【正文】 發(fā)展到現(xiàn)在，通過增加其可靠性或減小負(fù)載來降低其結(jié)構(gòu)成本已成為風(fēng)力機設(shè)計的主要目的。錐形轉(zhuǎn)子的設(shè)計目的在于捕獲更多的能量，同時使整體的結(jié)構(gòu)更輕（成本更?。铒@著的特點就在于減少能量成本（ COE）上。當(dāng)受到風(fēng)載時，鉸鏈?zhǔn)谷~片沿著錐角減小的方向進(jìn)行合攏變形，使葉片由彎曲梁變成受拉桿，以此達(dá)到一種離心力與空氣動力平衡的狀態(tài)。其結(jié)構(gòu)一般采用錐體式，在整個旋轉(zhuǎn)的 過程中，離心力 F和空氣動力 S產(chǎn)生的軸向推力都是呈周期性變化的。風(fēng)輪轉(zhuǎn)子可以在旋轉(zhuǎn)的過程中通過不斷改變槳葉的張合角度來捕獲能量，穩(wěn)定功率輸出，保護風(fēng)力機部件。其研究數(shù)據(jù)說明，與常規(guī)風(fēng)力機相比，直徑相同的風(fēng)輪，其最小啟動風(fēng)速可從 4 m/s降到 3 m/s，承受極限載荷的能力最高可以達(dá)到 70 m/s，其力矩、軸向推力和輸出功率都可通過其錐形角的變化來進(jìn)行控制。 Liu等采用輕而軟的泡沫材料制作了小型的下風(fēng)向錐形轉(zhuǎn)子模型，其轉(zhuǎn)子直徑為 m，翼型使用 NACA0018，最大弦長 m，在錐角分別為 0176。時其性能得到明顯的改善 [3]。所以很有必要選擇一種柔性連接機構(gòu)來取代傳統(tǒng)的剛性連接，使葉片對于風(fēng)載具有自適應(yīng)性，當(dāng)風(fēng) 速較大時向前合 攏；當(dāng)風(fēng)速較小時向后張開，通過控制受風(fēng)面積來穩(wěn)定功率輸出，增長葉片和輪轂等風(fēng)力機部件的壽命，減少維修成本，提高風(fēng)能的利用率。但 是，傳統(tǒng)的柔性鉸鏈只適合用在微位移機構(gòu)上，所以必須對其材料和結(jié)構(gòu)等進(jìn)行改造，并找到合適的變形理論。對于一種最終確定的方案，通過相關(guān)變形理論對其運動過程進(jìn)行分析，得出其運動軌跡曲線，進(jìn)行強度校核和相關(guān)計算，并用有限元分析軟件 ANSYS Workbench 。在工程上較為廣泛應(yīng)用的風(fēng)力機葉 片設(shè)計模型 ——Schmitz模型、簡化設(shè)計模型、 Wilson模型和 Glauert模型等都是基于某個理論基礎(chǔ)上的 [14]。此外，他還假設(shè)在整個風(fēng)輪掃掠面上的氣流都是均勻分布的，氣流速度無論是在風(fēng)輪前后還是在通過風(fēng)輪時都是沿著其軸線方向的。在實際工程設(shè)計時，根據(jù)葉片翼型、葉片數(shù)量、輸出功率等情況，一般取 CP在 ，來進(jìn)行葉片的初步設(shè)計。 因此，在風(fēng)輪半徑等于 r處氣流的切向速度為 U=(1+b)Ω r （ 211） 動量理論 動量理論主要用于估算輸出功率、氣流流速和效率。類似地，定義 a′ =ω/(2Ω ) 為切向速度誘導(dǎo)因子，其中ω為槳葉面內(nèi)風(fēng)的角速度，則可得轉(zhuǎn)矩 Q為 （ 215） 式中， R槳葉面半徑。這里假定每個微段之間都沒有干擾，每個葉素上所受的力只由葉素翼型的升阻特性來決定，葉素本身可以看成一個二元翼型，此時，將作用在每個葉素上的力和力矩沿翼展方向積分，就可以求得作用在風(fēng)輪上的力和力矩，如圖 25所示 [14]。同樣地，氣流相對風(fēng)輪的切向速度也并非Ω r，而是多了另外一項 bΩr，這就是切向誘導(dǎo)速度。 基于上述慣性坐標(biāo)系以及各坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，運用假設(shè)模態(tài)求和法，可把各個自由度的變形量用模態(tài)與廣義坐標(biāo)的乘積之和來表示： r(x, t) = ? 1(x)y1(t) + ? 2(x)y2(t) + ? 3(x)y3(t) （ 225） 其中，? i(x)是模態(tài)， yi(t)是廣 義坐標(biāo)。 錐形轉(zhuǎn)子的空氣動 力學(xué)性能 葉素 動量（ BEM）理論仍然是主要的風(fēng)力機設(shè)計工具，鑒于其成本與必需的空氣彈性變形仿真中更加詳細(xì)的方法有關(guān)，這些仿真作為證明是必須執(zhí)行的。 錐形轉(zhuǎn)子的確給傳統(tǒng)定義的葉尖速比λ、 CP和 CT引入了一種不明確，可以基于錐形轉(zhuǎn)子實際的葉尖半徑 Ractual，或者非錐形轉(zhuǎn)子的參考半徑 Rref，見公式（ 229）。人們在通過對各種各樣的彈性支承 進(jìn)行了大量的試驗探索后，才逐步制造出體積小、無機械摩擦、無機械間隙的柔性鉸鏈。與傳統(tǒng)的微位移柔性鉸鏈相比，大變形柔性鉸鏈的設(shè)計是目前進(jìn)行該領(lǐng)域研究的熱點之一。但目前柔性鉸鏈主要應(yīng)用在微機械領(lǐng)域 ，大型化場合的應(yīng)用極少。圓弧型柔性鉸鏈的優(yōu)點在于運動精度較高，但其運動行程受到很大限制，只能實現(xiàn)極其微小程度的轉(zhuǎn)動。柔性鉸鏈采用一體化成型，由于圓弧型柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動幅度較小，為了達(dá)到大變形的目的，整體采用橡膠作為材料，具體尺寸結(jié)合實際運動要求參照文獻(xiàn) [25]中的公式進(jìn)行設(shè)計，本節(jié)只討論結(jié)構(gòu)的可行性，故不具體展開分析。直梁型柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動范圍較大，其轉(zhuǎn)動能力由中間的柔性板材料的力學(xué)性能所決定。由于尺寸過于龐大，使用橡膠作為材料剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而且整體成型也比較困難。 其它輔助機構(gòu)設(shè)計 支撐機構(gòu) 傳統(tǒng)的柔性鉸鏈只是主要用于小型的機械機構(gòu)中，想要運用在大型的風(fēng)力機上，其尺寸也必須很大。兩肩上曲面的曲線可以通過柔性連接機構(gòu)的實際運動曲線來進(jìn)行設(shè)計，當(dāng)兩者嚙合時可以起到很好的減振作用。這一點對大型風(fēng)力機零部件尤為重要。 ―粘滯流體阻尼器是一種無剛度、速度相關(guān)型的阻尼器，具有加工精度高、耗能能力強、外形美觀等特點 ‖ [35]。 翻轉(zhuǎn)機構(gòu) 根據(jù)平面四桿機構(gòu)的運動特性，設(shè)計了一種可自動回復(fù)的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，其工作原理如圖37所示。）時的轉(zhuǎn)動。） b）中間 位置（ 45176。） c）初始位置（ 0176。） 圖 38 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)正視圖 上底板與水平面的夾角（翻轉(zhuǎn)角度）θ關(guān)于內(nèi)側(cè)兩根連桿所轉(zhuǎn)過的角度 d? 1的函數(shù)圖象如圖 39所示。θ =90176。中間的一根粗連桿連接上下嚙合體，把下底板固定，就可以通過粗連桿的簡單轉(zhuǎn)動帶動上底板實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，其翻轉(zhuǎn)角度θ是粗連桿的轉(zhuǎn)動角度?的兩倍。） c）最終位置（ 90176。） 圖 311 嚙合鉸鏈結(jié)構(gòu)示意圖 a）初始位置（ 0176。結(jié)合大型風(fēng)力機的實際工作情況，添加了支撐機構(gòu)和減振機構(gòu)作為所設(shè)計的柔性連接機構(gòu)的輔助機構(gòu)。 圖 41 柔性連接機構(gòu)工作圖 柔性板在工作過程中應(yīng)力和應(yīng)變的最大值發(fā)生在最外側(cè)和最內(nèi)側(cè)的纖維處，最大應(yīng)變?yōu)? ??max=??2?????2(R???2)??2??=??2?? （ 41） 則最大應(yīng)力為 ??max=E??max=??2????≤[?] （ 42） 由此可知 ??≤2[??]????min （ 43） 其中， E柔性板材料的彈性模量， [σ ]柔性板材料的許用應(yīng)力。結(jié)合實際工況，在滿足 0~90176。 支撐機構(gòu)嚙合面曲線設(shè)計 在上一章 ，初步確定了一個半套筒式的支撐機構(gòu)。這就是支撐機構(gòu)嚙合面曲線設(shè)計的基本思想。根據(jù)柔性連接機構(gòu)的實際運動情況，如圖 41所示，直線 O1P’的方程為 y=tanα 由式（ 46）和（ 47），利用數(shù)學(xué)軟件 MATLAB作出 P’（ xp， yp）的軌跡如圖 42所示，這就是支撐機構(gòu)的嚙合面曲線。支撐機構(gòu)上的嚙合面的主要作用是當(dāng)柔性連接機構(gòu)受到過大的沖擊載荷時，可以保護柔性板，使機構(gòu)能正常工作。在實際工程中，通常用雷諾數(shù)來判定流體的運動狀態(tài) [36]。對于一般的結(jié)構(gòu)用流體阻尼器，由于其運動速度較小，流體粘 度較大，此時雷諾數(shù)一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 2320，所以很難出現(xiàn)紊流的情況 [35]。 圖 44 圓管層流結(jié)構(gòu)示意圖 液體通過圓管的流量 Q為 Q=????4???128?????? （ 49） 式（ 49）就是哈根 伯肅葉定律 ，它與精密實測結(jié)果完全一致 [37]。 同樣在不考慮導(dǎo)桿慣性力的條件下，導(dǎo)桿所受的外力與阻尼器所提供的阻尼力可認(rèn)為是相等的，即 F’=F （ 412） 其中， F為阻尼器所提供的阻尼力。 a）正視圖 b）斜視圖 圖 45 阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖 柔性連接機構(gòu)整體裝配圖 加上支撐機構(gòu)和減振機構(gòu)后的柔性連接機構(gòu)整體裝配圖如圖 46所示。??r2??=??δα??r （ 415） 可得 ????=??b??36??r=???? （ 416） 其中， k? 柔性連接機構(gòu)的轉(zhuǎn)動剛度。 柔性連接機構(gòu)儲存能量的過程，就是外力矩 M對其做 功的過程，也就是柔性板在外力的作用下，由展開狀態(tài)到彎曲合攏狀態(tài)的過程。 柔性連接機構(gòu)運動過程模擬 運用通用有限元分析軟件 ANSYS Workbench 型進(jìn)行分析，通過定義接觸、劃分網(wǎng)格并施 加一定的載荷和約束，模擬其實際運動過程。 圖 49 柔性連接機構(gòu)模擬運動過程 本章小結(jié) 本章首先通過分析柔性連接機構(gòu)的變形過程，運用材料力學(xué)的知識對其柔性板的最小厚度進(jìn)行了設(shè)計，然后通過上法蘭盤與支撐機構(gòu)的嚙合條件描繪出了支撐機構(gòu)左右兩肩上嚙合面的輪廓曲線，同時對減振機構(gòu)的阻尼特性進(jìn)行了選擇和計算。由于本文研究重點在于風(fēng)力機葉片與輪轂連接部位的柔性連接機構(gòu)的設(shè)計，因此對風(fēng)力機輪轂、機艙、傳動系統(tǒng)和塔架等部件進(jìn)行簡化，利用三維建模軟件 SolidWorks對整機進(jìn)行建模與裝配。為了防止由于葉尖變形影響計算精度，將葉尖部分進(jìn)行適當(dāng)放大。傳動系統(tǒng)和電機都可以簡化成梁結(jié)構(gòu)，如圖 53 所示。 表51 塔架具體參數(shù) 圖55 塔架三維模型 高度 /mm 直徑 /mm 壁厚 /mm 0（法蘭） 4200 70 11200 —— 30 22400 —— 28 24958 —— 26 25（法蘭） 84 33400 —— 26 47400 —— 24 50958 —— 22 51（法蘭） 84 59400 —— 22 70600 —— 20 75940 —— 18 76（法蘭） 2350 60 最大形變 /mm 最大應(yīng)力 /Mpa 最大應(yīng)變 傳統(tǒng)風(fēng)力機 柔性風(fēng)力機 葉片 塔架 旋轉(zhuǎn)頻率 n 穿越頻率3n 傳統(tǒng)風(fēng)力機 柔性風(fēng)力機 一階 ~ ~ 二階 三階 四階 五階 六階 七階 八階 九階 十階 十一階 十二階 整機模型 把風(fēng)力機各部件裝配起來，加入第四章所設(shè)計的柔性連接機構(gòu)，其整機裝配模型如圖 56所示。 圖 53 傳動系統(tǒng)三維模型 圖 54 機艙三維模型 塔架模型 塔架主要用于支撐風(fēng) 輪、傳動系統(tǒng)和機艙等部件，其結(jié)構(gòu)采用底部直徑大，頂部直徑小的錐形圓筒結(jié)構(gòu)，材料選用 Q345，底部直徑為 4200 mm，頂部直徑為 2350 mm，考慮運輸和制造問題，在總長度范圍分為三段法蘭連接結(jié)構(gòu)，由下往上依次是 25 m， 26 m， 25 m，具體參數(shù)如表 51所示，其三維模型如圖 55所示。 圖 51 葉片三維模型 輪轂?zāi)Ｐ? 輪轂為薄壁結(jié)構(gòu)，為了不增加機構(gòu)整體的復(fù)雜性，暫時不考慮新型輪轂的設(shè)計，仍采用傳統(tǒng)的三葉片輪轂結(jié)構(gòu)，材料為 QT40018L，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 52所示。風(fēng)力機整機功率為 MW，葉片長 m，翼 型采用 NACA63XXX系列，選擇玻璃鋼作為材料。最后運用通用有限元分析軟件 ANSYS Workbench 機構(gòu)的實際運動進(jìn)行模擬， 模擬結(jié)果顯示，其運動變形過程能夠滿足設(shè)計要求。 施加載荷和約束后的結(jié)果如圖 48所示。 WM=Ep （ 417） 其中， WM力矩 M對柔性連接機構(gòu)所做的功， Ep柔性連接機構(gòu)中儲存的彈性勢能。 上面給出的轉(zhuǎn)動剛度公式是在假定與柔性連接機構(gòu)上法蘭盤相連的葉片質(zhì)量為零的情況下獲得的，在分析具體的機構(gòu)的動力學(xué)問題時，可以將葉片的等效轉(zhuǎn)動慣量或等效質(zhì)量加在上法蘭盤中，并在具體方程中予以體現(xiàn)。 a）斜視圖 b）正視圖 c）側(cè)視圖 圖 46 柔性連接機構(gòu)整體裝配圖 柔性連接機構(gòu)的轉(zhuǎn)動剛度研究 根據(jù)前面的討論，材料力學(xué)中對于直梁在純彎狀態(tài)下的結(jié)論可以用于討論本文所提出的柔性連接機構(gòu)的一些力學(xué)方面的問題。 阻尼器的三維 模型如圖 45所示。 考慮到 Q=VA （ 410） Q表示活塞運動時流經(jīng)阻尼孔的總流量， V表示活塞的運動速度， A表示有效的截面積（即活塞截面積與導(dǎo)桿截面積之差）。 在國內(nèi)眾多的教