【正文】 等 [22]根據(jù)材料力學知識推出了彈性鉸鏈的剛度公式，并通過有限元軟件進行了鉸鏈的應力校驗和剛度校核。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。 本章小結 本章首先簡單介 紹了目前在風力機空氣動力學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力機結構動力學，最后由經(jīng)過修正后的葉素 動量（ BEM）理論對錐形轉(zhuǎn)子的空氣動力學性能進行了簡單分析，為后面柔性連接機構的設計及整機的靜態(tài)特性分析準備了理論基礎。 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）。由文獻[20]所展示的改進后的公式并運用于目前的研究工作中可以看出， BEM的假設對于錐形轉(zhuǎn)子結構來說并不是完全錯誤的。 錐形轉(zhuǎn)子的空氣動 力學性能 葉素 動量（ BEM）理論仍然是主要的風力機設計工具，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，這些仿真作為證明是必須執(zhí)行的。再代入到方程（ 224）中就可得到葉片、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。 基于上述慣性坐標系以及各坐標系之間的轉(zhuǎn)換關系，運用假設模態(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。 圖 26 各坐標系間的關系 為了從方程（ 224）得到葉片、機艙和塔架系統(tǒng)的運動方程，在各種變形條件下得出風力機各部件上任意點的相對速度的關系式，必須進行一系列坐標變換，其坐標系如圖 26所示。同樣地，氣流相對風輪的切向速度也并非Ω r，而是多了另外一項 bΩr，這就是切向誘導速度。 誘導速度因子的物理意義就是當有氣流流過風輪時，風輪對其速度的影響程度。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輪上的力和力矩，如圖 25所示 [14]。相對于動量理論，葉素理論是從葉素附近的氣流流動來分析葉片上的受力與功能交換的。類似地，定義 a′ =ω/(2Ω ) 為切向速度誘導因子，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。 圖 24 理想流管 考慮到軸向上動量的改變，在槳葉面的推力 T為 T=m(V1V2)=ρ V1A(V1V2) （ 212） 式中，ρ 空氣密度； A槳葉平面面積。 因此，在風輪半徑等于 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。從而渦流風速可以判斷為下列三個渦流系統(tǒng)疊加而 成的結果：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]。在實際工程設計時，根據(jù)葉片翼型、葉片數(shù)量、輸出功率等情況，一般取 CP在 ，來進行葉片的初步設計。通過風輪的氣流在風輪前方時的截面積為 S1，在其后方時為 S2[14]。此外，他還假設在整個風輪掃掠面上的氣流都是均勻分布的，氣流速度無論是在風輪前后還是在通過風輪時都是沿著其軸線方向的。他假設風輪是理想的，忽略了輪轂的干擾，且葉片數(shù)是無窮的，并且其對通過風輪的氣流沒有阻力。在工程上較為廣泛應用的風力機葉 片設計模型 ——Schmitz模型、簡化設計模型、 Wilson模型和 Glauert模型等都是基于某個理論基礎上的 [14]。對風力機輪轂、機艙、傳動系統(tǒng)和塔架等進行簡化，利用三維建模軟件 SolidWorks對整機進行建模與裝配，然后導入 ANSYS Workbench ，得出其相關靜態(tài)特性，并與傳統(tǒng)風力機進行對比，對其對比結果進行討論。對于一種最終確定的方案，通過相關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計算，并用有限元分析軟件 ANSYS Workbench 。為了不增加整體機構的復雜性，采用傳統(tǒng)的風力機輪轂，對應葉片與輪轂的連接部分，尋找合適的材料，查閱相關變形理論，設計柔性連接機構，提出至少兩個方案并對其進行比較論證，最終確定方案。但 是，傳統(tǒng)的柔性鉸鏈只適合用在微位移機構上，所以必須對其材料和結構等進行改造，并找到合適的變形理論。本設計采用傘形風輪結構，通過在葉片和輪轂之間的柔性連接機構，可以實現(xiàn)葉片受到不同風載時的自適應張合。所以很有必要選擇一種柔性連接機構來取代傳統(tǒng)的剛性連接，使葉片對于風載具有自適應性，當風 速較大時向前合 攏；當風速較小時向后張開，通過控制受風面積來穩(wěn)定功率輸出，增長葉片和輪轂等風力機部件的壽命，減少維修成本，提高風能的利用率。風能作為一種儲量豐富、容易獲取的清潔能源可以作為其替代品，具有廣泛的發(fā)展前景。時其性能得到明顯的改善 [3]。、 20176。 Liu等采用輕而軟的泡沫材料制作了小型的下風向錐形轉(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。其研究數(shù)據(jù)說明，傘形風輪可以顯著提高風能的利用效率，減小風能的發(fā)電成本 [13]。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。由于柔性風輪良好的性價比和對風載變化的寬適應性，仍有不少學者畢生致力于該領域的研究。風輪轉(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，保護風力機部件。鉸鏈式輪轂常用于雙葉片風輪，是一種半固定式的輪轂，鉸鏈軸與葉片的長度方向及風輪軸互相垂直，就像個半方向聯(lián)軸節(jié)，如圖 13所示 [8]。其結構一般采用錐體式，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。 圖 11 傘形風輪結構示意圖 因其制造成本低，沒有磨損而且維護成本少，三葉片風輪大部分采用固定的輪轂，但它要承受來自風輪的力和力矩，機械承載大，承受載荷高。當受到風載時，鉸鏈使葉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)。 傘形風力機結構簡介 傘形風力機的基本結構特征如圖 11所示 [7]。錐形轉(zhuǎn)子的設計目的在于捕獲更多的能量，同時使整體的結構更輕（成本更?。铒@著的特點就在于減少能量成本（ COE）上。當葉片受到陣風或極限風載時，其結構與功率輸出的不穩(wěn)定性難會使葉片上產(chǎn)生嚴重的瞬時載荷，導致嚴重的失效，破壞后 果不堪設想。 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構成本已成為風力機設計的主要目的。 傘形風力機概述 傘形風力機研究目的 風力機的發(fā)展經(jīng)歷 了從小中型化向大型化再到柔性化的轉(zhuǎn)變過程。據(jù)世界風能協(xié)會相關統(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。 由于化石能源的逐漸消耗，能源短缺和環(huán)境污染問題日益突出。風能發(fā)電的技術從 70年代早期開始不斷地改進，到了 20世紀末，全球范圍內(nèi)利用風力發(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。 Modal Analysis 目 錄 摘 要 ....................................................................................................................... Ⅰ Abstract ....................................................................................................................... Ⅱ 第一章 緒論 ................................................................................................................. 1 引言 .................................................................................................................. 1 傘形 風力機概述 .............................................................................................. 1 傘形風力機研究目的 ............................................................................ 1 傘形風力機結構簡介 ............................................................................ 2 傘形風力機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .......................................................................... 5 課題的研究意義 .............................................................................................. 5 課 題的主要研究內(nèi)容 ...................................................................................... 6 第二章 風力發(fā)電機動力學理論 ................................................................................. 7 風力機空氣動力學 .......................................................................................... 7 貝茨理論 ................................................................................................ 7 渦流理論 ................................................................................................ 9 動量理論 ................................................................................................ 9 葉素理論 .............................................................................................. 10 風力機結構動力 學 ........................................................................................ 12 錐形轉(zhuǎn)子的空氣動力學性能 ........................................................................ 13 本章小結 ........................................................................................................ 14 第三章 傘形風輪柔性連接機構設計 ....................................................................... 15 柔性鉸鏈簡介 ................................................................................................ 15 柔性連接機構方案設計 ................................................................................ 16 設計方案一 ................