风力发电机超转时基础螺栓受力分析

周家红，梁磊

（1.辽东学院信息工程学院，辽宁丹东118003；2.盘锦市建设工程质量监督站，辽宁盘锦124010）

【机械与电子工程】

风力发电机超转时基础螺栓受力分析

周家红1，梁磊2

（1.辽东学院信息工程学院，辽宁丹东118003；2.盘锦市建设工程质量监督站，辽宁盘锦124010）

风力发电机的叶片在超速运转情况下，会对底座产生较大的拉、剪应力，如果基础螺栓的数量或强度不足，将会造成发电机倒塌。根据呼和浩特某风力发电机倒塌实例，结合控制室的监测数据及相关资料，利用量纲法，通过风荷载计算得到弯、剪综合作用下螺栓在额定转速与倒塌时的实际应力。最终的拉、剪强度综合校核表明了该分析方法与实际情况的高度吻合。

风力发电机；叶片；转速；拉剪应力；量纲法；螺栓

图1 风机倒塌

大型风力机组塔架高度一般都在几十米以上。由于螺栓连接处受力复杂且恶劣，塔架连接部分成为最易失效的地方〔1〕。因此采用的高强紧固件必须保证在各种复杂的环境、受力状态下各部位的可靠连接〔2〕。但尽管如此，由于转速失控达到飞车状态，导致整机倒塌的事故也有发生。文章将以呼和浩特某发电机倒塌事故为例（见图1）避免单一考虑轴向载荷或倾覆力矩〔3〕，或是静、动载荷分开〔4〕，利用量纲法，通过风荷载计算进行弯、剪综合考虑，分析其断裂原因。

1 塔身风荷载的初步计算

图2为风机示意简图，如图所示当把塔身受风面作为整体进行受力分析时，其重心位于Y=29.23 m处；当把塔身受风面分成四段，其重心分别位于Y1=7.87 m、Y2=23.86 m、Y3=39.84 m、Y4=55.39 m处。

图2 风机示意简图

根据文献［5］，风振系数βz计算过程中，涉及参数取值如下，从而得表1各点处风振系数的计算值。并由此得到塔身按照分段与整体计算的风荷载与弯矩，表2中μz为风荷载体形系数。

Τ1——结构自振周期，取0.757 s；

W0——基本风压，取0.55 kN·m-2；

ξ——脉动增大系数，取2.155；

ν——脉动影响系数，取0.88；

μz——风压高度变化系数；

φz——振型系数。

表1 风振系数计算值

表2 塔身风荷载与弯矩的初步计算值

2 塔身风荷载的量纲法应用计算

由控制室的资料可知，叶片转动时在单位时间内吸收的有效风能为：

而塔身在单位时间内阻止风的前进，由此产生的能量为：

ρ——空气密度，考虑到呼和浩特地区空气较干，取1.1 kg·m-3；

α——贝茨系数，最大值为0.593，正常使用中为0.346；

n——转速，额定转速为20 r·min-1；

A1——叶片的扫风面积，3 904 m2；

A2——塔身的挡风面积，206.84 m2；

V1——叶片转动中心处的风速，m·s-1；

V2——塔身重心处的风速，m·s-1。单位时间内，由E=Frω=FV以及E＝1Jw2=

F1、F2——叶片转动方向迎风面、塔身迎风面所受的风荷载，kN·m-2；

根据文献[5]中的风荷载计算公式：F=WKA=βZ·及由量纲法可得：

βz1、βz2、βz0——叶片、塔身、底段重心处的风数，根据以上计算为2.054、1.403、1.057；

μs1、μs2、μs0——叶片、塔身、底段重心处的风荷载体形系数，查表2取为1.1；

μz1、μz2、μz0——叶片、塔身、底段重心处的风压高度变化系数，根据以上计算为1.80、1.41、1.00；

V0——底段重心处风速，取风机正常工作风速7.3 m·s-1（认为处于标准高度，主要考虑不利因5.37F2。由文献[5]中可推出，当基本风压为50年一遇时，风速为31.6 m·s-1，此时额定风速为12.5 m·s-1（认为处于标准高度，主要考虑不利因素），塔身四段的风荷载以及弯矩应乘以，即0.156。在此脉动增大系数ξ只考虑基本风压（按照50年一遇的情况考虑），故风振系数βz认为无变化。结果见表3。取F2为把塔身受风面分为四段后的合力39.66 kN，则F1为212.97 kN。素）。

把数值代入式（5），可求得额定转速时F1为

表3 塔身风荷载与弯矩的额定计算值

3 螺栓受力计算

图3 风机底座螺栓布置图

风机底座螺栓共120个，由相关的资料可知叶片重心至叶片根部距离为1.053 m，风轮倾角为4°。经受力分析可知，叶片因扫风所受弯矩在塔身方向分为F1tgθ×63.1×cos4°，再根据平行四边形法则，底座处螺栓整体所承受的弯矩为：

M1——风荷载在垂直叶片转动方向对底座产生的弯矩，kN·m；

M2——风荷载在叶片转动方向对底座产生的弯矩，kN·m；

θ——叶片与其转动方向夹角，为使M1达到最大值，其为45°；

M——合弯矩，kN·m

底座螺栓共同承受风荷载产生的剪力，单个螺栓受剪力为：

忽略重力荷载偏心作用（力臂较短，力矩对比很小），则底座螺栓以直径为受力对称。半圆的合力点距离圆心0.318 RS处，RS为底座圆心至螺栓中心距离，经计算为1.92 m。单个螺栓受拉力为：

4 断裂原因分析

由文献［6］得知，高强度螺栓承压型连接不应用于直接承受动力荷载的结构，故仅考虑摩擦型连接。高强度螺栓摩擦型连接中，抗剪承载力设计值与 抗拉承载力设计值为：nf——传力摩擦面数；

μ——摩擦面的抗滑移系数，对于本文的底座基础Q345E钢，喷砂后涂漆，μ为0.40；

P——一个高强度螺栓的预拉力，对于本文的10.9级M30螺栓，为355 kN。

此时情况正常，底座螺栓未断裂。根据控制室的提供资料，当日塔身倒塌时叶片转数约为50 r/min，为以上计算转数的2.5倍。由式（4）、（5），经推导，得到式（9）：

把以上数值代入其中，有：

故在反复荷载（即刻风速为9 m·s-1）作用下，5.37F2=7.65F2。考虑到最大风速接近额定风速，且反复荷载作用下的应力疲劳，F2仍取39.66 kN，则F1为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，这种情况下已经不满足受力稳定条件，故螺栓拉断。且从现场观观察，见图4，螺栓断裂情况为典型的拉剪综合破坏。由于叶片转动时的有效能量很大，转速较快，且重心与塔身重心高度相比很大，故对底部产生很大的弯矩和剪力，导致螺栓出现拉剪综合应力超过自身强度，最终破坏。

图4 拉剪作用下螺栓断裂

5 结语

风能作为可再生的清洁能源，应用越来越广，其设备风力发电机的价格昂贵。根据本文的利用量纲法，通过风荷载计算、校核弯、剪综合作用下螺栓的实际应力，为现场判断提供新方法，可明确转速极限，从而在事故发生前采取控制措施，避免机械受损、倒塌带来的巨大经济损失，为国家的经济建设保障切实利益。

［1］李军，杨洁明，高俊云.大型风力机组塔架螺栓连接应力分析[J].钢结构，2011，26（7）：22-25.

［2］李建军，陈艳.风电行业用高强紧固件的润滑与紧固[J].机械工程师，2001（3）：128-130.

［3］陈真，杜静，何玉林，等.采用VDI2230的风力发电机组塔筒法兰连接处螺栓强度分析[J].现代制造工程，2011（5）：125-129.

［4］邹广平，张宸，曹扬，等.风机叶片固定螺栓拉伸实验及强度计算[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版）2010，29（6）：1110-1112.

［5］中国工程建设标准化协会.建筑结构荷载规范GB50009—2001[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

［6］中国工程建设标准化协会.钢结构设计规GB50017-2003 [S].北京：中国计划出版社，2003.

（责任编辑：龙海波）

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年辽东学院博士科研启动项目

周家红（1976-），女，辽宁丹东人，博士，讲师，研究方向：安全技术及工程，安全管理及评价，风险评估。