大型风力发电机组塔顶法兰连接螺栓强度分析

崔戈

一、引言

塔筒作为风力发电机组的重要组成之一，起着连接和承载的重要作用。随着风电机组向兆瓦级、大机组发展，塔筒的结构尺寸越来越大，塔简法兰的直径和厚度也越来越大，所要满足的承载要求也越来越高。塔顶是塔筒结构的薄弱位置，塔顶法兰是连接塔简与主机架的重要连接件。在风力发电机组运行时，作用于风轮和机舱的载荷会通过主机架传递到偏航轴承上，再传递到塔顶法兰和塔筒上。由于风作用力的不稳定性，塔顶法兰承受动态载荷，长期作用下，塔顶法兰极易遭到破坏，为了提高风力发电机组的可靠性，必须对塔顶法兰进行强度分析。

本文以3MW风力发电机组为例，将塔顶法兰的连接螺栓作为分析对象，综合运用有限元分析理论及计算方法，对塔顶法兰和偏航轴承之间的连接螺栓组的受力进行了分析研究，并对塔顶法兰连接螺栓进行安全校核。

二、结构概述

大型风电机组的偏航轴承多选取回转支承，塔简与主机架之间连接轴承采用四点接触轴承，并通过双列螺栓连接。塔顶法兰与偏航轴承外圈通过螺栓连接，偏航轴承内圈又与主机架通过螺栓连接，偏航轴承内外圈的传力是通过滚子实现的，偏航轴承传递到法兰的力是通过接触面实现的，这些都属于非线性接触。

针对塔顶法兰连接螺栓的分析基于塔筒坐标系，z轴方向为塔筒轴线向上。

三、有限元分析

（一）模型及载荷数据

以某3MW风力发电机组为例，机组塔简与主机架之间通过偏航轴承和螺栓连接安装，塔顶法兰外径3040mm，内径2700mm，偏航轴承外径3040mm、内径2570mm，内外圈螺栓各96个。

载荷以客户提供的载荷数据作为依据，载荷数值见表1。

（二）材料性能

本次分析是基于线弹性材料范畴，接触边界非线性的假设条件。模型涉及的材料属性如表2：

（三）分析模型及其約束

塔简顶部法兰，偏航轴承内外圈及主机架假体全部采用以八节点六面体单元为主的分网模式，螺栓采用三维粱单元建立，粱单元截面形状与螺栓应力面积一致，滚珠以拉压双线性杆单元（Linkl0）建立模拟受力。在法兰连接面中心建立节点并施加法兰中心集中载荷，该节点与主机架假体截面处节点通过多点约束连接，法兰与轴承、轴承与主机架假体及垫片与轴承，垫片与塔架接触面全部采用“Touch”方法模拟。塔简底端截面施加全位移约束。

（四）计算结果

本次分析以完全Newton-Raphson迭代法，自调节增量法提交于ANSYS完成计算。螺栓最大等效应力分析结果见图1。

由ANSYS软件的计算结果显示，螺栓最大等效应力出现在内圈螺栓组，值为748MPa，小于螺栓材料的屈服强度940MPa，安全系数1.15;法兰连接区域接触状态良好。

综上所述该风力发电机组的塔顶法兰连接螺栓强度及连接状态均满足规范设计要求。