大型风力机叶根载荷特性及联接设计研_究学位论文(编辑修改稿)

大型风力机叶根载荷特性及联接设计研_究学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

年风电设备制造企业排名前五的企业为丹麦 VESTAS、美国 GE WIND、中国华锐、德国 ENERCON、中国金风，占据了国内外 %市场份额。 [7]丹麦 VESTAS 已在全球 65 个国家和地区安装了 4 万多台风机，截至 20xx 年末，丹麦 VESTAS 全球总装机容量超过 万兆瓦。 丹麦 VESTAS 的风机遍布中国 13 个省区，并依托天津生产基地，携 2兆瓦， 3 兆瓦风机进军中国海上风电市场。 美国 GE WIND 是世界主要的风力发电机供应商之一，于 20xx 年进入风电业务领域，截至 20xx 年底，装机总量排名全球第四。 美国 GE WIND 风电产品装机容量在 兆瓦到 兆瓦之间，都具有变速变桨距运行的特征，配置 独特的电子控制装置，不仅能够用于陆上风电场，还能用于海上风电场。 目前在中国的销售份额已达到 20%。 [7]在全球排名前列的风机制造商中，德国的企业不容忽视，他们以其精良的制造技术在世界市场上占有一席之地，德国的 ENERCON 是目前德国最后的风机制造企业，市场主要在德国本土，占市场份额 60%。 至今未涉足海上风电市场。 丹麦 RASIO实验室主要致力于风能领域中的 风力发电气象学，空气动力学模型，优化和降低成本，风力发电能源系统，新的概念，部件和材料及海上风力发电的研究与开发。 当前国外风电市场上的主力机型是 , 20xx 年全世界新装机组的单机平均功率为 兆瓦。 20xx 年全世界兆瓦级的风电机组当年装机容量占到了总装机容量的 %，单机容量逐步增大已成为国际风电市场发展的必然趋势。 [8] 国内风电发展现状 从 20xx 年以来，我国风电装机容量年均增长率达到 70%以上。 到 20xx 年底，全国风电建设总容量为 2268 万千瓦，已并网运行容量为 1767 万千瓦 ，总吊装容量达到 2412 万千瓦。 中国 20xx 年风力发电新增装机超过 20xx 万千瓦，截至 20xx 年底，累计装机容量超过 4500 万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一。 [5]20xx 年中国风电的主要大事：风电实现并网发电量较大增长，国网辖区风电并网装机达到 2826 万千瓦；海上风电项目开始起航，东海大桥风电场风电机组全部并网发电；单机容量不断增大，华锐 5 兆瓦风电机组正式出产等。 中国风能产业正在以全球最高的发展速度创造着辉煌。 [5]20xx 年国家能源委员会成立，把能源发展战略决策纳入国务院层面进行考量，《国务院关于加快 培育和发展战略性新兴产业的决定》，使风力发电的整体创新能力和产业发展达到世界领先水平；《可再生能源法》（修正案）于 20xx 年 4 月 1 日开始实施，使风力发电在产业指导与技术支持、推广与应用、政策与经济激励的具体操作上有法可依，风电从此步入理性发展阶段。 但是，像所有高速发展种的行业一样， 20xx 年，前进中的风能产业也遇到了大大小小的问题，由于高速发展和基础不牢造成的问题。 20xx 年 10 月 12 日，华锐风电科技集团股份有限公司正式宣布，由其自主研发、并拥有全球自主知识产权的 5 兆瓦风电机组正式出产，这是我国首台 5 兆瓦风 电机组。 与此同时， 6 兆瓦风电机组的研发工作发展顺利，将于 20xx年上半年出产。 中国的风机设备产能迅速增长，其产业集中度进一步提高。 如今国内制造 商已经占据中国供应市场的超过 85%，并开始出口海外。 尽管中国已经有一套比较健全的风机制造供应链，包括几乎所有主要部件的制造生产基础设施，但是中国某些关键零部件还依赖进口，同时中国也缺乏完善的辅助服务体系，例如认证机构、基础研发。 20xx 年北美的装机容量有显著下降，美国年度装机容量首度不及中国；多数西欧国家风能发展处于饱和阶段，但风能产业在东欧国家得到显著发展；非洲风能 发展主要集中在北非。 20xx 年风电设备制造企业排名前五的企业为丹麦 VESTAS、美国 GE WIND、中国华锐、德国ENERCON、中国金风，占据了国内外 %市场份额。 [6] 叶片载荷计算 目前 ,世界最长的复合材料风力机叶片是丹麦 LM 公司生产的，其长度已达 61． 5m，单片重约 18t，从而对叶片结构的强度、刚度、重量等的设计提出了更高的要求。 风力机叶片的结构分析作为风力机叶片结构设计的技术基础之一，开始在大功率风力机叶片结构的校核与优化设计中发挥着 El益重要的作用。 [9]风力机叶片的载荷分布也不规则 ，求取复合材料风力机叶片结构的解析解非常困难，所以有限元法开始在风力机叶片结构分析中广泛应用。 风力机运行环境中湍流、阵风、偏航气流以及塔影效应等恶劣运行风况，使叶片承受变化很快的波动载荷或持续时间较短的极限载荷。 波动载荷、极限载荷往往是叶片，甚至风电机组整机破坏的直接原因。 风轮叶片的受力情况是非常的复杂的，一般可以分为风压力和离心力。 风压力会使叶片产生剪应力；离心力会使叶片产生拉应力。 [8] 叶根联接研究现状及存在问题 风力发电机组由叶片、轮毂、主轴、机舱和塔筒等组成，为了加工和运输方便，塔筒一 般由 3 到 4 段圆柱筒或者锥形桶通过法兰联接而成。 因此，风力发电机组各大部件的联接都是用了高强度螺栓进行联接的。 螺栓联接受力非常的复杂，是风力发电机机组各部件联接中最容易失效的地方。 随着机组的大型化，叶片更长更柔，采用根部打孔安装，叶片与轮毂或者变桨轴承的螺栓联接成为承受交变载荷最复杂的，工况最恶劣的联接部位。 现场统计数据显示，由于叶根联接螺栓断裂导致叶片事故的情况相当严重。 为 提高风力发电机组运行的稳定性，重点考虑螺栓联接部分 ，极力提高联接的有效性和持久性对整个机组 和使用寿命有重要意义。 [9]叶根螺栓联接 及螺栓 疲劳断裂 如图 1 13 所示： 图 12 叶根螺栓联接 图 13 叶根螺栓断裂 单就螺栓联接技术而言是一门成熟的技术，但对应用于风力发电机组这一典型的疲劳机的螺栓联接分析研究目前还比较少。 同济大学马人乐等 [9]人对塔筒反向平衡法兰的螺栓联接进行了有限元分析，该分析考虑了弯矩载荷对螺栓的影响，高强度螺栓施工使用的是液压张拉器张拉反向平衡法兰的螺栓，螺栓预紧力施加比较准确，螺栓承载设计的可靠性较高。 重庆大学何玉林等 [10]人对风力发电机组轮毂和叶片轴承连联接螺栓进行了有限 元分析，该分析仅在较少工况下对螺栓、轮毂和轴承所受应力进行了分析。 李军等人 [11]对风力机塔筒法兰螺栓连接组，在机组启动、正常运行和极端湍流风等三种工况下进行了接触有限元分析，并且得到了每个高强度螺栓的最大应力值。 一般情况下，螺栓的强度是由受拉螺栓联接的强度决定的，螺栓的强度主要包括了静强度和疲劳强度。 为了保证螺栓联接既不会在最大载荷下发生静强度断裂，也不会在循环载荷下发生疲劳破坏，就必须对螺栓联接进行静强度和疲劳强度校核。 郑永利等人 [12]在考虑材料、结构、螺纹类型、尺寸参数、制造和装配工艺等影响螺栓强 度的因素下，研究了材料、结构及螺纹部分满足要求的情况下，螺栓光杆部分的直径大小对螺栓强度的影响 .[12] 而针对风力发电机组上使用的高强度螺栓，对螺栓结构进行深入研究的目前更少。 但对螺栓联接中，如何提高疲劳强度的研究，尤其是研究改善螺纹牙载荷分布不均，降低螺纹牙根部应力集中是提高螺纹联接疲劳强度的一个重要内容，国内外学者对此做了大量的研究。 为了解决螺纹牙上的载荷分布不均问题，提高螺栓联接疲劳强度主要通过以下方法[13]：变径螺纹副，把螺纹牙根到中径的距离进行改变，以确保各个螺纹牙受力基本趋于一致，对螺母结构 进行改动优化，譬如采用悬置螺母、内斜螺母和环槽螺母等，以减小螺栓旋合段本来受力比较大的几圈螺纹牙的受力面。 以上的这些措施虽然在一定程度上改善了 螺纹的受力状态，但是并没有完全解决螺纹载荷分布不均的问题。 文献 [14]通过改变外螺纹齿根到齿中径的距离，开发了一种等载特种螺纹结构，文献 [15]通过对螺母螺纹牙单侧面进行切削，确保螺母的螺距不再相等，进而使得每圈螺纹受力趋于相等或者近似相等。 这两种方法虽然能够实现螺纹牙的均匀受力，但是由于对螺纹的结构形状进行了一些改动，一定程度上减弱了螺纹牙的强度，对螺栓联接强度会有 一定的影响。 文献 [16]在分析螺纹联接弹性变形的基础上，对一种新的螺纹配合方式进行了深入的研究，将微锥内螺纹与同标准外螺纹进行螺纹联接。 从计算结果可以发现微锥内螺纹与标准外螺纹的配合确实大大地改善轴向力在旋合各圈螺纹牙间的分布，很好的降低螺纹根部应力，进而提高螺栓联接的联接强度，提高了高强度螺栓连接的可靠性。 技术路线及主要内容 技术路线 为了能很好的实现工作内容，本研究中采用 CAD/CAE 结合技术，将 ProE（三维建模软件）、 GH Bladed(风机性能和负载的设计 软件 )、 ANSYS（有 限元分析软件）等结合起来进行协同仿真，研究技术路线如图 14 所示。 图 14 技术路线 主要内容 本文通过对风特性的分析及对自然风的有效模拟，得到较为真实的风模型 —— 风文件。 将此风文件加载到 风力机叶片模型上可得到一系列载荷数据，经处理得到各截面及各个方向上的载荷曲线及数据列表。 然后，将软件计算得到的叶片载荷与风场实际得到的试验数据进行对比分析，确保叶片载荷数据的真实和准确。 结合风力机在实际运行的过程中叶根联接失效比较严重这一现状，对原有联接螺栓重新设计改进，以降低叶根螺栓发生断裂失 效的几率，提高联接的可靠性，改善叶根联接的运行状况。 要达到上述目的，须完成的主要工作有： 1. 基于自然风特性，由空间某一离散点及多个相关点的风模拟，得到理论上较为合理的描述三维风的相关函数。 借助 TurbSim 风模拟器，对风特性明显的湍流风进行模拟。 其作法是 通过逆傅里叶变换 (IFFT)将 频域中的风特性转换成时域中的时间序列值。 最后，生成动力仿真所需的全域背景风文件或轮毂高度风文件。 TurbSim 中的 Kaimal 模型对参考高度为 80m,平均风速为 ，湍流因子为 的湍流风进行时间历程 仿真，得到 90s 内的风向变化及三个方向上的风速变化曲线，并对仿真结果加以分析； 3. 根据技术要确定叶片的基本参数，并用相关软件对叶片载荷计算与载荷分布进行研究。 4. 将理论计算得到的数据与风场试验测得的数据进行对比分析，验证理论计算的数据的合理性。 5. 基于叶根载荷的复杂性，且叶根螺栓连接在实际运行过程中出现的失效，对 风力发电机叶根联接的螺栓的失效类型进行分类，通过对叶片叶根螺栓作断裂螺栓特征分析及断口信息分析研究，在理解螺栓失效的原因的基础上，提重新设计了一款小锥度新型的高强度螺栓，以达到 降低螺纹啮合第一扣螺纹根部的应力集中，提高叶根联接的可靠性。 并将设计的新型螺栓与原有的螺栓进行有限元分析对比，验证新型螺栓的优越性。 2 风特性与风模型的建立 风的模拟 [17][18] 如果要想更好的计算出风力发电机组结构上的准确的载荷时间历程，那么正确地输入随时间和空间变化的风场是非常有必要的，此类变化主要包含了湍流、风剪切力及塔架对来风所产生的影响。 空间某一点的风的模拟 一般的风速仪会使用采样频率 1 tsf  对某一点的风速进行测量， t 是指两个采样值之间的时间差，而这里输出的是一系列数字 ( 1, , )iu i N  , 所对应的时间分别是1 , 2 , ,t t t N t       。 总时间为 T t N。 其中，采样频率为 NTsf 。 这样一来时间历程表达如图 21 所示： 图 21 空间某一点离散采样风速的时间历程 想要准确的描述风速的波动，选取三个离散点是必须的，图 21 所示能分 辨的最高频率为 2()2 Nsf Thf  ，而能分辨的最低频率为 1Tlowf 。 若假设所选的信号是具有周期性的，那么可以使用离散傅里叶变换时间历程分解成：    20 1 2( ) c o s s i n ,Nn n n n nn nu t a a t b t T      （ 21） 其中系数为：0 11NiiauN   122c o s ( ) , 1 , , 12NniinNa u i nNN     (22) 122s i n ( ) , 1 , , 12NniinNb u i nNN     （ 23） 2 11 c o s ( )NNiia u iN   (24) 2 0Nb (25) 将（ 21)代入方差  的代数式，可以得到： 2212 2 2 2 21111( ) ( )2 NNN。