【正文】 ..................................................... 35 塔架模型 .............................................................................................. 35 整機(jī)模型 .............................................................................................. 37 柔性風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)靜力分析 ............................................................................ 37 定義接觸與劃分網(wǎng)格 .......................................................................... 37 施加載荷和約束 .................................................................................. 38 求解結(jié)果 .............................................................................................. 39 傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)結(jié)果對(duì)比 .......................................................................... 40 柔性風(fēng)力 機(jī)模態(tài)分析 .................................................................................... 42 求解結(jié)果 .............................................................................................. 43 傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)結(jié)果對(duì)比 .......................................................................... 45 本章小結(jié) ........................................................................................................ 49 結(jié) 論 ..................................................................................................................... 50 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................................... 52 致 謝 ..................................................................................................................... 55 第一章 緒論 引言 人類利用風(fēng)能的歷史最早期可追溯到 3000多年以前。 傘形風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 傘形風(fēng)力機(jī)的基本結(jié)構(gòu)特征如圖 11所示 [7]。其研究數(shù)據(jù)說(shuō)明，傘形風(fēng)輪可以顯著提高風(fēng)能的利用效率，減小風(fēng)能的發(fā)電成本 [13]。為了不增加整體機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，采用傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)輪轂，對(duì)應(yīng)葉片與輪轂的連接部分，尋找合適的材料，查閱相關(guān)變形理論，設(shè)計(jì)柔性連接機(jī)構(gòu)，提出至少兩個(gè)方案并對(duì)其進(jìn)行比較論證，最終確定方案。從而渦流風(fēng)速可以判斷為下列三個(gè)渦流系統(tǒng)疊加而 成的結(jié)果：葉片的附著渦、集中在轉(zhuǎn)軸上的中心渦和葉片尖部形成的螺旋渦，如圖23所示 [14]。 圖 26 各坐標(biāo)系間的關(guān)系 為了從方程（ 224）得到葉片、機(jī)艙和塔架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程，在各種變形條件下得出風(fēng)力機(jī)各部件上任意點(diǎn)的相對(duì)速度的關(guān)系式，必須進(jìn)行一系列坐標(biāo)變換，其坐標(biāo)系如圖 26所示。譚淑英和張大衛(wèi)等 [22]根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)推出了彈性鉸鏈的剛度公式，并通過(guò)有限元軟件進(jìn)行了鉸鏈的應(yīng)力校驗(yàn)和剛度校核。其組成部件如圖 34所示，由法蘭盤、柔性板和螺 栓組成。 a）正視圖 b）斜視圖 圖 35 半套筒式支撐機(jī)構(gòu)示意圖 減振機(jī)構(gòu) 阻尼器廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)和一些對(duì)振動(dòng)有較高要求的機(jī)械設(shè)備中。 另外，本機(jī)構(gòu)已申請(qǐng)發(fā)明專利《一種適用于柔性風(fēng)力機(jī)的可自動(dòng)回復(fù)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)》一項(xiàng)，申請(qǐng)?zhí)枺?；實(shí)用新型專利《用于柔性風(fēng)力機(jī)的自動(dòng)回復(fù)翻轉(zhuǎn)裝置》一項(xiàng)，申請(qǐng)?zhí)枺?，并全部獲得受理。 圖 39 上底板與水平方向的夾角（翻轉(zhuǎn)角度）θ關(guān)于 內(nèi)側(cè)兩根連桿所轉(zhuǎn)過(guò)的角度 d? 1的函數(shù)圖象 嚙合鉸鏈 通過(guò)兩個(gè)圓弧面之間互相嚙合，設(shè)計(jì)了一種可自動(dòng)回復(fù)的嚙合鉸鏈，其工作原理如圖310所示。 第四章 柔性連接機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析 柔性連接機(jī)構(gòu)變形過(guò)程與參數(shù)設(shè)計(jì) 柔性板最小厚度設(shè)計(jì) 由材料力學(xué)知識(shí)可知，只要柔性板在工作過(guò)程中可以保持規(guī)則的圓弧形狀， 就能夠保證柔性板中每條纖維上的應(yīng)力和彈性應(yīng)變是相等的。 取 O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)， OO1為橫軸建立直角坐標(biāo)系 xOy。 s）， ν運(yùn)動(dòng)粘度（ m2/s）， d過(guò)流斷面直徑。 a）斜視圖 b）正視圖 c）側(cè)視圖 圖 46 柔性連接機(jī)構(gòu)整體裝配圖 柔性連接機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度研究 根據(jù)前面的討論，材料力學(xué)中對(duì)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(jī)構(gòu)的一些力學(xué)方面的問(wèn)題。最后運(yùn)用通用有限元分析軟件 ANSYS Workbench 機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬， 模擬結(jié)果顯示，其運(yùn)動(dòng)變形過(guò)程能夠滿足設(shè)計(jì)要求。 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(jī) 柔性風(fēng)力機(jī) 葉片 塔架 旋轉(zhuǎn)頻率 n 穿越頻率3n 傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī) 柔性風(fēng)力機(jī) 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(jī)模型 把風(fēng)力機(jī)各部件裝配起來(lái)，加入第四章所設(shè)計(jì)的柔性連接機(jī)構(gòu)，其整機(jī)裝配模型如圖 56所示。 圖 49 柔性連接機(jī)構(gòu)模擬運(yùn)動(dòng)過(guò)程 本章小結(jié) 本章首先通過(guò)分析柔性連接機(jī)構(gòu)的變形過(guò)程，運(yùn)用材料力學(xué)的知識(shí)對(duì)其柔性板的最小厚度進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后通過(guò)上法蘭盤與支撐機(jī)構(gòu)的嚙合條件描繪出了支撐機(jī)構(gòu)左右兩肩上嚙合面的輪廓曲線，同時(shí)對(duì)減振機(jī)構(gòu)的阻尼特性進(jìn)行了選擇和計(jì)算。 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(jī)構(gòu)整體裝配圖 加上支撐機(jī)構(gòu)和減振機(jī)構(gòu)后的柔性連接機(jī)構(gòu)整體裝配圖如圖 46所示。在實(shí)際工程中，通常用雷諾數(shù)來(lái)判定流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) [36]。這就是支撐機(jī)構(gòu)嚙合面曲線設(shè)計(jì)的基本思想。結(jié)合大型風(fēng)力機(jī)的實(shí)際工作情況，添加了支撐機(jī)構(gòu)和減振機(jī)構(gòu)作為所設(shè)計(jì)的柔性連接機(jī)構(gòu)的輔助機(jī)構(gòu)。θ =90176。）時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)。兩肩上曲面的曲線可以通過(guò)柔性連接機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)兩者嚙合時(shí)可以起到很好的減振作用。柔性鉸鏈采用一體化成型，由于圓弧型柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)際運(yùn)動(dòng)要求參照文獻(xiàn) [25]中的公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，本節(jié)只討論結(jié)構(gòu)的可行性，故不具體展開(kāi)分析。人們?cè)谕ㄟ^(guò)對(duì)各種各樣的彈性支承 進(jìn)行了大量的試驗(yàn)探索后，才逐步制造出體積小、無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)機(jī)械間隙的柔性鉸鏈。同樣地，氣流相對(duì)風(fēng)輪的切向速度也并非Ω r，而是多了另外一項(xiàng) bΩr，這就是切向誘導(dǎo)速度。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，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(lái)進(jìn)行葉片的初步設(shè)計(jì)。但 是，傳統(tǒng)的柔性鉸鏈只適合用在微位移機(jī)構(gòu)上，所以必須對(duì)其材料和結(jié)構(gòu)等進(jìn)行改造，并找到合適的變形理論。其研究數(shù)據(jù)說(shuō)明，與常規(guī)風(fēng)力機(jī)相比，直徑相同的風(fēng)輪，其最小啟動(dòng)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(guò)其錐形角的變化來(lái)進(jìn)行控制。錐形轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)目的在于捕獲更多的能量，同時(shí)使整體的結(jié)構(gòu)更輕（成本更?。铒@著的特點(diǎn)就在于減少能量成本（ COE）上。 Flexible Connection Mechanism。為了使機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)更加穩(wěn)定，還添加了支撐機(jī)構(gòu)和減振機(jī)構(gòu)，然后對(duì)兩種其它的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了探討。從 1980年早期風(fēng)輪直徑為 6 m的 15 kW陸上風(fēng)力機(jī)到如今風(fēng)輪直徑為 120 m的 5 MW海上風(fēng)力機(jī)，標(biāo)志著其完成了技術(shù)上和規(guī)模上的一次大革命。 圖 12 風(fēng)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(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 [9]，圖 15為小型傘形風(fēng)力機(jī)的戶外工作圖 [10,11]。傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)葉片與輪轂之間是剛性連接的，葉根承受了很大的荷載，當(dāng)承受極端載荷時(shí)，葉片和輪轂很容易損壞。因此這只是一個(gè)單純的能量轉(zhuǎn)換器，見(jiàn)圖 21所示。將葉片沿翼展方向分成若干個(gè)微段，其中每個(gè)微段叫作一個(gè)葉素。最主要的要求是恰當(dāng)?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。 柔性連接機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 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。無(wú)論是從可制造性還是可靠性來(lái)看，方案二都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此決定選擇方案二為傘形風(fēng)輪柔性連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終方案。 圖 36 柔性連接機(jī)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(jì)方案探討 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(dòng)的目的，提出了兩種初步的設(shè)計(jì)方案，只對(duì)其結(jié)構(gòu)和工作原理作簡(jiǎn)單的介紹，希望對(duì)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。） c）初始位置（ 0176。） c）最終位置（ 90176。代入式（ 43）中可得 ?≤ mm （ 44） 取? =20 mm。可以說(shuō)上法蘭盤與支撐機(jī)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。 導(dǎo)桿與活塞的質(zhì)量相對(duì)于整個(gè)風(fēng)力機(jī)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(rèn)為 ?P= F′ ?? =??1???2 （ 411） 其中， F’表示導(dǎo)桿所受的外力，其它符號(hào)意義同前。 當(dāng) 0 ≤?≤ ??2 時(shí)， ????=∫?? dt=∫Eb??36??r?? dt=??0??0Eb??312??rα2 （ 418） 即 ????=Eb??312??rα2 （ 419） 當(dāng)柔性板處于彎曲合攏狀態(tài)，即? = ??2 時(shí)，柔性連接機(jī)構(gòu)所儲(chǔ)存的能量最大，為 ????max=??Eb??348?? （ 420） 由式（ 420）可知，柔性連接機(jī)構(gòu)所能儲(chǔ)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。 a）斜視圖 b）后 視圖 圖 52 輪轂結(jié)構(gòu)示意圖 傳動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)艙模型 傳動(dòng)系統(tǒng)主要由主軸、發(fā)電機(jī)和支架組成。葉片各截面的氣動(dòng)外形分布數(shù)據(jù)和幾何參數(shù)可參考文獻(xiàn) [38,3