设计疲劳参数

所以在整个运行寿命内最大损伤为47，不满足疲劳要求。

解决方案

经过上述分析，可见原始设计的螺栓不能满足疲劳要求，运行寿命大概5个月，为满足连接的安全性要求，需要对螺栓进行优化分析。

优化后的螺栓仍然采用M36螺栓，但将螺栓光杆部分直径缩小为28mm，根据VDI2230，假定使螺栓产生0.9倍屈服的拉力作为最大预紧力，即施加450kN目标预紧力，重新建模进行有限元计算。螺栓参数如表2所示。

采用同样的方法，得到在Y向载荷下，螺纹处应力最大幅值为14.92MPa；在Z向载荷作用下，螺栓应力最大幅值为21.22MPa。因此螺栓疲劳计算采用循环应力幅值为21.22MPa，此时许用循环次数为1.19E+08。经由Bladed模拟得出，风电机组在20年运行期间内，风轮大概旋转1.125E+08转。

因此，经优化，螺栓损伤为0.95，满足20年寿命要求。