CN117989047A - 一种抑制风电柔性叶片变形的支杆系统及优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于风电设备技术领域，具体涉及一种抑制风电柔性叶片变形的支杆系统及优化方法。该支杆系统包括转动仓和多个支杆；转动仓和风机塔筒分别位于风机叶片的两侧，转动仓与风机轮毂传动连接；支杆一端与风机叶片连接，一端与转动仓连接。本发明可在抑制风力机叶片变形的同时显著提升风力机叶片的承载能力，同时具有构造简单、成本低、气动效率良好、施工方便等优点。

Description

一种抑制风电柔性叶片变形的支杆系统及优化方法
技术领域
本发明属于风电设备技术领域，具体涉及一种抑制风电柔性叶片变形的支杆系统及优化方法。
背景技术
随着风力机的大功率化发展，超长柔性叶片的使用越来越广泛，随之而来叶片的风致破坏和稳定性问题也愈加突出，其中叶片弯扭断裂和颤振失稳是最常见的叶片损坏形式。叶片损坏的根本原因在于超长柔性叶片本质上是一固结在轮毂上的超长悬臂梁，具有极大的结构损坏倾向。
通过材料和结构优化方法可以优化风机叶片的变形，例如改变材料属性、增加叶片厚度及宽度等改变叶片材料结构形式来减少其变形。但上述优化方法有诸多缺点：叶片的力学性能和材料成本之间的平衡难以达成，增加叶片材料用量难以实现风轮轻量化存在整机破坏的风险等，仍然不具备广泛推广的市场前景。
如何通过增加简单的附属结构同时实现低成本、叶片降载等功能具有重要的工程应用价值。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供一种抑制风电柔性叶片变形的支杆系统及优化方法，可在抑制风力机叶片变形的同时显著提升风力机叶片的承载能力，具有构造简单、成本低、气动效率良好、施工方便等优点。
为解决现有技术的不足，本发明提供的技术方案为：
一种抑制风电柔性叶片变形的支杆系统，包括转动仓和多个支杆；
所述转动仓和风机塔筒分别位于风机叶片的两侧，转动仓与风机轮毂传动连接；
所述支杆一端与风机叶片连接，一端与转动仓连接。
优选的，所述转动仓为圆柱形，转动仓与风机轮毂共轴线，转动仓侧面开孔；
所述支杆插入转动仓侧面的开孔与转动仓固定连接。
优选的，所述支杆数量与风机叶片一致，支杆与风机叶片一一对应。
优选的，所述多个支杆的长度相等，支杆与支杆间的夹角相等；记风机叶片与风机轮毂相连的端部记为起点，风机叶片的叶尖记为终点，支杆与风机叶片的连接位置相同。
优选的，所述支杆包括缓冲杆、缓冲筒和减震弹簧；所述减震弹簧设于所述缓冲筒内，两端分别与所述缓冲杆、缓冲筒连接；缓冲杆插入缓冲筒内与缓冲筒滑动连接，与转动仓连接；缓冲筒与所述风机叶片连接。
优选的，所述风机叶片上设有固定端滑轨；所述固定端滑轨滑动连接有侧柱；所述侧柱与所述支杆通过球铰铰接。
优选的，所述支杆与风机叶片的连接位置的优化方法包括，
将风机叶片简化为悬臂梁；
构建悬臂梁起点固定，支杆靠近悬臂梁起点的端部固定、另一端与悬臂梁铰接的有限元模型；
对悬臂梁施加预设风压；
通过有限元分析支杆与悬臂梁的连接位置不同时悬臂梁的挠度、剪力、弯矩和转角；
根据悬臂梁的挠度、剪力、弯矩和转角优化支杆与悬臂梁的连接位置，得到支杆与风机叶片的连接位置。
优选的，所述支杆与风机叶片的连接位置位于风机叶片的3/8～5/8处。
一种抑制风电柔性叶片变形的支杆系统的优化方法，包括，
记风机叶片与风机轮毂相连的端部记为起点，风机叶片的叶尖记为终点，将风机叶片简化为悬臂梁；
构建悬臂梁起点固定，支杆靠近悬臂梁起点的端部固定、另一端与悬臂梁铰接的有限元模型；
对悬臂梁施加预设风压；
通过有限元分析支杆与悬臂梁的连接位置不同时悬臂梁的变形参数；
根据悬臂梁的变形参数优化支杆与悬臂梁的连接位置，得到支杆与风机叶片的连接位置。
优选的，还包括，
在对悬臂梁施加预设风压后，通过有限元分析支杆与悬臂梁的连接位置不同时支杆的拉应力；
根据悬臂梁的变形参数以及支杆的拉应力优化支杆与悬臂梁的连接位置，得到支杆与风机叶片的连接位置；
所述悬臂梁的变形参数包括悬臂梁的挠度、剪力、弯矩和转角。
本发明的有益效果：
本发明增加支杆使得风力机的超长柔性叶片转化为具有冗余自由度的超静定梁，能够控制叶片挥舞、降低叶片柔性，有效降低超长柔性叶片的受力和变形，提高整体稳定性和安全性，提升风力机叶片的承载能力，同时具有构造简单、成本低、气动效率良好、施工方便等优点。
本发明在轮毂前端放置转动仓与支杆连接，可有效避免支杆与风机塔筒发生缠绕现象。
本发明在叶片与支杆连接处采用滑轨设计，风机在运转过程中，叶片可以发生一定的偏航，可以增强支杆在风机运行过程中的稳定性，延长支杆的使用寿命。
附图说明
图1为实施例一提供的抑制风电柔性叶片变形的支杆系统应用于水平轴风力机时的示意图；
图2为实施例一提供的风机轮毂与转动仓以及支杆的连接侧视图；
图3为实施例一提供的风机轮毂与转动仓以及支杆连接正视图；
图4为实施例一提供的叶片与支杆的连接示意图；
图5为实施例一提供的支杆内部结构示意图；
图6(a)为应用于水平轴风力机时，支杆与风机叶片的连接位置靠近翼尖处的示意图；
图6(b)为应用于水平轴风力机时，支杆与风机叶片的连接位置位于中部的示意图；
图6(c)为应用于水平轴风力机时，支杆与风机叶片的连接位置靠近风机轮毂的示意图；
图7为实施例二提供的抑制风电柔性叶片变形的支杆系统的优化方法的流程图；
图8(a)为实施例三中，无支杆时风机叶片的变形图；
图8(b)～8(h)分别为实施例三中支杆分别与风机叶片的1/8处(图8(b))、1/4处(图8(c))、3/8处(图8(d))、1/2处(图8(e))、5/8处(图8(f))、3/4处(图8(g))、7/8(图8(h))处连接时风机叶片的变形图；
图9为实施例三中有限元分析时，悬臂梁剪力的拟合函数；
图10为实施例三中有限元分析时，悬臂梁位移的拟合函数；
图11为实施例三中有限元分析时，杆件剪力和位移加权后的减小量以及减小量的拟合函数；
其中，1为风机叶片；2为风机轮毂；3为支杆；31为缓冲杆；32为缓冲筒；4为风机塔筒；5为转动仓；6为螺栓；7为传动机舱；8为固定端滑轨；9为侧柱；10为减震弹簧；100为悬臂梁。
具体实施方式
下面结合实施方式对本发明作进一步描述。以下实施方式仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一
本实施例提供一种抑制风电柔性叶片变形的支杆系统，参见图1、图2和图3，包括转动仓5和多个支杆3；转动仓5和风机塔筒4分别位于风机叶片1的两侧，转动仓5通过风机轮毂2内设置的传动机舱7与风机轮毂2传动连接；支杆3一端与风机叶片1连接，一端与转动仓5连接，支杆3随风机叶片1、转动仓5、风机轮毂2同步旋转。
参见图2，转动仓5设于风机轮毂2尖端位置处。转动仓5材质与风机材质相一致。
增加支杆3使得风力机的超长柔性叶片转化为具有冗余自由度的超静定子系统，从而有效降低超长柔性叶片的受力和变形，可在抑制风力机叶片变形的同时显著提升风力机叶片的承载能力，且具有构造简单、成本低、气动效率良好、施工方便等优点。
在本发明的可选实施例中，参见图1、图2及图3，转动仓5为圆柱形，转动仓5与风机轮毂2共轴线；转动仓5侧面开孔，支杆3插入转动仓5侧面的开孔并通过螺栓6与转动仓5固定连接。
在本发明的可选实施例中，参见图1、图6(a)、图6(b)和图6(c)，支杆3数量与风机叶片1一致，支杆3与风机叶片1一一对应，优选多个支杆3的长度相等，支杆3与支杆3间的夹角相等。多个支杆3在转动仓5上的多个连接点等间距分布，多个连接点共面且组成的平面与转动仓5的轴线垂直；沿着翼展方向，记风机叶片1与风机轮毂2相连的端部记为起点，风机叶片1的叶尖记为终点，每个支杆3与风机叶片1的连接位置相同。
在本发明的可选实施例中，参见图5，支杆3包括缓冲杆31、缓冲筒32和减震弹簧10。减震弹簧10设于缓冲筒32内，两端分别与缓冲杆31、缓冲筒32连接。缓冲杆31插入缓冲筒内与缓冲筒32滑动连接，与转动仓5通过螺栓6连接。缓冲筒32与风机叶片1连接。
在本发明的可选实施例中，参见图4，风机叶片1上设有固定端滑轨8，固定端滑轨8滑动连接有侧柱9，侧柱9与支杆3的缓冲筒32通过球铰铰接。
使用时，当风载施加在在风机叶片1上，风机叶片1受外力弯曲而挤压缓冲筒32，缓冲筒32抵压减震弹簧10，减震弹簧10受压收缩，同时通过缓冲杆31给风机叶片1一个支撑力，将风机叶片1受到的冲击力转变成弹性势能释放，对冲击起到缓冲作用，从而减少风机叶片1弯曲程度，阻碍风机叶片1弯曲。
支杆3无预应力施加，支杆3与风机叶片1之间通过一侧柱9与球铰进行连接，当风机叶片1发生偏航时，侧柱9可在固定端滑轨8上进行移动，侧柱9与支杆3之间通过球铰进行连接，可以实现柔性支撑，增强抵抗振动和冲击载荷等效果。
图1为抑制风电柔性叶片变形的支杆系统应用于水平轴风机时的示意图，风机叶片1、风机轮毂2、风机塔筒4为现有部件。此时，支杆设有3个，转动仓5侧边每隔120°处设有一个连接点与支杆3连接。
具体的，支杆与风机叶片的连接位置，由建立的有限元模型进行线弹性特征值屈曲分析进行确定。优化方法如下：记所述风机叶片与风机轮毂相连的端部记为起点，风机叶片的叶尖记为终点，将风机叶片简化为悬臂梁，构建悬臂梁起点固定，支杆靠近悬臂梁起点的端部固定、另一端与悬臂梁铰接的有限元模型，对悬臂梁施加预设风压，通过有限元分析支杆与悬臂梁的连接位置不同时悬臂梁的挠度、剪力、弯矩和转角；根据悬臂梁的挠度、剪力、弯矩和转角确定支杆与悬臂梁的连接位置，进而得到支杆与风机叶片的连接位置。
具体的，根据变形的特点，当受到的外荷载增加一个为微量，其位移将发生较大的变化，因此对于悬臂梁的挠度曲线的近似微分方程为：
其中，x为沿翼展方向的长度，m；记悬臂梁起点处x为0；y(x)为沿翼展方向的长度为x时截面处的挠度大小，m；C为一次项系数；D为常数项系数；M(x)为沿翼展方向的长度为x时截面处所受弯矩大小，N*m；EI为悬臂梁的抗弯刚度，N/M2。一次项系数和常数项系数由悬臂梁所处工况决定。
对于沿翼展方向的长度为x时截面处的剪力N(x)为：
N(x)＝∑F(x)
其中，剪力N(x)单位为N；F(x)为沿翼展方向的长度为x时截面处所受竖直方向的外力，N。
弯矩M(x)的计算公式为：
M(x)＝∑F(x)x
沿翼展方向的长度为x时截面处的转角θ(x)为：
当悬臂梁发生弯曲变形时，固定于悬臂梁上的支杆将会受到一定的拉压力。优选的，对风力机结构构建有限元模型并施加预设风压时还可以进一步比较支杆与风机叶片的连接位置不同时支杆的拉应力来综合优化支杆与风机叶片的连接位置。
拉压力应由欧拉公式进行相应的计算，其相应的公式表示为：
其中，Fcr为支杆所受拉压力，N；μ为长度系数，在此结构的有限元模型建立中，将支杆与悬臂梁之间的连接简化为铰接，所以取值通常为1。l为支杆的长度，m。
优选的，支杆3与风机叶片1的1/2处连接。
实施例二
本实施例提供一种抑制风电柔性叶片变形的支杆系统的优化方法，采用实施例一所述的抑制风电柔性叶片变形的支杆系统，参见图7，包括，
记所述风机叶片与风机轮毂相连的端部记为起点，风机叶片的叶尖记为终点，将风机叶片简化为悬臂梁，构建悬臂梁起点固定，支杆靠近悬臂梁起点的端部固定、另一端与悬臂梁铰接的有限元模型，对悬臂梁施加预设风压，通过有限元分析支杆与悬臂梁的连接位置不同时悬臂梁的挠度、剪力、弯矩和转角；根据悬臂梁的挠度、剪力、弯矩和转角优化支杆与悬臂梁的连接位置，进而得到支杆与风机叶片的连接位置。
具体的，根据变形的特点，当受到的外荷载增加一个为微量，其位移将发生较大的变化，因此对于悬臂梁的挠度曲线的近似微分方程为：
其中，x为沿翼展方向的长度，m；记悬臂梁起点处x为0；y(x)为沿翼展方向的长度为x时截面处的挠度大小，m；C为一次项系数；D为常数项系数；M(x)为沿翼展方向的长度为x时截面处所受弯矩大小，N*m；EI为悬臂梁的抗弯刚度，N/M2。一次项系数和常数项系数由悬臂梁所处工况决定。
对于沿翼展方向的长度为x时截面处的剪力N(x)为：
N(x)＝∑F(x)
其中，剪力N(x)单位为N；F(x)为沿翼展方向的长度为x时截面处所受竖直方向的外力，N。
弯矩M(x)的计算公式为：
M(x)＝∑F(x)x
沿翼展方向的长度为x时截面处的转角θ(x)为：
当悬臂梁发生弯曲变形时，固定于悬臂梁上的支杆将会受到一定的拉压力。优选的，对风力机结构构建有限元模型并施加预设风压时还可以进一步比较支杆与风机叶片的连接位置不同时支杆的拉应力来综合优化支杆与风机叶片的连接位置。
拉压力应由欧拉公式进行相应的计算，其相应的公式表示为：
其中，Fcr为支杆所受拉压力，N；μ为长度系数，在此结构的有限元模型建立中，将支杆与悬臂梁之间的连接简化为铰接，所以取值通常为1。l为支杆的长度，m。
实施例三
将风机叶片1简化为悬臂梁100，风机叶片1起点即为悬臂梁100起点，风机叶片1的终点即为悬臂梁100终点，具体参数设置如下：
工况一：设风机叶片1简化后的悬臂梁100总长设为1m，在悬臂梁100起点固定、悬臂梁100无支撑的情况下，设定悬臂梁100抗拉刚度无穷大，抗弯刚度为1000000N/M2，自重为1800kg/m，承受从悬臂梁起点2500N的压力递减到悬臂梁终点1500N的线性荷载。示意图如附图8(a)所示。
工况二：悬臂梁100设置以及外荷载条件与工况一相同，在距离悬臂梁100起点1/8长度处设置一个铰接点与支杆3铰接，支杆3另一端固定于悬臂梁起点下侧0.125m处。支杆3抗拉刚度无穷大，抗弯刚度为800000N/M2，自重为1000kg/m。示意图如附图8(b)所示。
工况三：除将支杆3与悬臂梁100的连接位置改到悬臂梁100起点1/4处外，其余设置与工况二相同，示意图如附图8(c)所示。
工况四：除将支杆3与悬臂梁100的连接位置改到悬臂梁100起点3/8处外，其余设置与工况二相同，示意图如附图8(d)所示。
工况五：除将支杆3与悬臂梁100的连接位置改到悬臂梁100起点1/2处外，其余设置与工况二相同，示意图如附图8(e)所示。
工况六：除将支杆3与悬臂梁100的连接位置改到悬臂梁100起点5/8处外，其余设置与工况二相同，示意图如图8(f)所示。
工况七：除将支杆3与悬臂梁100的连接位置改到悬臂梁100起点3/4处外，其余设置与工况二相同，示意图如图8(g)所示。
工况八：除将支杆3与悬臂梁100的连接位置改到悬臂梁100起点7/8处外，其余设置与工况二相同，示意图如图8(h)所示。
施加风压后，各工况下悬臂梁100和支杆3的变形如图8(a)～图8(h)所示。
采用实施例二所述的方法进行模拟，得到表1。
表1不同工况下悬臂梁终点处的参数对比列表
工况 挠度/m 转角/Deg 剪力/N 弯矩/N*m
1 0.0000065 0.0000998 1695.31250 685.87240
2 0.0000017 0.0000136 796.50879 439.20607
3 0.0000005 0.0000044 681.06082 63.79424
4 0.0000004 0.0000047 555.32130 9.21220
5 0.0000001 0.0000014 118.33697 17.75155
6 0.0000003 0.0000032 357.33263 18.93710
7 0.0000006 0.0000083 600.54665 22.20377
8 0.0000010 0.0000134 783.24374 52.18778
根据表一中的剪力大小，可得关于支杆铰接位置x与剪力y的拟合公式：y＝74067.96709+(-1.4633*107/PI)*(63.11979/(4*(x-5.21773)^2+63.11979^2))，如图9所示。
根据表一中的挠度，可得关于支杆铰接位置x与挠度(竖向的位移)y的拟合公式：y＝9.50499*10-4+(-0.33734/PI)*(112.91911/(4*(x-5.40042)^2+112.91911^2))，拟合函数如图10所示。
将以上不同工况下杆件的剪力和挠度进行1：1加权，并与无支杆的工况进行对比，得到各个工况下剪力与位移减小量，并对减小量进行拟合，如图11所示。可知，在风机叶片1的中部布设支杆3较佳，在风机叶片1的9/16处布置支杆3最佳。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
以上显示和描述了本发明的基本原理和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，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种抑制风电柔性叶片变形的支杆系统，其特征在于，包括转动仓和多个支杆；
所述转动仓和风机塔筒分别位于风机叶片的两侧，转动仓与风机轮毂传动连接；
所述支杆一端与风机叶片连接，一端与转动仓连接。
2.根据权利要求1所述的抑制风电柔性叶片变形的支杆系统，其特征在于，
所述转动仓为圆柱形，转动仓与风机轮毂共轴线，转动仓侧面开孔；
所述支杆插入转动仓侧面的开孔与转动仓固定连接。
3.根据权利要求1所述的抑制风电柔性叶片变形的支杆系统，其特征在于，所述支杆数量与风机叶片一致，支杆与风机叶片一一对应。
4.根据权利要求3所述的抑制风电柔性叶片变形的支杆系统，其特征在于，所述多个支杆的长度相等，支杆与支杆间的夹角相等；记风机叶片与风机轮毂相连的端部记为起点，风机叶片的叶尖记为终点，支杆与风机叶片的连接位置相同。
5.根据权利要求1所述的抑制风电柔性叶片变形的支杆系统，其特征在于，所述支杆包括缓冲杆、缓冲筒和减震弹簧；所述减震弹簧设于所述缓冲筒内，两端分别与所述缓冲杆、缓冲筒连接；缓冲杆插入缓冲筒内与缓冲筒滑动连接，与转动仓连接；缓冲筒与所述风机叶片连接。
6.根据权利要求1所述的抑制风电柔性叶片变形的支杆系统，其特征在于，所述风机叶片上设有固定端滑轨；所述固定端滑轨滑动连接有侧柱；所述侧柱与所述支杆通过球铰铰接。
7.根据权利要求4所述的抑制风电柔性叶片变形的支杆系统，其特征在于，所述支杆与风机叶片的连接位置的优化方法包括，
将风机叶片简化为悬臂梁；
构建悬臂梁起点固定，支杆靠近悬臂梁起点的端部固定、另一端与悬臂梁铰接的有限元模型；
对悬臂梁施加预设风压；
通过有限元分析支杆与悬臂梁的连接位置不同时悬臂梁的挠度、剪力、弯矩和转角；
根据悬臂梁的挠度、剪力、弯矩和转角优化支杆与悬臂梁的连接位置，得到支杆与风机叶片的连接位置。
8.根据权利要求7所述的抑制风电柔性叶片变形的支杆系统，其特征在于，所述支杆与风机叶片的连接位置位于风机叶片的3/8～5/8处。
9.一种抑制风电柔性叶片变形的支杆系统的优化方法，其特征在于，包括，
记风机叶片与风机轮毂相连的端部记为起点，风机叶片的叶尖记为终点，将风机叶片简化为悬臂梁；
构建悬臂梁起点固定，支杆靠近悬臂梁起点的端部固定、另一端与悬臂梁铰接的有限元模型；
对悬臂梁施加预设风压；
通过有限元分析支杆与悬臂梁的连接位置不同时悬臂梁的变形参数；
根据悬臂梁的变形参数优化支杆与悬臂梁的连接位置，得到支杆与风机叶片的连接位置。
10.根据权利要求9所述的抑制风电柔性叶片变形的支杆系统的优化方法，其特征在于，还包括，
在对悬臂梁施加预设风压后，通过有限元分析支杆与悬臂梁的连接位置不同时支杆的拉应力；
根据悬臂梁的变形参数以及支杆的拉应力优化支杆与悬臂梁的连接位置，得到支杆与风机叶片的连接位置；
所述悬臂梁的变形参数包括悬臂梁的挠度、剪力、弯矩和转角。
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