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1、 本科毕业设计 题目：大型风力机伞形风轮柔性 连接机构设计与分析 学 院 机械与汽车工程学院 专 业 机械类创新班 学生姓名 罗远强 学生学号 200931011278 指导教师 刘旺玉 教授 提交日期 2013年5月30日 摘 要 由于化石能源的逐渐消耗，能源短缺和环境污染问题日益突出，风能由于其清洁可再生而且利用方便成为目前最有开发利用前景的一种可再生能源之一。传统的风力发电机叶片与轮毂之间采用螺栓刚性连接，当风速变化较大时，风力机部件很容易发生损坏。 本文先介绍了伞形风力机的结构和国内外研究现状，然后通过传统风力机的空气动力学和结构动力学理论引出锥形转子的空气动力学性能。仿照圆弧型和直梁
2、型柔性铰链的结构，并结合与风力机的具体连接，分别设计了两种柔性连接机构，连接在叶片与轮毂之间，使其连接处由刚性变为柔性，当风速较大时，叶片可以向前合拢以达到卸载的作用；当风速较小时，叶片可以向后自动回复张开，更好地利用风能，使风力机在交变的风载的作用下依然保持较稳定的功率输出，保护了风力机部件，提高其使用寿命。 针对最终确定的设计方案，运用材料力学的知识对柔性板的最小厚度进行了设计。为了使机构转动更加稳定，还添加了支撑机构和减振机构，然后对两种其它的设计方案进行了探讨。 最后，把柔性连接机构安装在风力机上，对整机模型进行了结构静力分析和模态分析，并与传统风力作了比较，结果表明所设计的柔性风力机
3、的性能明显比传统风力好很多。 00.511.522.53一阶 二阶 三阶 四阶 五阶 六阶 七阶 八阶 九阶 十阶 十一阶 十二阶 旋转频率n 穿越频率3n 传统风力机 柔性风力机 关键词：风能；伞形风力机；柔性连接机构；结构静力分析；模态分析Abstract Since the gradual depletion of fossil energy, energy shortage and environmental pollution problems have become increasingly prominent. Due to its clean, renewable and th
4、e convenience to use, wind energy has become one of the most promisingly develop and renewable energy sources. In traditional wind turbine, blades and the hub connect rigidly by the use of bolts. As the wind speed changes frequently, the wind turbines components are prone to be damaged. This article
5、 firstly introduces the structure and research status of the coning rotor, then with the traditional wind turbines aerodynamics and structural dynamics theory which leads to a coning rotors aerodynamics. Modeled on the arc and the straight beam type flexible hinges structure and considering the spec
6、ific connection with wind turbines, two flexible connecting mechanisms connected between the blade and the hub were designed, making it into a flexible connection from a rigid one. When the wind speed is fast, the blade can fold forward to unload; when the wind speed is slow, the blade can reply bac
7、k automatically. It can make a better use of wind energy. Wind turbine in the alternating action of loading remains a stable power output, to protect the wind turbines components and to improve its service life. For the definitive design, use the mechanics of materials to design the minimum thicknes
8、s of the flexible plate. In order to make the institutions with a more stable rotation, a support mechanism and a damper mechanism were also designed, and then two other designs are discussed preliminarily. Finally, the flexible connecting mechanism is installed in a wind turbine, and then structure
9、 static analysis and modal analysis are made on the whole model. Make a comparison with the traditional wind turbine, the results show that the performance of the flexible wind turbine designed above is much better than a traditional wind turbine. Keyword: Wind Energy; Coning Rotor; Flexible Connect
10、ion Mechanism; Structure Static Analysis; Modal Analysis目 录 摘 要 . Abstract . 第一章 绪论 . 1 1.1 引言. 1 1.2 伞形风力机概述. 1 1.2.1 伞形风力机研究目的. 1 1.2.2 伞形风力机结构简介. 2 1.3 伞形风力机国内外研究现状. 5 1.4 课题的研究意义. 5 1.5 课题的主要研究内容. 6 第二章 风力发电机动力学理论 . 7 2.1 风力机空气动力学. 7 2.1.1 贝茨理论. 7 2.1.2 涡流理论. 9 2.1.3 动量理论. 9 2.1.4 叶素理论. 10 2.2 风
11、力机结构动力学. 12 2.3 锥形转子的空气动力学性能. 13 2.4 本章小结. 14 第三章 伞形风轮柔性连接机构设计 . 15 3.1 柔性铰链简介. 15 3.2 柔性连接机构方案设计. 16 3.2.1 设计方案一. 16 3.2.2 设计方案二. 16 3.2.3 设计方案比较. 17 3.3 其它辅助机构设计. 18 3.3.1 支撑机构. 18 3.3.2 减振机构. 18 3.4 其它设计方案探讨. 19 3.4.1 翻转机构. 19 3.4.2 啮合铰链. 22 3.5 本章小结. 24 第四章 柔性连接机构运动分析 . 25 4.1 柔性连接机构变形过程与参数设计. 2
12、5 4.1.1 柔性板最小厚度设计. 25 4.1.2 支撑机构啮合面曲线设计. 26 4.1.3 减振机构阻尼特性设计. 27 4.1.4 柔性连接机构整体装配图. 29 4.2 柔性连接机构的转动刚度研究. 31 4.3 柔性连接机构中储存的能量计算. 31 4.4 柔性连接机构运动过程模拟. 32 4.5 本章小结. 33 第五章 风力机整体建模及其静态特性分析 . 34 5.1 柔性风力机三维建模. 34 5.1.1 叶片模型. 34 5.1.2 轮毂模型. 34 5.1.3 传动系统与机舱模型. 35 5.1.4 塔架模型. 35 5.1.5 整机模型. 37 5.2 柔性风力机结构
13、静力分析. 37 5.2.1 定义接触与划分网格. 37 5.2.2 施加载荷和约束. 38 5.2.3 求解结果. 39 5.2.4 传统风力机结果对比. 40 5.3 柔性风力机模态分析. 42 5.3.1 求解结果. 43 5.3.2 传统风力机结果对比. 45 5.4 本章小结. 49 结 论 . 50 参考文献 . 52 致 谢 . 55 第一章 绪论 1.1 引言 人类利用风能的历史最早期可追溯到3000多年以前。随着20世纪70年代早期石油能源危机的出现，风能作为一种很容易获得的清洁能源又重新进入人们的视线。风能发电的技术从70年代早期开始不断地改进，到了20世纪末，全球范围内利
14、用风力发电的装机容量几乎每三年就会翻一番，其成本也比80年代初大约下降了1/6。有相关专家预测，这个趋势仍会继续，以后将以每年25%的速度递增，而成本也将以每年20%40%的速度下降。 由于化石能源的逐渐消耗，能源短缺和环境污染问题日益突出。风能由于其清洁可再生而且利用方便成为目前最有开发利用前景的一种可再生能源之一。据世界风能协会相关统计表明，截止至1989年底，风力发电机最大单机装机容量为300 kW，直径为30 m。在短短10年之内，制造出单机装机容量1500 kW，直径为70 m的风力发电机不再是一个难题，对不少制造商来说都是力所能及的事情1,2。 1.2 伞形风力机概述 1.2.1
15、伞形风力机研究目的 风力机的发展经历了从小中型化向大型化再到柔性化的转变过程。从1980年早期风轮直径为6 m的15 kW陆上风力机到如今风轮直径为120 m的5 MW海上风力机，标志着其完成了技术上和规模上的一次大革命。 发展到现在，通过增加其可靠性或减小负载来降低其结构成本已成为风力机设计的主要目的。虽然叶片已经越来越柔性化，但其与轮毂之间的连接仍然是刚性的，在叶片根部会产生应力集中。当叶片受到阵风或极限风载时，其结构与功率输出的不稳定性难会使叶片上产生严重的瞬时载荷，导致严重的失效，破坏后果不堪设想。 关于伞形风力机的相关研究开始于上世纪的90年代中期，其作为柔性风力机的突出代表向当时传
16、统的刚性转子风力机发起了很大的挑战3。锥形转子的设计目的在于捕获更多的能量，同时使整体的结构更轻（成本更小），最显著的特点就在于减少能量成本（COE）上。伞形风力机是通过叶片与轮毂连接处的铰链来控制其叶片的受风面积，随着风速的变化逐渐形成一个锥形，可以显著地减少瞬时载荷，从而保护风力机部件4,5,6。 1.2.2 伞形风力机结构简介 伞形风力机的基本结构特征如图1-1所示7。该风力机为下风向风力机，叶片根部通过铰链与轮毂连接，起到负载匹配的作用。当受到风载时，铰链使叶片沿着锥角减小的方向进行合拢变形，使叶片由弯曲梁变成受拉杆，以此达到一种离心力与空气动力平衡的状态。锥角按弯矩的大小不断改变，同
17、时抵消其作用，不仅风轮整体可以锥置，叶片之间也能独立地改变各自的锥角。 图1-1 伞形风轮结构示意图 因其制造成本低，没有磨损而且维护成本少，三叶片风轮大部分采用固定的轮毂，但它要承受来自风轮的力和力矩，机械承载大，承受载荷高。风轮结构如图1-2所示，旋转过程中会产生离心力F和轴向推力S8。其结构一般采用锥体式，在整个旋转的过程中，离心力F和空气动力S产生的轴向推力都是呈周期性变化的。铰链轮毂的概念在20世纪50年代首先由U.Htter提出，美国生产的直径为91 m的Maglarp风力发电机就采用了这种结构。铰链式轮毂常用于双叶片风轮，是一种半固定式的轮毂，铰链轴与叶片的长度方向及风轮轴互相垂
18、直，就像个半方向联轴节，如图1-3所示8。 图1-2 风轮叶片离心力与轴向推力的关系曲线 图1-3 不同形式的铰链连接 如图1-4所示为小型伞形风力机结构示意图9，图1-5为小型伞形风力机的户外工作图10,11。风轮转子可以在旋转的过程中通过不断改变桨叶的张合角度来捕获能量，稳定功率输出，保护风力机部件。 图1-4 小型伞形风力机结构示意图 图1-5 小型伞形风力机户外工作图 1.3 伞形风力机国内外研究现状 目前，通过主动或被动的方式来控制叶片的桨距角使风轮受风面积增加或减小的技术已趋于成熟，而依靠桨叶长度的主动或被动控制则很少有人关注12。由于柔性风轮良好的性价比和对风载变化的宽适应性，仍
19、有不少学者毕生致力于该领域的研究。英国工程师Peter Jamiesons在20世纪90年代首次提出了伞形风轮(Coning Rotor)这一革命性的概念，并对其进行了颇有成效的研究，获得了其相关的气动性能曲线。其研究数据说明，与常规风力机相比，直径相同的风轮，其最小启动风速可从4 m/s降到3 m/s，承受极限载荷的能力最高可以达到70 m/s，其力矩、轴向推力和输出功率都可通过其锥形角的变化来进行控制。英国剑桥大学Jim Platts教授领导的Khan研究小组在Peter Jamieson教授的研究基础上建立了伞形风轮理论，其理论基于修正后的叶素-动量定理（BEM），通过铰链连接的方式分析
20、了通过叶片沿翼展方向相对于其旋转平面夹角变动引起的气动效应来控制风轮的输出功率，首次获得了伞形风力机的完整性能曲线。其研究数据说明，伞形风轮可以显著提高风能的利用效率，减小风能的发电成本13。 国内对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1.5 m，翼型使用NACA0018，最大弦长0.15 m，在锥角分别为0、10、20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20时其性能得到明显的改善3。 1.4 课题的研究意义 随着我国
21、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2011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。 1.5 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
22、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
23、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 14.0进行模拟分析。 （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 14.0中进行结构静力分析和模态分析，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 2.1 风力机空气动力学 目前在风力机空气动
24、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。 2.1.1 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2-1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
25、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S214。 图2-1 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=SV(V1-V2) （2-1） 风轮吸收的功率P为 P=FV=SV2(V1-V2) （2-2） 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 （2-3） 令式（2-2）与（2-3）相等，可以得到 （2-4） 所以作用在风轮上的力和提供的功率分别为 （2-5） （2-6） 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
26、能产生的最大功率为 （2-7） 由此可得风力机的理论最大效率（理论风能利用系数）为 （2-8） 实际风力机的功率利用系数CP0.593，见图2-2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0.25-0.45左右，来进行叶片的初步设计。 图2-2 实际风力机的风能利用系数 2.1.2 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
27、部形成的螺旋涡，如图2-3所示14。 图2-3 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(1-a) （2-9） 在风轮旋转平面处气流相对于叶片的角速度为 （2-10） 其中：-风轮旋转角速度，rad/s； -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)r （2-11） 2.1.3 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2-4所示，V1、V、V2
28、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2-4 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(V1-V2)=V1A(V1-V2) （2-12） 式中，-空气密度； A-桨叶平面面积。 由贝努利方程得 （2-13） 定义为轴向速度诱导因子，则推力T可表示为 （2-14） 桨叶平面所吸收风能转变为角速度和作用在叶片上的转矩Q。类似地，定义a=/(2) 为切向速度诱导因子，其中为桨叶面内风的角速度，则可得转矩Q为 （2-15） 式中，R-桨叶面半径。 2.1.4 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2-5所示14。 图2-5