一種控制風力機葉片揮舞的空間拉索系統及優化方法與流程

2023-06-11 15:22:51 2

本發明公開了一種控制葉片揮舞的空間拉索系統及優化方法，涉及風電系統的建築技術領域和大型高聳結構抗風技術領域。

背景技術：

作為風能發電的主要構築物之一，風力機逐漸朝著大功率化發展，隨之而來的風致破壞和穩定性問題卻愈加突出，其中葉片彎扭斷裂、塔架失穩倒塌是最常見的破壞形式。

強風作用下的風力機體系處於停機狀態，與旋轉狀態相比其抗彎剛度反而有所降低。此外強風風向的劇烈變化會導致翼型風攻角大幅改變，進而風力機葉片在某些攻角範圍內出現氣動失穩現象，而葉片的揮舞擺振是失穩破壞前的主要形式。

就目前來說，採用內部加筋提高葉片的剛度是控制葉片變形最常見的形式之一，但風力機葉片內部加筋也有諸多缺點。例如拉力的大小不易控制，稍有不慎葉片會整體斷裂；葉片內部加筋的施工難度較大，增加了施工措施費；葉片加筋後自重較大，在低風速時很難運轉發電，而且難以應對風載的不確定性對葉片造成的衝擊。

技術實現要素：

針對現有的技術缺陷與工程實際難題，本發明提供了一種施工方便、構造簡單、能顯著控制葉片揮舞且提高結構屈曲穩定能的空間拉索系統，其公開的技術方案為：

一種控制風力機葉片揮舞的空間拉索系統，其葉片由安裝於機艙上的輪轂連接而成，所述葉片有三個，葉片之間沿翼展方向的相同部位採用通長的空間拉索進行固定，固定在葉片相同部位的一組三條空間拉索構成一個無多餘自由度的靜定子系統，所述葉片之間具有固定在相同部位的若干組三條空間拉索，所述相同部位分別在葉片的1/4、1/2、3/4和葉尖處，所述的若干組三條空間拉索構成多個靜定子系統，所述靜定子系統數量由建立的有限元模型進行線彈性特徵值屈曲分析確定，對比安裝不同數量靜定子系統下風力機體系的屈曲係數，最終確定最優空間拉索靜定子系統數量，所述拉索與各葉片之間通過螺栓錨固連接構成了自錨體系。

在上述方案的基礎上，進一步改進或優選的方案還包括：

所述葉片由與塔架成180°夾角開始每120°順時針旋轉一次，固接於輪轂上構成了塔架-葉片耦合體系。

所述空間拉索通長布設於兩葉片之間沿翼展方向的相同部位。

所述空間拉索為斜拉索，由高強鋼絞線、兩端錨具、中間的拉索傳力件及防護材料組成。

所述葉片與拉索連接部位採用局部開孔的方式。

所述拉索與葉片採用直接錨固的方式，不施加預應力。

一種控制風力機葉片揮舞的空間拉索系統優化方法，建立風力機塔架-葉片-拉索一體化有限元模型並施加預設風壓，在此基礎上對風力機模型進行線彈性屈曲穩定性分析，對比安裝不同數量靜定子系統下風力機體系的屈曲係數，進而確定最優空間拉索靜定子系統的個數。

對風力機模型進行的所述線彈性屈曲穩定性分析為採用有限元特徵值屈曲分析的方法基於下述理論進行模擬：

a)根據失穩定義，結構屈曲是荷載增加一個微量，其位移將發生較大變化，因此結構的增量有限元平衡方程為：

([k0]+[kσ]+[kε]){△ue}＝0(1)

式中，[k0]為單元的彈性剛度矩陣，[kσ]為單元的初應力剛度矩陣，[kε]為單元的初應變剛度矩陣，{△ue}為節點位移增量向量。

b)當結構屈曲時方程(1)中{△ue}必有非零解，因而：

([k0]+[kσ]+[kε])＝0(2)

c)結構的線性屈曲分析假設屈曲前結構處於初始平衡狀態，因此式(2)中[kε]＝0；而在小位移情況下，[kσ]與應力水平成正比，應力與外荷載也為線性關係。設kpσ為參考荷載p對應的初應力矩陣，λcr為屈曲時的荷載參數，pcr＝λcrp，則屈曲時結構的初應力矩陣可表示為：

[kσ]＝λ[kpσ](3)

d)代入(2)式，得經典線性穩定理論的控制方程為：

[kσ]+λcr[kpσ]＝0(4)

有益效果：

本發明提出了一種控制風力機葉片揮舞的空間拉索系統及優化方法，可在控制風力機葉片揮舞的同時顯著提升風力機塔架-葉片耦合體系的屈曲穩定性能，且具有構造簡單、施工方便等優點，適合推廣使用。

附圖說明

圖1為本發明水平軸風力機的整體結構示意圖,(a)為布設一個靜定子系統的水平軸風力機；(b)為布設兩個靜定子系統的水平軸風力機。

圖2為本發明垂直軸風力機的整體結構示意圖,(a)為布設一個靜定子系統的垂直軸風力機；(b)為布設兩個靜定子系統的垂直軸風力機；(c)為布設三個靜定子系統的垂直軸風力機。

圖3為拉索固定的局部結構示意圖。

圖4為螺栓的結構示意圖。

具體實施方式

為了闡明本發明的技術方案和技術效果，下面結合附圖與具體實施例對本發明做進一步的說明。

一種控制風力機葉片揮舞的空間拉索系統及優化方法，包括：在兩葉片之間沿翼展方向的相同部位布設通長的空間拉索，拉索採用高強鋼絞線，拉索與葉片採用直接錨固的方式，形成一個無多餘自由度的靜定結構，用於控制葉片的揮舞變形；增加布設靜定子系統，並對不同數量靜定子系統的風力機體系進行線彈性屈曲特徵值分析，從而確定最優空間拉索靜定子系統數量。

如圖1所示，基於上述方法的一種控制風力機葉片揮舞的空間拉索系統，其結構體系由葉片1、機艙2、輪轂3、拉索4和塔架5等部分組成。所述三個葉片沿翼展方向的相同部位布設了三條拉索，所述相同部位分別在葉片的1/4、1/2、3/4和葉尖處，拉索採用高強鋼絞線並用螺栓固定，螺栓局部構造見圖3和4；所述葉片相同部位的一組三條空間拉索構成了一個無多餘自由度的靜定子系統，所述空間拉索系統是由若干組三條拉索構成的多個靜定子系統，所述靜定子系統的數量由建立的有限元模型進行的線彈性特徵值屈曲分析確定，對比安裝不同數量靜定子系統下風力機體系的屈曲係數，最終確定最優空間拉索靜定子系統數量，所述拉索與各葉片之間通過螺栓錨固連接構成了自錨體系。

所述採用有限元特徵值屈曲分析的方法基於下述理論進行模擬：

e)根據失穩定義，結構屈曲是荷載增加一個微量，其位移將發生較大變化，因此結構的增量有限元平衡方程為：

([k0]+[kσ]+[kε]){△ue}＝0(5)

式中，[k0]為單元的彈性剛度矩陣，[kσ]為單元的初應力剛度矩陣，[kε]為單元的初應變剛度矩陣，{△ue}為節點位移增量向量。

f)當結構屈曲時方程(5)中{△ue}必有非零解，因而：

([k0]+[kσ]+[kε])＝0(6)

g)結構的線性屈曲分析假設屈曲前結構處於初始平衡狀態，因此式(6)中[kε]＝0；而在小位移情況下，[kσ]與應力水平成正比，應力與外荷載也為線性關係。設kpσ為參考荷載p對應的初應力矩陣，λcr為屈曲時的荷載參數，pcr＝λcrp，則屈曲時結構的初應力矩陣可表示為：

[kσ]＝λ[kpσ](7)

h)代入(6)式，得經典線性穩定理論的控制方程為：

[kσ]+λcr[kpσ]＝0(8)

實施例1

本實施例以國內某大型水平軸風力機為例，如圖1所示，具體實施步驟為：

i)首先將三條拉索直接錨固於三個葉片的葉尖部位，如圖1(a)形成了一個無多餘自由度的靜定子系統，並進行動力特性分析獲得風力機體系的基頻；

j)針對該系統建立有限元模型並施加預設風壓，在此基礎上基於理論方程進行線彈性屈曲特徵值分析，獲取計算的屈曲係數和屈曲位移；

k)設葉片總長為h，依次在距輪轂h/2(圖1(b))、h/4和3h/4處設置靜定子系統，並進行動力特性和屈曲分析，最終對比布有不同數量靜定子系統的風力機體系的基頻、屈曲係數和屈曲位移，結果如表1所示。對比可知，隨靜定子系統數量的增加，屈曲係數和屈曲位移均呈先增後減再增的趨勢，結構基頻逐漸減小。綜合考慮結構的穩定性能以及造價問題，發現兩個靜定子系統時屈曲位移較其它數量的系統小，且基頻降低較小，更為經濟，為多種靜定子系統中受力性能的最優狀態。

表1基於不同數量拉索系統的風力機屈曲係數、屈曲位移和基頻對比列表

針對上述確定的兩個靜定子系統進行布設方案對比，具體布設方案和分析結果(屈曲係數/屈曲位移)如表2所示。對比發現：兩個靜定子系統距輪轂位置越近其承受變形的能力越強，並受兩個靜定子系統布設間距的影響較小。因此，針對此現象給出具體布設建議：在葉根至距輪轂3h/4處範圍內可任意布設靜定子系統，其建議間距為h/4。

表2基於兩個靜定子系統不同布設方案的風力機屈曲係數和屈曲位移對比列表

實施例2

本實施例以國內某大型垂直軸風力機為例，如圖2所示，具體實施步驟為：

i)首先將六條拉索直接錨固於六個葉片的頂部，如圖2(a)形成了一個空間拉索系統，在此基礎上進行動力特性分析獲得風力機體系的基頻；

j)針對該系統建立有限元模型並施加預設風壓，在此基礎上基於理論方程進行線彈性屈曲特徵值分析，獲取計算的屈曲係數和屈曲位移；

k)設葉片總長為h，依次在距葉片頂部h和h/2處(圖2(b)和圖2(c))設置靜定子系統，並進行動力特性和屈曲分析，最終對比布有不同數量靜定子系統的風力機體系的基頻、屈曲係數和屈曲位移，結果如表3所示。對比可知，隨靜定子系統數量的增加，屈曲係數呈逐漸增大的趨勢，屈曲位移先增後減，結構基頻逐漸減小；靜定子系統布設位置對結構位移和穩定性影響顯著，越靠近葉尖部位結構屈曲失穩概率越小。綜合考慮結構的穩定性能以及造價問題，發現同時在葉片頂部、中部和底部布設拉索風力機體系綜合性能最好，為多種靜定子系統中受力性能的最優狀態。本實施例的具體布設方案不再贅述。

表3基於不同數量/位置拉索系統的風力機屈曲係數、屈曲位移和基頻對比列表

本發明通過在葉片沿翼展方向的相同部位布設拉索系統，並採用線彈性屈曲特徵值分析的方法確定最優靜定子系統的數量，控制了葉片的揮舞變形，顯著提高了塔架-葉片耦合體系的屈曲穩定性能。

以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，本發明要求保護範圍由所附的權利要求書、說明書及其等效物界定。