【正文】 從三階振型開始葉片出現(xiàn)輕微扭曲變形。保留原有模型的接觸和網(wǎng)格，再在風力機塔架的底部施加固定約束（Support），求解其1~12階模態(tài)。 圖59 柔性風力機總體形變云圖 圖510 柔性風力機總體應(yīng)力云圖 圖511 柔性風力機總體應(yīng)變云圖 由圖59所示，當柔性風力機處于額定工況時， m/s，葉片錐角約為25176。 定義接觸與劃分網(wǎng)格 按照實際連接情況，定義各部件之間的接觸類型為綁定接觸（Bonded）。 a）斜視圖 b）后視圖 圖52 輪轂結(jié)構(gòu)示意圖 傳動系統(tǒng)與機艙模型 傳動系統(tǒng)主要由主軸、發(fā)電機和支架組成。第五章 風力機整體建模及其靜態(tài)特性分析 柔性風力機三維建模 MW大型風力機作為研究對象。 當0 ≤α≤ ??2 時， ????=∫?? dt=∫Eb??36??r?? dt=??0??0Eb??312??rα2 （418） 即 ????=Eb??312??rα2 （419） 當柔性板處于彎曲合攏狀態(tài)，即α= ??2 時，柔性連接機構(gòu)所儲存的能量最大，為 ????max=??Eb??348?? （420） 由式（420）可知，柔性連接機構(gòu)所能儲存的最大能量與柔性板材料的彈性模量、柔性板的寬度和柔性板的厚度的立方成正比。 在圖47中，由材料力學(xué)知識，直梁在純彎的情況下，最大正應(yīng)力為 圖47 彈性板截面任一點應(yīng)力圖 ??max=??max??max????=????2????312=6??????2 （414） 聯(lián)合式（42）和（414）可得 6??????2=??δ2??=??δ2 導(dǎo)桿與活塞的質(zhì)量相對于整個風力機的質(zhì)量是非常小的，在不考慮導(dǎo)桿和活塞的慣性力的情況下，可認為 ?P= F′ ?? =??1???2 （411） 其中，F(xiàn)’表示導(dǎo)桿所受的外力，其它符號意義同前。 實驗證明：對于圓管內(nèi)流體而言，當Re=2320時為層流，Re=13800時為紊流?？梢哉f上法蘭盤與支撐機構(gòu)的嚙合面在所受載荷穩(wěn)定或空載的情況下，相互接觸但接觸力為零。在坐標系xOy中，用（xp，yp）表示P’點的坐標。代入式（43）中可得 δ≤ mm （44） 取δ=20 mm。另外由于柔性板的厚度δ相對于整體來說較小，中性面的微小偏移對柔性連接機構(gòu)剛度的影響可以忽略不計，柔性板在不受力的情況下處于圖41中的粗虛線狀態(tài)，則力學(xué)中直梁在純彎外力矩作用下的結(jié)論可以應(yīng)用。） c）最終位置（90176。嚙合鉸鏈的三維模型如圖311和圖312所示，上下兩個嚙合體通過圓弧面相互嚙合，圓弧面上互相嵌套的突起和溝槽是為了防止機構(gòu)向左右側(cè)翻。） c）初始位置（0176。 a）最終位置（90176。 圖36 柔性連接機構(gòu)中使用的雙出桿粘滯流體阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖 其它設(shè)計方案探討 為了達到使風力機葉片能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)張合運動的目的，提出了兩種初步的設(shè)計方案，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)計與分析還有待繼續(xù)深入研究和完善。阻尼器的主要作用是當構(gòu)件或節(jié)點發(fā)生相對位移或轉(zhuǎn)動時，可以產(chǎn)生較大的阻尼，消耗掉有害的振動能量，從而使結(jié)構(gòu)的振動強度降低[35]。無論是從可制造性還是可靠性來看，方案二都具有明顯的優(yōu)勢，因此決定選擇方案二為傘形風輪柔性連接機構(gòu)設(shè)計的最終方案。柔性板插入上下法蘭盤上的槽以后分別向前后方向折彎，并用螺栓與法蘭盤固定連接。 柔性連接機構(gòu)方案設(shè)計 目前，應(yīng)用較為廣泛的柔性鉸鏈主要包括圓弧型和直梁型兩種，并且多為一次性整體加工制成，如圖31所示。吳鷹飛和周兆英[23]推出了常見的幾種柔性鉸鏈的系列設(shè)計計算公式。最主要的要求是恰當?shù)胤纸忮F形轉(zhuǎn)子的入射速度，并且包括徑向和修正的軸向誘導(dǎo)速度，基于與牽引渦度相關(guān)的部分位置。 以X0Y0Z0為慣性坐標系，分別按如下順序進行從慣性坐標系到葉片局部坐標系的轉(zhuǎn)換[15]： （1）在坐標系X1Y1Z1中引入塔頂三個方向的位移qx，qy，qz； （2）在坐標系X2Y2Z2中引入偏航角Φ； （3）在坐標系X3Y3Z3中引入俯仰角Ψ； （4）在坐標系X4Y4Z4中引入葉根到塔架之間的距離L； （5）在坐標系X5Y5Z5中引入方位角θ； （6）在坐標系X6Y6Z6中引入錐角β。將葉片沿翼展方向分成若干個微段，其中每個微段叫作一個葉素。 圖23 風輪的渦流系統(tǒng) 由于渦流系統(tǒng)的存在，流場中的周向和軸向速度會發(fā)生改變，設(shè)a為軸向速度誘導(dǎo)因子，a′為切向速度誘導(dǎo)因子，則根據(jù)渦流理論可得 在風輪的旋轉(zhuǎn)平面上氣流軸向速度為 V=V1(1a) （29） 在風輪旋轉(zhuǎn)平面處氣流相對于葉片的角速度為 （210） 其中：Ω風輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s； ω氣流旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。因此這只是一個單純的能量轉(zhuǎn)換器，見圖21所示。 （2）柔性連接機構(gòu)運動分析。傳統(tǒng)的風力機葉片與輪轂之間是剛性連接的，葉根承受了很大的荷載，當承受極端載荷時，葉片和輪轂很容易損壞。 國內(nèi)對于傘形風力機的研究很少，基本上還處于起步的階段。 圖12 風輪葉片離心力與軸向推力的關(guān)系曲線 圖13 不同形式的鉸鏈連接 如圖14所示為小型傘形風力機結(jié)構(gòu)示意圖[9]，圖15為小型傘形風力機的戶外工作圖[10,11]。該風力機為下風向風力機，葉片根部通過鉸鏈與輪轂連接，起到負載匹配的作用。從1980年早期風輪直徑為6 m的15 kW陸上風力機到如今風輪直徑為120 m的5 MW海上風力機，標志著其完成了技術(shù)上和規(guī)模上的一次大革命。隨著20世紀70年代早期石油能源危機的出現(xiàn)，風能作為一種很容易獲得的清潔能源又重新進入人們的視線。為了使機構(gòu)轉(zhuǎn)動更加穩(wěn)定，還添加了支撐機構(gòu)和減振機構(gòu)，然后對兩種其它的設(shè)計方案進行了探討。 本文先介紹了傘形風力機的結(jié)構(gòu)和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，然后通過傳統(tǒng)風力機的空氣動力學(xué)和結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論引出錐形轉(zhuǎn)子的空氣動力學(xué)性能。 Flexible Connection Mechanism。據(jù)世界風能協(xié)會相關(guān)統(tǒng)計表明，截止至1989年底，風力發(fā)電機最大單機裝機容量為300 kW，直徑為30 m。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?。?，最顯著的特點就在于減少能量成本（COE）上。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。其研究數(shù)據(jù)說明，與常規(guī)風力機相比，直徑相同的風輪，其最小啟動風速可從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行控制。時其性能得到明顯的改善[3]。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)等進行改造，并找到合適的變形理論。在工程上較為廣泛應(yīng)用的風力機葉片設(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]。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，來進行葉片的初步設(shè)計。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)風的角速度，則可得轉(zhuǎn)矩Q為 （215） 式中，R槳葉面半徑。同樣地，氣流相對風輪的切向速度也并非Ωr，而是多了另外一項bΩr，這就是切向誘導(dǎo)速度。 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的方法有關(guān)，這些仿真作為證明是必須執(zhí)行的。人們在通過對各種各樣的彈性支承進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。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。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[25]中的公式進行設(shè)計，本節(jié)只討論結(jié)構(gòu)的可行性，故不具體展開分析。由于尺寸過于龐大，使用橡膠作為材料剛度遠遠不夠，而且整體成型也比較困難。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行設(shè)計，當兩者嚙合時可以起到很好的減振作用?！罢硿黧w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]。）時的轉(zhuǎn)動。） c）初始位置（0176。θ=90176。） c）最終位置（90176。結(jié)合大型風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)。結(jié)合實際工況，在滿足0~90176。這就是支撐機構(gòu)嚙合面曲線設(shè)計的基本思想。 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。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]。 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]。 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。 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。 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)的阻尼特性進行了選擇和計算。為了防止由于葉尖變形影響計算精度，將葉尖部分進行適當放大。 表51 塔架具體參數(shù) 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 圖55 塔架三維模型 整機模型 把風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。由于風力機常年運行在較為復(fù)雜的自然環(huán)境中，所受載荷情況非常復(fù)雜，主要包括慣性載荷（重力載荷）和空氣動力載荷（離心力和風壓），在額定工況下所施加的具體載荷和約束如下[40]： （1） m/s2，按慣性載荷（Standard Earth Gravity）加載到整機上； （2） r/min，以角速度（Rotational Velocity）的形式沿逆時針方向加載到葉輪上； （3） MPa，以壓力載荷（Pressure）的形式均布加載到葉輪的三個葉片上； （4）由于風力機塔架的底部為固定端，理論上其節(jié)點的自由度被全部約束，即底部節(jié)點的位移和轉(zhuǎn)角全為零，所以在塔架的底部施加固定約束（Fixed Support）。 表52 傳統(tǒng)風力機與柔性風力機求解結(jié)果對比 最大形變/mm 最大應(yīng)力/Mpa 最大應(yīng)變 傳統(tǒng)風力機 柔性風力機 由表52的對比可以看出，所設(shè)計的柔性風力機比傳統(tǒng)剛性風力機具有更好的柔性，通過葉片的合攏達到卸載的作用。 傳統(tǒng)風力機結(jié)果對比 ，保留原有模型的接觸和網(wǎng)格，再在風力機塔架的底部施加固定約束（Support），求解其1~12階模態(tài)，其1~4階振型如圖518所示。由于風力機風輪有三支葉片，并且每支葉片旋轉(zhuǎn)到底端時都會對塔架產(chǎn)生一次激勵，因此，在設(shè)計中要使風力機系統(tǒng)的低階固有頻率避開風輪旋轉(zhuǎn)頻率的1倍頻率和3倍頻率，工程上一般考慮177。特別地，從圖517 e)中可以看出，當塔架向后擺動時，由于葉片與輪轂之間采用了柔性連接，葉片向反方向擺動，大大減小了風力機整機的擺振幅度。然后施加相同的載荷和約束，求解結(jié)果如圖514至圖516所示。 圖57 柔性風力機網(wǎng)格劃分 施加載荷和約束 ANSYS Workbench ：（1）慣性載荷（重力和慣性力等）；（2）結(jié)構(gòu)載荷（作用在部分結(jié)構(gòu)上的力或力矩）；（3）結(jié)構(gòu)支撐（即約束，用來防止部分范圍內(nèi)的移動）；（4）熱載荷。 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。 MW， m，翼型采用NACA63XXX系列，選擇玻璃鋼作為材料。 施加載荷和約束后