浅谈风力发电机组叶片螺栓频繁断裂原因及解决方案

浅谈风力发电机组叶片螺栓频繁断裂原因及解决方案

高翔 李晓龙 康世勇

国投哈密风电有限公司 新疆 哈密 839000

摘要 风力发电机组叶片连接的主要方式为螺栓连接，随着时间推移，部分风力发电机组已运行10年时间，陆续出现叶片螺栓断裂等情况。螺栓作为风电机组叶片的重要联结件，发生断裂后严重影响风机运行安全性和稳定性，本文对华锐SL1500型风力发电机组叶片螺栓频繁断裂原因及解决方案进行简单介绍。

关键词：风机叶片螺栓断裂 应力分析 安装工艺；

引言

近年我国新能源产业速度发展，尤其以风力发电产业发展迅速，随着时间推移，部分风力发电机组已投运10年时间，随着设备老化风力发电机组叶片螺栓断裂现象已普遍存在于各风电场，分析叶片螺栓断裂原因，研究可靠措施已成为当务之急。

一、叶片螺栓装配

风电机组叶片材料是由聚酯树脂、胶衣、面层、玻璃纤维织物等材料复合而成的，具有较高的 防雨雪、防沙尘、抗磨损及耐低温的性能。华锐SL1500型机组叶片由54颗高强度叶片螺栓固定于轮毂，螺栓分布情况如下图：

二、螺栓断裂有限元分析

叶根有限元模型 根据《FL-HSN1900DFT&nbsp_变桨轴承》、《LZ43.5-1.5-圆螺母-20110504》、 《LZ43.5-1.5-V2 根部连接图》、《LZ43.5-1.5 双头螺栓》图纸建立叶片根部连接模型。叶根螺栓连接图如图下图所示。

根 据 《 1500.029.0101.02D _LZ43.5_SL1589_HH80_TC S blade loads data-20160728》。叶根最大弯矩为 Mext =5313.5KNm, 叶根最大轴向载荷为 734.1KN。

Fa：有限元模型中，一个螺栓在极限工作载荷作用下的最大力;

Mext：叶根最大弯矩 Mext =5313.5KNm；

Fz：叶根最大轴向力 Fz=734.1KN；

N：螺栓个数（n=54）； d:叶根螺栓节圆直径（d=1.8m）。

正常预紧力工况在螺栓预紧力 360KN时，叶根有限元模型受载荷 232.3KN 时。螺栓在靠近T形螺母处（颈缩处）外侧的应力为756.73Mpa，内侧应力为 685.35MPa。螺栓中间 外侧 715MPa，内侧 618.5MPa。螺栓靠近变桨轴承处（颈缩处），外侧受力 803.97MPa，内侧受力为 682.45MPa。应力结果如下图所示：

螺栓疲劳计算

（1）应力梯度

预紧力 360KN 时，螺栓的应力梯度如下表所示：

螺栓损伤计算 根据上述的应力梯度利用以及Markov矩阵依据Minner损伤公式对螺栓的进 行疲劳损伤计算。螺栓损伤如下表所示。

小结 螺栓的屈服强度为 940MPa，材料安全系数为 1.1，螺栓的许用应力： σ=σ/1.1=940/1.1= 854.5MPa。

(1)在螺栓预紧力 360KN 时，极限工作载荷下，螺栓最大应力为 803.97MPa，小于螺栓许用应力 854.5MPa，满足设计要求；

(2)在螺栓预紧力 360KN 时，20 年寿命范围内，各角度的螺栓疲劳损伤均小于 1，满足设计要求。

三、风力发电机组叶片螺栓应力升高原因

通过上述分析得出叶片螺栓断裂主要原因为螺栓最大应力大于螺栓许用应力，螺栓发生疲劳断裂。而风力发电机组螺栓最大应力升高主要原因有以下几点：

（1）风力发电机组叶片螺栓力矩紧固异常。风力发电机组叶片螺栓力矩紧固不足、偏高、力矩不均都会导致个别叶片螺栓在运行过程中最大应力激增。

（2）风力发电机组叶片根部法兰面异常。风力发电机组叶片根部表面不平整、轮毂轴承表面不平整、叶片法兰不平整、螺栓孔错位均会导致异常区域螺栓在运行过程中最大应力激增。

四、风力发电机组叶片螺栓断裂防范措施

1、定期开展叶片零位复核、螺栓力矩复核，确认机组零位正常，螺栓力矩均衡且符合要求标准。

2、定期开展叶片根部法兰面与法兰间隙测量和检查，确认叶片螺栓法兰面无明显间隙、无透光情况。