风电叶片叶根连接及预埋螺栓法兰设计探讨

许 蕾，蒋成益

(天津东汽风电叶片工程有限公司 天津300480)

风电叶片叶根连接及预埋螺栓法兰设计探讨

许 蕾，蒋成益

(天津东汽风电叶片工程有限公司 天津300480)

对风电叶片采用的T型螺栓和预埋螺栓叶根连接方式进行了介绍，并对两种方式的优缺点进行了分析，随着功率不断增加，预埋螺栓技术优势明显；给出了两种预埋法兰盘设计方案，对两种方案的设计和安装进行了详细阐述，探讨的内容为风电叶片叶根连接设计提供参考。

风力发电 叶根连接 T型螺栓 预埋螺栓 预埋法兰盘

1 叶片叶根连接方式介绍

风力发电叶片需要通过叶根螺栓连接到主机上，连接方式主要有 T型螺栓和预埋螺栓两种技术。随着风电市场的发展，预埋螺栓技术越来越受到重视。下面介绍这两种叶根连接方式。

1.1 T型螺栓连接

叶片最早采用的叶根连接方式，由长螺栓(平行叶片轴向)和横向螺栓(垂直叶片轴向)组成。这种连接方式需要在叶片叶根处钻轴向和径向孔，如图1所示。

图1 T型螺栓叶根连接Fig.1 Root connection by T bolt

这种方法的优点是：设计上，通过有限元分析可以准确模拟出极限载荷下的受力情况，在进行第三方认证时不需要做部件试验，缩短了认证时间并降低认证费用。风电行业初期，叶片功率较小，叶根载荷小，且订单充足，具备成本优势；叶根连接是叶片至关重要的部位，采用T型螺栓方式工艺简单，质量容易控制。

这种方法的缺点是：需要配备专门的钻孔设备，增加设备投入费用，但当订单量较大时可以摊薄设备投入，但钻孔占用车间场地不可避免；叶片脱模后需进行打孔工序，产出效率相对低下；相邻叶根螺栓间距较大，导致叶根螺栓数量受限，叶根能够承受的载荷较低；叶根切除和打孔产生诸多废料，增加了废料处理成本。

1.2 预埋螺栓

预埋螺栓连接由长螺栓和预埋螺栓套组成，如图2所示。叶片叶根铺层时，将螺栓套用金属法兰盘精确定位在叶片根部，螺栓套表面加工成螺纹状，螺纹凹槽用粗纱缠绕填充，相邻螺栓套之间用预制玻璃钢、楔块填充，螺栓套远离叶根的端面采用 PVC芯材平滑过渡到较薄的壳体，螺栓套与玻璃钢一起灌注。

图2 预埋螺栓叶根连接Fig.2 Root connection by embedded bolt

预埋螺栓连接优点：在相同节圆直径下，该方式可以分布更多轴向螺栓，因而可以承受更大载荷；取消后处理钻孔环节，节约车间场地，减少废料，提高了叶片产出效率；叶根采用预制楔块或者可以采用预制叶根，降低叶根树脂未浸透风险，同时提高了生产效率。

预埋螺栓连接劣势：预埋螺栓套价格较高，相比 T型螺栓，单支叶片成本较高，但对于订单量小，考虑到无需打孔设备投入，预埋螺栓更有优势；对生产操作人员要求较高，必须检查每支叶片生产时叶根金属法兰盘平面度是否满足要求，防止漏气；存在定位螺栓断裂风险，一旦断裂，螺栓取出非常困难。

1.3 小结

通过上面的对比可以看出，两种连接方式各有优劣。对于叶片功率不大，并且叶片订单数量较大的情况，T型螺栓具有一定优势；随着功率不断增加，叶片根部需要承受更大载荷，预埋螺栓技术优势明显，虽然短时间内增加了叶片成本，但从长远来看，预埋螺栓性能更稳定，降低了叶根失效风险，延长了叶片使用寿命。

2 法兰盘设计及安装

法兰盘用于精确定位预埋螺栓在叶根的位置，在灌注过程中不允许发生移动，而且必须保证叶根的平面度达到要求，即不超过1,mm。因此，法兰盘的设计非常关键。目前法兰盘的设计主要分为两类：一类为改制现有模具，将叶根钻孔工艺更改为预埋螺栓工艺；另一类为新设计模具，叶根一开始就采用预埋螺栓工艺。

2.1 法兰盘设计

法兰盘设计目标主要包括：螺栓套中心沿叶根节圆柱均匀分布；螺栓套外端处于同一平面内，平面度满足设计要求；螺栓套轴线与叶根圆柱轴线平行；法兰盘安装及拆卸方便。设计需要围绕这几个点展开：

①圆度分布：由于叶片压力侧(PS)和吸力侧(SS)分别成型，然后合模成一个整体，因此法兰盘亦分成两半，为了保证合模后螺栓套仍旧分布在一个节圆上，必须在法兰的前缘(LE)和后缘(TE)分别设计限位块。

②平面度：叶片根部与轮毂对接，如果平面度不满足要求，相互之间的干涉会产生严重后果，因此对法兰盘靠近螺栓套一侧必须做平面度要求，通过定位螺栓将螺栓套仅仅贴紧法兰盘表面。

③同轴度：长螺栓旋入螺栓套，倘若螺栓套与叶根圆柱段同轴度不满足要求，叶片将存在无法安装到轮毂的风险，而且无法保证叶片安装姿态正确，影响发电量。

④工艺可行：由于每次铺层和脱模过程都需要对法兰盘进行安装和拆卸，因此法兰盘设计时必须考虑人工操作方便。

当前，以底部为支点，翻转法兰盘，然后锁紧法兰盘前后缘的方案是比较常见的，经过实践，也证明该方法确实可行，满足上面提到的各项目标，常用的一种法兰盘如图3所示。

图3 预埋法兰盘Fig.3 Embedded flange plate

2.2 法兰盘安装

法兰盘的安装对于叶片叶根完成质量至关重要。采用预埋螺栓技术时，在模具设计、钢架设计、法兰盘安装设计等方面都必须提前做好配套准备。

①模具叶根起始位置即为叶片起始位置，实践中，为了降低模具整体高度，模具姿态相对叶片姿态一般会有个小的转角，模具叶根端面相对水平面所成角度与之相同。

②螺栓套由金属法兰精确定位，而金属法兰通过连接机构固定在模具钢架上，因此模具钢架必须具备足够的刚度和强度，端面钢架的设计必须考虑到连接机构的安装位置。

③预防焊接变形：在法兰盘安装过程中，底部支撑需要进行大量焊接，但法兰盘要求精确安装，焊接变形是法兰安装需要解决的难点之一，为了克服这一点，将底部支撑设计成螺栓固定的形式，可以取得良好效果。

3 总 结

阐述了 T型螺栓和预埋螺栓两种叶根连接方式，对其优缺点进行了分析，对于叶片功率不大，并且叶片订单数量较大的情况，T型螺栓具有一定优势；随着功率不断增加，预埋螺栓技术优势更明显，从长远来看，预埋螺栓性能更稳定，降低企业售后压力。预埋法兰盘的设计必须保证平面度、同轴度以及工艺要求，其安装对叶片质量至关重要，需要设计必要的辅助工装。■

［1］ 吴胜军，史俊虎，裴鹏宇. 风电叶片叶根连接方式概述[J]. 玻璃钢/复合材料，2014(7)：85-87.

［2］ 郑永俐，王盼涛，陈鲁冀. 风电叶片叶根联接螺栓拧紧力矩的计算方法[J]. 风能，2011(9)：66-68.

［3］ 乐韵斐，钱根，顾超. 大型风机叶片法兰轴孔自动对接系统的研究与分析[J]. 机电一体化，2012(1)：36-39.

On Wind Blade Root Connection and Embedded Flange Design

XU Lei，JIANG Chengyi
(Tianjin Dongqi Wind Turbine Blade Engineering Co.，LTD.，Tianjin 300480，China)

Two types of wind blade root joints including T bolt and embedded bolt were introduced and their advantages and disadvantages were discussed respectively. It points out that the embedded solution is more favorable with the increasing of power rate. Two design schemes of the embedded metal flanges were presented and the design and installment were elaborated. It may serve as useful reference to blade root connection design.

wind power；root joint；T bolt；embedded bolt；embedded flange

TK83

A

1006-8945(2015)07-0042-02

2015-06-10