大型风力机伞形风轮柔性连接机构设计与分析本科毕业设计(编辑修改稿)

大型风力机伞形风轮柔性连接机构设计与分析本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

于伞形风力机的研究很少，基本上还处于起步的阶段。 Liu等采用轻而软的泡沫材料制作了小型的下风向锥形转子模型，其转子直径为 m，翼型使用 NACA0018，最大弦长 m，在锥角分别为 0176。 、 10176。 、 20176。 的情况下针对风力机的性能系数进行了相关的实验研究，其研究结果表明，锥角的变化能够改变风力机整体的 气动性能，在低风速的状态下，锥角为 20176。 时其性能得到明显的改善 [3]。 课题的研究意义 随着我国国民经济的飞速发展，能源的缺口正在不断扩大，特别是近年来，我国石油消费持续增长，对外依赖程度持续提高，到了 20xx年首次超过了 56%。 风能作为一种储量丰富、容易获取的清洁能源可以作为其替代品，具有广泛的发展前景。 传统的风力机叶片与轮毂之间是刚性连接的，叶根承受了很大的荷载，当承受极端载荷时，叶片和轮毂很容易损坏。 所以很有必要选择一种柔性连接机构来取代传统的刚性连接，使叶片对于风载具有自适应性，当风 速较大时向前合 拢；当风速较小时向后张开，通过控制受风面积来稳定功率输出，增长叶片和轮毂等风力机部件的寿命，减少维修成本，提高风能的利用率。 课题的主要研究内容 传统风力机的叶片和轮毂之间是通过螺栓刚性连接的，受到风力的交变载荷后寿命会大大降低。 本设计采用伞形风轮结构，通过在叶片和轮毂之间的柔性连接机构，可以实现叶片受到不同风载时的自适应张合。 由于机构之间的连接会导致载荷与振动的耦合，所以所设计的柔性连接机构不能过于复杂，最好是利用自身材料的弹性变形来实现叶片的张合，柔性铰链就有这种性能。 但 是，传统的柔性铰链只适合用在微位移机构上，所以必须对其材料和结构等进行改造，并找到合适的变形理论。 主要研究内容如下： （ 1）伞形风轮柔性连接机构设计。 为了不增加整体机构的复杂性，采用传统的风力机轮毂，对应叶片与轮毂的连接部分，寻找合适的材料，查阅相关变形理论，设计柔性连接机构，提出至少两个方案并对其进行比较论证，最终确定方案。 （ 2）柔性连接机构运动分析。 对于一种最终确定的方案，通过相关变形理论对其运动过程进行分析，得出其运动轨迹曲线，进行强度校核和相关计算，并用有限元分析软件 ANSYS Workbench。 （ 3）风力机整体建模及其静态特性分析。 对风力机轮毂、机舱、传动系统和塔架等进行简化，利用三维建模软件 SolidWorks对整机进行建模与装配，然后导入 ANSYS Workbench ，得出其相关静态特性，并与传统风力机进行对比，对其对比结果进行讨论。 第二章 风力发电机动力学理论 风力机空气动力学 目前在风力机空气动力学研究方面已形成了四个基本理论 ——贝茨理论、涡流理论、叶素理论、动量理论。 在工程上较为广泛应用的风力机叶 片设计模型 ——Schmitz模型、简化设计模型、 Wilson模型和 Glauert模型等都是基于某个理论基础上的 [14]。 贝茨理论 首个关于风轮的完整理论是德国哥廷根大学研究所的贝茨教授建立的。 他假设风轮是理想的，忽略了轮毂的干扰，且叶片数是无穷的，并且其对通过风轮的气流没有阻力。 因此这只是一个单纯的能量转换器，见图 21所示。 此外，他还假设在整个风轮扫掠面上的气流都是均匀分布的，气流速度无论是在风轮前后还是在通过风轮时都是沿着其轴线方向的。 设 V1是气流在风轮远前方的速度， V是气 流通过风轮时的实际速度，而且在整个风轮扫掠面 S上是均匀分布的， V2是气流在风轮远后方的风速。 通过风轮的气流在风轮前方时的截面积为 S1，在其后方时为 S2[14]。 图 21 流经风轮气流的单元流管 由欧拉公式可得，风作用在风轮上的力 F为 F=ρ SV(V1V2) （ 21） 风轮吸收的功率 P为 P=FV=ρ SV2(V1V2) （ 22） 又因为风轮的功率是由动能转换而来的，气流从上游到下游动能的变化为 （ 23） 令式（ 22）与（ 23）相等，可以得到 （ 24） 所以作用在风轮上的力和提供的功率分别为 （ 25） （ 26） 对于给定的上游速度 V1， P(V2)是关于 V2的功率变化函数，从而可得当时，风轮所能产生的最大功率为 （ 27） 由此可得风力机的理论最大效率（理论风能利用系数）为 （ 28） 实际风力机的功率利用系数 CP＜ ，见图 22所示。 在实际工程设计时，根据叶片翼型、叶片数量、输出功率等情况，一般取 CP在 ，来进行叶片的初步设计。 图 22 实际风力机的风能利用系数 涡流理论 涡流理论主要考虑通过叶轮的气流诱导转动效应，并且忽略了由于叶片翼型所引起的阻力和叶梢损失的影响，忽略有限的叶片数量对于气流的周期性影响，而且叶片各个径向环断面之间是相互独立的。 从而涡流风速可以判断为下列三个涡流系统叠加而 成的结果：叶片的附着涡、集中在转轴上的中心涡和叶片尖部形成的螺旋涡，如图23所示 [14]。 图 23 风轮的涡流系统 由于涡流系统的存在，流场中的周向和轴向速度会发生改变，设 a为轴向速度诱导因子， a′为切向速度诱导因子，则根据涡流理论可得 在风轮的旋转平面上气流轴向速度为 V=V1(1a) （ 29） 在风轮旋转平面处气流相对于叶片的角速度为 （ 210） 其中：Ω 风轮旋转角速度， rad/s； ω 气流旋转 角速度， rad/s。 因此，在风轮半径等于 r处气流的切向速度为 U=(1+b)Ω r （ 211） 动量理论 动量理论主要用于估算输出功率、气流流速和效率。 经典的风力机动量理论描述了经过桨叶面的一个理想流管，如图 24所示， V V、 V2分别代表来流的速度、经过桨叶面的速度和桨叶面尾流的速度 [14]。 图 24 理想流管 考虑到轴向上动量的改变，在桨叶面的推力 T为 T=m(V1V2)=ρ V1A(V1V2) （ 212） 式中，ρ 空气密度； A桨叶平面面积。 由贝努利方程得 （ 213） 定义为轴向速度诱导因子，则推力 T可表示为 （ 214） 桨叶平面所吸收风能转变为角速度Ω和作用在叶片上的转矩 Q。 类似地，定义 a′ =ω/(2Ω ) 为切向速度诱导因子，其中ω为桨叶面内风的角速度，则可得转矩 Q为 （ 215） 式中， R桨叶面半径。 叶素理论 Richard Froude最先于 1889年提出叶素理论。 相对于动量理论，叶素理论是从叶素附近的气流流动来分析叶片上的受力与功能交换的。 将叶片沿翼展方向分成若干个微段，其中每个微段叫作一个叶素。 这里假定每个微段之间都没有干扰，每个叶素上所受的力只由叶素翼型的升阻特性来决定，叶素本身可以看成一个二元翼型，此时，将作用在每个叶素上的力和力矩沿翼展方向积分，就可以求得作用在风轮上的力和力矩，如图 25所示 [14]。 图 25 翼型剖面的气流角和受力 设叶素的弦长为 l，则其升力和阻力分别为 （ 216） （ 217） 则沿着风轮旋转平面的切向力 dFx与轴向力 dFy分别为 （ 218） （ 219） 其中： Cx=ClcosΦ +CdsinΦ （ 220） Cy=ClsinΦ CdcosΦ （ 221） 风轮半径 r处叶素上的周向推力为 （ 222） 转矩为 （ 223） 式中， B为叶片数。 诱导速度因子的物理意义就是当有气流流过风轮时，风轮对其速度的影响程度。 在图25中气流通过风轮的轴向速度为 V1(1a)，并非来流风速 V1，这其中的 aV1就是风轮产生的诱导速度。 同样地，气流相对风轮的切向速度也并非Ω r，而是多了另外一项 bΩr，这就是切向诱导速度。 风力机结构动力学 在广义坐标系下，对风力机的叶片、机舱和塔架系统可以按照虚位移原理，建立关于任意质点系的拉格朗日方程： （ 224） 其中 ， T和 U分别表示系统的动能和势能， Ud表示系统的阻尼能， yi表示广义坐标， Qi表示广义载荷，方程的个数与广义坐标的个数相等。 图 26 各坐标系间的关系 为了从方程（ 224）得到叶片、机舱和塔架系统的运动方程，在各种变形条件下得出风力机各部件上任意点的相对速度的关系式，必须进行一系列坐标变换，其坐标系如图 26所示。 以 X0Y0Z0为惯性坐标系，分别按如下顺序进行从惯性坐标系到叶片局部坐标系的转换[15]： （ 1）在坐标系 X1Y1Z1中引入塔顶三个方向的位移 qx， qy， qz； （ 2）在坐标系 X2Y2Z2中引入偏航角Φ； （ 3）在坐标系 X3Y3Z3中引入俯仰角Ψ； （ 4）在坐标系 X4Y4Z4中引入叶根到塔架之间的距离 L； （ 5）在坐标系 X5Y5Z5中引入方位角θ； （ 6）在坐标系 X6Y6Z6中引入锥角Ϋ。 基于上述惯性坐标系以及各坐标系之间的转换关系，运用假设模态求和法，可把各个自由度的变形量用模态与广义坐标的乘积之和来表示： r(x, t) = ά 1(x)y1(t) + ά 2(x)y2(t) + ά 3(x)y3(t) （ 225） 其中，ά i(x)是模态， yi(t)是广 义坐标。 为了求出方程（ 224）中动能、势能和阻尼能等各项的表达式，需要得到风力机各部件上任意点在局部坐标系下的速度，其中变形关系采用方程（ 225），从而可将各能量项用广义坐标来表示。 再代入到方程（ 224）中就可得到叶片、机舱和塔架系统的运动方程： （ 226） 其中， [M]、 [D]、 [K]分别表示质量、阻尼与刚度矩阵， {}， {}， {y}和 {Q}分别表示加速度、速度、位移以及广义力。 对于风力发电机而言，其广义力一般包括空气动力、离心力和重力等。 锥形转子的空气动 力学性能 叶素 动量（ BEM）理论仍然是主要的风力机设计工具，鉴于其成本与必需的空气弹性变形仿真中更加详细的方法有关，这些仿真作为证明是必须执行的。 前人所有关于拍向和伞形风轮的研究都突出了 BEM对于锥形转子结构的基本原理上的错误，然后缺乏一个更加精确的模型 [16,17]或者更加昂贵的计算流体力学（ CFD）方法 [18,19]。 由文献[20]所展示的改进后的公式并运用于目前的研究工作中可以看出， BEM的假设对于锥形转子结构来说并不是完全错误的。 最主要的要求是恰当地分解锥形转子的入射速度，并且包括径向和修正的轴 向诱导速度，基于与牵引涡度相关的部分位置。 锥形转子的确给传统定义的叶尖速比λ、 CP和 CT引入了一种不明确，可以基于锥形转子实际的叶尖半径 Ractual，或者非锥形转子的参考半径 Rref，见公式（ 229）。 𝑅actual=h+S sin(β)， 𝑅ref=h+S λ=ΩRU， CP=2PρU3πR2， CT=2TρU2πR2 （ 229） 由这些公式所描述的转子有一个从转动轴到铰链轴的半径 h和从铰链（根部）到叶尖的叶片总长度 S[21]。 本章小结 本章首先简单介 绍了目前在风力机空气动力学研究方面形成的四个基本理论——贝茨理论、涡流理论、叶素理论、动量理论，然后从运动方程和数值方法两方面介绍了风力机结构动力学，最后由经过修正后的叶素 动量（ BEM）理论对锥形转子的空气动力学性能进行了简单分析，为后面柔性连接机构的设计及整机的静态特性分析准备了理论基础。 第三章 伞形风轮柔性连接机构设计 柔性铰链简介 六十年代左右，由于航空等科学技术的发展，对于实现较小范围内偏转的支承，不仅要求其具有高分辨率，而且还要求其尺寸和体积的微型化。 人们在通过对各种各样的弹性支承 进行了大量的试验探索后，才逐步制造出体积小、无机械摩擦、无机械间隙的柔性铰链。 随着柔性铰链的优势变得越来越明显，越来越多的学者开始致力于这方面的研究。 谭淑英和张大卫等 [22]根据材料力学知识推出了弹性铰链的刚度公式，并通过有限元软件进行了铰链的应力校验和刚度校核。 吴鹰飞和周兆英 [23]推出了常见的几种柔性铰链。