大型風(fēng)電葉片根部連接螺栓靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)引言風(fēng)力發(fā)電是大規(guī)模利用可再生新能源的一條重

要途徑，大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電的主要工具。風(fēng)電葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組捕獲風(fēng)能的核心部件，其工況復(fù)雜、工作載荷很大，設(shè)計(jì)上要求達(dá)到安全運(yùn)行二十年的使用壽命要求。葉片根部連接強(qiáng)度不夠而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行事故是一種常見的故障模式，葉片與主機(jī)的連接強(qiáng)度對(duì)整機(jī)的安全性和可靠cFccFF0F'tF''cFccFF0F'tF''tΔδ1t變形δ1tΔδ2tδ2t

根螺栓連接受力及變形關(guān)系如圖2[1]和圖3所示。被1-主機(jī)輪轂法蘭2-葉片根部3-雙頭螺桿4-交叉螺母5-螺母6-平墊圈Figure1.Structureofbladerootconnection葉根連接基本結(jié)構(gòu)力1是目前葉片連接應(yīng)用最廣泛的螺栓連接結(jié)構(gòu)出端面與主機(jī)輪轂連接，從而將葉片與主機(jī)聯(lián)為一體。葉根螺栓受力分析

圖1.葉根連接結(jié)構(gòu)圖

Figure2.Therelationshipofboltconnectionofstressanddefor-mation圖2.螺栓連接受力與變形的關(guān)系FδFδ1Δδ1δ2Φdwl2Δδ2 t2FF''Fl1Ft1FF''FF0lFigure3.Theloadsanddeformationofbolts/partsindifferentstates圖3.各種狀態(tài)下螺栓和被連接件受力及變形圖連接葉片輪轂法蘭和葉片葉根均為彈性體，螺栓擰緊

tt

F0

FF作用，F(xiàn)，根據(jù)緊螺栓連接的靜力平衡與變形協(xié)F0F

1 2t1Ebt1Ebt2Egπ

c2 Sd EgSdSd 。2 2F

FF

(1)

Sd4dwt210

D0FF

c2c

F

t2——主機(jī)輪轂法蘭厚度Sd——?jiǎng)偠扔?jì)算當(dāng)量面積dw——螺母與輪轂法蘭接觸面直徑，可根據(jù)螺F 1Fc1c2c2——被連接件剛度。

(3)

母規(guī)格從相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中查取D0——葉根軸向孔直徑Eb——玻璃鋼的彈性模量式表明螺栓的總拉力為工作載荷與被連接件式則表明螺栓總拉力等于預(yù)緊

3.2.

工作載荷分析葉輪旋轉(zhuǎn)過程中，葉根螺栓組中的受力大小和方度相關(guān)。的作用。3.1.螺栓及被連接件剛度分析螺栓剛度c1：

4以看出，葉根連接部分主要承受葉根支座翻轉(zhuǎn)力矩F0作用下雙頭螺桿總變形等于光桿段變形l與螺紋段變形l1之和，即：

MG從圖4可知：

的作用。lll

F0

MTLTLTL

TL1 2 c ES ES

G 11 22 33 44πd2

1 g1 g2πd2

RGT1T2T3T4上式中：S11，S22，合并簡(jiǎn)化得：4 4ld2ld2ld2）1 1 2 21

上式中，T1~T4為靜力測(cè)試中加載的等效載荷，在本文中顯示僅為說明原理，螺栓靜強(qiáng)度計(jì)算中不涉及，M、R值由葉片設(shè)計(jì)載荷分析結(jié)果直接給出。G G、d1S2d12——雙頭螺桿螺紋段有效長(zhǎng)度、截面面積、螺紋中徑，Eg——鋼的彈性模量，Eg206GPa。

MG4O′-O′下側(cè)rn(n一般為偶數(shù)360ic2：

的距離rirsinn。根據(jù)翻轉(zhuǎn)力矩作用時(shí)的靜力平被連接件是指葉片根端玻璃鋼和輪轂法蘭，同t等于根端玻璃鋼的壓縮變形與主機(jī)輪轂法蘭的壓縮變形

衡條件及拉伸螺栓變形量與其中心至O′-O′軸的距離i3nrrO′-O′4 iF F t2

之和[2]，即：

[4]MmaxRM 4T1 T2 T3 RM 4G GFigure4.AdditionalloadsoftheloadincrementsfortestMinflapwise圖4.靜力測(cè)試揮舞工況下葉片受力簡(jiǎn)圖FMmax

MGrr2r2r2

MGrr2

以上為保證葉片在工作載荷作用下不產(chǎn)生打滑1 2 n i令360，上式中：nr2r2r2r2

和結(jié)合面不出現(xiàn)縫隙的最小剩余預(yù)緊力，在實(shí)際設(shè)計(jì)F0.6~1.0F選取，考慮到F0.9~1.0F選取，即：i 1 1 n

FKsF

(5)r2sin2sin2sin2

Ks——預(yù)緊力系數(shù)，Ks0.9~1.0。r2 sincosn12n

sin

3.4.F0 故，螺栓工作載荷

將(4)、(5)代入(1)得：Mr

1KsMGr

(6)FFMmax3.3.剩余預(yù)緊力分析

Gir2i

(4)

3.5.

0 r2i螺栓預(yù)緊力F'分析i預(yù)緊力是葉根連接螺栓靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的一個(gè)重要在翻轉(zhuǎn)力矩作用下，為保證結(jié)合面間不出現(xiàn)縫隙，必須滿足以下條件：F0[5]。作用下，螺栓受到橫向力的F保證結(jié)合面之間不產(chǎn)生打滑。葉根連接螺栓直徑相根據(jù)靜力平衡條件得：

F

fRG

FKfRG ss ss

失效，引發(fā)嚴(yán)重的主機(jī)失效事故。將(3)、(4)代入(2)得：Kf——摩擦力可靠性系數(shù)，——葉根端面與輪轂法蘭摩擦系數(shù)。法蘭摩擦系數(shù)。

FKc21 2 c1 2

FKc21 2c1 2

MGrir2i

(7)3.6.MT分析與被連接件支承端面間的摩擦力矩需對(duì)螺栓施加擰

上式中：——許用應(yīng)力s。Ss——螺栓屈服強(qiáng)度，葉根連接采用10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓，s940MPa。。擰，摩擦正壓力按螺栓的總拉力M的計(jì)算公式如下：T

F0計(jì)算。擰緊力矩

4.2.預(yù)緊應(yīng)力計(jì)算d F d3d

葉根螺栓安裝擰緊時(shí)，螺栓總拉力即為預(yù)緊力，MFtgtg

2 0w 0T 0 v2 3

d2d2

預(yù)緊應(yīng)力：w 0 j—

4Fc c c c

4MGrK c2 0—螺母與被連接件支撐面件的摩擦因數(shù)，d——被連0

j πd2

πd2r2s

cc1 21 2葉根螺栓靜強(qiáng)度分析4.1.應(yīng)力計(jì)算TF0Mσ0和扭應(yīng)力T分別計(jì)算如下：T

一般高強(qiáng)度螺栓連接j0.5~0.8s，對(duì)于葉j0.7~0.8s進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)論葉根螺栓連接靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)葉片葉根的工c0 πd2cdc——應(yīng)力危險(xiǎn)截面直徑，葉片雙頭螺桿的中間光桿截面直徑小于螺紋底徑，故dc取螺桿的光桿直徑16Ftgtgd2

形協(xié)調(diào)條件，計(jì)算葉根螺栓最大工作載荷；根據(jù)拉T

0 v2cπd3c

(8)

件和被連接件的剛度。

上式中：

tg1tg1Pπd2

葉根螺栓靜強(qiáng)度應(yīng)滿足01.27，預(yù)緊應(yīng)力應(yīng)按較高應(yīng)力水平設(shè)計(jì)，應(yīng)達(dá)到0.7~0.8s。P——螺距，d2——螺紋中徑。v