一种风机叶片叶根预埋螺套及其设计方法与流程

本发明涉及风机叶片根部连接的技术领域，尤其是指一种风机叶片叶根预埋螺套及其设计方法。

背景技术：

大型风机叶片根部连接主要采用t-bolt连接和预埋螺套连接方式。风机叶片最常见的t-bolt连接。叶根圆螺母与玻璃钢的挤压接触面是容易发生应力集中的位置，叶根根部厚度通常120mm左右，以保障叶根玻璃钢安全系数。但目前陆上风机已进入5mw时代，风机叶片尺寸越来越长，叶片长度大于75米，传统的t-bolt连接形式已经不能满足叶根静强度和疲劳强度要求，采用叶根预埋螺套可不破坏叶片根部铺层结构，且预埋螺套连接比t-bolt连接能分布更多的螺栓，能提高叶片叶根的安全性能。此外免除了使用打孔机设备，节省打孔机设备购买成本和打孔所需场地，也避免了打孔造成叶根玻璃钢的损伤。

预埋螺套，即在铺层过程中将一系列螺套埋入叶根并和玻璃纤维一体灌注成型用于叶根连接，预埋螺套连接方式的好处是可以降低单个连接件的连接力。目前业内常用的螺套主要有以下三种：

1)如图1所示，为凸台型螺套，螺套外齿间距很大，凸台宽度也很宽，凹槽比较深；这种螺套缠纱面积相对较少，而且凹槽较深，需缠绕的纱线较厚，实际生产过程中易出血纱线未浸润透彻，风险较大。

2)如图2所示，为螺纹型螺套，螺套外齿类似于螺纹形状，螺套缠纱面积较大，但是加工精度要求较高，制作成本也高，外齿比较尖锐，容易形成应力集中，造成缠绕纱线失效。

3)如图3所示，为光滑型螺套，螺套外壁光滑，螺套尾端楔形过渡，制作过程中螺套直接与玻璃钢接触，不需要缠绕纱线，制作简单，但是螺套表面粗糙度要求苛刻，拉拔力测试值较低。

同时在实际使用中，螺套的叶尖螺套端周围设有玻璃钢层，当螺套尾端刚度突然降低时，玻璃钢层有很大应力集中，且螺套在实际制作过程中需要凸出叶根端面，整个叶片只有叶根预埋螺套端面与风机轴承接触，由于接触面积小，导致叶根螺栓载荷连接系数增加。结合以上问题，亟需一种抗拉拔力高，能够提高叶根螺栓承载能力，能够避免螺套叶尖螺套端周围玻璃钢层应力集中的叶根预埋螺套及其设计方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种风机叶片叶根预埋螺套及其设计方法，具有抗拉拔力高的优点，能够避免其叶尖螺套端周围的玻璃钢应力集中，并提高叶根螺栓承载能力。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种风机叶片叶根预埋螺套，包括叶根预埋螺套本体，所述叶根预埋螺套本体为锥形套结构，所述锥形套结构的小端为叶尖螺套端，并加工有内螺纹，其大端为叶根螺套端，与风机轴承相接触，所述锥形套结构的外壁加工有外齿，所述外齿由多段连续的圆弧组成，该多段连续的圆弧构成波浪纹型结构，用于增大与周围复合材料接触面积，提高叶根预埋螺套本体的抗拉拔力，所述锥形套结构的小端端部设有燕尾型开槽，能够使该端部的内壁壁厚逐渐减小，防止叶根预埋螺套本体叶尖螺套端周围的玻璃钢应力集中。

一种风机叶片叶根预埋螺套的设计方法，包括以下步骤，

1)建立叶根预埋螺套本体三维模型，该叶根预埋螺套本体的外齿由多段连续的圆弧组成，该多段连续的圆弧构成波浪纹型结构，能够增大叶根预埋螺套本体与周围复合材料接触面积，提高抗拉拔力，该圆弧节圆半径为r，在叶根预埋螺套本体三维模型的外齿上模拟缠绕玻纤纱，通过迭代分析计算得到玻纤纱纱线抗拉拔力最大值所对应的r值；

2)通过有限元分析得出叶根预埋螺套本体的叶尖螺套端周围的玻璃钢的应力分布图，针对玻璃钢应力集中的问题，在叶尖螺套端内部设置燕尾型开槽，使叶尖螺套端内部的壁厚逐渐降低，使其局部刚度过渡平缓，进而使玻璃钢应力过渡均匀、平缓，提高叶根预埋螺套本体的抗拉拔性能；

3)通过有限元分析得出将叶根预埋螺套本体设计为锥形套结构，即增大叶根螺套端的直径，进而增大叶根螺套端端面与风机轴承的接触面积，使叶根螺栓载荷连接系数降低。

进一步，在步骤1)中，采用渐进失效理论分析方法进行迭代分析，具体步骤如下，

a)定义初始条件，建立叶根预埋螺套本体初始模型，定义初始圆弧半径r，在叶根预埋螺套本体三维模型的外齿上模拟缠绕玻纤纱，并施加边界约束条件和初始载荷；

b)有限元应力分析计算；

c)利用最大应力准则分析缠绕玻纤纱的应力，如果玻纤纱没有破坏，则继续增加外载荷，继续进行应力分析，直到玻纤纱线断裂为止，输出此时外载荷；

d)更改圆弧半径r值，重新进行步骤a)、b)、c)计算分析；通过以上循环迭代分析得到叶根预埋螺套本体与周围复合材料接触的抗拉拔力最大值所对应的r值。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

本发明的叶根预埋螺套抗拉拔力高，能够避免其叶尖螺套端周围玻璃钢层应力集中，能够有效降低叶根螺栓载荷连接系数，提高叶根螺栓静力和疲劳安全性能，提高叶根连接安全可靠等级，保证风机安全性。

附图说明

图1为凸台型螺套的结构示意图。

图2为螺纹型螺套的结构示意图。

图3为光滑型螺套的结构示意图。

图4为本发明的叶根预埋螺套的剖视图。

图5为本发明的叶根预埋螺套叶根连接剖视图。

图6为本发明的叶根预埋螺套组件的爆炸图。

图7为本发明的叶根预埋螺套外齿r迭代设计流程图。

图8为本发明的叶根预埋螺套小端周围的玻璃钢应力分布。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图4所示，本实施例所述的风机叶片叶根预埋螺套，包括叶根预埋螺套本体11，所述叶根预埋螺套本体11为锥形套结构，所述锥形套结构的小端为叶尖螺套端，并加工有内螺纹113，其大端为叶根螺套端，与风机轴承5相接触，所述锥形套结构的外壁加工有外齿111，所述外齿111由多段连续的圆弧组成，该多段连续的圆弧构成波浪纹型结构，用于增大与周围复合材料接触面积，提高叶根预埋螺套本体11的抗拉拔力，所述锥形套结构的小端端部设有燕尾型开槽112，能够使该端部的内壁壁厚逐渐减小，防止叶根预埋螺套本体11叶尖螺套端周围的玻璃钢应力集中。

本实施例所述的风机叶片叶根预埋螺套的设计方法，包括以下步骤，

1)建立叶根预埋螺套本体11三维模型，该叶根预埋螺套本体11的外齿111由多段连续的圆弧组成，该多段连续的圆弧构成波浪纹型结构，能够增大叶根预埋螺套本体11与周围复合材料接触面积，提高抗拉拔力，该圆弧节圆半径为r，在叶根预埋螺套本体11三维模型的外齿111上模拟缠绕玻纤纱，通过如图7所示的迭代分析计算得到玻纤纱纱线抗拉拔力最大值所对应的r值；

其中，所述的迭代分析采用渐进失效理论分析方法，具体步骤如下，

a)定义初始条件，建立叶根预埋螺套本体11初始模型，定义初始圆弧半径r，在叶根预埋螺套本体11三维模型的外齿111上模拟缠绕玻纤纱，并施加边界约束条件和初始载荷；

b)有限元应力分析计算；

c)利用最大应力准则分析缠绕玻纤纱的应力，如果玻纤纱没有破坏，则继续增加外载荷，继续进行应力分析，直到玻纤纱线断裂为止，输出此时外载荷；

d)更改圆弧半径r值，重新进行步骤a)、b)、c)计算分析；通过以上循环迭代分析得到叶根预埋螺套本体11与周围复合材料接触的抗拉拔力最大值所对应的r值；

2)如图8所示，通过有限元分析得出叶根预埋螺套本体11的叶尖螺套端周围的玻璃钢的应力分布图，即在叶根预埋螺套本体11截止位置的地方，玻璃钢应力突然增大30％，相对位置1表示玻璃钢轴向长度，0.5表示在玻璃钢轴向长度一半的地方，即叶根预埋螺套本体11截止点所在位置，针对玻璃钢应力集中的问题，在叶尖螺套端内部设置燕尾型开槽112，使叶尖螺套端内部的壁厚逐渐降低，使其局部刚度过渡平缓，进而使玻璃钢应力过渡均匀、平缓，提高叶根预埋螺套本体11的抗拉拔性能；

3)风机叶片只有叶根螺套端端面与风机轴承5接触，由于普通的叶根预埋螺套与风机轴承5接触面积小，导致与叶根预埋螺套配套的叶根螺栓6载荷连接系数增加；通过有限元分析得出将叶根预埋螺套本体11设计为锥形套结构，即增大叶根螺套端的直径，分析得出，当叶根螺套端直径增大19.4％时，叶根螺套端端面与风机轴承5的接触面积相应增大，与叶根预埋螺套本体配套的叶根螺栓6载荷连接系数降低8.2％，提高叶根螺栓6的承载能力。

如图5、图6所示，本实施例所述的叶根预埋螺套的组件的具体制作方法为：在叶根模具上铺设外增强层纤维布2，叶根模具上固定定位法兰，通过定位螺钉与叶根预埋螺套的内螺纹113啮合固定，叶根预埋螺套左右两侧放置玻璃钢楔子7，叶根预埋螺套小头端放置泡沫楔子3，最后在叶根预埋螺套上面铺设内增强层玻纤布4，以上部件铺设完成后，通过真空灌注工艺灌注成型为一个整体，即得到叶根预埋螺套组件。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。