风电叶片联接结构常规强度校核方法

DONGFA圣NG言T汽UR论BIN拔EI29L一V钟贤和赵萍贾森东方汽轮机有限公司。IIJII德IB，618000摘要风电叶片联接结构是联接叶片和轮毂的唯一结构，其安全性设计非常重要。文中介绍了风电叶片“T”型叶根联接结构的常规强度校核方法。关键词风电叶片；叶片联接；强度校核；“T”型螺栓THEGENERALMETHODSOFSTRUCTURALANALYSISONTHEWINDBLADECONNECTIONZHONGXIANHE，ZHAOPING，JIASENDONGFANGTURBINECO，LTDDEYANGSICHUAN618000ABSTRACTWINDBLADECONNECTIONSTRUCTUREISTHEONLYONETOCONNECTBLADEANDHUBITSSAFETYDESIGNISVERYIMPORTANTTHEPAPERINTRODUCESTHEGENERALANALYSISMETHODSFORTBOLTCONNECTIONKEYWORDSWINDBLADE，BOLTCONNECTION，STRUCTUREANALYSIS，TBOLT风电叶片联接结构是把叶片与轮毂联接在一起的唯一结构，承担整只叶片的载荷。兆瓦级风电叶片重量从几吨到十几吨，叶根离心力达几百到上千KN，叶根弯矩达几百到上千KNM，这些载荷都是由叶根联接结构承受的。一旦联接结构破坏，整只叶片乃至整个风机都会造成毁灭性破坏。由此可以看出，叶根联接设计对叶片的安全运行起决定性的作用。传统的螺栓联接校核主要用于金属部件的联接，很多参数的设置基于经验公式。对于风电叶片这种涉及金属和复合材料的复杂联接，传统的分析方法不是很适用，而有限元方法又比较复杂耗时，需要研究一种较为实用的常规分析方法。本文参考德国工程师协会制定的螺栓联接计算规范VDI2230，给出叶片联接结构的强度校核方法。目前主要的风电叶片联接结构有“T”型联接结构和预埋螺栓结构，本文主要介绍“T”型联接结构的分析方法。图1为典型的叶片“T”型联接结构，该结构主要由纵向的长螺栓和横向螺栓构成，横向螺栓位于叶根的横向孔中，长螺栓一端与横向螺栓联作者简介钟贤和1980一，男，工程师，2004年毕业于重庆大学热能设计专业，现主要从事风电叶片的设计研发工作。30J索右汔粉拔LDONGFANGTURBLNE嚣。墨基墨8Z口，O口薹口口口CO口轴线O口一萋口，33J至碧。一L1典型的叶片“T”型联接结构接，另一端与风轮轮毂变桨轴承联接。兆瓦级叶片一般有501O0颗螺栓构成，采用高拉伸强风电叶片和轴承联接的数学模型可以通过使度的金属材料。用与真实零件类似的具有一定刚度系数的组弹簧来模拟见图2。2螺栓联接计算原理叠_0图2“T”型螺栓联接和计算模型图2中变桨轴承、法兰和叶根铺层一起称为被联接夹持部件，每个部件具有不同的刚度；螺栓为联接部件以下标表示，可以分别算出联接部件和被联接部件的刚度以下标尸表示。由弹簧的力所口变形厂的关系FIKF式中，尼为弹簧模型的刚度系数，为材料的弹性模量，为横截面积，为部件的长度。由式1，可以作出如图3所示的初始预紧力下的螺栓联接图，该图能较好地反映联接和被联接部件的相互作用。在初始预紧力作用下，由于嵌入效应，预紧力损失，同时热效应温差也会导致的预紧力减小，有效预紧力一。2在有效预紧力下，联接和被联接部件分别发生变形干。图3初始预紧力F的螺栓联接图未考虑热效应导致的预紧力损失在工作载荷作用下，联接和被联接部件的受力和变形发生变化，其受力和变形的关系曲线发生一定的变化，工作载荷下的联接原理见图4。因为各部件的长度在工作载荷作用下发生了变化，所以图4中联接部件和被联接部件的曲线发生了变化，较粗的曲线为变化后的曲线，厂和厂为在工作载荷作用下新的变形。由图4可以看出，由于工作载荷的作用，螺栓被拉长，被联接部件回弹，其有效预紧力将继续减小1一。有效预紧力必须满足诸如密封、摩擦联接等要求，即有限预紧力应大于螺栓联接功能所需要的夹紧力求，即厂0、FF广F一FFTHFKE|F、JLFF壬一，厂、”、I、I|一D图4工作载荷下的螺栓联接图未考虑热效应导致的预紧力损失对于叶根联接，没有密封、摩擦联接等要求，0，因此最小预紧力。芘L31DONGFANTURBGLNEF,OFDFFT一牵FAFF4式中为载荷系数，为联接和被联接部件刚度的比值。嵌入效应导致的预紧力损失和热效应导致的预紧力损失计算公式详见。考虑到安装导致的夹紧力分散，螺栓的最大预紧力需要考虑预紧系数AFMMQFMM5安装预紧力应大于最大预紧力且小于材料的屈服极限考虑一定的安全系数。风电叶片联接结构的载荷来自于风力机运行期问的叶根最大弯矩和轴向力，根据各部件受力特点，主要需要校核长螺栓的拉伸、横向螺栓的弯曲、铺层的挤压和拉伸等强度。31长螺栓的拉伸强度校核叶根的最大弯曲力矩和最大轴向力首先共同作用在长螺栓上，使长螺栓承受拉伸力的作用，每个螺栓的拉伸力计算公式见式6。争6式中J为叶根螺栓数量，D为螺栓节圆直径。在螺栓工作拉伸力的作用下，从图4的螺栓连接图可以得到螺栓的总拉力为FFSFF广FF令FA式中为工作载荷引起的螺栓附加力，据此可以计算出螺栓最大拉应力，作为校核的依据6。8NMIN式8中，为螺栓最小横截面面积。O不能大于长螺栓的许用应力。32横向螺栓的最大弯曲强度的校核横向螺栓中问部位受到长螺栓的拉伸，两端由叶根铺层支撑，总体上产生弯曲变形，需要校核其弯曲强度。32圣言汽扮揍IDONGFANGTURBJNE为平衡长螺栓所受的总拉力，叶根铺层对横向螺栓产生相应的作用力，该力沿横向螺栓的长度线形分布，使横向螺栓产生弯曲。横向螺栓的受力如5所示。一一横向蝶厂F、71F5横向螺栓受力示意图图5中厂为铺层对螺栓作用的单位长度的分布力，显然，为保持平衡，分布力总和应与长螺栓总拉力相等，分布力如下9JL8BCBLCRBCB、根据图5，横向螺栓长度方向的中间截面弯矩最大，最大弯矩为10在横向钻孔位置截面积最小且有应力集中，应力最大，最大应力为，式11中，为截面抗弯模量，仅为应力集中系数。不能大于横向螺卡拿的许用应力。33铺层与横向螺栓接触面最大挤压强度的校核横向螺栓对叶根铺层形成挤压作用，需要校核铺层的挤压强度，结构示意图如图6所示。图6铺层与横向螺栓接触面示意图横向螺栓与铺层之问最大面压应力O，等于预紧力与丁作载荷引起的附加力之和除以铺层与横向螺栓接触面的投影面积，接触面上叶片螺栓孔面积要从投影面积中减去。FS12这里，表