CN107143463B - 一种控制风力机叶片挥舞的空间拉索系统及优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制风力机叶片挥舞的空间拉索系统及优化方法，风力机的叶片由安装于机舱上的轮毂连接而成，叶片之间沿翼展方向相同部位采用通长空间拉索进行固定，所述相同部位分别在叶片的1/4、1/2、3/4和叶尖处，叶片相同部位的一组三条空间拉索构成了一个无多余自由度的静定子系统，空间拉索系统是由若干组三条拉索构成的多个静定子系统，静定子系统数量由建立的有限元模型进行线弹性特征值屈曲分析确定，对比安装不同数量静定子系统下风力机体系的屈曲系数，最终确定最优空间拉索静定子系统数量。本发明可在控制风力机叶片挥舞的同时显著提升风力机塔架‑叶片耦合体系的屈曲稳定性能，且具有构造简单、施工方便等优点。

Description

一种控制风力机叶片挥舞的空间拉索系统及优化方法

技术领域

本发明公开了一种控制叶片挥舞的空间拉索系统及优化方法，涉及风电系统的建筑技术领域和大型高耸结构抗风技术领域。

背景技术

作为风能发电的主要构筑物之一，风力机逐渐朝着大功率化发展，随之而来的风致破坏和稳定性问题却愈加突出，其中叶片弯扭断裂、塔架失稳倒塌是最常见的破坏形式。

强风作用下的风力机体系处于停机状态，与旋转状态相比其抗弯刚度反而有所降低。此外强风风向的剧烈变化会导致翼型风攻角大幅改变，进而风力机叶片在某些攻角范围内出现气动失稳现象，而叶片的挥舞摆振是失稳破坏前的主要形式。

就目前来说，采用内部加筋提高叶片的刚度是控制叶片变形最常见的形式之一，但风力机叶片内部加筋也有诸多缺点。例如拉力的大小不易控制，稍有不慎叶片会整体断裂；叶片内部加筋的施工难度较大，增加了施工措施费；叶片加筋后自重较大，在低风速时很难运转发电，而且难以应对风载的不确定性对叶片造成的冲击。

发明内容

针对现有的技术缺陷与工程实际难题，本发明提供了一种施工方便、构造简单、能显著控制叶片挥舞且提高结构屈曲稳定能的空间拉索系统，其公开的技术方案为：

一种控制风力机叶片挥舞的空间拉索系统，其叶片由安装于机舱上的轮毂连接而成，所述叶片有三个，叶片之间沿翼展方向的相同部位采用通长的空间拉索进行固定，固定在叶片相同部位的一组三条空间拉索构成一个无多余自由度的静定子系统，所述叶片之间具有固定在相同部位的若干组三条空间拉索，所述相同部位分别在叶片的1/4、1/2、3/4和叶尖处，所述的若干组三条空间拉索构成多个静定子系统，所述静定子系统数量由建立的有限元模型进行线弹性特征值屈曲分析确定，对比安装不同数量静定子系统下风力机体系的屈曲系数，最终确定最优空间拉索静定子系统数量，所述拉索与各叶片之间通过螺栓锚固连接构成了自锚体系。

在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：

所述叶片由与塔架成180°夹角开始每120°顺时针旋转一次，固接于轮毂上构成了塔架-叶片耦合体系。

所述空间拉索通长布设于两叶片之间沿翼展方向的相同部位。

所述空间拉索为斜拉索，由高强钢绞线、两端锚具、中间的拉索传力件及防护材料组成。

所述叶片与拉索连接部位采用局部开孔的方式。

所述拉索与叶片采用直接锚固的方式，不施加预应力。

一种控制风力机叶片挥舞的空间拉索系统优化方法，建立风力机塔架-叶片-拉索一体化有限元模型并施加预设风压，在此基础上对风力机模型进行线弹性屈曲稳定性分析，对比安装不同数量静定子系统下风力机体系的屈曲系数，进而确定最优空间拉索静定子系统的个数。

对风力机模型进行的所述线弹性屈曲稳定性分析为采用有限元特征值屈曲分析的方法基于下述理论进行模拟：

a)根据失稳定义，结构屈曲是荷载增加一个微量，其位移将发生较大变化，因此结构的增量有限元平衡方程为：

([K₀]+[K_σ]+[K_ε]){△u_e}＝0 (1)

式中，[K₀]为单元的弹性刚度矩阵，[K_σ]为单元的初应力刚度矩阵，[K_ε]为单元的初应变刚度矩阵，{△u_e}为节点位移增量向量。

b)当结构屈曲时方程(1)中{△u_e}必有非零解，因而：

([K₀]+[K_σ]+[K_ε])＝0 (2)

c)结构的线性屈曲分析假设屈曲前结构处于初始平衡状态，因此式(2)中[K_ε]＝0；而在小位移情况下，[K_σ]与应力水平成正比，应力与外荷载也为线性关系。设K^P _σ为参考荷载P对应的初应力矩阵，λ_cr为屈曲时的荷载参数，P_cr＝λ_crP，则屈曲时结构的初应力矩阵可表示为：

[K_σ]＝λ[K^P _σ] (3)

d)代入(2)式，得经典线性稳定理论的控制方程为：

[K_σ]+λ_cr[K^P _σ]＝0 (4)

有益效果：

本发明提出了一种控制风力机叶片挥舞的空间拉索系统及优化方法，可在控制风力机叶片挥舞的同时显著提升风力机塔架-叶片耦合体系的屈曲稳定性能，且具有构造简单、施工方便等优点，适合推广使用。

附图说明

图1为本发明水平轴风力机的整体结构示意图,(a)为布设一个静定子系统的水平轴风力机；(b)为布设两个静定子系统的水平轴风力机。

图2为本发明垂直轴风力机的整体结构示意图,(a)为布设一个静定子系统的垂直轴风力机；(b)为布设两个静定子系统的垂直轴风力机；(c)为布设三个静定子系统的垂直轴风力机。

图3为拉索固定的局部结构示意图。

图4为螺栓的结构示意图。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案和技术效果，下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步的说明。

一种控制风力机叶片挥舞的空间拉索系统及优化方法，包括：在两叶片之间沿翼展方向的相同部位布设通长的空间拉索，拉索采用高强钢绞线，拉索与叶片采用直接锚固的方式，形成一个无多余自由度的静定结构，用于控制叶片的挥舞变形；增加布设静定子系统，并对不同数量静定子系统的风力机体系进行线弹性屈曲特征值分析，从而确定最优空间拉索静定子系统数量。

如图1所示，基于上述方法的一种控制风力机叶片挥舞的空间拉索系统，其结构体系由叶片1、机舱2、轮毂3、拉索4和塔架5等部分组成。所述三个叶片沿翼展方向的相同部位布设了三条拉索，所述相同部位分别在叶片的1/4、1/2、3/4和叶尖处，拉索采用高强钢绞线并用螺栓固定，螺栓局部构造见图3和4；所述叶片相同部位的一组三条空间拉索构成了一个无多余自由度的静定子系统，所述空间拉索系统是由若干组三条拉索构成的多个静定子系统，所述静定子系统的数量由建立的有限元模型进行的线弹性特征值屈曲分析确定，对比安装不同数量静定子系统下风力机体系的屈曲系数，最终确定最优空间拉索静定子系统数量，所述拉索与各叶片之间通过螺栓锚固连接构成了自锚体系。

所述采用有限元特征值屈曲分析的方法基于下述理论进行模拟：

e)根据失稳定义，结构屈曲是荷载增加一个微量，其位移将发生较大变化，因此结构的增量有限元平衡方程为：

([K₀]+[K_σ]+[K_ε]){△u_e}＝0 (5)

式中，[K₀]为单元的弹性刚度矩阵，[K_σ]为单元的初应力刚度矩阵，[K_ε]为单元的初应变刚度矩阵，{△u_e}为节点位移增量向量。

f)当结构屈曲时方程(5)中{△u_e}必有非零解，因而：

([K₀]+[K_σ]+[K_ε])＝0 (6)

g)结构的线性屈曲分析假设屈曲前结构处于初始平衡状态，因此式(6)中[K_ε]＝0；而在小位移情况下，[K_σ]与应力水平成正比，应力与外荷载也为线性关系。设K^P _σ为参考荷载P对应的初应力矩阵，λ_cr为屈曲时的荷载参数，P_cr＝λ_crP，则屈曲时结构的初应力矩阵可表示为：

[K_σ]＝λ[K^P _σ] (7)

h)代入(6)式，得经典线性稳定理论的控制方程为：

[K_σ]+λ_cr[K^P _σ]＝0 (8)

实施例1

本实施例以国内某大型水平轴风力机为例，如图1所示，具体实施步骤为：

i)首先将三条拉索直接锚固于三个叶片的叶尖部位，如图1(a)形成了一个无多余自由度的静定子系统，并进行动力特性分析获得风力机体系的基频；

j)针对该系统建立有限元模型并施加预设风压，在此基础上基于理论方程进行线弹性屈曲特征值分析，获取计算的屈曲系数和屈曲位移；

k)设叶片总长为H，依次在距轮毂H/2(图1(b))、H/4和3H/4处设置静定子系统，并进行动力特性和屈曲分析，最终对比布有不同数量静定子系统的风力机体系的基频、屈曲系数和屈曲位移，结果如表1所示。对比可知，随静定子系统数量的增加，屈曲系数和屈曲位移均呈先增后减再增的趋势，结构基频逐渐减小。综合考虑结构的稳定性能以及造价问题，发现两个静定子系统时屈曲位移较其它数量的系统小，且基频降低较小，更为经济，为多种静定子系统中受力性能的最优状态。

表1 基于不同数量拉索系统的风力机屈曲系数、屈曲位移和基频对比列表

针对上述确定的两个静定子系统进行布设方案对比，具体布设方案和分析结果(屈曲系数/屈曲位移)如表2所示。对比发现：两个静定子系统距轮毂位置越近其承受变形的能力越强，并受两个静定子系统布设间距的影响较小。因此，针对此现象给出具体布设建议：在叶根至距轮毂3H/4处范围内可任意布设静定子系统，其建议间距为H/4。

表2 基于两个静定子系统不同布设方案的风力机屈曲系数和屈曲位移对比列表

实施例2

本实施例以国内某大型垂直轴风力机为例，如图2所示，具体实施步骤为：

i)首先将六条拉索直接锚固于六个叶片的顶部，如图2(a)形成了一个空间拉索系统，在此基础上进行动力特性分析获得风力机体系的基频；

j)针对该系统建立有限元模型并施加预设风压，在此基础上基于理论方程进行线弹性屈曲特征值分析，获取计算的屈曲系数和屈曲位移；

k)设叶片总长为H，依次在距叶片顶部H和H/2处(图2(b)和图2(c))设置静定子系统，并进行动力特性和屈曲分析，最终对比布有不同数量静定子系统的风力机体系的基频、屈曲系数和屈曲位移，结果如表3所示。对比可知，随静定子系统数量的增加，屈曲系数呈逐渐增大的趋势，屈曲位移先增后减，结构基频逐渐减小；静定子系统布设位置对结构位移和稳定性影响显著，越靠近叶尖部位结构屈曲失稳概率越小。综合考虑结构的稳定性能以及造价问题，发现同时在叶片顶部、中部和底部布设拉索风力机体系综合性能最好，为多种静定子系统中受力性能的最优状态。本实施例的具体布设方案不再赘述。

表3 基于不同数量/位置拉索系统的风力机屈曲系数、屈曲位移和基频对比列表

本发明通过在叶片沿翼展方向的相同部位布设拉索系统，并采用线弹性屈曲特征值分析的方法确定最优静定子系统的数量，控制了叶片的挥舞变形，显著提高了塔架-叶片耦合体系的屈曲稳定性能。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种控制风力机叶片挥舞的空间拉索系统，其叶片(1)由安装于机舱(2)上的轮毂(3)连接而成，其特征在于：所述叶片(1)有三个，叶片之间沿翼展方向的相同部位采用通长的空间拉索(4)进行固定，固定在叶片相同部位的一组三条空间拉索构成一个无多余自由度的静定子系统，所述叶片之间具有固定在相同部位的若干组三条空间拉索，所述相同部位分别在叶片的1/4、1/2、3/4和叶尖处，所述的若干组三条空间拉索构成多个静定子系统，所述静定子系统数量由建立的有限元模型进行线弹性特征值屈曲分析确定，对比安装不同数量静定子系统下风力机体系的屈曲系数，最终确定最优空间拉索静定子系统数量，所述拉索与各叶片之间通过螺栓锚固连接构成了自锚体系；

空间拉索系统建立风力机塔架-叶片-拉索一体化有限元模型并施加预设风压，在此基础上对风力机模型进行线弹性屈曲稳定性分析，对比获得的安装有不同数量的空间拉索静定子系统风力机体系的屈曲系数，进而确定最优空间拉索静定子系统的个数；

对风力机模型进行的所述线弹性屈曲稳定性分析为采用有限元特征值屈曲分析的方法基于下述理论进行模拟：

a)根据失稳定义，结构屈曲是荷载增加一个微量，其位移将发生较大变化，因此结构的增量有限元平衡方程为：

([K₀]+[K_σ]+[K_ε]){△u_e}＝0 (1)

式中，[K₀]为单元的弹性刚度矩阵，[K_σ]为单元的初应力刚度矩阵，[K_ε]为单元的初应变刚度矩阵，{△u_e}为节点位移增量向量；

b)当结构屈曲时方程(1)中{△u_e}必有非零解，因而：

([K₀]+[K_σ]+[K_ε])＝0 (2)

c)结构的线性屈曲分析假设屈曲前结构处于初始平衡状态，因此式(2)中[K_ε]＝0；而在小位移情况下，[K_σ]与应力水平成正比，应力与外荷载也为线性关系；设K^P _σ为参考荷载P对应的初应力矩阵，λ_cr为屈曲时的荷载参数，P_cr＝λ_crP，则屈曲时结构的初应力矩阵可表示为：

[K_σ]＝λ[K^P _σ] (3)

d)代入(2)式，得经典线性稳定理论的控制方程为：

[K_σ]+λ_cr[K^P _σ]＝0 (4)。

2.根据权利要求1所述的一种控制风力机叶片挥舞的空间拉索系统，其特征在于，所述叶片(1)由与塔架(5)成180°夹角开始每120°顺时针旋转一次，固接于轮毂上构成了塔架-叶片耦合体系。

3.根据权利要求1所述的一种控制风力机叶片挥舞的空间拉索系统，其特征在于，所述空间拉索(4)通长布设于两叶片之间沿翼展方向的相同部位。

4.根据权利要求1所述的一种控制风力机叶片挥舞的空间拉索系统，其特征在于，所述空间拉索(4)为斜拉索，由高强钢绞线、两端锚具、中间的拉索传力件及防护材料组成。

5.根据权利要求1所述的一种控制风力机叶片挥舞的空间拉索系统，其特征在于，所述叶片(1)与拉索(4)连接部位采用局部开孔的方式。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种控制风力机叶片挥舞的空间拉索系统，其特征在于，所述拉索与叶片采用直接锚固的方式，不施加预应力。