【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 和輪轂之間的柔性連接機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)葉片受到不同風(fēng)載時(shí)的自適應(yīng)張合。由于機(jī)構(gòu)之間的連接會(huì)導(dǎo)致載荷與振動(dòng)的耦合，所以所設(shè)計(jì)的柔性連接機(jī)構(gòu)不能過(guò)于復(fù)雜，最好是利用自身材料的彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)葉片的張合，柔性鉸鏈就有這種性能。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。主要研究?jī)?nèi)容如下： （1）傘形風(fēng)輪柔性連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。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。 （2）柔性連接機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析。對(duì)于一種最終確定的方案，通過(guò)相關(guān)變形理論對(duì)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，得出其運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，進(jìn)行強(qiáng)度校核和相關(guān)計(jì)算，并用有限元分析軟件ANSYS Workbench 。 （3）風(fēng)力機(jī)整體建模及其靜態(tài)特性分析。對(duì)風(fēng)力機(jī)輪轂、機(jī)艙、傳動(dòng)系統(tǒng)和塔架等進(jìn)行簡(jiǎn)化，利用三維建模軟件SolidWorks對(duì)整機(jī)進(jìn)行建模與裝配，然后導(dǎo)入ANSYS Workbench ，得出其相關(guān)靜態(tài)特性，并與傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)其對(duì)比結(jié)果進(jìn)行討論。第二章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)力學(xué)理論 風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué) 目前在風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究方面已形成了四個(gè)基本理論——貝茨理論、渦流理論、葉素理論、動(dòng)量理論。在工程上較為廣泛應(yīng)用的風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)模型——Schmitz模型、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)模型、Wilson模型和Glauert模型等都是基于某個(gè)理論基礎(chǔ)上的[14]。 貝茨理論 首個(gè)關(guān)于風(fēng)輪的完整理論是德國(guó)哥廷根大學(xué)研究所的貝茨教授建立的。他假設(shè)風(fēng)輪是理想的，忽略了輪轂的干擾，且葉片數(shù)是無(wú)窮的，并且其對(duì)通過(guò)風(fēng)輪的氣流沒(méi)有阻力。因此這只是一個(gè)單純的能量轉(zhuǎn)換器，見(jiàn)圖21所示。此外，他還假設(shè)在整個(gè)風(fēng)輪掃掠面上的氣流都是均勻分布的，氣流速度無(wú)論是在風(fēng)輪前后還是在通過(guò)風(fēng)輪時(shí)都是沿著其軸線方向的。 設(shè)V1是氣流在風(fēng)輪遠(yuǎn)前方的速度，V是氣流通過(guò)風(fēng)輪時(shí)的實(shí)際速度，而且在整個(gè)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。通過(guò)風(fēng)輪的氣流在風(fēng)輪前方時(shí)的截面積為S1，在其后方時(shí)為S2[14]。 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=ρSV(V1V2) （21） 風(fēng)輪吸收的功率P為 P=FV=ρSV2(V1V2) （22） 又因?yàn)轱L(fēng)輪的功率是由動(dòng)能轉(zhuǎn)換而來(lái)的，氣流從上游到下游動(dòng)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(duì)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(shí)，風(fēng)輪所能產(chǎn)生的最大功率為 （27） 由此可得風(fēng)力機(jī)的理論最大效率（理論風(fēng)能利用系數(shù)）為 （28） 實(shí)際風(fēng)力機(jī)的功率利用系數(shù)CP＜，見(jiàn)圖22所示。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，來(lái)進(jìn)行葉片的初步設(shè)計(jì)。 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(guò)葉輪的氣流誘導(dǎo)轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)于氣流的周期性影響，而且葉片各個(gè)徑向環(huán)斷面之間是相互獨(dú)立的。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23 風(fēng)輪的渦流系統(tǒng) 由于渦流系統(tǒng)的存在，流場(chǎng)中的周向和軸向速度會(huì)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(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面上氣流軸向速度為 V=V1(1a) （29） 在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面處氣流相對(duì)于葉片的角速度為 （210） 其中：Ω風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s； ω氣流旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。 因此，在風(fēng)輪半徑等于r處氣流的切向速度為 U=(1+b)Ωr （211） 動(dòng)量理論 動(dòng)量理論主要用于估算輸出功率、氣流流速和效率。經(jīng)典的風(fēng)力機(jī)動(dòng)量理論描述了經(jīng)過(guò)槳葉面的一個(gè)理想流管，如圖24所示，VV、V2分別代表來(lái)流的速度、經(jīng)過(guò)槳葉面的速度和槳葉面尾流的速度[14]。 圖24 理想流管 考慮到軸向上動(dòng)量的改變，在槳葉面的推力T為 T=m(V1V2)=ρV1A(V1V2) （212） 式中，ρ空氣密度； A槳葉平面面積。 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。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。 葉素理論 Richard Froude最先于1889年提出葉素理論。相對(duì)于動(dòng)量理論，葉素理論是從葉素附近的氣流流動(dòng)來(lái)分析葉片上的受力與功能交換的。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。這里假定每個(gè)微段之間都沒(méi)有干擾，每個(gè)葉素上所受的力只由葉素翼型的升阻特性來(lái)決定，葉素本身可以看成一個(gè)二元翼型，此時(shí)，將作用在每個(gè)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]。 圖25 翼型剖面的氣流角和受力 設(shè)葉素的弦長(zhǎng)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=ClsinΦCdcosΦ （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)。 誘導(dǎo)速度因子的物理意義就是當(dāng)有氣流流過(guò)風(fēng)輪時(shí)，風(fēng)輪對(duì)其速度的影響程度。在圖25中氣流通過(guò)風(fēng)輪的軸向速度為V1(1a)，并非來(lái)流風(fēng)速V1，這其中的aV1就是風(fēng)輪產(chǎn)生的誘導(dǎo)速度。同樣地，氣流相對(duì)風(fēng)輪的切向速度也并非Ωr，而是多了另外一項(xiàng)bΩr，這就是切向誘導(dǎo)速度。 風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué) 在廣義坐標(biāo)系下，對(duì)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(dòng)能和勢(shì)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(gè)數(shù)與廣義坐標(biāo)的個(gè)數(shù)相等。 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。 以X0Y0Z0為慣性坐標(biāo)系，分別按如下順序進(jìn)行從慣性坐標(biāo)系到葉片局部坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換[15]： （1）在坐標(biāo)系X1Y1Z1中引入塔頂三個(gè)方向的位移qx，qy，qz； （2）在坐標(biāo)系X2Y2Z2中引入偏航角Φ； （3）在坐標(biāo)系X3Y3Z3中引入俯仰角Ψ； （4）在坐標(biāo)系X4Y4Z4中引入葉根到塔架之間的距離L； （5）在坐標(biāo)系X5Y5Z5中引入方位角θ； （6）在坐標(biāo)系X6Y6Z6中引入錐角β。 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(yùn)用假設(shè)模態(tài)求和法，可把各個(gè)自由度的變形量用模態(tài)與廣義坐標(biāo)的乘積之和來(lái)表示： r(x, t) = γ1(x)y1(t) + γ2(x)y2(t) + γ3(x)y3(t) （225） 其中，γi(x)是模態(tài)，yi(t)是廣義坐標(biāo)。 為了求出方程（224）中動(dòng)能、勢(shì)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(lái)表示。再代入到方程（224）中就可得到葉片、機(jī)艙和塔架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，其廣義力一般包括空氣動(dòng)力、離心力和重力等。 錐形轉(zhuǎn)子的空氣動(dòng)力學(xué)性能 葉素動(dòng)量（BEM）理論仍然是主要的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)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。前人所有關(guān)于拍向和傘形風(fēng)輪的研究都突出了BEM對(duì)于錐形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的基本原理上的錯(cuò)誤，然后缺乏一個(gè)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]。由文獻(xiàn)[20]所展示的改進(jìn)后的公式并運(yùn)用于目前的研究工作中可以看出，BEM的假設(shè)對(duì)于錐形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)并不是完全錯(cuò)誤的。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。 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(shí)際的葉尖半徑Ractual，或者非錐形轉(zhuǎn)子的參考半徑Rref，見(jiàn)公式（229）。 ??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(gè)從轉(zhuǎn)動(dòng)軸到鉸鏈軸的半徑h和從鉸鏈（根部）到葉尖的葉片總長(zhǎng)度S[21]。 本章小結(jié) 本章首先簡(jiǎn)單介紹了目前在風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究方面形成的四個(gè)基本理論——貝茨理論、渦流理論、葉素理論、動(dòng)量理論，然后從運(yùn)動(dòng)方程和數(shù)值方法兩方面介紹了風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，最后由經(jīng)過(guò)修正后的葉素動(dòng)量（BEM）理論對(duì)錐形轉(zhuǎn)子的空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，為后面柔性連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及整機(jī)的靜態(tài)特性分析準(zhǔn)備了理論基礎(chǔ)。第三章 傘形風(fēng)輪柔性連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 柔性鉸鏈簡(jiǎn)介 六十年代左右，由于航空等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于實(shí)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。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。 隨著柔性鉸鏈的優(yōu)勢(shì)變得越來(lái)越明顯，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始致力于這方面的研究。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。吳鷹飛和周兆英[23]推出了常見(jiàn)的幾種柔性鉸鏈的系列設(shè)計(jì)計(jì)算公式。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(jì)是目前進(jìn)行該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。趙山杉和畢樹(shù)生等[24]將曲線薄板柔性單元在一個(gè)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(dòng)柔性鉸鏈，這是一種新型的可以實(shí)現(xiàn)大變性的轉(zhuǎn)動(dòng)柔性鉸鏈。賈明和畢樹(shù)生等[25]針對(duì)橡膠材料制成的大變形柔性鉸鏈，運(yùn)用MooneyRivlin模型對(duì)形變能量函數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，然后通過(guò)選取材料常數(shù)的比值，對(duì)其非線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了分段線性化，導(dǎo)出了圓弧型柔性鉸鏈在大變形時(shí)其轉(zhuǎn)角剛度的近似計(jì)算公式，并通過(guò)有限元仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。 柔性鉸鏈?zhǔn)且揽孔陨淼膹椥宰冃喂ぷ鞯?，具有無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)機(jī)械間隙、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)[2632]。但目前柔性鉸鏈主要應(yīng)用在微機(jī)械領(lǐng)域，大型化場(chǎng)合的應(yīng)用極少。范葉森[33]針對(duì)目前最常見(jiàn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)可展開(kāi)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_(kāi)徑向肋天線，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，對(duì)其支撐臂的展開(kāi)過(guò)程進(jìn)行了多柔體動(dòng)力學(xué)仿真，其研究結(jié)論對(duì)于柔性鉸鏈的大型化應(yīng)用具有很好的參考價(jià)值。 本章嘗試把柔性鉸鏈運(yùn)用在大型風(fēng)力機(jī)上，仿照其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)葉片與輪轂之間的柔性連接機(jī)構(gòu)，把剛性連接轉(zhuǎn)換為柔性連接，實(shí)現(xiàn)柔性風(fēng)力機(jī)的運(yùn)動(dòng)要求。 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。圓弧型柔性鉸鏈的優(yōu)點(diǎn)在于運(yùn)動(dòng)精度較高，但其運(yùn)動(dòng)行程受到很大限制，只能實(shí)現(xiàn)極其微小程度的轉(zhuǎn)動(dòng)。而直梁型柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍較大，但其運(yùn)動(dòng)精度與圓弧型相比較差，而且其轉(zhuǎn)動(dòng)中心在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)[29,31,34]。仿照兩種柔性鉸鏈各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，下面分別設(shè)計(jì)了兩種柔性連接機(jī)構(gòu)。 圖31 圓弧型柔性鉸鏈 和直梁型柔性鉸鏈 設(shè)計(jì)方案一 仿照?qǐng)A弧型柔性鉸鏈的結(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32所示。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。 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。其組成部件如圖34所示，由法蘭盤、柔性板和螺栓組成。柔