【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(guó) GE WIND、中國(guó)華銳、德國(guó) ENERCON、中國(guó)金風(fēng)，占據(jù)了國(guó)內(nèi)外 %市場(chǎng)份額。 [7]丹麥 VESTAS 已在全球 65 個(gè)國(guó)家和地區(qū)安裝了 4 萬(wàn)多臺(tái)風(fēng)機(jī)，截至 20xx 年末，丹麥 VESTAS 全球總裝機(jī)容量超過(guò) 萬(wàn)兆瓦。丹麥 VESTAS 的風(fēng)機(jī)遍布中國(guó) 13 個(gè)省區(qū)，并依托天津生產(chǎn)基地，攜 2兆瓦， 3 兆瓦風(fēng)機(jī)進(jìn)軍中國(guó)海上風(fēng)電市場(chǎng)。美國(guó) GE WIND 是世界主要的風(fēng)力發(fā)電機(jī)供應(yīng)商之一，于 20xx 年進(jìn)入風(fēng)電業(yè)務(wù)領(lǐng)域，截至 20xx 年底，裝機(jī)總量排名全球第四。美國(guó) GE WIND 風(fēng)電產(chǎn)品裝機(jī)容量在 兆瓦到 兆瓦之間，都具有變速變槳距運(yùn)行的特征，配置 獨(dú)特的電子控制裝置，不僅能夠用于陸上風(fēng)電場(chǎng)，還能用于海上風(fēng)電場(chǎng)。目前在中國(guó)的銷售份額已達(dá)到 20%。 [7]在全球排名前列的風(fēng)機(jī)制造商中，德國(guó)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(chǎng)上占有一席之地，德國(guó)的 ENERCON 是目前德國(guó)最后的風(fēng)機(jī)制造企業(yè)，市場(chǎng)主要在德國(guó)本土，占市場(chǎng)份額 60%。至今未涉足海上風(fēng)電市場(chǎng)。丹麥 RASIO實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(kāi)發(fā)。當(dāng)前國(guó)外風(fēng)電市場(chǎng)上的主力機(jī)型是 , 20xx 年全世界新裝機(jī)組的單機(jī)平均功率為 兆瓦。 20xx 年全世界兆瓦級(jí)的風(fēng)電機(jī)組當(dāng)年裝機(jī)容量占到了總裝機(jī)容量的 %，單機(jī)容量逐步增大已成為國(guó)際風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 [8] 國(guó)內(nèi)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀 從 20xx 年以來(lái)，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量年均增長(zhǎng)率達(dá)到 70%以上。到 20xx 年底，全國(guó)風(fēng)電建設(shè)總?cè)萘繛?2268 萬(wàn)千瓦，已并網(wǎng)運(yùn)行容量為 1767 萬(wàn)千瓦 ，總吊裝容量達(dá)到 2412 萬(wàn)千瓦。中國(guó) 20xx 年風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)超過(guò) 20xx 萬(wàn)千瓦，截至 20xx 年底，累計(jì)裝機(jī)容量超過(guò) 4500 萬(wàn)千瓦，首次超過(guò)美國(guó)，躍居世界第一。 [5]20xx 年中國(guó)風(fēng)電的主要大事：風(fēng)電實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電量較大增長(zhǎng)，國(guó)網(wǎng)轄區(qū)風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)達(dá)到 2826 萬(wàn)千瓦；海上風(fēng)電項(xiàng)目開(kāi)始起航，東海大橋風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組全部并網(wǎng)發(fā)電；單機(jī)容量不斷增大，華銳 5 兆瓦風(fēng)電機(jī)組正式出產(chǎn)等。中國(guó)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(guó)家能源委員會(huì)成立，把能源發(fā)展戰(zhàn)略決策納入國(guó)務(wù)院層面進(jìn)行考量，《國(guó)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(dá)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(kāi)始實(shí)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(jì)激勵(lì)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(jìn)中的風(fēng)能產(chǎn)業(yè)也遇到了大大小小的問(wèn)題，由于高速發(fā)展和基礎(chǔ)不牢造成的問(wèn)題。 20xx 年 10 月 12 日，華銳風(fēng)電科技集團(tuán)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(shí)產(chǎn)權(quán)的 5 兆瓦風(fēng)電機(jī)組正式出產(chǎn)，這是我國(guó)首臺(tái) 5 兆瓦風(fēng) 電機(jī)組。與此同時(shí)， 6 兆瓦風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)工作發(fā)展順利，將于 20xx年上半年出產(chǎn)。中國(guó)的風(fēng)機(jī)設(shè)備產(chǎn)能迅速增長(zhǎng)，其產(chǎn)業(yè)集中度進(jìn)一步提高。如今國(guó)內(nèi)制造 商已經(jīng)占據(jù)中國(guó)供應(yīng)市場(chǎng)的超過(guò) 85%，并開(kāi)始出口海外。盡管中國(guó)已經(jīng)有一套比較健全的風(fēng)機(jī)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(guó)某些關(guān)鍵零部件還依賴進(jìn)口，同時(shí)中國(guó)也缺乏完善的輔助服務(wù)體系，例如認(rèn)證機(jī)構(gòu)、基礎(chǔ)研發(fā)。 20xx 年北美的裝機(jī)容量有顯著下降，美國(guó)年度裝機(jī)容量首度不及中國(guó)；多數(shù)西歐國(guó)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(guó)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(guó) GE WIND、中國(guó)華銳、德國(guó)ENERCON、中國(guó)金風(fēng)，占據(jù)了國(guó)內(nèi)外 %市場(chǎng)份額。 [6] 葉片載荷計(jì)算 目前 ,世界最長(zhǎng)的復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片是丹麥 LM 公司生產(chǎn)的，其長(zhǎng)度已達(dá) 61． 5m，單片重約 18t，從而對(duì)葉片結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、重量等的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)分析作為風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)之一，開(kāi)始在大功率風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的校核與優(yōu)化設(shè)計(jì)中發(fā)揮著 El益重要的作用。 [9]風(fēng)力機(jī)葉片的載荷分布也不規(guī)則 ，求取復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的解析解非常困難，所以有限元法開(kāi)始在風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)分析中廣泛應(yīng)用。風(fēng)力機(jī)運(yùn)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(yùn)行風(fēng)況，使葉片承受變化很快的波動(dòng)載荷或持續(xù)時(shí)間較短的極限載荷。波動(dòng)載荷、極限載荷往往是葉片，甚至風(fēng)電機(jī)組整機(jī)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(huì)使葉片產(chǎn)生剪應(yīng)力；離心力會(huì)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(wèn)題 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由葉片、輪轂、主軸、機(jī)艙和塔筒等組成，為了加工和運(yùn)輸方便，塔筒一 般由 3 到 4 段圓柱筒或者錐形桶通過(guò)法蘭聯(lián)接而成。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各大部件的聯(lián)接都是用了高強(qiáng)度螺栓進(jìn)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(jī)機(jī)組各部件聯(lián)接中最容易失效的地方。隨著機(jī)組的大型化，葉片更長(zhǎng)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(chǎng)統(tǒng)計(jì)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(yán)重。為 提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，重點(diǎn)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(duì)整個(gè)機(jī)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(duì)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組這一典型的疲勞機(jī)的螺栓聯(lián)接分析研究目前還比較少。同濟(jì)大學(xué)馬人樂(lè)等 [9]人對(duì)塔筒反向平衡法蘭的螺栓聯(lián)接進(jìn)行了有限元分析，該分析考慮了彎矩載荷對(duì)螺栓的影響，高強(qiáng)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(jì)的可靠性較高。重慶大學(xué)何玉林等 [10]人對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂和葉片軸承連聯(lián)接螺栓進(jìn)行了有限 元分析，該分析僅在較少工況下對(duì)螺栓、輪轂和軸承所受應(yīng)力進(jìn)行了分析。李軍等人 [11]對(duì)風(fēng)力機(jī)塔筒法蘭螺栓連接組，在機(jī)組啟動(dòng)、正常運(yùn)行和極端湍流風(fēng)等三種工況下進(jìn)行了接觸有限元分析，并且得到了每個(gè)高強(qiáng)度螺栓的最大應(yīng)力值。 一般情況下，螺栓的強(qiáng)度是由受拉螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度決定的，螺栓的強(qiáng)度主要包括了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。為了保證螺栓聯(lián)接既不會(huì)在最大載荷下發(fā)生靜強(qiáng)度斷裂，也不會(huì)在循環(huán)載荷下發(fā)生疲勞破壞，就必須對(duì)螺栓聯(lián)接進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)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(qiáng) 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(duì)螺栓強(qiáng)度的影響 .[12] 而針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上使用的高強(qiáng)度螺栓，對(duì)螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究的目前更少。但對(duì)螺栓聯(lián)接中，如何提高疲勞強(qiáng)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(qiáng)度的一個(gè)重要內(nèi)容，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了大量的研究。為了解決螺紋牙上的載荷分布不均問(wèn)題，提高螺栓聯(lián)接疲勞強(qiáng)度主要通過(guò)以下方法[13]：變徑螺紋副，把螺紋牙根到中徑的距離進(jìn)行改變，以確保各個(gè)螺紋牙受力基本趨于一致，對(duì)螺母結(jié)構(gòu) 進(jìn)行改動(dòng)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(lái)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(méi)有完全解決螺紋載荷分布不均的問(wèn)題。文獻(xiàn) [14]通過(guò)改變外螺紋齒根到齒中徑的距離，開(kāi)發(fā)了一種等載特種螺紋結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn) [15]通過(guò)對(duì)螺母螺紋牙單側(cè)面進(jìn)行切削，確保螺母的螺距不再相等，進(jìn)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(duì)螺紋的結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行了一些改動(dòng)，一定程度上減弱了螺紋牙的強(qiáng)度，對(duì)螺栓聯(lián)接強(qiáng)度會(huì)有 一定的影響。 文獻(xiàn) [16]在分析螺紋聯(lián)接彈性變形的基礎(chǔ)上，對(duì)一種新的螺紋配合方式進(jìn)行了深入的研究，將微錐內(nèi)螺紋與同標(biāo)準(zhǔn)外螺紋進(jìn)行螺紋聯(lián)接。從計(jì)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(shí)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(jìn)而提高螺栓聯(lián)接的聯(lián)接強(qiáng)度，提高了高強(qiáng)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(shí)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(jī)性能和負(fù)載的設(shè)計(jì) 軟件 )、 ANSYS（有 限元分析軟件）等結(jié)合起來(lái)進(jìn)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(guò)對(duì)風(fēng)特性的分析及對(duì)自然風(fēng)的有效模擬，得到較為真實(shí)的風(fēng)模型 —— 風(fēng)文件。將此風(fēng)文件加載到 風(fēng)力機(jī)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(gè)方向上的載荷曲線及數(shù)據(jù)列表。然后，將軟件計(jì)算得到的葉片載荷與風(fēng)場(chǎng)實(shí)際得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，確保葉片載荷數(shù)據(jù)的真實(shí)和準(zhǔn)確。結(jié)合風(fēng)力機(jī)在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中葉根聯(lián)接失效比較嚴(yán)重這一現(xiàn)狀，對(duì)原有聯(lián)接螺栓重新設(shè)計(jì)改進(jìn)，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(yùn)行狀況。要達(dá)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(diǎn)及多個(gè)相關(guān)點(diǎn)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(duì)風(fēng)特性明顯的湍流風(fēng)進(jìn)行模擬。其作法是 通過(guò)逆傅里葉變換 (IFFT)將 頻域中的風(fēng)特性轉(zhuǎn)換成時(shí)域中的時(shí)間序列值。 最后，生成動(dòng)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(duì)參考高度為 80m,平均風(fēng)速為 ，湍流因子為 的湍流風(fēng)進(jìn)行時(shí)間歷程 仿真，得到 90s 內(nèi)的風(fēng)向變化及三個(gè)方向上的風(fēng)速變化曲線，并對(duì)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(duì)葉片載荷計(jì)算與載荷分布進(jìn)行研究。 4. 將理論計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與風(fēng)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證理論計(jì)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(shí)際運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的失效，對(duì) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉根聯(lián)接的螺栓的失效類型進(jìn)行分類，通過(guò)對(duì)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(jì)了一款小錐度新型的高強(qiáng)度螺栓，以達(dá)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(jì)的新型螺栓與原有的螺栓進(jìn)行有限元分析對(duì)比，驗(yàn)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(jì)算出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)上的準(zhǔn)確的載荷時(shí)間歷程，那么正確地輸入隨時(shí)間和空間變化的風(fēng)場(chǎng)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(duì)來(lái)風(fēng)所產(chǎn)生的影響。 空間某一點(diǎn)的風(fēng)的模擬 一般的風(fēng)速儀會(huì)使用采樣頻率 1 tsf ?? 對(duì)某一點(diǎn)的風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量， t? 是指兩個(gè)采樣值之間的時(shí)間差，而這里輸出的是一系列數(shù)字 ( 1, , )iu i N? ??? , 所對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別是1 , 2 , ,t t t N t? ? ? ? ? ??? ? ?。總時(shí)間為 T t N??? 。其中，采樣頻率為 NTsf ? 。這樣一來(lái)時(shí)間歷程表達(dá)如圖 21 所示： 圖 21 空間某一點(diǎn)離散采樣風(fēng)速的時(shí)間歷程 想要準(zhǔn)確的描述風(fēng)速的波動(dòng)，選取三個(gè)離散點(diǎn)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(hào)是具有周期性的，那么可以使用離散傅里葉變換時(shí)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