【正文】 得到葉片、機艙和塔架系統(tǒng)的運動方程： （ 226） 其中， [M]、 [D]、 [K]分別表示質(zhì)量、阻尼與剛度矩陣， {}， {}， {y}和 {Q}分別表示加速度、速度、位移以及廣義力。 本章小結(jié) 本章首先簡單介 紹了目前在風(fēng)力機空氣動力學(xué)研究方面形成的四個基本理論——貝茨理論、渦流理論、葉素理論、動量理論，然后從運動方程和數(shù)值方法兩方面介紹了風(fēng)力機結(jié)構(gòu)動力學(xué)，最后由經(jīng)過修正后的葉素 動量（ BEM）理論對錐形轉(zhuǎn)子的空氣動力學(xué)性能進行了簡單分析，為后面柔性連接機構(gòu)的設(shè)計及整機的靜態(tài)特性分析準(zhǔn)備了理論基礎(chǔ)。賈明和畢樹生等 [25]針對橡膠材料制成的大變形柔性鉸鏈，運用 MooneyRivlin模型對形變能量函數(shù)進行了適當(dāng)?shù)暮喕缓笸ㄟ^選取材料常數(shù)的比值，對其非線性的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系進行了分段線性化，導(dǎo)出了圓弧型柔性鉸鏈在大變形時其轉(zhuǎn)角剛度的近似計算公式，并通過有限元仿真進行了驗證。仿照兩種柔性鉸鏈各自的結(jié)構(gòu)特點，下面分別設(shè)計了兩種柔性連接機構(gòu)。要保證有足夠大的轉(zhuǎn)動角度，柔性板的材料必須有較小的彈性模量，但從實際工作狀況來看，又必須具備足夠的剛度以防止其斷裂，具體的尺寸設(shè)計及材料選用將在下一章介紹。結(jié)合柔性連接機構(gòu)與葉片的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一個半套筒式的支撐機構(gòu)，如圖 35所示。通常所指的粘滯流體阻尼器是油缸 活塞型阻尼器，這類阻尼器主要包括單出桿型和雙 出桿型兩種。外側(cè)的兩根連桿上焊有上下兩根限位 桿，用來限制內(nèi)側(cè)的兩根連桿在初始位置（ 0176。） 圖 37 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)工作原理圖 a）最終位置（ 90176。時，θ =45176。 a）初始位置（ 0176。） c）最終位置（ 90176。當(dāng)? =0時，柔性板為平直伸展?fàn)顟B(tài)，此時 R=∞；當(dāng)? = ??2 時， R = Rmin = OA = r 。 根據(jù)幾何知識，當(dāng)弧長小于半圓且長度一定時，圓弧的角度與其所對的弦長是逐一對應(yīng)的。??min??=??2????=??r2?? (α∈[0， ??2])。接下來將根據(jù)其阻尼特性具體設(shè)計其結(jié)構(gòu)，并進行三 維建模。 在國內(nèi)眾多的教材或工程設(shè)計手冊中，都給出了圓管層流的流量計算公式，雖然不同的學(xué)者給出的公式符號有所差別，但其結(jié)論都是一樣的。 阻尼器的三維 模型如圖 45所示。 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)。 施加載荷和約束后的結(jié)果如圖 48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。 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。傳動系統(tǒng)和電機都可以簡化成梁結(jié)構(gòu)，如圖 53 所示。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)和塔架等部件進行簡化，利用三維建模軟件 SolidWorks對整機進行建模與裝配。 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。??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。 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為是相等的，即 F’=F （ 412） 其中， F為阻尼器所提供的阻尼力。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)一般遠遠小于 2320，所以很難出現(xiàn)紊流的情況 [35]。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。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 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)。 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。） 圖 311 嚙合鉸鏈結(jié)構(gòu)示意圖 a）初始位置（ 0176。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。） 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。） b）中間 位置（ 45176。 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。這一點對大型風(fēng)力機零部件尤為重要。 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。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。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。與傳統(tǒng)的微位移柔性鉸鏈相比，大變形柔性鉸鏈的設(shè)計是目前進行該領(lǐng)域研究的熱點之一。 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）。 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)。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]。 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。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。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行分析，得出其運動軌跡曲線，進行強度校核和相關(guān)計算，并用有限元分析軟件 ANSYS Workbench 。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。 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。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。當(dāng)受到風(fēng)載時，鉸鏈?zhǔn)谷~片沿著錐角減小的方向進行合攏變形，使葉片由彎曲梁變成受拉桿，以此達到一種離心力與空氣動力平衡的狀態(tài)。 發(fā)展到現(xiàn)在，通過增加其可靠性或減小負載來降低其結(jié)構(gòu)成本已成為風(fēng)力機設(shè)計的主要目的。風(fēng)能發(fā)電的技術(shù)從 70年代早期開始不斷地改進，到了 20世紀(jì)末，全球范圍內(nèi)利用風(fēng)力發(fā)電的裝機容量幾乎每三年就會翻一番，其成本也比 80年代初大約下降了 1/6。 最后，把柔性連接機構(gòu)安裝在風(fēng)力機上，對整機模型進行了結(jié)構(gòu)靜力分析和模態(tài)分析，并與傳統(tǒng)風(fēng)力作了比較，結(jié)果表明所設(shè)計的柔性風(fēng)力機的性能明顯比傳統(tǒng)風(fēng)力好很多。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機葉片與輪 轂之間采用螺栓剛性連接，當(dāng)風(fēng)速變化較大時，風(fēng)力機部件很容易發(fā)生損壞。 Coning Rotor。風(fēng)能由于其清潔可再生而且利用方便成為目前最有開發(fā)利用前景的一種可再生能源之一。 關(guān)于傘形風(fēng)力機的相關(guān)研究開始 于上世紀(jì)的 90年代中期，其作為柔性風(fēng)力機的突出代表向當(dāng)時傳統(tǒng)的剛性轉(zhuǎn)子風(fēng)力機發(fā)起了很大的挑戰(zhàn) [3]。風(fēng)輪結(jié)構(gòu)如圖 12所示，旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生離心力 F和軸向推力 S[8]。英國工程師 Peter Jamiesons在 20世紀(jì) 90年 代首次提出了傘形風(fēng)輪 (Coning Rotor)這一革命性的概念，并對其進行了頗有成效的研究，獲得了其相關(guān)的氣動性能曲線。的情況下針對風(fēng)力機的性能系數(shù)進行了相關(guān)的實驗研究，其研究結(jié)果表明，錐角的變化能夠改變風(fēng)力機整體的 氣動性能，在低風(fēng)速的狀態(tài)下，錐角為 20176。由于機構(gòu)之間的連接會導(dǎo)致載荷與振動的耦合，所以所設(shè)計的柔性連接機構(gòu)不能過于復(fù)雜，最好是利用自身材料的彈性變形來實現(xiàn)葉片的張合，柔性鉸鏈就有這種性能。 第二章 風(fēng)力發(fā)電機動力學(xué)理論 風(fēng)力機空氣動力學(xué) 目前在風(fēng)力機空氣動力學(xué)研究方面已形成了四個基本理論 ——貝茨理論、渦流理論、葉素理論、動量理論。 圖 21 流經(jīng)風(fēng)輪氣流的單元流管 由歐拉公式可得，風(fēng)作用在風(fēng)輪上的力 F為 F=ρ SV(V1V2) （ 21） 風(fēng)輪吸收的功率 P為 P=FV=ρ SV2(V1V2) （ 22） 又因為風(fēng)輪的功率是由動能轉(zhuǎn)換而來的，氣流從上游到下游動能的變化為 （ 23） 令式（ 22）與（ 23）相等，可以得到 （ 24） 所以作用在風(fēng)輪上的力和提供的功率分別為 （ 25） （ 26） 對于給定的上游速度 V1， P(V2)是關(guān)于 V2的功率變化函數(shù)，從而可得當(dāng)時，風(fēng)輪所能產(chǎn)生的最大功率為 （ 27） 由此可得風(fēng)力機的理論最大效率（理論風(fēng)能利用系數(shù)）為 （ 28） 實際風(fēng)力機的功率利用系數(shù) CP＜ ，見圖 22所示。 由貝努利方程得 （ 213） 定義為軸向速度誘導(dǎo)因子，則推力 T可表示為 （ 214） 槳葉平面所吸收風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榻撬俣圈负妥饔迷谌~片上的轉(zhuǎn)矩 Q。在圖25中氣流通過風(fēng)輪的軸向速度為 V1(1a)，并非來流風(fēng)速 V1，這其中的 aV1就是風(fēng)輪產(chǎn)生的誘導(dǎo)速度。對于風(fēng)力發(fā)電機而言，其廣義力一般包括空氣動力、離心力和重力等。 第三章 傘形風(fēng)輪柔性連接機構(gòu)設(shè)計 柔性鉸鏈簡介 六十年代左右，由于航空等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對于實現(xiàn)較小范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)的支承，不僅要求其具有高分辨率，而且還要求其尺寸和體積的微型化。 柔性鉸鏈?zhǔn)且揽孔陨淼膹椥宰冃喂ぷ鞯?，具有無機械摩擦、無機械間隙、工作可靠等優(yōu)點 [2632]。 圖 31 圓弧型柔性鉸鏈 和直梁型柔性鉸鏈 設(shè)計方案一 仿照圓弧型柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)特點，并考慮其與葉片和輪轂兩端的連接，設(shè)計柔性 鉸鏈結(jié)構(gòu)如圖 32所示。 a）斜視圖 b）正視圖 c）側(cè)視圖 圖 33 直梁型柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)示意圖 a）法蘭盤 b）柔性板 c）螺栓 圖 34 直梁型柔性鉸鏈組成部件 設(shè)計方案比較 方案一采用了圓弧型柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)，為