風(fēng)電葉片葉根連接及預(yù)埋螺栓法蘭設(shè)計(jì)探討

許 蕾，蔣成益

(天津東汽風(fēng)電葉片工程有限公司 天津300480)

風(fēng)電葉片葉根連接及預(yù)埋螺栓法蘭設(shè)計(jì)探討

許 蕾，蔣成益

(天津東汽風(fēng)電葉片工程有限公司 天津300480)

對(duì)風(fēng)電葉片采用的T型螺栓和預(yù)埋螺栓葉根連接方式進(jìn)行了介紹，并對(duì)兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，隨著功率不斷增加，預(yù)埋螺栓技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯；給出了兩種預(yù)埋法蘭盤設(shè)計(jì)方案，對(duì)兩種方案的設(shè)計(jì)和安裝進(jìn)行了詳細(xì)闡述，探討的內(nèi)容為風(fēng)電葉片葉根連接設(shè)計(jì)提供參考。

風(fēng)力發(fā)電 葉根連接 T型螺栓 預(yù)埋螺栓 預(yù)埋法蘭盤

1 葉片葉根連接方式介紹

風(fēng)力發(fā)電葉片需要通過(guò)葉根螺栓連接到主機(jī)上，連接方式主要有 T型螺栓和預(yù)埋螺栓兩種技術(shù)。隨著風(fēng)電市場(chǎng)的發(fā)展，預(yù)埋螺栓技術(shù)越來(lái)越受到重視。下面介紹這兩種葉根連接方式。

1.1 T型螺栓連接

葉片最早采用的葉根連接方式，由長(zhǎng)螺栓(平行葉片軸向)和橫向螺栓(垂直葉片軸向)組成。這種連接方式需要在葉片葉根處鉆軸向和徑向孔，如圖1所示。

圖1 T型螺栓葉根連接Fig.1 Root connection by T bolt

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)計(jì)上，通過(guò)有限元分析可以準(zhǔn)確模擬出極限載荷下的受力情況，在進(jìn)行第三方認(rèn)證時(shí)不需要做部件試驗(yàn)，縮短了認(rèn)證時(shí)間并降低認(rèn)證費(fèi)用。風(fēng)電行業(yè)初期，葉片功率較小，葉根載荷小，且訂單充足，具備成本優(yōu)勢(shì)；葉根連接是葉片至關(guān)重要的部位，采用T型螺栓方式工藝簡(jiǎn)單，質(zhì)量容易控制。

這種方法的缺點(diǎn)是：需要配備專門的鉆孔設(shè)備，增加設(shè)備投入費(fèi)用，但當(dāng)訂單量較大時(shí)可以攤薄設(shè)備投入，但鉆孔占用車間場(chǎng)地不可避免；葉片脫模后需進(jìn)行打孔工序，產(chǎn)出效率相對(duì)低下；相鄰葉根螺栓間距較大，導(dǎo)致葉根螺栓數(shù)量受限，葉根能夠承受的載荷較低；葉根切除和打孔產(chǎn)生諸多廢料，增加了廢料處理成本。

1.2 預(yù)埋螺栓

預(yù)埋螺栓連接由長(zhǎng)螺栓和預(yù)埋螺栓套組成，如圖2所示。葉片葉根鋪層時(shí)，將螺栓套用金屬法蘭盤精確定位在葉片根部，螺栓套表面加工成螺紋狀，螺紋凹槽用粗紗纏繞填充，相鄰螺栓套之間用預(yù)制玻璃鋼、楔塊填充，螺栓套遠(yuǎn)離葉根的端面采用 PVC芯材平滑過(guò)渡到較薄的殼體，螺栓套與玻璃鋼一起灌注。

圖2 預(yù)埋螺栓葉根連接Fig.2 Root connection by embedded bolt

預(yù)埋螺栓連接優(yōu)點(diǎn)：在相同節(jié)圓直徑下，該方式可以分布更多軸向螺栓，因而可以承受更大載荷；取消后處理鉆孔環(huán)節(jié)，節(jié)約車間場(chǎng)地，減少?gòu)U料，提高了葉片產(chǎn)出效率；葉根采用預(yù)制楔塊或者可以采用預(yù)制葉根，降低葉根樹(shù)脂未浸透風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率。

預(yù)埋螺栓連接劣勢(shì)：預(yù)埋螺栓套價(jià)格較高，相比 T型螺栓，單支葉片成本較高，但對(duì)于訂單量小，考慮到無(wú)需打孔設(shè)備投入，預(yù)埋螺栓更有優(yōu)勢(shì)；對(duì)生產(chǎn)操作人員要求較高，必須檢查每支葉片生產(chǎn)時(shí)葉根金屬法蘭盤平面度是否滿足要求，防止漏氣；存在定位螺栓斷裂風(fēng)險(xiǎn)，一旦斷裂，螺栓取出非常困難。

1.3 小結(jié)

通過(guò)上面的對(duì)比可以看出，兩種連接方式各有優(yōu)劣。對(duì)于葉片功率不大，并且葉片訂單數(shù)量較大的情況，T型螺栓具有一定優(yōu)勢(shì)；隨著功率不斷增加，葉片根部需要承受更大載荷，預(yù)埋螺栓技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，雖然短時(shí)間內(nèi)增加了葉片成本，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，預(yù)埋螺栓性能更穩(wěn)定，降低了葉根失效風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)了葉片使用壽命。

2 法蘭盤設(shè)計(jì)及安裝

法蘭盤用于精確定位預(yù)埋螺栓在葉根的位置，在灌注過(guò)程中不允許發(fā)生移動(dòng)，而且必須保證葉根的平面度達(dá)到要求，即不超過(guò)1,mm。因此，法蘭盤的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。目前法蘭盤的設(shè)計(jì)主要分為兩類：一類為改制現(xiàn)有模具，將葉根鉆孔工藝更改為預(yù)埋螺栓工藝；另一類為新設(shè)計(jì)模具，葉根一開(kāi)始就采用預(yù)埋螺栓工藝。

2.1 法蘭盤設(shè)計(jì)

法蘭盤設(shè)計(jì)目標(biāo)主要包括：螺栓套中心沿葉根節(jié)圓柱均勻分布；螺栓套外端處于同一平面內(nèi)，平面度滿足設(shè)計(jì)要求；螺栓套軸線與葉根圓柱軸線平行；法蘭盤安裝及拆卸方便。設(shè)計(jì)需要圍繞這幾個(gè)點(diǎn)展開(kāi)：

①圓度分布：由于葉片壓力側(cè)(PS)和吸力側(cè)(SS)分別成型，然后合模成一個(gè)整體，因此法蘭盤亦分成兩半，為了保證合模后螺栓套仍舊分布在一個(gè)節(jié)圓上，必須在法蘭的前緣(LE)和后緣(TE)分別設(shè)計(jì)限位塊。

②平面度：葉片根部與輪轂對(duì)接，如果平面度不滿足要求，相互之間的干涉會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果，因此對(duì)法蘭盤靠近螺栓套一側(cè)必須做平面度要求，通過(guò)定位螺栓將螺栓套僅僅貼緊法蘭盤表面。

③同軸度：長(zhǎng)螺栓旋入螺栓套，倘若螺栓套與葉根圓柱段同軸度不滿足要求，葉片將存在無(wú)法安裝到輪轂的風(fēng)險(xiǎn)，而且無(wú)法保證葉片安裝姿態(tài)正確，影響發(fā)電量。

④工藝可行：由于每次鋪層和脫模過(guò)程都需要對(duì)法蘭盤進(jìn)行安裝和拆卸，因此法蘭盤設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮人工操作方便。

當(dāng)前，以底部為支點(diǎn)，翻轉(zhuǎn)法蘭盤，然后鎖緊法蘭盤前后緣的方案是比較常見(jiàn)的，經(jīng)過(guò)實(shí)踐，也證明該方法確實(shí)可行，滿足上面提到的各項(xiàng)目標(biāo)，常用的一種法蘭盤如圖3所示。

圖3 預(yù)埋法蘭盤Fig.3 Embedded flange plate

2.2 法蘭盤安裝

法蘭盤的安裝對(duì)于葉片葉根完成質(zhì)量至關(guān)重要。采用預(yù)埋螺栓技術(shù)時(shí)，在模具設(shè)計(jì)、鋼架設(shè)計(jì)、法蘭盤安裝設(shè)計(jì)等方面都必須提前做好配套準(zhǔn)備。

①模具葉根起始位置即為葉片起始位置，實(shí)踐中，為了降低模具整體高度，模具姿態(tài)相對(duì)葉片姿態(tài)一般會(huì)有個(gè)小的轉(zhuǎn)角，模具葉根端面相對(duì)水平面所成角度與之相同。

②螺栓套由金屬法蘭精確定位，而金屬法蘭通過(guò)連接機(jī)構(gòu)固定在模具鋼架上，因此模具鋼架必須具備足夠的剛度和強(qiáng)度，端面鋼架的設(shè)計(jì)必須考慮到連接機(jī)構(gòu)的安裝位置。

③預(yù)防焊接變形：在法蘭盤安裝過(guò)程中，底部支撐需要進(jìn)行大量焊接，但法蘭盤要求精確安裝，焊接變形是法蘭安裝需要解決的難點(diǎn)之一，為了克服這一點(diǎn)，將底部支撐設(shè)計(jì)成螺栓固定的形式，可以取得良好效果。

3 總 結(jié)

闡述了 T型螺栓和預(yù)埋螺栓兩種葉根連接方式，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，對(duì)于葉片功率不大，并且葉片訂單數(shù)量較大的情況，T型螺栓具有一定優(yōu)勢(shì)；隨著功率不斷增加，預(yù)埋螺栓技術(shù)優(yōu)勢(shì)更明顯，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，預(yù)埋螺栓性能更穩(wěn)定，降低企業(yè)售后壓力。預(yù)埋法蘭盤的設(shè)計(jì)必須保證平面度、同軸度以及工藝要求，其安裝對(duì)葉片質(zhì)量至關(guān)重要，需要設(shè)計(jì)必要的輔助工裝。■

［1］ 吳勝軍，史俊虎，裴鵬宇. 風(fēng)電葉片葉根連接方式概述[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料，2014(7)：85-87.

［2］ 鄭永俐，王盼濤，陳魯冀. 風(fēng)電葉片葉根聯(lián)接螺栓擰緊力矩的計(jì)算方法[J]. 風(fēng)能，2011(9)：66-68.

［3］ 樂(lè)韻斐，錢根，顧超. 大型風(fēng)機(jī)葉片法蘭軸孔自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)的研究與分析[J]. 機(jī)電一體化，2012(1)：36-39.

On Wind Blade Root Connection and Embedded Flange Design

XU Lei，JIANG Chengyi
(Tianjin Dongqi Wind Turbine Blade Engineering Co.，LTD.，Tianjin 300480，China)

Two types of wind blade root joints including T bolt and embedded bolt were introduced and their advantages and disadvantages were discussed respectively. It points out that the embedded solution is more favorable with the increasing of power rate. Two design schemes of the embedded metal flanges were presented and the design and installment were elaborated. It may serve as useful reference to blade root connection design.

wind power；root joint；T bolt；embedded bolt；embedded flange

TK83

A

1006-8945(2015)07-0042-02

2015-06-10