NTK300型风电机组主轴疲劳断裂失效分析

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1、万方数据VoI．52No．3T程与试验EN(jINEERING＆．TESTSep．2012NTK300型风电机组主轴疲劳断裂失效分析任淮辉1’2，陶刚正1，张海涛1，王习术2(1．龙源(北京)风电工程技术有限公司，北京100034；2．清华大学航天航空学院工程力学系，北京100084)摘要：随着风电机组服役时间的逐年增长，早期投产的风电机组陆续出现主轴的疲劳断裂事故。本文结合国内某风电场的NTK300风电机组主轴断裂问题，对断裂主轴进行宏观和微观断口分析，结果表明：风电机组主轴在额定工况载荷作用下，虽工作应力

2、水平较低，应力集中不明显，但长期服役后仍可能发生疲劳断裂。同时，通过有限元分析发现，额定工况载荷作用下的主轴在断裂位置处应力分布相对集中。通过主轴高周疲劳断面sEM图片的对比发现，主轴在断裂位置的轴向截面应力分布梯度与某一时刻疲劳裂纹萌生和扩张的方向基本一致。关键词：风电机组；主轴；疲劳断裂；有限元分析中图分类号：TM315文献标识码：Bdoi：10．3969／j．issn．1674—3407．2012．03．002FatigueFailureAnalysisofShaftforNTK30OWindTurbi

3、neRenHuaihu一2，TaoGangzhen91(1．Lo竹gy“口”(BP0i咒g)WindPo议，PrE7zgi咒gPri卵g2．Dep矗7_￡?珏en￡o，EngineeringMech舀?tics，AML，，ZhangHaita01，WangXishu2TPc^咒DZogyC0．，L了、D．BP巧i竹g100034，C^i钾(z；TsinghHQUniuersi￡了，Beijing10008连，Chi扎a)Abstract：Withthegrowthofservicetimeofthewindt

4、urbine，themainshaftshaveincessantlyoccurredtofatiguefracturefortheearlyproductionofwindturbineinChina．Inthispaper，themacro—andmicro—fatiguefractureanalysisofthemainshaftforNTK300windturbineinawindfarmiscarriedout．Theseresultsindicatedthatalthoughthemainshaf

5、thasalowstressandin—distinctivestressconcentrationundertheratedoperatingcondition，thefatiguefractureoccurredintheexceedservice1ife．Inaddition，thefiniteelement(FE)modelingisusedtoinvestigatethestressdistributionofthefracturelocation．Comparisonwithcrackingpoi

6、ntofhighcyclefatigueofmainshaft，wecanfindthattherearethesamestressgradientandcrackextensiontrendsfortheFEmethodandtheexperiments．Keywords：windturbine；shaft；fatiguefracture；finiteelementanalysis引言进入21世纪，能源安全和环境保护己成为全球化的问题。各国政府高度重视发展可再生能源，将其作为缓解能源供应矛盾、减少温室气体排

7、放和应对气候变化的重要措施，纷纷制定了发展战略和一系列激励政策，引导、鼓励可再生能源的发展[1]。当前，利用可再生能源发电主要包括水电、风电、生物质电、地热电和太阳能发电等。其中，与传统能源相比，风力发电不依赖外部能源，没有燃料价格风险，发电成本稳定，也没有碳排放等环境污染；此外，在全球范围内，可利用的风能分布非常广泛。正是因为有这些独特的优势，风力发电逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分，风力发电行业发展迅速H_5j。人类对风能的应用可以追溯到上千年，采用风能发电源于19世纪，现代风力发电机工业和技

8、术上的突破，则始于上世纪80年代初始，工业化生产风电机组使风力发电的成本下降了约50％，我国对大功率发电机组的应用和并网始于上世纪90年代。随着风电机组的长期服役，部分风电机组逐渐逼近[收稿日期]2012一0727[作者简介]任淮辉(1981一)，男，安徽淮北人，博士，博士后，主要从事材料微结构设计与数值模拟，工程断裂与失效分析。万方数据工程与试验其设计寿命20年，同时，伴随着个别风电机组关键零部件