大尺寸風(fēng)機(jī)葉片疲勞加載試驗支座研發(fā)

張磊安，王忠賓，劉衛(wèi)生，黃雪梅

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221116；2.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，淄博 255049；3.連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司，連云港，222000）

0 引言

葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵核心部件，也是最為昂貴的部件之一，約占總生產(chǎn)成本的20%～25%[1～4]。葉片在工作過程中，長期受到外界環(huán)境及風(fēng)等交變載荷作用，疲勞損傷造成的破壞時有發(fā)生，且越來越受到重視。但是由于涉及到諸多不確定性因素，對葉片疲勞進(jìn)行理論分析較為困難，或分析結(jié)果不一定準(zhǔn)確。葉片投入使用之前，通常對樣件做疲勞加載試驗，檢驗該葉片的正常壽命是否在20年及以上。葉片疲勞加載試驗?zāi)康脑谟诖_定葉片的疲勞壽命，工程設(shè)計人員也利用測試的結(jié)果改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計。國外起步較早，譬如，WMC依托代爾夫特理工大學(xué)的技術(shù)優(yōu)勢，在風(fēng)電葉片材料及葉片靜力、疲勞分析方面的研究已十分成熟，為本國乃至全球提供全套的風(fēng)電葉片檢測設(shè)備[5]。中國風(fēng)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證體系尚未完全建立，因此迫切需要建立風(fēng)機(jī)葉片檢測平臺和健全的檢測認(rèn)證體系，為風(fēng)機(jī)葉片的質(zhì)量提供保障。

為了保證風(fēng)機(jī)葉片疲勞加載試驗的順利進(jìn)行，建立了一套大尺寸風(fēng)機(jī)葉片疲勞加載試驗支座，通過該試驗裝置可為風(fēng)機(jī)葉片的疲勞加載試驗提供支撐，也為更加深入研究風(fēng)機(jī)葉片性能奠定了基礎(chǔ)。

1 疲勞加載過程工況分析

風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行疲勞加載試驗方案為：將被試葉片通過法蘭螺栓橫向固定于疲勞加載試驗支座上，采取偏心質(zhì)量塊垂直激振方式，通過偏心質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力對葉片進(jìn)行垂直方向的激振?？紤]安全系數(shù)等因素，對實際加載工況進(jìn)行計算，葉片傳給支座連接法蘭的疲勞載荷極值為：豎向力約為500kN，彎矩約為12500kN.m。

風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行疲勞試驗時，葉片根部與法蘭利用M36摩擦型高強(qiáng)螺栓連接，試驗要求疲勞支座的應(yīng)力變化次數(shù)大于100萬次。疲勞支座計算采用容許應(yīng)力幅法，根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]，設(shè)計時要求兩圓筒相貫處焊縫符合國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB50205的一級焊縫，并且要經(jīng)過加工、磨平。此處連接認(rèn)為是2類連接，等幅疲勞的容許應(yīng)力幅為：

計算出葉片受上、下兩種載荷工況，并將兩種情況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值相減，得到應(yīng)力幅應(yīng)小于171.3MPa。

2 疲勞加載支座設(shè)計及分析

2.1 疲勞加載支座模型

疲勞加載支座材質(zhì)選為Q345D，主體結(jié)構(gòu)選用兩個直徑為3.4米圓的筒相貫連接，筒厚為40mm，豎向圓筒高4.60米，橫向圓筒端部連接法蘭板，長為2.17米，法蘭連接板厚40mm，法蘭板上開有4圈螺栓孔，最外三圈每圈64個螺栓孔，孔徑37.5mm，最里面一圈開有32個螺孔。

運(yùn)用有限元軟件Abaqus進(jìn)行設(shè)計，采用軟件中的S8R單元。將自由網(wǎng)格劃分方法和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法相結(jié)合對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在相貫線附近進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，有限元模型如圖1所示。

圖1 疲勞支座模型及其網(wǎng)格劃分圖

2.2 載荷與約束

通過在法蘭板面上施加面載荷以近似模擬實際工況。均布豎向的剪應(yīng)力合力值等于支座受到的豎向壓力，在法蘭板上施加線性變化的正應(yīng)力，近似按平截面假定計算的最大正應(yīng)力值，整個面板上正應(yīng)力合力值等于法蘭板受到的彎矩值，即整體支座因牽引葉片而承受彎矩值。其中，葉片向下彎曲時的載荷分布如圖2所示，當(dāng)葉片向上彎曲時，載荷方向與之相反。

圖2 疲勞支座約束及載荷圖（向下彎曲）

根據(jù)極限工況，施加的豎向剪應(yīng)力值為：

垂直于面板的正應(yīng)力值為：

2.3 計算結(jié)果分析

計算得到疲勞支座Von-Mises應(yīng)力分布如圖3～圖5所示，單位為MPa。

圖3 疲勞支座Von-Mises應(yīng)力圖

從圖3可以得出，疲勞支座的最大應(yīng)力為233MPa，位于加勁肋拐角局部處。在設(shè)計時應(yīng)該盡可能讓加勁肋截面平緩變化，以減少應(yīng)力集中。支座的整體應(yīng)力值較小，在上下兩種工況下的筒壁應(yīng)力之差不大于71.3MPa，也滿足疲勞試驗要求。

圖4 橫筒與豎筒相貫線附近應(yīng)力圖

橫筒與豎筒相貫線附近的加勁肋與豎筒連接端部，此處結(jié)構(gòu)的剛度突變，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，將其局部放大，如圖4所示。顯示的紅色部分表示此處筒壁應(yīng)力較大，但是仍未超過90MPa，滿足試驗要求。

在內(nèi)圈焊接貼板消除后能夠幫助環(huán)向加勁肋承受載荷，以減小應(yīng)力集中。圖5中顯示支座內(nèi)部的加勁肋應(yīng)力均較?。t色部分很少，紅色部分為90MPa），滿足試驗要求。

圖5 加勁肋Von-Mises應(yīng)力圖

疲勞加載支座的變形分布如圖6所示，變形分布圖中單位為mm。

圖6 疲勞支座變形圖

從變形分布圖可以得出，該支座的變形較小，最大變形出現(xiàn)在耳板處，最大變形僅為2.98mm，滿足加載試驗要求。

3 試驗驗證

研發(fā)了大尺寸風(fēng)機(jī)葉片疲勞加載試驗支座，支座端面有多圈不同孔間距的螺孔，以適合安裝不同規(guī)格的葉片，如圖7所示。

以aeroblade1.5～40.3風(fēng)機(jī)葉片疲勞加載試驗為例，該葉片額定功率為1.5兆瓦，長度為40.3m，重量約為5943kg。加載試驗過程中，葉片根部通過多個高強(qiáng)度螺栓固定在筒型加載支座上，葉片加載點(diǎn)處受到激振器驅(qū)動做上下振動，加載支座受到交變載荷作用。加載點(diǎn)振幅約為1m，支座受到最大彎矩約為2000kN.m。幾個月的試驗證明，通過該試驗臺已經(jīng)完成多支大尺寸風(fēng)機(jī)葉片的疲勞加載試驗，也佐證該試驗臺具有支撐大尺寸風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行疲勞加載試驗的能力。

圖7 疲勞加載支座

4 結(jié)束語

本文所做的工作與工程實際緊密結(jié)合，將理論計算與Abaqus軟件緊密結(jié)合，設(shè)計了一套兆瓦級風(fēng)機(jī)葉片疲勞加載試驗支座，已經(jīng)完成了系列化風(fēng)機(jī)葉片的疲勞加載試驗，達(dá)到了預(yù)期目的。

下一步工作：1）考慮到降低試驗人員勞動強(qiáng)度，可以將該加載支座設(shè)計成通用型，將葉片的靜力試驗與疲勞試驗放在一個支座之上，進(jìn)而縮短試驗周期。2）根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片根部的連接方式，可以在加載支座之上設(shè)計一套旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，將其與回轉(zhuǎn)支承互相配合，可實現(xiàn)葉片任何角度的轉(zhuǎn)動，以提高試驗的自動化程度。

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[6]建設(shè)部.中華人民出版社《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50017-2003》[M].中國計劃出版社,2003.