【正文】 l wind turbine, blades and the hub connect rigidly by the use of bolts. As the wind speed changes frequently, the wind turbine’s ponents are prone to be damaged. This article firstly introduces the structure and research status of the coning rotor, then with the traditional wind turbine’s aerodynamics and structural dynamics theory which leads to a coning rotor’s aerodynamics. Modeled on the arc and the straight beam type flexible hinge’s structure and considering the specific connection with wind turbines, two flexible connecting mechanisms connected between the blade and the hub were designed, making it into a flexible connection from a rigid one. When the wind speed is fast, the blade can fold forward to unload。 Structure Static Analysis。有相關(guān)專家預(yù)測，這個趨勢仍會繼續(xù)，以后將以每年 25%的速度遞增 ，而成本也將以每年 20%~40%的速度下降。在短短 10年之內(nèi)，制造出單機(jī)裝機(jī)容量 1500 kW，直徑為 70 m的風(fēng)力發(fā)電機(jī)不再是一個難題，對不少制造商來說都是力所能及的事情 [1,2]。雖然葉片已經(jīng)越來越柔性化，但其與輪轂之間的連接仍然是剛性的，在葉片根部會產(chǎn)生應(yīng)力集中。傘形風(fēng)力機(jī)是通過葉片與輪轂連接處的鉸鏈來控制其葉片的受風(fēng)面積，隨著風(fēng)速的變化逐漸形成一個錐形，可以顯著地減少瞬時載荷，從而保護(hù)風(fēng)力機(jī)部件[4,5,6]。錐角按彎矩的大小不斷改變，同時抵消其作用，不僅風(fēng)輪整體可以錐置，葉片之間也能獨(dú)立地改變各自的錐角。鉸鏈輪轂的概念在20世紀(jì) 50年代首先由 ，美國生產(chǎn)的直徑為 91 m的 Maglarp風(fēng)力發(fā)電機(jī)就采用了這種結(jié)構(gòu)。 圖 14 小型傘形風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 圖 15 小型傘形風(fēng)力機(jī)戶外工作圖 傘形風(fēng)力機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，通過主動或被動的方式來控制葉片的槳距角使風(fēng)輪受風(fēng)面積增加或減小的技術(shù)已趨于成熟，而依靠槳葉長度的主動或被動控制則很少有人關(guān)注 [12]。英國劍橋大學(xué) Jim Platts教授領(lǐng)導(dǎo)的 Khan研究小組在 Peter Jamieson教授的研究基礎(chǔ)上建立了傘形風(fēng)輪理論，其理論基于修正后的葉素 動量定理（ BEM），通過鉸鏈連接的方式分析了 通過葉片沿翼展方向相對于其旋轉(zhuǎn)平面夾角變動引起的氣動效應(yīng)來控制風(fēng)輪的輸出功率，首次獲得了傘形風(fēng)力機(jī)的完整性能曲線。、 10176。 課題的研究意義 隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源的缺口正在不斷擴(kuò)大，特別是近年來，我國石油消費(fèi)持續(xù)增長，對外依賴程度持續(xù)提高，到了 20xx年首次超過了 56%。 課題的主要研究內(nèi)容 傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)的葉片和輪轂之間是通過螺栓剛性連接的，受到風(fēng)力的交變載荷后壽命會大大降低。主要研究內(nèi)容如下： （ 1）傘形風(fēng)輪柔性連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。 （ 3）風(fēng)力機(jī)整體建模及其靜態(tài)特性分析。 貝茨理論 首個關(guān)于風(fēng)輪的完整理論是德國哥廷根大學(xué)研究所的貝茨教授建立的。 設(shè) V1是氣流在風(fēng)輪遠(yuǎn)前方的速度， V是氣 流通過風(fēng)輪時的實(shí)際速度，而且在整個風(fēng)輪掃掠面 S上是均勻分布的， V2是氣流在風(fēng)輪遠(yuǎn)后方的風(fēng)速。 圖 22 實(shí)際風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù) 渦流理論 渦流理論主要考慮通過葉輪的氣流誘導(dǎo)轉(zhuǎn)動效應(yīng)，并且忽略了由于葉片翼型所引起的阻力和葉梢損失的影響，忽略有限的葉片數(shù)量對于氣流的周期性影響，而且葉片各個徑向環(huán)斷面之間是相互獨(dú)立的。經(jīng)典的風(fēng)力機(jī)動量理論描述了經(jīng)過槳葉面的一個理想流管，如圖 24所示， V V、 V2分別代表來流的速度、經(jīng)過槳葉面的速度和槳葉面尾流的速度 [14]。 葉素理論 Richard Froude最先于 1889年提出葉素理論。 圖 25 翼型剖面的氣流角和受力 設(shè)葉素的弦長為 l，則其升力和阻力分別為 （ 216） （ 217） 則沿著風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的切向力 dFx與軸向力 dFy分別為 （ 218） （ 219） 其中： Cx=ClcosΦ +CdsinΦ （ 220） Cy=ClsinΦ CdcosΦ （ 221） 風(fēng)輪半徑 r處葉素上的周向推力為 （ 222） 轉(zhuǎn)矩為 （ 223） 式中， B為葉片數(shù)。 風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動力學(xué) 在廣義坐標(biāo)系下，對風(fēng)力機(jī)的葉片、機(jī)艙和塔架系統(tǒng)可以按照虛位移原理，建立關(guān)于任意質(zhì)點(diǎn)系的拉格朗日方程： （ 224） 其中 ， T和 U分別表示系統(tǒng)的動能和勢能， Ud表示系統(tǒng)的阻尼能， yi表示廣義坐標(biāo)， Qi表示廣義載荷，方程的個數(shù)與廣義坐標(biāo)的個數(shù)相等。 為了求出方程（ 224）中動能、勢能和阻尼能等各項(xiàng)的表達(dá)式，需要得到風(fēng)力機(jī)各部件上任意點(diǎn)在局部坐標(biāo)系下的速度，其中變形關(guān)系采用方程（ 225），從而可將各能量項(xiàng)用廣義坐標(biāo)來表示。前人所有關(guān)于拍向和傘形風(fēng)輪的研究都突出了 BEM對于錐形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的基本原理上的錯誤，然后缺乏一個更加精確的模型 [16,17]或者更加昂貴的計(jì)算流體力學(xué)（ CFD）方法 [18,19]。 ??actual=h+S sin(β)， ??ref=h+S λ=ΩRU， CP=2PρU3πR2， CT=2TρU2πR2 （ 229） 由這些公式所描述的轉(zhuǎn)子有一個從轉(zhuǎn)動軸到鉸鏈軸的半徑 h和從鉸鏈（根部）到葉尖的葉片總長度 S[21]。 隨著柔性鉸鏈的優(yōu)勢變得越來越明顯，越來越多的學(xué)者開始致力于這方面的研究。趙山杉和畢樹生等 [24]將曲線薄板柔性單元在一個平面空間中以其中一點(diǎn)為圓心，進(jìn)行均勻陣列組合得到了 一種新型的環(huán)形柔性鉸鏈，其稱之為分布式葉片形轉(zhuǎn)動柔性鉸鏈，這是一種新型的可以實(shí)現(xiàn)大變性的轉(zhuǎn)動柔性鉸鏈。范葉森[33]針對目前最常見的電機(jī)驅(qū)動可展開天線存在可靠性低等缺點(diǎn)，提出了一種柔性鉸鏈?zhǔn)降淖哉归_徑向肋天線，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，對其支撐臂的展開過程進(jìn)行了多柔體動力學(xué)仿真，其研究結(jié)論對于柔性鉸鏈的大型化應(yīng)用具有很好的參考價值。而直梁型柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動范圍較大，但其運(yùn)動精度與圓弧型相比較差，而且其轉(zhuǎn)動中心在轉(zhuǎn)動過程中會發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)[29,31,34]。 a）斜視圖 b）正視圖 c）側(cè)視圖 圖 32 圓弧型柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)示意圖 設(shè)計(jì)方案二 仿照直梁型柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并考慮其與葉片和輪轂兩端的連接，設(shè)計(jì)柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)如圖 33所示。通過螺栓連接的方式，可以方便更換中間的柔性板，配合不同材料滿足不同的運(yùn)動要求。方案二采用了直梁型柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)，但與傳統(tǒng)的直梁型柔性鉸鏈最大的不同就在于不是一體化成型，而是結(jié)合與風(fēng)力機(jī)葉片和輪轂的連接部位， 分 成上下兩個法蘭盤和中間的一塊柔性板，變形主要靠中間的柔性板提供。為了達(dá)到較大的轉(zhuǎn)動范圍而不發(fā)生破壞，中間的柔性板厚度不能過大，如圖 33所示，此時由于與上法蘭盤連接的葉片的重力作用，柔性板的剛度不能得到保證，所以有必要增加一個支撐機(jī)構(gòu)以承擔(dān)葉片的重力作用。具體的計(jì)算將在下一章介紹。 經(jīng)研究對比可以看出，在各式各樣的阻尼器中，粘滯流體阻尼器是非常適合大型風(fēng)力機(jī)傘形風(fēng)輪葉片張合過程減振的一類阻尼器。國內(nèi)的一些學(xué)者通過研究還發(fā)現(xiàn)，單出桿型阻尼器在結(jié)構(gòu)上存在很大缺陷，并可能造成無法工作。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的三維模型如圖 38和圖 39所示，四根相互錯開的連桿分別與上下底板上的八個軸承座相連，把下底板固定，就可以通過連桿的簡單轉(zhuǎn)動帶動上底板實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。上下兩根限位桿之間焊有兩根中間開槽的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌內(nèi)分別放有一根彈簧，內(nèi)側(cè)的兩根連 桿在逆時針轉(zhuǎn)動過程中會壓縮彈簧使其儲存彈性勢能，給自動回復(fù)過程提供足夠的回復(fù)力。） c）初始位置（ 0176。） 圖 38 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖 a）最終位置（ 90176。由圖象中可以看出，θ與 d? 1大致成線性關(guān)系，在初始位置時，d? 1=0，θ =0；在中間位置時， d? 1=176。與實(shí)際運(yùn)動情況相符。粗連桿上插有兩根細(xì)橫桿，左右分別插在上下嚙合體上的軌道中，四個軌道中分別放有一根彈簧（圖中沒有畫出），當(dāng)粗連桿順時針轉(zhuǎn)動時，插在它上面的兩根細(xì)橫桿就會壓縮軌道中的彈簧使其儲存彈性勢能，給自動回復(fù)過程提供足夠的回復(fù)力。） 圖 310 嚙合鉸鏈工作原理圖 a）初始位置（ 0176。） b）中間位置（ 45176。為了達(dá)到使風(fēng)力機(jī)葉片能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)張合運(yùn)動的目的，最后一節(jié)提出了兩種初步的設(shè)計(jì)方案，只對其結(jié)構(gòu)和工作原理作簡單的介紹，希望對其他感興趣的研究人員有所啟發(fā)，具體的設(shè)計(jì)與分析還有待繼續(xù)深入研究和完善。 這里需要指出的是， R是隨著?的改變而變化的一個值。的轉(zhuǎn)動范圍的前提下還要保證柔性連接機(jī)構(gòu)具有一定的剛度。如圖 35所示， 左右兩肩上分別有一個曲面作為與柔性連接機(jī)構(gòu)上法蘭盤的嚙合面，接下來將根據(jù)柔性連接機(jī)構(gòu)的變形運(yùn)動過程來具體設(shè)計(jì)其曲線。 在圖 41中 O2表示上下法蘭盤軸線的交點(diǎn)， 01表示柔性板截面的圓心， P’點(diǎn)（即上法蘭盤的圓心）表示嚙合點(diǎn)。(x+R) （ 45） 其中， R=OP′ ??= ??=??2將曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)入 SolidWorks中進(jìn)行三維建模，得到嚙合面的實(shí)際輪廓如圖 43所示。 圖 42 支撐機(jī)構(gòu)的嚙合面曲線 a）正視圖 b）斜視圖 圖 43 支撐機(jī)構(gòu)嚙合面示意圖 減振機(jī)構(gòu)阻尼特性設(shè)計(jì) 在上一章 ，討論并選擇了雙出桿型粘滯流體阻尼器作為所設(shè)計(jì)的柔性連接機(jī)構(gòu)的減震機(jī)構(gòu)，如圖 36所示。雷諾數(shù)的計(jì)算公式如下： ????=??ud??=ud?? （ 48） 其中，ρ 流體密度（ kg/m3）， u平均流速（ m/s），μ 動力粘度（ Pa178。因此，在分析阻尼器的阻尼特性時，總是認(rèn)為流體一直為層流。 其中，△ P=P1P2為圓管兩邊的壓力差； Q為流量， d為圓管的內(nèi)徑，其它符號意義同前。 把式（ 410）、（ 411）、（ 412）代入式（ 49）中可得阻尼孔阻尼器的阻尼特性公式為 F=128????????2??π??4?? （ 413） 其中， n為阻尼孔的個數(shù)，其它符號意義同前。上法蘭盤與葉片通過螺栓連接，下法蘭盤與輪轂通過螺栓連接，支撐機(jī)構(gòu)只與下法蘭盤通過螺栓連接，不與上法蘭盤連接；減振機(jī)構(gòu)與下法蘭盤通過螺栓連接，阻尼器導(dǎo)桿的上面伸出部分插在上法蘭盤的孔中，當(dāng)柔性板發(fā)生彎曲轉(zhuǎn)動變形時，可以帶動導(dǎo)桿向上運(yùn)動，缸體中的阻尼油通過導(dǎo)桿 上的阻尼孔回流，阻尼油的粘滯性起到了很好的減振作用，當(dāng)風(fēng)力機(jī)葉片所受風(fēng)載不斷變化時，柔性板的轉(zhuǎn)動角 度（葉片錐角）可以穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，減小柔性連接機(jī)構(gòu)的交變疲勞載荷，提高其使用壽命。 由式（ 416）可知，當(dāng)柔性板的寬度 b和厚度?確定以后，柔性連接機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)動的過程中，其轉(zhuǎn)動剛度是恒定的。在這一過程中，外力做的功轉(zhuǎn)化為柔性板儲存的彈性勢能。 所施加的具體載荷和約如下： （ 1）在上法蘭盤的上表面施加一個方向與其平行的力（ Force），大小為 +7 N； （ 2）由于上法蘭盤與葉片連接，葉片的重力對其產(chǎn)生一個壓力（ Force），大小為 +5 N，方向始終沿著 Y方向； （ 3）由于下法蘭盤與輪轂連接，所以在其下表面施加固定約束（ Fixed Support）。運(yùn)用三維軟件 SolidWorks對其各個部件進(jìn)行建模與裝配，并分析研究了柔性連接機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動剛度與其所儲存的能量。 葉片模型 查閱相關(guān)資料參數(shù)，建立 MW三葉片柔性風(fēng)力機(jī)傘形風(fēng)輪模型。葉片的三維模型如圖 51所示。同時，由于機(jī)艙在計(jì)算過程中對載荷的影響并不大，不需要建立精確的模型，因此對機(jī)艙模型的建立進(jìn)行簡化，僅把其視為一個六面體，只要確定其質(zhì)心位置、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量等數(shù)據(jù)即可，如圖 54 所示。