周家紅，梁磊

（1.遼東學院信息工程學院，遼寧丹東118003；2.盤錦市建設工程質量監(jiān)督站，遼寧盤錦124010）

【機械與電子工程】

風力發(fā)電機超轉時基礎螺栓受力分析

周家紅1，梁磊2

（1.遼東學院信息工程學院，遼寧丹東118003；2.盤錦市建設工程質量監(jiān)督站，遼寧盤錦124010）

風力發(fā)電機的葉片在超速運轉情況下，會對底座產生較大的拉、剪應力，如果基礎螺栓的數(shù)量或強度不足，將會造成發(fā)電機倒塌。根據(jù)呼和浩特某風力發(fā)電機倒塌實例，結合控制室的監(jiān)測數(shù)據(jù)及相關資料，利用量綱法，通過風荷載計算得到彎、剪綜合作用下螺栓在額定轉速與倒塌時的實際應力。最終的拉、剪強度綜合校核表明了該分析方法與實際情況的高度吻合。

風力發(fā)電機；葉片；轉速；拉剪應力；量綱法；螺栓

圖1 風機倒塌

大型風力機組塔架高度一般都在幾十米以上。由于螺栓連接處受力復雜且惡劣，塔架連接部分成為最易失效的地方〔1〕。因此采用的高強緊固件必須保證在各種復雜的環(huán)境、受力狀態(tài)下各部位的可靠連接〔2〕。但盡管如此，由于轉速失控達到飛車狀態(tài)，導致整機倒塌的事故也有發(fā)生。文章將以呼和浩特某發(fā)電機倒塌事故為例（見圖1）避免單一考慮軸向載荷或傾覆力矩〔3〕，或是靜、動載荷分開〔4〕，利用量綱法，通過風荷載計算進行彎、剪綜合考慮，分析其斷裂原因。

1 塔身風荷載的初步計算

圖2為風機示意簡圖，如圖所示當把塔身受風面作為整體進行受力分析時，其重心位于Y=29.23 m處；當把塔身受風面分成四段，其重心分別位于Y1=7.87 m、Y2=23.86 m、Y3=39.84 m、Y4=55.39 m處。

圖2 風機示意簡圖

根據(jù)文獻［5］，風振系數(shù)βz計算過程中，涉及參數(shù)取值如下，從而得表1各點處風振系數(shù)的計算值。并由此得到塔身按照分段與整體計算的風荷載與彎矩，表2中μz為風荷載體形系數(shù)。

Τ1——結構自振周期，取0.757 s；

W0——基本風壓，取0.55 kN·m-2；

ξ——脈動增大系數(shù)，取2.155；

ν——脈動影響系數(shù)，取0.88；

μz——風壓高度變化系數(shù)；

φz——振型系數(shù)。

表1 風振系數(shù)計算值

表2 塔身風荷載與彎矩的初步計算值

2 塔身風荷載的量綱法應用計算

由控制室的資料可知，葉片轉動時在單位時間內吸收的有效風能為：

而塔身在單位時間內阻止風的前進，由此產生的能量為：

ρ——空氣密度，考慮到呼和浩特地區(qū)空氣較干，取1.1 kg·m-3；

α——貝茨系數(shù)，最大值為0.593，正常使用中為0.346；

n——轉速，額定轉速為20 r·min-1；

A1——葉片的掃風面積，3 904 m2；

A2——塔身的擋風面積，206.84 m2；

V1——葉片轉動中心處的風速，m·s-1；

V2——塔身重心處的風速，m·s-1。單位時間內，由E=Frω=FV以及E＝1Jw2=

F1、F2——葉片轉動方向迎風面、塔身迎風面所受的風荷載，kN·m-2；

根據(jù)文獻[5]中的風荷載計算公式：F=WKA=βZ·及由量綱法可得：

βz1、βz2、βz0——葉片、塔身、底段重心處的風數(shù)，根據(jù)以上計算為2.054、1.403、1.057；

μs1、μs2、μs0——葉片、塔身、底段重心處的風荷載體形系數(shù)，查表2取為1.1；

μz1、μz2、μz0——葉片、塔身、底段重心處的風壓高度變化系數(shù)，根據(jù)以上計算為1.80、1.41、1.00；

V0——底段重心處風速，取風機正常工作風速7.3 m·s-1（認為處于標準高度，主要考慮不利因5.37F2。由文獻[5]中可推出，當基本風壓為50年一遇時，風速為31.6 m·s-1，此時額定風速為12.5 m·s-1（認為處于標準高度，主要考慮不利因素），塔身四段的風荷載以及彎矩應乘以，即0.156。在此脈動增大系數(shù)ξ只考慮基本風壓（按照50年一遇的情況考慮），故風振系數(shù)βz認為無變化。結果見表3。取F2為把塔身受風面分為四段后的合力39.66 kN，則F1為212.97 kN。素）。

把數(shù)值代入式（5），可求得額定轉速時F1為

表3 塔身風荷載與彎矩的額定計算值

3 螺栓受力計算

圖3 風機底座螺栓布置圖

風機底座螺栓共120個，由相關的資料可知葉片重心至葉片根部距離為1.053 m，風輪傾角為4°。經受力分析可知，葉片因掃風所受彎矩在塔身方向分為F1tgθ×63.1×cos4°，再根據(jù)平行四邊形法則，底座處螺栓整體所承受的彎矩為：

M1——風荷載在垂直葉片轉動方向對底座產生的彎矩，kN·m；

M2——風荷載在葉片轉動方向對底座產生的彎矩，kN·m；

θ——葉片與其轉動方向夾角，為使M1達到最大值，其為45°；

M——合彎矩，kN·m

底座螺栓共同承受風荷載產生的剪力，單個螺栓受剪力為：

忽略重力荷載偏心作用（力臂較短，力矩對比很?。?，則底座螺栓以直徑為受力對稱。半圓的合力點距離圓心0.318 RS處，RS為底座圓心至螺栓中心距離，經計算為1.92 m。單個螺栓受拉力為：

4 斷裂原因分析

由文獻［6］得知，高強度螺栓承壓型連接不應用于直接承受動力荷載的結構，故僅考慮摩擦型連接。高強度螺栓摩擦型連接中，抗剪承載力設計值與 抗拉承載力設計值為：nf——傳力摩擦面數(shù)；

μ——摩擦面的抗滑移系數(shù)，對于本文的底座基礎Q345E鋼，噴砂后涂漆，μ為0.40；

P——一個高強度螺栓的預拉力，對于本文的10.9級M30螺栓，為355 kN。

此時情況正常，底座螺栓未斷裂。根據(jù)控制室的提供資料，當日塔身倒塌時葉片轉數(shù)約為50 r/min，為以上計算轉數(shù)的2.5倍。由式（4）、（5），經推導，得到式（9）：

把以上數(shù)值代入其中，有：

故在反復荷載（即刻風速為9 m·s-1）作用下，5.37F2=7.65F2?？紤]到最大風速接近額定風速，且反復荷載作用下的應力疲勞，F(xiàn)2仍取39.66 kN，則F1為303.40 kN。

M1=47.94+213.69+465.57+715.89+303.40×tgθ 63.1×cos4°=20 540.90 kN·m

M2=303.40×1.053=319.48 kN·m

可以看出，這種情況下已經不滿足受力穩(wěn)定條件，故螺栓拉斷。且從現(xiàn)場觀觀察，見圖4，螺栓斷裂情況為典型的拉剪綜合破壞。由于葉片轉動時的有效能量很大，轉速較快，且重心與塔身重心高度相比很大，故對底部產生很大的彎矩和剪力，導致螺栓出現(xiàn)拉剪綜合應力超過自身強度，最終破壞。

圖4 拉剪作用下螺栓斷裂

5 結語

風能作為可再生的清潔能源，應用越來越廣，其設備風力發(fā)電機的價格昂貴。根據(jù)本文的利用量綱法，通過風荷載計算、校核彎、剪綜合作用下螺栓的實際應力，為現(xiàn)場判斷提供新方法，可明確轉速極限，從而在事故發(fā)生前采取控制措施，避免機械受損、倒塌帶來的巨大經濟損失，為國家的經濟建設保障切實利益。

［1］李軍，楊潔明，高俊云.大型風力機組塔架螺栓連接應力分析[J].鋼結構，2011，26（7）：22-25.

［2］李建軍，陳艷.風電行業(yè)用高強緊固件的潤滑與緊固[J].機械工程師，2001（3）：128-130.

［3］陳真，杜靜，何玉林，等.采用VDI2230的風力發(fā)電機組塔筒法蘭連接處螺栓強度分析[J].現(xiàn)代制造工程，2011（5）：125-129.

［4］鄒廣平，張宸，曹揚，等.風機葉片固定螺栓拉伸實驗及強度計算[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版）2010，29（6）：1110-1112.

［5］中國工程建設標準化協(xié)會.建筑結構荷載規(guī)范GB50009—2001[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［6］中國工程建設標準化協(xié)會.鋼結構設計規(guī)GB50017-2003 [S].北京：中國計劃出版社，2003.

（責任編輯：龍海波）

Stress on anchor bolts of wind-driven turbine with excessive revolution

ZHOU Jia-hong1，LIANG Lei2

（1.School of Information Engineering,Eastern Liaoning University，Dandong 118003，China；2.Panjin Construction Engineering Quality Supervising Station，Panjin 124010，China）

The blades of wind-driven turbine with excessive revolution may exert more tensile and shear stress on the foundation.If the anchor bolts have no enough number or strength，the turbine may collapse.In this study,the reasons for the collapse of a wind-driven turbine in Hohehot were investigated.The practical stress of the anchor bolts under the tensile and shear stress when the blade rotated at the rated speed and when the turbine collapsed was calculated by dimensional method according to the wind load.The comprehensive check of the tensile and shear strength show that the results identical to the practical situation.

wind-driven turbine；blade;revolution；tensile and shear stress；dimensional method；bolt

TU513；TU13

A

1673-4939（2017）02-0108-05

10.14168/j.issn.1673-4939.2017.02.07

2016-09-07

2013年遼東學院博士科研啟動項目

周家紅（1976-），女，遼寧丹東人，博士，講師，研究方向：安全技術及工程，安全管理及評價，風險評估。