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HYPERLINK 5:8088/page/multitotalbrw.cbs?ResName=ZWPMKorder=42ResultFile=c%3A%5Ctemp%5Ctbs%5CL025564%2Etmp \t _blank 微小型风力发电机桨叶损坏原因及计算方法的分析
近几 年 来 ,内蒙地区安装使用的微小型风力发电机组已达7万多台,机组容量多为
50瓦、100瓦,用于解决电网外边远农牧区家庭照明、看电视等用电,使用效果基本良
好,受到广大农牧民的欢迎。在以往实际使用中发现,现有各种小型机组尚存在质量不
过硬、可靠性不高的问题,主要是风轮的零部件易发生故障和损坏,不能保证长期连续
安全运行。
根据 对 内 蒙电管局应用试点范围内安装的475台风机历时三年的考察,累计发生了
风轮部件损坏事故45次,发生损坏的台数占该类风机安装总台数的9,6%。这45次事故,
全是风轮桨叶或其联结构件的损坏,其中,桨柄折断34次,占总次数的76%,风轮迥转
盘断裂11次,占24%。运行三年中,在停机状况下最高经受29米/秒大风,所有风机无
损坏,证明这些机组的静态载荷计算正确,能满足抗大风张度的要求。事故都是在运行
状态下发生。
二 、损 坏 原 因
我们 所 考 察的风机,都是通过正式技术鉴定定型和产品鉴定,由批准的定点生产厂
家生产制造的,已成为商品性风机成批投放市场,其重耍工作部件仍普遍发生损坏,尤
其是桨叶大量折断,是一个值得枢视的问题。分析机件损坏的原因,主要有五个方面的
问题:
1、 材 质 不合标准。在桨柄和迥转盘折断处,常发现有气孔或裂隙,说明厂家对材
料的选用要求不严,尤其近年钢材紧缺,采用了一些不合标准的钢材,材质检验工作也
不严细。
2、 工 艺 水平低。据了解, 一般厂家制造风1JlO1 工装尚不完备,工艺较落后,桨叶
成型工艺多为手工操作,因而质量很不稳定。
3、 结 构 缺陷。现有风机采用的几种限速机构,限速功能都不够理想,运行一段时
期就往往发生卡住或不能复位而失去限速作用,造成超速ll- }车”而损坏。
4、 风 轮 动态载荷计算和桨叶强度设计有缺陷。
5、 管 理 维护不善,大风时没有人工刹车停转,或者高速时猛力刹车经常受到很大
的惯性动量冲击而损坏。
三、现行风轮设计计算方法的缺陷及改进意见
风机 均 为 水平轴风机,对其动态载荷和桨叶强度设计,都是采用传统的计算方法,
即考虑风轮气动力矩、风的正压力、桨叶旋转时的离心力和自重力四项基本荷载,按最
大的组合荷载和最危险截面校核构件的应力强度。载荷计算公式为:
气动力矩M二
p nR V
2 田
正压力(P=13
pnR V
2
离心力S= Qg Ri 0)
式中:P— 空气质量密度(千克一秒2/米‘)
R— 风 轮 半 径(米)
V— 风 速 (米/秒)
。— 风 轮 旋 转角速度(弧度/秒)
B— 实 际 正压 力与理论正压力之比,风轮静止时B二1
Q— 桨 叶 的 重量(千克)
g- 屯 力 加 速度
Ri — 桨 叶 的 转动惯址半径(米)
以桨柄根部最小截面处的内应力校核其安全强度,各种载荷产生的内应力计算公式
为:
PYm
W
t S + Q
aSQ,n .币犷一
M一w
1一n
Sm
1
ap=n ’
式中: n- 桨叶个数,
W - 桨 柄 抗 弯截面摸数(厘米。),直径为d的园形截面W=
Y 一 正 压力P合力点距桨柄根部校核截面的距离(r米);
劣
F— 校 核 截 面 面 积 ( 厘米:)。
上述 传 统 计算方法有许多缺陷:一是将诸载荷视为二维平面力系,是按静平衡结构
力学方法处理的。实际上,桨叶旋转时的载荷是三维空间力系,而且是频繁交变载荷,
以平面静定结构力学方法处理不符合实际,二是有的风机在计弃中载荷组合考虑不全
面,没有典正选取级大的组合位;三是忽视了桨叶受力后的形变应力,四是没有计及桨
叶的振动以及由此产生的材料弹性疲劳,五是没有考虑可能发生的风轮失控超速和高速
时人工猛力刹车所产生的意外受力,或老是对此估计不足。
笔者 认 为 ,快速风轮桨叶的动态特性,与直升飞机的旋翼最为类似。以现代气动弹
性力学理论设计计算直升机翼巳有较完善的方法(见有关专业教科书),能取得较满意结
采。设计大型水平轴风轮,最好也参照直升机翼的方法。对于几十瓦几千瓦的微型小型
风机,没有必要进行繁琐的精确计算,仍可采用传统的简易方法,但应作一些改进。具
体建议是:
1、 计 算 桨叶根柄动态载荷要考虑两种情况,一是桨叶在水平位置时,二是桨叶垂
直向下时。第一种情形,桨叶根柄最危险截面的应力计算取四种载荷组合:在风轮旋转
平面为,气动力矩Ma、自重力产生的力矩MG,离心力S;在垂直方向为,风的正压力
产生的力矩Mp,第二种情形,也取P9种载荷组
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