大型風力發電機組塔頂法蘭連接螺栓強度分析

崔戈

一、引言

塔筒作為風力發電機組的重要組成之一，起著連接和承載的重要作用。隨著風電機組向兆瓦級、大機組發展，塔筒的結構尺寸越來越大，塔簡法蘭的直徑和厚度也越來越大，所要滿足的承載要求也越來越高。塔頂是塔筒結構的薄弱位置，塔頂法蘭是連接塔簡與主機架的重要連接件。在風力發電機組運行時，作用于風輪和機艙的載荷會通過主機架傳遞到偏航軸承上，再傳遞到塔頂法蘭和塔筒上。由于風作用力的不穩定性，塔頂法蘭承受動態載荷，長期作用下，塔頂法蘭極易遭到破壞，為了提高風力發電機組的可靠性，必須對塔頂法蘭進行強度分析。

本文以3MW風力發電機組為例，將塔頂法蘭的連接螺栓作為分析對象，綜合運用有限元分析理論及計算方法，對塔頂法蘭和偏航軸承之間的連接螺栓組的受力進行了分析研究，并對塔頂法蘭連接螺栓進行安全校核。

二、結構概述

大型風電機組的偏航軸承多選取回轉支承，塔簡與主機架之間連接軸承采用四點接觸軸承，并通過雙列螺栓連接。塔頂法蘭與偏航軸承外圈通過螺栓連接，偏航軸承內圈又與主機架通過螺栓連接，偏航軸承內外圈的傳力是通過滾子實現的，偏航軸承傳遞到法蘭的力是通過接觸面實現的，這些都屬于非線性接觸。

針對塔頂法蘭連接螺栓的分析基于塔筒坐標系，z軸方向為塔筒軸線向上。

三、有限元分析

（一）模型及載荷數據

以某3MW風力發電機組為例，機組塔簡與主機架之間通過偏航軸承和螺栓連接安裝，塔頂法蘭外徑3040mm，內徑2700mm，偏航軸承外徑3040mm、內徑2570mm，內外圈螺栓各96個。

載荷以客戶提供的載荷數據作為依據，載荷數值見表1。

（二）材料性能

本次分析是基于線彈性材料范疇，接觸邊界非線性的假設條件。模型涉及的材料屬性如表2：

（三）分析模型及其約束

塔簡頂部法蘭，偏航軸承內外圈及主機架假體全部采用以八節點六面體單元為主的分網模式，螺栓采用三維粱單元建立，粱單元截面形狀與螺栓應力面積一致，滾珠以拉壓雙線性桿單元（Linkl0）建立模擬受力。在法蘭連接面中心建立節點并施加法蘭中心集中載荷，該節點與主機架假體截面處節點通過多點約束連接，法蘭與軸承、軸承與主機架假體及墊片與軸承，墊片與塔架接觸面全部采用“Touch”方法模擬。塔簡底端截面施加全位移約束。

（四）計算結果

本次分析以完全Newton-Raphson迭代法，自調節增量法提交于ANSYS完成計算。螺栓最大等效應力分析結果見圖1。

由ANSYS軟件的計算結果顯示，螺栓最大等效應力出現在內圈螺栓組，值為748MPa，小于螺栓材料的屈服強度940MPa，安全系數1.15;法蘭連接區域接觸狀態良好。

綜上所述該風力發電機組的塔頂法蘭連接螺栓強度及連接狀態均滿足規范設計要求。