大型风力机叶片十字弹性抗振抗损装置及大型风力机叶片
阅读说明：本技术 大型风力机叶片十字弹性抗振抗损装置及大型风力机叶片 (Cross elastic vibration and damage resisting device for large wind turbine blade and large wind turbine blade ) 是由 胡丹梅 曾理 潘卫国 商洪涛 邓立巍 于 2021-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种大型风力机叶片十字弹性抗振抗损装置及大型风力机叶片,其中振抗损装置包括支撑体、第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧,第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧的一端分别连接至支撑体,所有弹簧和支撑体在一个平面上,且第一弹簧和第三弹簧的方向相同,第二弹簧和第四弹簧在一条直线上并与第一弹簧垂直,第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧的另一端上均设有用于连接风力机叶片内壁的连接件。与现有技术相比,本发明具有提高叶尖部抗振抗损能力等优点。(The invention relates to a large-scale wind turbine blade cross-shaped elastic anti-vibration and anti-damage device and a large-scale wind turbine blade, wherein the vibration and anti-damage device comprises a supporting body, a first spring, a second spring, a third spring and a fourth spring, one end of the first spring, one end of the second spring, one end of the third spring and one end of the fourth spring are respectively connected to the supporting body, all the springs and the supporting body are arranged on the same plane, the directions of the first spring and the third spring are the same, the second spring and the fourth spring are arranged on the same straight line and are vertical to the first spring, and connecting pieces used for connecting the inner wall of the wind turbine blade are arranged at the other ends of the first spring, the second spring, the third spring and the fourth spring. Compared with the prior art, the invention has the advantages of improving the vibration resistance and damage resistance of the blade tip part and the like.)
技术领域
本发明涉及，尤其是涉及一种大型风力机叶片十字弹性抗振抗损装置及大型风力机叶片。
背景技术
21世纪以来，随着能源问题愈发严重，各国对风能的利用到了快速发展阶段。风轮叶片是风力机将风能转化成机械能的核心部件，风轮叶片的可靠性对风力机的安全运行起到了至关重要的作用。由于风速风向变化无常，导致风力机工作环境十分复杂。风轮就长期暴露在气动力载荷、离心力载荷、重力载荷等一系列复杂载荷之下。塔架有其本身的固有频率，发电机工作产生振动频率，如果叶片的频率与其中任何频率发生共振都会导致疲劳损伤。叶片破坏的主要因素之一就是叶片发生共振现象，此现象会使叶片材料的疲劳加剧，其有效使用寿命降低，严重时甚至会直接导致叶片损伤断裂。机构所受的载荷会由于共振现象被放大，机身或者叶片就会发生严重抖动，影响其发电效率，严重的甚至导致其损坏，所以，叶片的结构动力设计就显得尤为关键。模态分析是现代结构动力特性研究的一种常用方法，也是工程振动领域中系统辨别方法的一项重要应用。根据固有振动特性的研究结果，可有效避免外界激励与自振频率相同而产生共振，防止机械结构的破坏。
国内外已经对风力机固有频率、模态振型做出了很多系统性研究。而在叶片结构上进行额外加固抗振还非常的少。叶片这种在风力机中最容易损坏的结构，对其结构上进行加固抗振抗损是非常必要的，特别是在复杂的环境中，风力机叶片很有可能与外界环境发生共振，造成风力机受损，减少风力机的使用寿命。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种大型风力机叶片十字弹性抗振抗损装置及大型风力机叶片。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种大型风力机叶片十字弹性抗振抗损装置，包括支撑体、第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧，第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧的一端分别连接至支撑体，所有弹簧和支撑体在一个平面上，且第一弹簧和第三弹簧的方向相同，第二弹簧和第四弹簧在一条直线上并与第一弹簧垂直，所述第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧的另一端上均设有用于连接风力机叶片内壁的连接件。
所述第一弹簧、第二弹簧和第三弹簧上的连接件为锥连件，所述第四弹簧上的连接件为柱连件。
所述第一弹簧和第三弹簧在一条直线上。
所述第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧的基础刚度为1500N/m3--20000N/m3。
所述第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧的基础刚度为10000N/m3。
所述支撑体正方体、
一种大型风力机叶片，其上设有两个如上述中任一所述的抗振抗损装置，所述抗振抗损装置与叶片的叶片截面平行。
一个抗振抗损装置设置于相对叶高0.47-0.5处，另一个抗振抗损装置设置于相对叶高0.86-0.91处。
所述第一弹簧连接至压力面顶端内壁，所述第三弹簧连接至吸力面顶端内壁，所述第二弹簧连接至叶素前缘内壁。
所述第四弹簧连接至压力面内壁。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)每一个风力机叶片都装有两个十字弹性抗振抗损装置，通过进行模态分析，发现提高了风力机叶片的固有频率，比环境大部分频率高，这就减少了风力机叶片因共振导致风力机损坏的可能。
2)加装了十字弹性抗振抗损装置的风力机叶片，通过模态分析发现，风力机叶片发生共振时的最大变形量大大减少，这使得风力机叶片有了更强的抗共振能力，减小了共振对风力机叶片的破坏，延长了风力机的使用寿命。
3)加装了十字弹性抗振抗损装置的风力机叶片与未加装相比，未加装的风力机叶片模态的最大变形量位于叶尖处，而加装了十字弹性抗振抗损装置的风力机叶片模态的最大变形量由叶尖向叶中部移动。这就使得最为脆弱的叶尖部抗振抗损能力加强，延长了风力机的使用寿命。
附图说明
图1为本发明加装有十字弹性抗振抗损装置的5MW风力机叶片结构示意图；
图2为叶片截面的示意图；
图3为抗振抗损装置的安装示意图；
图4为风力机静止状态下不同弹簧基础刚度下模态频率及前三阶模态的最大变形量与未加装十字抗振抗损装置的对比折线图，其中，(a)为风力机静止状态下不同弹簧基础刚度下一阶模态频率与未加装十字抗振抗损装置一阶模态频率对比折线图，(b)为风力机静止状态下不同弹簧基础刚度下二阶模态频率与未加装十字抗振抗损装置二阶模态频率对比折线图，(c)为风力机静止状态下不同弹簧基础刚度下三阶模态频率与未加装十字抗振抗损装置三阶模态频率对比折线图；(d)为风力机静止状态下不同弹簧刚度下前三阶模态的最大变形量与未加装十字抗振抗损装置前三阶模态的最大变形量对比折线图；
图5为风力机额定工作状态下不同弹簧基础刚度下模态频率及前三阶模态的最大变形量与未加装十字抗振抗损装置的对比折线图，其中，(a)为风力机额定工作状态下不同弹簧基础刚度下一阶模态频率与未加装十字抗振抗损装置一阶模态频率对比折线图，(b)为风力机额定工作状态下不同弹簧基础刚度下二阶模态频率与未加装十字抗振抗损装置二阶模态频率对比折线图，(c)为风力机额定工作状态下不同弹簧基础刚度下三阶模态频率与未加装十字抗振抗损装置三阶模态频率对比折线图，(d)风力机额定工作状态下不同弹簧基础刚度下前三阶模态的最大变形量与未加装十字抗振抗损装置前三阶模态的最大变形量对比折线图；
图6为弹簧在10000N/m3基础刚度下风力机静止或额定工作状态下与未加装十字抗振抗损装置发生最大变形相对叶高位置对比散点图。
其中：1、叶片主体，2、抗振抗损装置，3、抗振抗损装置，4、5、7、锥连件，6、第一弹簧，8、第二弹簧，9、柱连件，10、支撑体，11、叶素，12、第三弹簧，13、第四弹簧，A、叶素前缘内壁，B、吸力面顶端内壁，C、叶素后缘内壁，D、叶素前缘内壁以及过叶素前缘内壁与压力面顶端内壁、吸力面顶端内壁连线相垂直交于压力面一点内壁，E、压力面顶端内壁。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种大型风力机叶片十字弹性抗振抗损装置，如图1至图3所示，包括支撑体10、第一弹簧6、第二弹簧8、第三弹簧12和第四弹簧13，第一弹簧6、第二弹簧8、第三弹簧12和第四弹簧13的一端分别连接至支撑体10，所有弹簧和支撑体在一个平面上，且第一弹簧6和第三弹簧12的方向相同，第二弹簧8和第四弹簧13在一条直线上并与第一弹簧6垂直，第一弹簧6、第二弹簧8、第三弹簧12和第四弹簧13的另一端上均设有用于连接风力机叶片内壁的连接件。支撑体10正方体。
在一些实施例中，第一弹簧6、第二弹簧8和第三弹簧12上的连接件为锥连件，第四弹簧13上的连接件为柱连件9。
在一些实施例中，第一弹簧6和第三弹簧12在一条直线上。
在一些实施例中，第一弹簧6、第二弹簧8、第三弹簧12和第四弹簧13的基础刚度为1500N/m3--20000N/m3。某一个实施例中，第一弹簧6、第二弹簧8、第三弹簧12和第四弹簧13的基础刚度为10000N/m3。
一种大型风力机叶片，其上设有两个如上述的抗振抗损装置，抗振抗损装置与叶片的叶片截面平行。一个抗振抗损装置设置于相对叶高0.47-0.5处，另一个抗振抗损装置设置于相对叶高0.86-0.91处。第一弹簧6连接至压力面顶端内壁，第三弹簧12连接至吸力面顶端内壁，第二弹簧8连接至叶素前缘内壁。第四弹簧13连接至压力面内壁。
具体的，图1示出了本发明的水平轴风力机叶片主体1和十字弹性抗振抗损装置2和3的结构示意图，在一个风力机叶片上布置了两个十字弹性抗振抗损装置。两个十字弹性抗振抗损装置分别安装在相对叶高0.48和相对叶高0.89位置。两个装置的安装方法相同。
图2和图3示出了本发明的安装十字弹性抗振抗损装置的叶素示意图，十字弹性抗振抗损装置由四个弹簧6、8、12、13、一个支撑体10、三个锥连件4、5、7和一个柱连件9组成。叶素外轮廓曲线ABC为吸力面，叶素外轮廓曲线AEC为压力面。弦线为前缘点A与后缘点C间的直线AC，压力面顶端内壁E为压力面内壁离弦线垂直距离最远点，吸力面顶端内壁B为吸力面内壁离弦线垂直距离最远点。其中三个锥连件4、5、7分别位于风力机叶片吸力面顶端内壁B、压力面顶端内壁E以及叶素前缘内壁A。连接BE，过点A作BE的垂线交压力面于内壁于点D。AD垂直于BE，D为压力面内壁上的点。一个柱连件9用来连接弹簧端部与内壁D。弹簧6、8、12、13处于自由状态，既可以受压，也可以受拉，且弹簧基础刚度为1500N/m3--20000N/m3。其中基础刚度定义为产生基础单位法向变形的压力值。支撑体10为40×40×40mm的正方体。其中三个锥连件4、5、7与风力机叶片内壁平滑连接，弹簧6、8、12、13与四个连接件4、5、7、9和支撑体6也是平滑固定连接。
参照图3所示，弹簧6、8、12、13采用十字周向布置，这使得当风力机叶片发生共振时，弹簧6、8、12、13将给将要发生扭曲变形的叶片一个拉力或者压力，来阻止叶片因共振发生扭曲变形的幅度，同时提高了共振频率，减少了与外界发生共振的可能，延长了使用寿命。同时，弹簧6、8、12、13的基础刚度在一个合适值也是非常重要的，弹簧6、8、12、13基础刚度如果过低，发生共振时十字周向布置的弹簧6、8、12、13将会发生侧向扭曲变形，这使得十字弹性抗振抗损装置遭到破坏。如果弹簧6、8、12、13基础刚度过高，弹簧6、8、12、13给将要发生扭曲变形的叶片一个拉力或者压力将很小，这时风力机的扭曲幅度将会很大。所以找出弹簧6、8、12、13基础刚度的合适值，对于本发明也异常重要。
对加装和未加装十字弹性抗振抗损装置风力机叶片在静止和额定工作运行转速1.266rad/s以及不同弹簧基础刚度选取条件下进行了模态分析。由于前三阶集中了振动的主要能量，因此可以将前三阶模态频率视为风力机叶片固有频率。如图4和图5所示分别为风力机静止状态下不同弹簧刚度下前三阶模态频率、最大变形量与未加装十字抗振抗损装置对比折线图和风力机额定工作状态下不同弹簧刚度下前三阶模态频率、最大变形量与未加装十字抗振抗损装置对比折线图。通过模态分析计算发现，当弹簧基础刚度低于1500N/m3时，弹簧在共振时将发生侧向的扭曲破坏。当弹簧基础刚度高于20000N/m3时，风力机此时发生扭曲幅度过大。因此本发明装置适用于弹簧基础刚度1500N/m3--20000N/m3之间。通过图4的(a)、(b)、(c)和图5的(a)、(b)、(c)，发现未加装十字抗振抗损装置风力机旋转和静止时的前三阶模态频率都约为0.6HZ，在不同基础刚度下加装十字抗振抗损装置风力机旋转和静止时的前三阶模态频率约为2.5-2.7HZ。因此，在未加装十字抗振抗损装置时风力机的固有频率约为0.6HZ，在加装了十字弹性抗振抗损装置后在不同基础刚度下风力机固有频率变为2.5-2.7HZ，固有频率提高了约77％。同时也可以看出随着基础刚度的增加，风力机前三阶模态频率也随着增加，增加幅度很小。通过图4的(d)和图5的(d)发现发生共振时静止风力机叶片的最大变形量下降了26％-40％左右。额定工作时风力机叶片的最大变形量下降20％-40％左右。这都减小了风力机叶片因为共振而大幅度损坏的可能，增加了风力机的使用寿命。
此外，因为弹簧基础刚度适用范围大，这里就取弹簧在10000N/m3基础刚度下分析，其他适用基础刚度条件下有同样的结论。图6所示为弹簧在10000N/m3基础刚度下风力机静止或额定工作状态下与未加装十字抗振抗损装置发生最大变形相对叶高位置对比散点图。可以看出加装十字抗振抗损装置与未加装相比发生共振时叶片的最大变形量由叶尖位置向叶中部移动，这就使得脆弱的叶尖部在发生共振时得到保护，延长了风力机的使用寿命。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例，并非以此限制本发明的实施范围，可以理解，本领域研究人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围。
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