АНАЛИЗ

ПРОЧНОСТИ КЛЕЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ ЛОПАСТИ ВЕТРОТУРБИНЫ USW-56-100

   
 
   Несмотря на снятие с производства ветротурбины USW-56-100, в эксплуатации на сегодняшний день находится около 1000 установок, которые нуждаются в ремонте и решении проблем, связанных с недоработками в конструкции. Одной из проблем, с которой сталкиваются при эксплуатации ветротурбины, является сползание лопасти со стальной гильзы (рис.1).

   Всегда считалось, что эта проблема связана только с несоблюдением технологии на заводах - изготовителях лопастей. Аргументировалось это беспроблемной работой американских ветротурбин на протяжении многих лет. При более скрупулезном анализе информации об их работе в Соединенных штатах оказалось, что не все так гладко в оригинальной конструкции узла крепления. В одной из статей (Blade Manufacturing Improvements Remote Blade Manufacturing Demonstration SAND2003-0719 Unlimited Release Printed May 2003 TPI Composites, Inc. 373 Market Street Warren, RI 02885), обнаружена информация об имевшихся многочисленных случаях нарушения целостности клеевого соединения на USW-56-100. Причиной проблем называются большие концентрации напряжений и технологические сложности в обеспечении равномерной толщины клеевого слоя. В этой статье предлагалось заменить узел штифтово-шпилечной схемой, наиболее часто применяемой производителями лопастей.

Целью данных исследований ставилось исследование напряженно – деформированного состояния в элементах соединения и поиск альтернативных решений, позволяющих минимизировать концентрации напряжений на стадии ремонта дефектных узлов. Объемы статьи не позволяют привести данные всех исследований, поэтому приводятся лишь основные результаты.

Ввиду сложности решения данной задачи аналитическими методами, для анализа напряженно-деформированного состояния узла был использован метод конечных элементов. Внешние экстремальные нагрузки определены по методике Германского Ллойда для ВЭУ. Комлевая цилиндрическая оболочка лопасти принята ортотропной, упругие характеристики которой определены по классическим уравнениям механики слоистых пластиков, исходя из упругих характеристик элементарных слоев стеклоткани.

В результате расчета выявлено, действительны большие концентрации напряжений в клеевом слое при действии экстремальных нагрузок. Как и следовало ожидать, они локализованы у краев клеевой прослойки. Причем у внутреннего края клея, граничащего с краем стальной вставки, отрывные напряжения достигают 43 мПа, и намного превышают допускаемые характеристики клеевого соединения на отрыв, редко достигаемые 5 мПа. Расчет производился для экстремальных нагрузок, возникающих при максимальном ветре с порывами. При номинальных рабочих нагрузках напряжения снижаются примерно вчетверо, что все равно не позволяет достичь безопасного уровня нагружения.

Рис. 2. Скос торца комля.

Рис.3. МКЭ модель напряженного состояния клеевого слоя

Известно, что клеевые соединения плохо работают при отрывных нагрузках, и обычно на адгезионную прочность ориентируется в конструкциях, где клей испытывает сдвиговые деформации. В данном случае таковые практически отсутствуют.

Классические схемы склеивания требуют применения скашивания кромок “на ус” для минимизации концентраций напряжений. Было проведено исследование напряженного состояния соединения для скоса кромки стеклопластиковой оболочки (рис.2) при углах а=15,30,40град и 90град (нескошенная кромка). Оказалось, что максимально достижимое снижение напряжений – с 43 до 17 мПа, что все равно недостаточно для достижения безопасных уровней напряжений (Рис. 4). Кроме того, на конце стальной втулки напряжения практически не изменялись и оставались слабым местом соединения. Предполагалось, что скос втулки позволит несколько снизить эти напряжения, однако расчеты показали, что даже максимально возможный скос (острая кромка) не меняет картины напряженного состояния. Этого следовало ожидать, так как эта мера не вносит существенного вклада в снижение общей изгибной жесткости стальной втулки.

Приведенные выше меры способны несколько снизить частоту сползаний лопастей, но не будут гарантировать полную надежность соединения. Опыт показывает, что основной причиной смещения втулок является коррозия на границе клей-сталь. Неизбежные отрывные напряжения приводят к микроотслоениям, в которых зарождаются очаги коррозии, постепенно распространяющиеся на всю поверхность. Именно поэтому конструкторы предпочитают не использовать клеевые соединения в высоконагруженных узлах, особенно если в них присутствуют отрывные напряжения. Наиболее популярный на сегодняшний день способ крепления – штифто-болтовое (штифто-шпилечное) соединение. Но и оно, не смотря на высокую надежность, требует дополнительных операций высокоточной сверловки и вклейки, и считается экономически нецелесообразным для лопастей ВЭУ небольшой мощности.

Рис.4. Влияние скоса на отрывные напряжения.

На предприятии ЭСТА разработан оригинальный, принципиально новый вариант механического присоединения лопасти, позволяющий закладывать элементы крепления на этапе изготовления лопасти. Лопасти с таким креплением прошли полуторагодовую апробацию на вертроагрегатах Сакской ВЭС, и доказали, что предложенное конструктивно-технологическое решение работоспособно и надежно. При необходимости, узел может быть применен в лопастях большой мощности, что позволило бы несколько снизить их себестоимость за счет уменьшения капитальных затрат и ликвидации дополнительных операций по механической обработке и вклеиванию закладных деталей.

Гейко С.П., Астахов.О.Е.. Николаев, ЕСТА Лтд
Даниленко А.И.


Вернуться на страницу Ветроэнергетика > Лопасти WBM-100 для ветротурбины USW 56-100