【文章內(nèi)容簡介】 年風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)排名前五的企業(yè)為丹麥 VESTAS、美國 GE WIND、中國華銳、德國 ENERCON、中國金風(fēng)，占據(jù)了國內(nèi)外 %市場份額。 [7]丹麥 VESTAS 已在全球 65 個國家和地區(qū)安裝了 4 萬多臺風(fēng)機，截至 20xx 年末，丹麥 VESTAS 全球總裝機容量超過 萬兆瓦。丹麥 VESTAS 的風(fēng)機遍布中國 13 個省區(qū)，并依托天津生產(chǎn)基地，攜 2兆瓦， 3 兆瓦風(fēng)機進軍中國海上風(fēng)電市場。美國 GE WIND 是世界主要的風(fēng)力發(fā)電機供應(yīng)商之一，于 20xx 年進入風(fēng)電業(yè)務(wù)領(lǐng)域，截至 20xx 年底，裝機總量排名全球第四。美國 GE WIND 風(fēng)電產(chǎn)品裝機容量在 兆瓦到 兆瓦之間，都具有變速變槳距運行的特征，配置 獨特的電子控制裝置，不僅能夠用于陸上風(fēng)電場，還能用于海上風(fēng)電場。目前在中國的銷售份額已達到 20%。 [7]在全球排名前列的風(fēng)機制造商中，德國的企業(yè)不容忽視，他們以其精良的制造技術(shù)在世界市場上占有一席之地，德國的 ENERCON 是目前德國最后的風(fēng)機制造企業(yè)，市場主要在德國本土，占市場份額 60%。至今未涉足海上風(fēng)電市場。丹麥 RASIO實驗室主要致力于風(fēng)能領(lǐng)域中的 風(fēng)力發(fā)電氣象學(xué)，空氣動力學(xué)模型，優(yōu)化和降低成本，風(fēng)力發(fā)電能源系統(tǒng)，新的概念，部件和材料及海上風(fēng)力發(fā)電的研究與開發(fā)。當(dāng)前國外風(fēng)電市場上的主力機型是 , 20xx 年全世界新裝機組的單機平均功率為 兆瓦。 20xx 年全世界兆瓦級的風(fēng)電機組當(dāng)年裝機容量占到了總裝機容量的 %，單機容量逐步增大已成為國際風(fēng)電市場發(fā)展的必然趨勢。 [8] 國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀 從 20xx 年以來，我國風(fēng)電裝機容量年均增長率達到 70%以上。到 20xx 年底，全國風(fēng)電建設(shè)總?cè)萘繛?2268 萬千瓦，已并網(wǎng)運行容量為 1767 萬千瓦 ，總吊裝容量達到 2412 萬千瓦。中國 20xx 年風(fēng)力發(fā)電新增裝機超過 20xx 萬千瓦，截至 20xx 年底，累計裝機容量超過 4500 萬千瓦，首次超過美國，躍居世界第一。 [5]20xx 年中國風(fēng)電的主要大事：風(fēng)電實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電量較大增長，國網(wǎng)轄區(qū)風(fēng)電并網(wǎng)裝機達到 2826 萬千瓦；海上風(fēng)電項目開始起航，東海大橋風(fēng)電場風(fēng)電機組全部并網(wǎng)發(fā)電；單機容量不斷增大，華銳 5 兆瓦風(fēng)電機組正式出產(chǎn)等。中國風(fēng)能產(chǎn)業(yè)正在以全球最高的發(fā)展速度創(chuàng)造著輝煌。 [5]20xx 年國家能源委員會成立，把能源發(fā)展戰(zhàn)略決策納入國務(wù)院層面進行考量，《國務(wù)院關(guān)于加快 培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，使風(fēng)力發(fā)電的整體創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)發(fā)展達到世界領(lǐng)先水平；《可再生能源法》（修正案）于 20xx 年 4 月 1 日開始實施，使風(fēng)力發(fā)電在產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)與技術(shù)支持、推廣與應(yīng)用、政策與經(jīng)濟激勵的具體操作上有法可依，風(fēng)電從此步入理性發(fā)展階段。但是，像所有高速發(fā)展種的行業(yè)一樣， 20xx 年，前進中的風(fēng)能產(chǎn)業(yè)也遇到了大大小小的問題，由于高速發(fā)展和基礎(chǔ)不牢造成的問題。 20xx 年 10 月 12 日，華銳風(fēng)電科技集團股份有限公司正式宣布，由其自主研發(fā)、并擁有全球自主知識產(chǎn)權(quán)的 5 兆瓦風(fēng)電機組正式出產(chǎn)，這是我國首臺 5 兆瓦風(fēng) 電機組。與此同時， 6 兆瓦風(fēng)電機組的研發(fā)工作發(fā)展順利，將于 20xx年上半年出產(chǎn)。中國的風(fēng)機設(shè)備產(chǎn)能迅速增長，其產(chǎn)業(yè)集中度進一步提高。如今國內(nèi)制造 商已經(jīng)占據(jù)中國供應(yīng)市場的超過 85%，并開始出口海外。盡管中國已經(jīng)有一套比較健全的風(fēng)機制造供應(yīng)鏈，包括幾乎所有主要部件的制造生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施，但是中國某些關(guān)鍵零部件還依賴進口，同時中國也缺乏完善的輔助服務(wù)體系，例如認證機構(gòu)、基礎(chǔ)研發(fā)。 20xx 年北美的裝機容量有顯著下降，美國年度裝機容量首度不及中國；多數(shù)西歐國家風(fēng)能發(fā)展處于飽和階段，但風(fēng)能產(chǎn)業(yè)在東歐國家得到顯著發(fā)展；非洲風(fēng)能 發(fā)展主要集中在北非。 20xx 年風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)排名前五的企業(yè)為丹麥 VESTAS、美國 GE WIND、中國華銳、德國ENERCON、中國金風(fēng)，占據(jù)了國內(nèi)外 %市場份額。 [6] 葉片載荷計算 目前 ,世界最長的復(fù)合材料風(fēng)力機葉片是丹麥 LM 公司生產(chǎn)的，其長度已達 61． 5m，單片重約 18t，從而對葉片結(jié)構(gòu)的強度、剛度、重量等的設(shè)計提出了更高的要求。風(fēng)力機葉片的結(jié)構(gòu)分析作為風(fēng)力機葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)基礎(chǔ)之一，開始在大功率風(fēng)力機葉片結(jié)構(gòu)的校核與優(yōu)化設(shè)計中發(fā)揮著 El益重要的作用。 [9]風(fēng)力機葉片的載荷分布也不規(guī)則 ，求取復(fù)合材料風(fēng)力機葉片結(jié)構(gòu)的解析解非常困難，所以有限元法開始在風(fēng)力機葉片結(jié)構(gòu)分析中廣泛應(yīng)用。風(fēng)力機運行環(huán)境中湍流、陣風(fēng)、偏航氣流以及塔影效應(yīng)等惡劣運行風(fēng)況，使葉片承受變化很快的波動載荷或持續(xù)時間較短的極限載荷。波動載荷、極限載荷往往是葉片，甚至風(fēng)電機組整機破壞的直接原因。風(fēng)輪葉片的受力情況是非常的復(fù)雜的，一般可以分為風(fēng)壓力和離心力。風(fēng)壓力會使葉片產(chǎn)生剪應(yīng)力；離心力會使葉片產(chǎn)生拉應(yīng)力。 [8] 葉根聯(lián)接研究現(xiàn)狀及存在問題 風(fēng)力發(fā)電機組由葉片、輪轂、主軸、機艙和塔筒等組成，為了加工和運輸方便，塔筒一 般由 3 到 4 段圓柱筒或者錐形桶通過法蘭聯(lián)接而成。因此，風(fēng)力發(fā)電機組各大部件的聯(lián)接都是用了高強度螺栓進行聯(lián)接的。螺栓聯(lián)接受力非常的復(fù)雜，是風(fēng)力發(fā)電機機組各部件聯(lián)接中最容易失效的地方。隨著機組的大型化，葉片更長更柔，采用根部打孔安裝，葉片與輪轂或者變槳軸承的螺栓聯(lián)接成為承受交變載荷最復(fù)雜的，工況最惡劣的聯(lián)接部位 ?，F(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，由于葉根聯(lián)接螺栓斷裂導(dǎo)致葉片事故的情況相當(dāng)嚴重。為 提高風(fēng)力發(fā)電機組運行的穩(wěn)定性，重點考慮螺栓聯(lián)接部分 ，極力提高聯(lián)接的有效性和持久性對整個機組 和使用壽命有重要意義 。 [9]葉根螺栓聯(lián)接 及螺栓 疲勞斷裂 如圖 1 13 所示： 圖 12 葉根螺栓聯(lián)接 圖 13 葉根螺栓斷裂 單就螺栓聯(lián)接技術(shù)而言是一門成熟的技術(shù)，但對應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機組這一典型的疲勞機的螺栓聯(lián)接分析研究目前還比較少。同濟大學(xué)馬人樂等 [9]人對塔筒反向平衡法蘭的螺栓聯(lián)接進行了有限元分析，該分析考慮了彎矩載荷對螺栓的影響，高強度螺栓施工使用的是液壓張拉器張拉反向平衡法蘭的螺栓，螺栓預(yù)緊力施加比較準(zhǔn)確，螺栓承載設(shè)計的可靠性較高。重慶大學(xué)何玉林等 [10]人對風(fēng)力發(fā)電機組輪轂和葉片軸承連聯(lián)接螺栓進行了有限 元分析，該分析僅在較少工況下對螺栓、輪轂和軸承所受應(yīng)力進行了分析。李軍等人 [11]對風(fēng)力機塔筒法蘭螺栓連接組，在機組啟動、正常運行和極端湍流風(fēng)等三種工況下進行了接觸有限元分析，并且得到了每個高強度螺栓的最大應(yīng)力值。 一般情況下，螺栓的強度是由受拉螺栓聯(lián)接的強度決定的，螺栓的強度主要包括了靜強度和疲勞強度。為了保證螺栓聯(lián)接既不會在最大載荷下發(fā)生靜強度斷裂，也不會在循環(huán)載荷下發(fā)生疲勞破壞，就必須對螺栓聯(lián)接進行靜強度和疲勞強度校核。鄭永利等人 [12]在考慮材料、結(jié)構(gòu)、螺紋類型、尺寸參數(shù)、制造和裝配工藝等影響螺栓強 度的因素下，研究了材料、結(jié)構(gòu)及螺紋部分滿足要求的情況下，螺栓光桿部分的直徑大小對螺栓強度的影響 .[12] 而針對風(fēng)力發(fā)電機組上使用的高強度螺栓，對螺栓結(jié)構(gòu)進行深入研究的目前更少。但對螺栓聯(lián)接中，如何提高疲勞強度的研究，尤其是研究改善螺紋牙載荷分布不均，降低螺紋牙根部應(yīng)力集中是提高螺紋聯(lián)接疲勞強度的一個重要內(nèi)容，國內(nèi)外學(xué)者對此做了大量的研究。為了解決螺紋牙上的載荷分布不均問題，提高螺栓聯(lián)接疲勞強度主要通過以下方法[13]：變徑螺紋副，把螺紋牙根到中徑的距離進行改變，以確保各個螺紋牙受力基本趨于一致，對螺母結(jié)構(gòu) 進行改動優(yōu)化，譬如采用懸置螺母、內(nèi)斜螺母和環(huán)槽螺母等，以減小螺栓旋合段本來受力比較大的幾圈螺紋牙的受力面。以上的這些措施雖然在一定程度上改善了 螺紋的受力狀態(tài)，但是并沒有完全解決螺紋載荷分布不均的問題。文獻 [14]通過改變外螺紋齒根到齒中徑的距離，開發(fā)了一種等載特種螺紋結(jié)構(gòu)，文獻 [15]通過對螺母螺紋牙單側(cè)面進行切削，確保螺母的螺距不再相等，進而使得每圈螺紋受力趨于相等或者近似相等。這兩種方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)螺紋牙的均勻受力，但是由于對螺紋的結(jié)構(gòu)形狀進行了一些改動，一定程度上減弱了螺紋牙的強度，對螺栓聯(lián)接強度會有 一定的影響。 文獻 [16]在分析螺紋聯(lián)接彈性變形的基礎(chǔ)上，對一種新的螺紋配合方式進行了深入的研究，將微錐內(nèi)螺紋與同標(biāo)準(zhǔn)外螺紋進行螺紋聯(lián)接。從計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)微錐內(nèi)螺紋與標(biāo)準(zhǔn)外螺紋的配合確實大大地改善軸向力在旋合各圈螺紋牙間的分布，很好的降低螺紋根部應(yīng)力，進而提高螺栓聯(lián)接的聯(lián)接強度，提高了高強度螺栓連接的可靠性。 技術(shù)路線及主要內(nèi)容 技術(shù)路線 為了能很好的實現(xiàn)工作內(nèi)容，本研究中采用 CAD/CAE 結(jié)合技術(shù)，將 ProE（三維建模軟件）、 GH Bladed(風(fēng)機性能和負載的設(shè)計 軟件 )、 ANSYS（有 限元分析軟件）等結(jié)合起來進行協(xié)同仿真，研究技術(shù)路線如圖 14 所示。 圖 14 技術(shù)路線 主要內(nèi)容 本文通過對風(fēng)特性的分析及對自然風(fēng)的有效模擬，得到較為真實的風(fēng)模型 —— 風(fēng)文件。將此風(fēng)文件加載到 風(fēng)力機葉片模型上可得到一系列載荷數(shù)據(jù)，經(jīng)處理得到各截面及各個方向上的載荷曲線及數(shù)據(jù)列表。然后，將軟件計算得到的葉片載荷與風(fēng)場實際得到的試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，確保葉片載荷數(shù)據(jù)的真實和準(zhǔn)確。結(jié)合風(fēng)力機在實際運行的過程中葉根聯(lián)接失效比較嚴重這一現(xiàn)狀，對原有聯(lián)接螺栓重新設(shè)計改進，以降低葉根螺栓發(fā)生斷裂失 效的幾率，提高聯(lián)接的可靠性，改善葉根聯(lián)接的運行狀況。要達到上述目的，須完成的主要工作有： 1. 基于自然風(fēng)特性，由空間某一離散點及多個相關(guān)點的風(fēng)模擬，得到理論上較為合理的描述三維風(fēng)的相關(guān)函數(shù)。借助 TurbSim 風(fēng)模擬器，對風(fēng)特性明顯的湍流風(fēng)進行模擬。其作法是 通過逆傅里葉變換 (IFFT)將 頻域中的風(fēng)特性轉(zhuǎn)換成時域中的時間序列值。 最后，生成動力仿真所需的全域背景風(fēng)文件或輪轂高度風(fēng)文件。 TurbSim 中的 Kaimal 模型對參考高度為 80m,平均風(fēng)速為 ，湍流因子為 的湍流風(fēng)進行時間歷程 仿真，得到 90s 內(nèi)的風(fēng)向變化及三個方向上的風(fēng)速變化曲線，并對仿真結(jié)果加以分析； 3. 根據(jù)技術(shù)要確定葉片的基本參數(shù)，并用相關(guān)軟件對葉片載荷計算與載荷分布進行研究。 4. 將理論計算得到的數(shù)據(jù)與風(fēng)場試驗測得的數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證理論計算的數(shù)據(jù)的合理性。 5. 基于葉根載荷的復(fù)雜性，且葉根螺栓連接在實際運行過程中出現(xiàn)的失效，對 風(fēng)力發(fā)電機葉根聯(lián)接的螺栓的失效類型進行分類，通過對葉片葉根螺栓作斷裂螺栓特征分析及斷口信息分析研究，在理解螺栓失效的原因的基礎(chǔ)上，提重新設(shè)計了一款小錐度新型的高強度螺栓，以達到 降低螺紋嚙合第一扣螺紋根部的應(yīng)力集中，提高葉根聯(lián)接的可靠性。并將設(shè)計的新型螺栓與原有的螺栓進行有限元分析對比，驗證新型螺栓的優(yōu)越性。 2 風(fēng)特性與風(fēng)模型的建立 風(fēng)的模擬 [17][18] 如果要想更好的計算出風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)上的準(zhǔn)確的載荷時間歷程，那么正確地輸入隨時間和空間變化的風(fēng)場是非常有必要的，此類變化主要包含了湍流、風(fēng)剪切力及塔架對來風(fēng)所產(chǎn)生的影響。 空間某一點的風(fēng)的模擬 一般的風(fēng)速儀會使用采樣頻率 1 tsf ?? 對某一點的風(fēng)速進行測量， t? 是指兩個采樣值之間的時間差，而這里輸出的是一系列數(shù)字 ( 1, , )iu i N? ??? , 所對應(yīng)的時間分別是1 , 2 , ,t t t N t? ? ? ? ? ??? ? ?。總時間為 T t N??? 。其中，采樣頻率為 NTsf ? 。這樣一來時間歷程表達如圖 21 所示： 圖 21 空間某一點離散采樣風(fēng)速的時間歷程 想要準(zhǔn)確的描述風(fēng)速的波動，選取三個離散點是必須的，圖 21 所示能分 辨的最高頻率為 2()2 Nsf Thf ?? ，而能分辨的最低頻率為 1Tlowf ? 。若假設(shè)所選的信號是具有周期性的，那么可以使用離散傅里葉變換時間歷程分解成： ? ? ? ?20 1 2( ) c o s s i n ,Nn n n n nn nu t a a t b t T?? ? ??? ? ? ?????? （ 21） 其中系數(shù)為：0 11NiiauN ?? ? 122c o s ( ) , 1 , , 12NniinNa u i nNN ??? ? ??? ?? (22) 122s i n ( ) , 1 , , 12NniinNb u i nNN ??? ? ??? ?? （ 23） 2 11 c o s ( )NNiia u iN ??? ? (24) 2 0Nb? (25) 將（ 21)代入方差 ? 的代數(shù)式，可以得到： 2212 2 2 2 21111( ) ( )2 NNN