風(fēng)機葉片根端連接的有限元分析

2013-08-06 by:廣州Ansys應(yīng)用推廣中心來源:仿真在線

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(tài)環(huán)境要求的呼聲不斷高漲,風(fēng)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(fā)展的相關(guān)法律法規(guī),對風(fēng)電發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用,風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)正逐步發(fā)展成為初具規(guī)模的新興產(chǎn)業(yè)。當(dāng)前,各國正加快對風(fēng)力發(fā)電機組的研究步伐,不斷推出新的技術(shù)裝備。

風(fēng)力發(fā)電機葉片(簡稱風(fēng)機葉片)是風(fēng)力發(fā)電機組中的關(guān)鍵部件之一,葉片的翼型設(shè)計、結(jié)構(gòu)形式,直接影響風(fēng)力發(fā)電裝置的性能和功率。其中根端連接是葉片設(shè)計中最關(guān)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(guān)剛度差有數(shù)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(yīng)力集中都是不可避免的。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(yīng)力分析和強度校核,從而指導(dǎo)葉片根端連接的設(shè)計、優(yōu)化及材料的選用。

2 葉片根端連接模型

2.1 葉片結(jié)構(gòu)外形及材料屬性

目前風(fēng)電場中采用較多的1.5MW級變速變槳風(fēng)力機復(fù)合材料葉片,其葉片根端連接所示。葉片根端橫截面為圓環(huán)形,其外圓直徑為1890mm,內(nèi)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,由插到葉片殼體縱向孔內(nèi)的鋼螺柱,與保持在橫向孔內(nèi)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。

2.2 載荷及邊界條件

在變漿風(fēng)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(zhuǎn)或調(diào)節(jié)槳距。其中軸承的內(nèi)環(huán)螺圈與葉片根端的T型螺栓接頭連接,而外環(huán)螺圈固定到輪轂上。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(yù)緊力,對于1.5MW級變速變槳風(fēng)力機,對其葉根的每個T型螺栓施加預(yù)緊力300 kN。

葉片在正常工作狀態(tài)和故障情況下,會受到各種不同的風(fēng)況影響。根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機組第一部分安全要求》(IEC61400-1)規(guī)范,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(jié)構(gòu)、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(shù)的發(fā)展而被廣泛應(yīng)用于機械、土木、水利、航空、電子、生物等眾多領(lǐng)域,是這些領(lǐng)域進行國際國內(nèi)分析設(shè)計技術(shù)交流的主要分析平臺。

3.1 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?nèi)“雮€根端連接結(jié)構(gòu)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(nèi)環(huán)螺圈連接,軸承的外環(huán)螺圈施加固定約束。對每個T型螺栓施加300kN的預(yù)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(nèi)滾珠相互之間的接觸面采用接觸單元,選擇合適的網(wǎng)格密度劃分模型,設(shè)置時間步長控制計算的收斂性,進行非線性結(jié)構(gòu)分析。

3.2 玻璃鋼強度分析

由于對稱性取半個葉片根端結(jié)構(gòu)作為模型,沿著葉片中心圓周線方向,通過殼體內(nèi)橫向孔與孔內(nèi)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(nèi)柱狀螺母的擠壓接觸面是發(fā)生應(yīng)力集中的重要部位,是葉片根端強度校核的關(guān)鍵區(qū) 域。根據(jù)建立的半個葉片根端連接結(jié)構(gòu)有限元模型,施加荷載并進行非線性結(jié)構(gòu)分析,求解得到葉片根端玻璃鋼的應(yīng)力分布結(jié)果。圖3所示為葉片根端玻璃鋼應(yīng)力云圖,可以看出在遠離孔邊的葉根玻璃鋼應(yīng)力比較小,數(shù)值一般為30MPa左右。但是靠近孔邊的玻璃鋼應(yīng)力較大,產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大應(yīng)力為 163.7MPa,最小應(yīng)力為-140.6MPa?，F(xiàn)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(yīng)力求解。如圖4所示,沿著圓周線方向橫向孔間葉片正應(yīng)力基本成線性變化,從拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力,最大拉壓力為150MPa,最小壓應(yīng)力為-50MPa。而橫向孔與柱狀螺母接觸面正應(yīng)力為壓應(yīng)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(fēng)載荷作用下,最大拉壓力發(fā)生在葉片根端橫向孔間的玻璃鋼上,最大壓應(yīng)力發(fā)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(yīng)力要求。

3.3 T型螺栓強度分析

對于T型螺栓連接結(jié)構(gòu),葉根失效多發(fā)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。半葉片根端結(jié)構(gòu)含有27個螺栓,其應(yīng)力結(jié)果鋼螺柱的應(yīng)力為拉應(yīng)力,數(shù)值范圍為658—809MPa,滿足T型螺栓材料42CrMo鋼的許用應(yīng)力要求。圖6為對應(yīng)的鋼螺柱軸力圖,其軸力數(shù)值從345kN減小到255kN,基本成線性變化。

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