风电塔筒高强度螺栓联接的受力分析及腐蚀实验研究

湘潭大学硕士学位论文风电塔筒高强度螺栓联接的受力分析及腐蚀实验研究姓名：田军申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：谭援强20080520IV摘要近年来，能源问题日益成为人类面临的昀严峻的问题之一。风力发电技术日趋成熟，是一种具有大规模发展潜力的可再生能源，在远期有可能成为世界上重要的替代能源。然而由于风力发电的场地条件十分恶劣，所以对风机运行的安全性，特别是风电塔架的塔筒之间联接的可靠性的研究是很有必要的。风机塔筒之间一般是由高强度螺栓连接的，所以必须对高强度螺栓的可靠性进行研究。本文对塔筒连接的高强度螺栓扭矩系数的影响因素、螺栓的受力及应力状态下的腐蚀进行了研究分析。从分析结果可以发现，螺栓的扭矩系数与螺纹的中径、螺母的支承面的大小、螺纹升角、连接件的表面质量，还有螺旋副的表面质量等因素有关。其中昀主要的是螺旋副的表面质量。在实验研究中可以看出，润滑剂的使用对扭矩系数的很大的影响。使用润滑剂能够使扭矩系数减小，并且可以得到更为准确的预紧力，但会影响螺栓的应力松弛。利用ANSYS对高强度螺栓受力进行有限元分析，发现在螺栓头和螺栓的连接处及螺母与螺栓的连接处，出现了应力集中。这两个地方是螺栓的危险截面。对法兰连接受力进行分析，连接法兰四周的螺栓受的昀大应力各有不同，是从大到小（或从小到大）排列。并对整个塔及受力昀大处的螺栓进行受力分析。分析结果对螺栓连接的现场施工有一定的指导意义。对不同情况下的高强度螺栓进行应力腐蚀研究，并进行了中性盐雾实验研究，发现受应力作用的螺栓腐蚀出现的时间较没有受力的螺栓早。经过50h的中性盐雾实验之后，受应力作用的螺栓的镀锌层已经完全腐蚀，而没受力的螺栓的镀锌层还没有被完全腐蚀。可见应力的存在会加速螺栓的腐蚀，所以在工程应用中对螺栓连接的表面防护要充分考虑预紧力的影响。研究结果对高强度螺栓的制造和工程应用有一定的理论指导意义。关键词：高强度螺栓；有限元；扭矩系数；应力腐蚀；风力发电；VAbstractTheproblemofenergysourcesisbecomingoneofthemostaustereproblemswefacerecently.Windpower,areproducibleenergy,ismatureintechnicalandpossessesofpotentialtodevelop,anditislikelytobeanimportantsubstituteoftraditionalenergyinthefuture.Sothesaferesearchofwindturbine,especiallythetowertubeconnectofthewindturbineisnecessary.Thetowertubebegenerallyconnectedbyhighstrengthbolt,sohavetocarryonaresearchtothesafeofhighstrengthbolt.Thispaperdiscussedtheinfluencefactorsoftorquecoefficient,theloadsandthecorrosionunderloadabouthighstrengthbolt.Theresultsshowthattherearemanyfactorsinfluencethetorquecoefficient.Themanufacturingaccuracyofthespiralpairisthemostimportance.Theexperimentindicatesthatusingthelubricantcanreducethetorquecoefficientandgetmoreaccuratepreload.Butitwillinfluencethestressrelaxationofbolt.ThesoftwareANSYSwasusedtoanalysestheloadofhighstrengthbolt.Theresultsshowthatstressconcentrationappearsintheboltheadandboltofconjunctionwherearethedangerouspositionofthebolt.Theanalysisofflangeconjunctionindicatesthatthestressofboltsincreasesorderly.Theanalysisofthewholetowerandtheboltofwhichbearingthebiggeststresswasperformed,theresultscanbetheguidelinetotheusageofboltconjunction.StudyontheSCCofhighstrengthboltandaneutralsaltfogexperimentofhighstrengthboltwasinvestigated.Itshowsthattheboltbeingsubjectedtoloadwaserodedmoreearlierthantheotherswhichnotbeingsubjecttoload.After50hours,thezinclayerofboltwassubjectedtoloadhasbeenalreadycompletelydecayed,buttheotherswhichwasnotsubjectedtoloadwasnoterodedthoroughly.Theloadcanacceleratetherateofcorrosion.Soinordertoprotectboltconjunction,theinfluenceofpreloadneedtobeconsideredintheengineeringtheapplication.Theresultsofresearchcanbeguidelinetomanufacturingandengineeringapplicationofhighstrengthsbolts.Keywords：Highstrengthbolt;FEM;Torquecoefficient;SCC;Windpowergeneration;III湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日湘潭大学硕士论文1第一章绪论1.1引言能源与人类社会息息相关，它是发展生产和提高人类生活水平的重要物质基础。能源利用技术的每一次重大突破，都曾引起生产力的巨大发展，促进人类文明水平的提高，促进社会向前发展。目前，世界上能源的主要形式是以煤、石油为主的化石能源、核能以及可再生的水利能源、太阳能和风能。但是，人类所能够利用的化石资源是有限的，据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍，按照目前的技术水平和采掘速度计算，全球煤炭资源还可开采200年。此外，石油探明储量预测仅能开采30多年，天然气约能开采60年。随着人口的增长和经济的发展，人们对能源的需求近年来平均以5%的速度递增，造成能源供需矛盾的加剧。如果不能尽早调整以化石能源为主体的能源结构，势必会形成对数亿年来地球积累的生物化石遗产更大规模的挖掘、消耗，由此将导致有限的化石能源趋于枯竭，人类生态环境质量下降的恶性循环。不利于经济、能源、环境的协调发展。随着人类社会的发展、科技的进步以及日益严重的资源和环境问题的挑战，世界能源结构开始经历第三次大的变革，即从煤炭、石油、天然气为主的能源系统，开始转向以可再生能源为基础的可持续发展的能源系统。1992年，联合国在巴西召开了世界各国首脑参加的世界环境与发展大会，再次强调了可再生能源的开发对环境和发展的深远历史意义。风能取之不尽，用之不竭，是非常重要的一种洁净的可再生能源，是人类能源结构的转变中一个非常重要的部分。地球上的风能资源十分丰富，据世界气象组织统计分析表明，地球上近地层的风能总量约为13000亿kW，如有1%被有效利用，就可满足人类对能源的需求。人类开发利用风能已经有很长的历史，风能为人类文明的发展做出了巨大的贡献。风能易于获得并转换，且分布广泛、无污染而又能够不断再生，所以开发利用风能可以很好的解决目前化石能源的危机，为人类解决能源危机提供一条很好的办法。风力发电是目前利用风能的重要形式，也是多种可再生能源利用技术中比较成熟的。随着单机容量越来越大，配套技术日益完善，制造成本不断降低，商业化机组已有10余年良好运行的记录。风力发电有其自身独特的优越性，主要体现在以下几个方面:(1)风力发电是一种洁净的自然能源，不存在燃煤、燃油的环境污染问题，不会引起温室效应，不存在核电放射性废料对人类的威胁。(2)风力发电场建设周期短，装机规模灵活，既可单台安装，又可多台安装，互湘潭大学硕士论文2不干扰。建设一般规模的风力发电场，从基础建设、安装到投产，只需半年至一年时间，而火电、油电、核电约需3-10年的时间。(3)风力发电的经济性日益提高。与火电相比，不存在建厂房、运输、除灰等问题;与水电相比，不存在筑坝、淹地、移民等问题，发电后除折旧费和维护费外，不消耗燃料，无三废处理问题，其成本接近火电，低于油电、核电，从综合经济效益看，具有较强的竞争力。综上所述，利用风能发电不仅能够满足人类的需要，也能够保护地球的生态环境。所以对风能发电技术的研究是很有必要的。1.1.1风力发电的发展状况1.国际风力发电现状风能是由于空气流动而产生的能量，是一种可再生的清洁能源，也是人类昀早利用的能源之一，它储量大、分布广。70年代中期，世界能源发生危机，由于石油的价格上涨，极大地刺激了一些国家，使他们把研究开发其他能源放到了重要位置，特别是风力发电得到了一些国家和政府的大力支持。起初主要是欧洲一些国家，如丹麦、荷兰、德国和英国等，后来很快波及到欧洲大陆以外。由于风力发电比其他可再生能源在经济上更具有竞争力，因而发展迅速。由于技术的飞速发展，风力发电设备在80年代就迈上一个新台阶。80年代初在风电市场上销售的第一代风力机，单机发电容量只有20～30千瓦，到90年代中期第6代风力机单机容量增加到500～1000千瓦。目前市场上的第7代风力机，单机容量达1650千瓦，MW级的风机成为现在可以系列生产的昀大风力机。今天，世界的风力发电工业正以不同的方式提高风力发电的经济性，各国的公司都在想方设法提高现有的技术水平，选择昀优秀的设计方案。在这一方面，美国、德国、丹麦可以说昀富有代表性。截止2007年年底，全球风力发电装机容量达到5910万千瓦，欧洲占全世界风电装机容量的三分之二。德国为世界风电发展之首，其他地区也正在崛起，约有50多个国家加入了风力发电的行列。美国目前至少有1.7万台以上的风力发电机组，发电量大约占全美发电总量的1%左右。发达国家中每年风电装机容量高速度增长的一个重要原因是风电技术已经相当成熟。目前单机容量500、600、750千瓦及兆瓦级的风电机组已达到批量商业化生产的水平，成为世界风力发电的主力机型。2.我国风力发电现状及前景我国是一个风力资源非常丰富的国家，也是利用风力昀早的国家之一。中国是昀早使用帆船和风车的国家之一，早在距今1800年以前，东汉刘熙所著湘潭