某型風電機組變槳系統托盤安裝螺栓強度校核及其優化研究

文 | 趙春雨，黃冬明，倪敏，李學旺

某型風電機組變槳系統托盤安裝螺栓強度校核及其優化研究

文 | 趙春雨，黃冬明，倪敏，李學旺

螺栓連接是在兆瓦級風電機組中最常見的連接方式，螺栓連接的安全性關系到機組全生命周期內的正常運轉。因此對機組各連接螺栓的受載研究非常重要，基于機組運行的特點，機組中的螺栓連接、極限狀態以及疲勞狀態均是研究的重點。極限強度主要受運行中最大載荷影響，疲勞強度主要受循環動載荷影響。

變槳系統對機組非常重要，根據風速的變化，變槳系統通過調整槳葉角度控制機組功率，同時保證機組在滿發電量時減小承受的載荷。因此變槳系統對于機組非常重要，變槳系統的損壞，將導致機組飛車、葉片折斷、關鍵部件斷裂等后果。

作為機組重要組成部分的變槳系統，通過兩根長螺栓將變槳托盤與輪轂固定連接，螺栓規格為10.9級M36，使用拉伸器預緊。托盤的四角通過彈性支承上的螺栓施加預緊，使托盤通過彈性支承與輪轂壓緊貼合，以保證托盤與輪轂連接的穩定性。系統分布如圖1所示。

變槳托盤連接螺栓的安全性，關系到變槳系統的正常運行，螺栓斷裂不僅導致變槳系統損壞，還將對附屬部件造成磕碰等二次破壞。

在風電機組的運行周期內，隨著輪轂的旋轉，變槳系統的重力對螺栓產生交變載荷。在此受力特征下，如果螺栓疲勞滿足要求，則極限強度必然滿足要求，因此對螺栓強度分析中，僅需對螺栓進行疲勞強度分析。

模型簡述

為降低計算規模，在保證局部剛度對螺栓受力影響的前提下，僅取部分輪轂作為邊界條件用于計算。簡化變槳托盤模型結構，僅保留與螺栓相連的夾緊件及套筒，通過施加集中力方式，在托盤重心位置將變槳托盤重力施加到簡化的托盤假體上。通過分析可以發現，四角支承件的變形將引起螺栓彎曲變形，因此四角支承變形越小，連接螺栓彎曲應力越小。可見支腿剛度對螺栓分析結果至關重要，所以模型簡化中，保留支腿實體模型用于模擬真實支承剛度。簡化后模型如圖2所示。

為了模擬受載時各部件之間的分離及壓緊狀態，各夾緊件之間通過標準接觸連接，螺母和套筒之間通過綁定接觸連接，即認為螺栓存在一定的柔度，螺母不會發生滑移。如圖3所示。

由于四角的支撐剛度對螺栓受力影響極大，所以在盡量保證四角支腿剛度真實的情況下，對彈性支撐的剛度也需要模擬。由于缺少彈性支承數據，引用機艙罩彈性支承剛度作為參考，縱向剛度為15.00E+06N/m，橫向剛度2.00E+06N/m。

邊界條件

如圖4所示，對有限元模型約束輪轂假體切割邊界部分，變槳托盤重心與托盤假體剛性連接，在重心位置施加托盤重力。根據VDI2230計算方法，假定螺栓最大預緊力使螺栓產生0.9倍屈服，即施加730kN目標預緊力。托盤重力700kg，計算中考慮1.35倍載荷系數。

基于螺栓受力特點，交變載荷均由輪轂旋轉引起，即一個循環周期內，載荷沿螺栓軸線旋轉360°，在該周期內，螺栓外表面周向同一位置的最大應力變化，作為應力幅值，對螺栓進行疲勞分析。通過施加如圖4中所示的載荷，對比分析托盤螺栓在±Fy以及±Fz交變載荷作用下的應力幅值，得出螺栓相應的最大損傷。

結果分析

通過施加上文（邊界條件）介紹的載荷，分別提取螺栓在Fy和-Fy載荷下螺栓同一位置的應力幅值變化，以及在Fz和-Fz載荷下螺栓同一位置的應力幅值變化，根據GL2010中關于螺栓疲勞的計算方法，進行疲勞計算。采用疲勞參數如表1所示。由于疲勞分析中載荷采用的重力載荷，而該螺栓僅承受托盤重力影響，所以如果疲勞滿足要求，則極限強度也滿足要求。

通過ansys提取螺栓應力結果，并進行應力修正，得到在Y向載荷下，螺紋處應力最大幅值為36.56MPa；在Z向載荷作用下，螺栓應力最大幅值為51.13MPa。因此螺栓在Z向載荷下所受應力幅值最大。螺栓疲勞強度計算時，根據循環應力幅51.13MPa計算，此時許用循環次數為2.39E+06。

經由Bladed模擬得出，風電機組在20年運行期間內，風輪大概旋轉1.125E+08轉。

表1 原始設計疲勞參數

所以在整個運行壽命內最大損傷為47，不滿足疲勞要求。

解決方案

經過上述分析，可見原始設計的螺栓不能滿足疲勞要求，運行壽命大概5個月，為滿足連接的安全性要求，需要對螺栓進行優化分析。

優化后的螺栓仍然采用M36螺栓，但將螺栓光桿部分直徑縮小為28mm，根據VDI2230，假定使螺栓產生0.9倍屈服的拉力作為最大預緊力，即施加450kN目標預緊力，重新建模進行有限元計算。螺栓參數如表2所示。

采用同樣的方法，得到在Y向載荷下，螺紋處應力最大幅值為14.92MPa；在Z向載荷作用下，螺栓應力最大幅值為21.22MPa。因此螺栓疲勞計算采用循環應力幅值為21.22MPa，此時許用循環次數為1.19E+08。經由Bladed模擬得出，風電機組在20年運行期間內，風輪大概旋轉1.125E+08轉。

因此，經優化，螺栓損傷為0.95，滿足20年壽命要求。

表2 優化后疲勞參數

結論

經分析，變槳系統托盤螺栓需要修改為縮桿為28mm的M36螺栓，才可滿足疲勞要求，疲勞損傷為0.95。

考慮到安裝誤差、制造誤差、以及預緊力施加的誤差，防止在機組運行中因螺栓松動引起不良后果，需要對螺栓定期檢查。同時為防止螺栓意外斷裂對其他附屬結構造成破壞，附件結構也需做相應校核，保證一定強度要求。

（作者單位：廣東明陽風電產業集團有限公司）