风机变桨轴承螺栓断裂问题的探究

风机变桨轴承螺栓断裂问题的探究

张文俊，宋佳鑫，唐士林，刘海泉，王孟南，刘浩，石国栋，朱美娇

中广核新能源内蒙古分公司 内蒙古呼和浩特市 010000

摘要：变桨系统在风力机的运行中起着非常重要的作用。变桨系统可以实现风能的最佳利用，跟踪风能的最佳利用系数。但可变螺旋桨系统是风机系统报告故障较多的部分，处理起来非常麻烦。

关键词：变桨轴承、螺栓断裂、双头锥型螺栓

一、概述

近年来伴随着新能源风力发电开发规模逐年扩大，全国装机容量越来越大，风力发电在国家电力市场中的分量有着举足轻重的地位。与之相匹配的风电企业设备管理水平有待提高，设备出厂工艺、质量好坏，运行过程保养维护，极端恶劣气候环境的影响对风力发电机组安全运行造成了很大的安全隐患。所以设备安全隐患的发现、消除对机组安全稳定运行越来越重要。针对金风82/1500型风机变桨轴承螺栓断裂安全问题的原因分析、解决方案和措施实施、评审、验证进行了探讨，最后做了总结和后续计划 。

二、预期目标

目标设定背景：截至2019年底风场排查统计，共发现57次风机变桨轴承断裂情况，其中不包括单支叶片同时断裂多颗螺栓情况。目标设定：将风电场的33台金风GW82/1500型风机变桨轴承螺栓断裂高风险区域的螺栓全部更换为锥形双头螺栓M30×315-10.9型，保障风机安全稳定运行。

三、整体攻关思路

1.问题描述。风电场2009年8月到2019年12月使用双头螺柱（M30×310-10.9），一共发生57次轮毂与变桨轴承连接螺栓断裂，断裂螺栓的相应位置见图1。

图1变桨轴承螺栓位置参考图 图2断裂螺栓长度图 图3断裂螺栓俯视图 图4断裂形貌图 图5断口模拟图

2. 原因分析。现场分析到如下相关信息：断裂螺栓长度见图2，断裂螺栓整体图和形貌图见图3和图4，断口模拟图见图5。

图4为该螺栓宏观断口形貌，同该轴承上次断裂的六角头螺栓一样，参考GW 2SJ1500SS.151-2011金风1.5MW机组变桨轴承轮毂连接螺栓断裂分析报告及处理方案。该断口为平断口，断裂面垂直于螺栓的轴向，属于典型的疲劳断口。该断口，见图5，可分为疲劳源区(I区),疲劳裂纹扩展(II区)和断裂区(III区)。裂纹在I区产生后,在交变应力作用下向II区扩展,因为裂纹忽张忽合,断口有效截面积减小,当截面上的应力大于材料的抗拉强度时,出现III区。从断裂面积看，III区面积大于II区面积，从而证明裂纹在扩展过程中受到高应力的作用而导致快速断裂，所以该双头螺柱属于高应力疲劳断裂。①高应力疲劳断裂原因剖析。导致双头螺柱高应力疲劳断裂的检查项目及检查内容见表1。

表1高应力疲劳断裂的检查项目及检查内容 表2断裂螺栓周边螺栓信息

②螺栓检测。根据QJF2CGJGJ-2008金风系列风力发电机组紧固件技术条件要求和JF11108内蒙四子王旗项目申光变桨轴承螺栓检测报告，申光双头螺柱材质和机械性能满足金风风机要求。由此可排除螺栓生产不合格导致变桨轴承螺栓断裂。③风况及地形。32号机组变桨轴承螺栓断裂时整天大风，平均风速在14m/s以上，机组属于满发状态该机组四周无高坡，主迎风面无明显爬坡风。由此可排除因为风况异常导致本次螺栓断裂。④周边螺栓预留长度。断裂螺栓周边螺栓的露出高度见表2。

根据现有情况，大多数断裂螺栓在变桨支架固定螺栓周边一到二颗螺栓的位置。变桨柜支架螺栓在拧紧螺母后螺纹露出不足一扣，此时，变桨轴承螺栓中间光杆与螺纹起始处与两法兰连接处在同一平面，轴承受力扭曲时会使连接处螺纹受法兰面“啃咬”，这个状态容易导致螺栓在螺纹处断裂。个别机组更换螺栓导致周边螺栓预紧力失衡是导致本次断裂的可能原因之一。变桨轴承与轮毂连接螺栓疲劳断裂是风电领域普遍存在的一个问题，Vestas、GE、Siemens、华锐、明阳都出现过，多家风电主机厂商为此做过大量的理论、仿真和试验研究。研究结果表明，导致变桨轴承螺栓断裂的原因异常复杂，均为多因素耦合所致（如风切变、施工方法、叶片偏载等）。

分析结论：通过对中广核杜伯尔特项目的螺栓生产、装配、运维过程分析，可以得出以下结论：①可以排除螺栓生产质量问题和地形问题造成螺栓断裂。②叶片结冰是导致螺栓失效可能原因之一。③个别机组变桨轴承螺栓安装方法不符合要求是导致螺栓断裂的可能原因之一。④变桨柜支架附近螺栓施拧力矩不均匀是导致螺栓失效主要原因之一。综上所述，由于螺栓安装的方法、安装位置和每颗螺栓受力状况有所差异，都会导致个别螺栓过早的失效。由于个别螺栓先松动后其预紧力下降，附近螺栓所承受的应力幅值上升导致个别螺栓疲劳断裂。

3.措施评审。随着时间的推移，国内投产较早的风电场所面临设备老化的问题日益严峻，风力发电机组中有很多机械装置在运转中逐渐磨损老化，疲劳受损。损坏的原件由于各种原因没有被及时发现，会引起一系列连锁反应，造成设备损坏。近年来因为设备老化、机械损伤等问题带来风机设备飞车、倒塔、火灾事故频发。如桨叶、轴承、轮毂等由机械原件组合的设备由于一个部件损伤往往会带来一系列连锁事件会造成严重的经济损失。那么及时发现隐患、消除隐患就尤为重要。

参考文献：

[1]张华，金风1．5MW风机Vensys变桨系统安全链故障处理.2018.

[2]刘向阳，浅谈金风1.5MW风机变桨轴承螺栓断裂问题的探究.2019.